2.1植物细胞工程 课件(共45张PPT)人教版高中生物选修三

(共45张PPT)
什么叫细胞工程？
按操作对象分
植物细胞工程
动物细胞工程
原理方法
研究目的
研究水平
细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
植物组织培养技术
植物细胞的全能性
体外受精
胚胎移植
胚胎分割
细胞工程
植物细胞工程
动物细胞工程
胚胎工程
植物体细胞杂交技术
动物细胞培养
动物细胞融合
动物体细胞核移植
本章导图
1974年1960年1964年1971年哈伯兰特（1854-1945)提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。斯图尔德（1904-1993)等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。科技.探索P32植物细胞工程发展历史1902年科金（1931-)用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体。古哈（1938-2007)等在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉粒发育而来的胚。卡尔森（1944-2017)诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。土壤农杆菌的Ti质粒被发现。促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。1958年2.1 植物细胞工程
本节聚焦:
1.植物细胞工程的理论基础是什么？
2.什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？
3.怎样进行菊花的组织培养？
1.理解并掌握植物细胞全能性的概念、原因及其表现条件,形成结构与
功能相适应的观点;
2.总结植物组织培养技术的操作过程、原理、条件,并比较脱分化和
再分化的异同;
3.理解植物体细胞杂交技术的过程、原理、意义,构建植物体细胞杂交
的流程图;
学习目标
植物组织培养技术
从古至今，我国人民都把兰花看作高洁、典雅的象征，很多人喜欢养兰花。 但是兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低；传统分株繁殖的方式，又存在繁殖周期长、繁殖率低等问题，如果靠自然繁殖，兰花的价格可想而知了。
如何能让名贵的兰花大量、快速地繁殖，从而走入寻常百姓家呢？
【从社会中来】
“其芽茸茸，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开，凝晴露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非入兰室乎！”
新课导入
1 选取多肉上健康、饱满的叶片。
2 用剪刀切下整片叶片，切口要平滑、整齐。也可以直接用手轻轻掰下叶片。
3 平躺放在沙床上，叶片间隔相聚2~3厘米。
4 叶片切口不要有碰脏，摆放通风处2~3天，晾干。
5 待叶片晾干后移至半阴处培养。
6 约2~3周后生根，或从叶基处长出不定芽。
7 叶插成功
为什么多肉叶片能发育成植株？依据的原理什么？
——多肉进行叶插繁殖
一、细胞的全能性
细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能，即细胞具有全能性。
1、具有全能性的原因：
生物体的每一个细胞都包含有该生物生长发育所需的全套基因
2、体现全能性的标志：
细胞→ 完整个体或其他各种细胞
实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株
受精卵发育成个体（动植物）
用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株
随着细胞分化程度的不断提高, 细胞的全能性逐渐降低
3、全能性大小的比较：
4、生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性
原因：
基因在特定的时间和空间条件下 的结果；
——如何才能让细胞表现出全能性？
①芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶；
②神经干细胞分化形成各类神经细胞；
选择性表达
①植物细胞 动物细胞；
②受精卵 生殖细胞（卵细胞、精子） 体细胞；
③幼嫩的细胞 衰老的细胞；
④分裂能力强的细胞 分裂能力弱的细胞。
＞
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外植体
脱分化
愈伤组织
1.植物组织培养：
3.一般过程：
指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.原理：
细胞的全能性
二、植物组织培养技术
统称外植体
再分化
根、芽等
生长发育
完整植株
移栽成活
外植体
脱分化
愈伤组织
1.植物组织培养：
3.一般过程：
指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.原理：
细胞的全能性
二、植物组织培养技术
统称外植体
再分化
根、芽等
生长发育
完整植株
4.培养条件：
1）离体条件：
2）培养条件：
无菌、营养、适宜温度、光、和pH
离体的植物器官、组织或细胞等——外植体
3）特殊因子：
植物激素(生长素与细胞分裂素)等
1.植物组织培养：
3.分裂方式：
指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.生殖方式：
无性生殖
二、植物组织培养技术
统称外植体
4.原 理：
有丝分裂
细胞的全能性
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
脱分化
再分化
再分化
探究·实践
菊花的组织培养
1.实验原理：植物细胞一般具有全能性。
外植体
愈伤组织
芽、根等
完整植株
脱分化
再分化
生长发育
脱分化
再分化
让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程。
不定形的薄壁组织团块。
愈伤组织
愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。
外植体
从植物体上被分离下来的，接种在培养基上供培养用的器官、组织、细胞等。
1.植物组织培养：
3.分裂方式：
指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.生殖方式：
无性生殖
二、植物组织培养技术
统称外植体
4.原 理：
有丝分裂
细胞的全能性
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
脱分化
再分化
再分化
2. 材料用具
①外植体：
幼嫩的菊花茎段
(容易诱导形成愈伤组织)
②体积分数为70%的酒精
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液
④无菌水
⑤培养基（参见本书附录1）
水、无机盐、碳源、氮源、
特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)；
探究·实践
菊花的组织培养
探究·实践
菊花的组织培养
外植体
愈伤组织
芽、根等
完整植株
脱分化
再分化
生长发育
生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。
它们的浓度、比例都会影响植物细胞的发育方向。
生长素/细胞分裂素 结果
比值适中
比值低
比值高
促进芽的分化
促进根的分化
促进愈伤组织的形成
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
外植体的消毒
外植体的切段
将消过毒的外植体置于无菌培养皿中
→用无菌滤纸吸去表面的水分
→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。
探究·实践
菊花的组织培养
酒精
30S
无菌水
2-3次
次氯酸钠溶液
30min
2-3次
无菌水洗
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
探究·实践
菊花的组织培养
在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。
注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！
（将“形态学上端”朝上，下端朝下）
接种外植体
诱导愈伤组织
(脱分化)
置于18～22℃的培养箱中培养，在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。
注意：该过程一般不需要光照，有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
探究·实践
菊花的组织培养
诱导生芽生根
先接种到诱导生芽的培养基上
再接种到诱导生根的培养基上
注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根；
该过程每日需要给予适当的光照！
移 栽
移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。
(再分化)
植物组织培养的两种常规途径
胚状体
途径
胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为胚状体。
器官发生途径
拓展
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽生根
或胚状体
生长发育
完整植株
生芽生根或胚状体
植物体
脱分化
再分化
细胞表现全能性的条件：
①离体状态
②无菌条件
③适宜的温度、pH和光照等
④一定的营养条件
⑤植物激素
遮光
一定的光照
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…
叶绿素的合成需要光照
二、植物组织培养技术
(1)高度分化的细胞，只有发育成一个完整的生物个体，才能体现出细胞的全能性。( )
(2)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。( )
(3)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。( )
(4)试管苗在诱导形成后，就可以直接移栽到土壤中，不过还需要适时浇水、施肥。( )
×
√
×
×
【基础过关】
1.A、B过程分别为 。C是 。
A过程细胞分裂方式是 ，
B过程细胞分裂方式是 ,同时也进行 。
A过程一般 光照；B过程需要光照，因为 。
2.影响A、B过程的关键因素是 ，主要是 和 ，二者添加的 会影响脱分化和再分化过程。
3.植物组织培养是一个 过程。（填“无性繁殖”、“有性繁殖”）
植物体
根、芽或胚状体
外植体
脱分化
再分化
有丝分裂
细胞分化
植物激素
细胞分裂素
生长素
无性繁殖
A B
有丝分裂
浓度及比例
【练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：
C
脱分化、再分化
愈伤组织
不需要
叶绿素的合成需要光照
欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么妙招？
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
不能。因为不同种物种之间存在着生殖隔离
有没有方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？
三、植物体细胞杂交技术
将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。概念：三、植物体细胞杂交技术
三、植物体细胞杂交技术
去除细胞壁
去除细胞壁
纤维素酶果胶酶
1.去壁：
酶解法
2.诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+ —高pH融合法等
脱分化
再分化
移栽
融合完成标志
植物细胞融合
植物组织培养
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
原生质体：指去除细胞壁的细胞
1. 原理：
①细胞膜具有一定的流动性
②植物细胞的全能性
2. 两个标志
（1）植物细胞融合完成的标志：
再生出新的细胞壁
（2）植物体细胞杂交完成的标志：
培育成新植物体
4. 变异类型：
染色体变异
5. 意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种,培育植物新品种
3.新细胞壁的形成与　　 　 　 （填细胞器）相关。
高尔基体、线粒体
植物组织培养 植物体细胞杂交技术
生殖方式
原理
步骤
意义
联系 无性繁殖
细胞全能性
①脱分化
②再分化
保持优良性状；繁殖速度快
杂交技术应用了组织培养技术
①打破生殖隔离
②实现远缘杂交育种
③培育植物新品种
①去除细胞壁
②融合形成杂种细胞
③植物组织培养技术
膜流动性和细胞全能性
无性繁殖
02
二 植物细胞工程的应用
铁皮石斛
本节聚焦：
1.植物细胞工程在生产实践中有哪些应用？
2.植物细胞工程应用于生产实践的主要优势是什么？
第2章 第1节 植物细胞工程
1. 快速繁殖（微型繁殖）
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
（2）优点：
①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；
②可以保持优良品种的遗传特性。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
植株
移栽
（3）过程：
（4）实例：
一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等的苗木。
实质：
植物繁殖的新途径
一
植物组织培养
2. 作物脱毒
（1）为什么要进行脱毒？
（2）作物脱毒选用什么材料？选择该种材料的理由是？
（3）脱毒过程：
（4）实例：
无性繁殖的作物，感染的病毒容易传给后代。
病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。
脱毒苗 ≠ 抗毒苗
茎尖
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
脱毒苗
移栽
病毒极少，甚至无病毒
植物繁殖的新途径
一
分生区（如茎尖）的细胞：
植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒
脱毒产品
香蕉
脱毒草莓
普通草莓
甘蔗
菠萝
1. 单倍体育种
（1）过程
（植物组织培养技术）
作物新品种的培育
二
花药离体培养
诱导染色体加倍
花药
（或花粉）
单倍体植株
二倍体植株
（纯合子）
（秋水仙素处理）
（秋水仙素处理）
花药离体培养
P
F1
配子
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
正常植株（纯合）
秋水仙素诱导
单倍体育种
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
ddTT
杂交育种
矮抗

需要的纯合矮抗品种
连续自交多代
第1年
第2年
第3-6年
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
单倍体植株
第1年
第2年
DT
Dt
dT
dt
需要的纯合矮抗品种
培育矮杆抗病( ddTT )小麦
缺点：耗时长
高抗 高感
矮感
（3）优点：
① 极大地缩短了育种的年限。
③隐性性状容易显现
（4）实例：
单育1号烟草
水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
我国培育的单育1号烟草是
世界上第一个单倍体作物新品种
②后代大多是纯合子，能稳定遗传。
2. 突变体的利用
（1）过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
筛选培育
新品种
诱变处理
（3）实例：
产生的变异一定符合需要吗？
二
作物新品种的培育
不一定，因为突变是不定向的。
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草。
（2）优点：
提高变异的频率，加速育种进程；大幅度地改良某些性状。
再分化
突变体
1. 植物的代谢产物
初生代谢物：
指生物生长和生存所必需的产物
（如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。）
次生代谢物：
不是生物生长所必需的一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）。
在植物的抗虫、抗病等方面发挥作用；
很多药物、香料和色素等的重要来源。
细胞产物的工厂化生产
三
含量很低，从植物组织中提取会大量破坏植物资源，
有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。
过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
2. 细胞产物的工厂化生产
概念：
注意：
① 一般组织培养到愈伤组织即可
（因为此时细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。）
利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物 的工厂化生产。
②液体培养基有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
细胞产物
培养、提取
一、概念检测
1. 运用植物细胞工程技术可以培育单倍体 植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。
（1）用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。（ ）
（2）细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，
提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ）
√
×
练习与应用
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
一、概念检测
1. 下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是( )
A.进行a处理时能用胰蛋白酶
B.b是诱导融合后得到的杂种细胞
C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽
D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中
A
练习与应用
2. 科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？
二、拓展应用
“番茄-马铃薯”杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？
生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，
所以“番茄-马铃薯”杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，
但这些遗传物质的表达相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。
纤维素酶和果胶酶
二、拓展应用
1. 紫色非甜玉米（基因型为AASuSu ）和白色甜玉米（基因型为aasusu ）杂交
（Su和su代 表一对等位基因）,得到的F1（ AaSusu ）再进行自交，F2会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米？如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢？请你设计相关实验的思路。
【答案】F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或 AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米( aasusu)进行测交，可以选择出基因型为 AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株，再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。
【提示】积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。
2. 甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的热量却很低，所以它逐渐成为一些用糖行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低，种子繁殖遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，这些都会限制甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的项目负责人，该公司当前运行状况良好，但一直未能解决种子发芽率低的问题，为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何作出决策，并请说出理由。
小结：植物细胞工程的应用
（一）植物繁殖的新途径
（二）作物新品种的培育
（三）细胞产物的工厂化生产
1.单倍体育种
2.突变体的利用
药物、香料、蛋白质等
2.作物脱毒
1.微型繁殖
原理：染色体数目变异
原理：突变（基因突变和染色体变异）
概念
植物细胞融合
原生质体制备
过程
变异类型
植物组织培养
原生质体融合
原理
育种类型
本堂小结
原理
过程
花药离体培养
细胞全能性
操作步骤
脱分化
再分化
外植体
根、芽、胚状体
愈伤组织
外植体消毒
接种
切块
形成愈伤组织
诱导生芽生根
植物体细胞杂交
植物组织培养
植物细胞工程
优缺点