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植物细胞工程
第一课时
第1节
人教版 选择性必修3
1.能阐明植物细胞工程的理论基础。
2.能解释植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术原理。
3.能说明菊花的组织培养流程。
2024/1/15
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。
1902年,哈伯兰特提出了细胞全能性的理论,但相关的实验尝试没有成功
1958年,斯图尔德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
1960年,科金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
1964年,古哈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
1971年,卡尔森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
1974年,土壤农杆菌的Ti质粒被发现,之后,该质粒应用于植物分子生物学领域,促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合
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“其芽葺葺,其叶青青,犹绿衣郎,挺节独立,可敬可慕。迨夫花开,凝晴瀼露,万态千妍,薰风自来,四坐芬郁,岂非入兰室乎!岂非有国香乎!”这是我国历史上第一部兰谱——《金漳兰谱》(宋·赵时庚)中对兰花的一段描述。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;传统分株繁殖的方法又存在繁殖周期长、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?
国画作品—兰
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。兰花是观赏植物中最常见的一类依靠植物组织培养繁育种苗的植物,其组培苗的数量约占观赏植物组培苗总量的40%。
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1.细胞的全能性
(1)概念: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。
(2)原因:一般来说,生物体的每个细胞中都含有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。
(3)细胞全能性的比较
①受精卵>生殖细胞(卵细胞>精子)>体细胞;
②植物细胞>动物细胞;③幼嫩的细胞>衰老的细胞;
④分化程度低的细胞>分化程度高的细胞;
⑤分裂能力强的细胞>分裂能力弱的细胞。
植物组织培养技术
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2.植物组织培养
(1)概念:指将离体的植物器官、组织或细胞(称为外植体)等,培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其形成完整植株的技术。
(2)原理:植物细胞的全能性。
(3)过程:
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
幼苗
完整植株
移栽成活
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①愈伤组织:不定形的薄壁组织团块。
②脱分化:在一定的激素和营养等条件的诱导下,已经分化的细胞失去其特有的结构和功能,转变为未分化的细胞,进而形成愈伤组织的过程。
③再分化:愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
④适宜的培养条件:离体、无菌条件、种类和比例适宜的营养物质、植物激素(主要是生长素和细胞分裂素)的诱导和调节、适宜的外界条件(温度、pH、光照等)。
脱分化过程一般不需要光照、再分化过程需要光照。
细胞分裂素
生长素
>1,有利于根的分化;
<1,有利于芽的分化;
=1,促进愈伤组织的形成。
内容 脱分化 再分化
过程 外植体 愈伤组织 愈伤组织 幼苗
形成体特点 排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞 有根、芽
需要条件 a.离体 b.适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素 d.一般不需光 a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例适中
1.脱分化和再分化的比较
使用顺序 实验结果
先使用生长素后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂
先使用细胞分裂素,后使用生长素 细胞既分裂也分化
同时使用 分化频率提高
简记为:先“生”分裂不分化,后“生”分裂又分化,同“使”分化频率高
(1)按照不同的顺序使用这两类激素,会得到不同的实验结果
2.生长素和细胞分裂素对植物培养的影响
(2)当同时使用这两类激素时,两者用量比例影响植物细胞的发育方向
生长素/细胞分裂素 植物细胞的发育方向
高 有利于根的分化、抑制芽的形成
低 有利于芽的分化、抑制根的形成
适中 促进愈伤组织的生长
简记为:“高”根,“低”芽,“中”愈伤
注意:由愈伤组织进行细胞分化时,一般要先诱导其生芽,然后诱导其生根,可通过控制培养基中生长素和细胞分裂素的比例来实现
下列关于植物组织培养的叙述中,错误的是( )
A.培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压
B.培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化
C.离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织
D.同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因一定相同
D
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1.实验原理:
(1)植物细胞一般具有全能性。
(2)在一定的激素和营养等条件的诱导下,已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化,形成胚状体,长出芽和根,进而发育成完整的植株。
(3)植物激素中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、比例等都会影响植物细胞的发育方向。
菊花的组织培养
2.材料分析:
(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:对手、超净工作台、外植体进行消毒。
(3)质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液:对外植体进行消毒。
(4)无菌水:清洗外植体。
(5)培养基:包括无机营养成分(水和无机盐)、有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等)、特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)。
蔗糖的作用:提供能量、调节渗透压。
灭菌:湿热灭菌法。
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3.方法步骤
(1)消毒
①用酒精擦拭双手和超净工作台台面。
②外植体→流水冲洗→酒精消毒30s→立即用无菌水清洗2~3次→次氯酸钠溶液处理30min→立即用无菌水清洗2~3次。
(2)外植体切段
将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中→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。
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(3)接种
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!
(4)脱分化
将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于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。
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(5)再分化
培养15~20d后,将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上→长出芽后→将其转接到诱导生根的培养基上,进一步诱导形成试管苗。
注意: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时间和强度的光照!
(6)移栽培养
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。每天观察并记录幼苗的生长情况,适时浇水、施肥,直至开花。
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(1)接种3~4d后,检查外植体的生长情况,统计有多少外植体被污染,有多少能正常生长,试分析它们被污染的原因。
(2)你培养出愈伤组织了吗?如果培养出来了,从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天?这些愈伤组织进一步分化出芽和根了吗?
4.结果分析与评价
用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长,如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染,就会导致实验前功尽弃,因此要进行严格的无菌操作。导致外植体被污染的原因可能有:培养基、接种工具灭菌不彻底;外植体消毒不彻底;操作过程不符合无菌操作要求等。
观察实验结果,看看是否培养出了愈伤组织,记录多长时间长出了愈伤组织。从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例和时间。
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(3)观察外植体的分化情况,填好结果记录表,并及时分析结果。
(4)你培育的幼苗移栽到露地后,能够正常生长吗?
做好统计和对照,填好结果记录表,培养严谨的科学态度。从实验的第一步开始就要做好实验记录,可以分组配制不同的培养基,如诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基等,还可以进行不同配方的比较。
生根苗移栽技术的关键是既要充分清洗根系表面的培养基,又不能伤及根系。一般使用无土栽培的办法。培养基质要提前消毒,可以向培养基质喷酒质量分数为5%的高锰酸钾,并用塑料薄膜覆盖12h。掀开塑料薄膜24h后才能移栽。新移栽的组培苗要在温室过渡几天,待其长壮后再移植到大田或盆中。可以在课后统计移栽的成活率,看看移栽是否合格。
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(5)若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响,则应如何设计对照实验?
①空白对照:不加任何激素;
②实验组1:生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1;
③实验组2:生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1;
④实验组3:生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。
特殊的植物组织培养——花药离体培养
该过程涉及的生殖方式是有性生殖,经秋水仙素加倍之后,获得的植株一般为纯合子。
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20世纪60年代,科学家尝试将番茄和马铃薯杂交,希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的“超级作物”。但是番茄和马铃薯之间存在天然的生殖隔离,不能进行传统的有性杂交。
1.概念:
植物体细胞杂交是指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。
植物体细胞杂交技术
2.过程
植物细胞融合
植物组织培养
(1)去除细胞壁的方法:
酶解法
①所用酶:纤维素酶和果胶酶。
②去壁的原因:细胞壁阻碍了原生质体间的融合(阻碍着细胞间的杂交)。
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(2)原生质体间的融合(关键环节)
①原理:细胞膜具有一定的流动性。
②诱导融合的方法:物理法和化学法。
物理法:电融合法、离心法等
化学法:聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法等
光学显微镜下的烟草叶肉细胞原生质体
(3)植物细胞融合和植物体细胞杂交完成的标志
①细胞融合:再生出新的细胞壁。
②体细胞杂交:培育成新植物体。
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3.实例:
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。
4.意义:
植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。
驱蚊草含有香茅醛,能散发出一种特殊的柠檬型香气,从而达到驱蚊且对人体无害的效果。它是把天竺葵的原生质体和香茅草的原生质体进行诱导融合培育而成的。下列关于驱蚊草培育的叙述,错误的是 ( )
A.驱蚊草的培育属于细胞工程育种
B.相比于杂交育种,这种育种方法的优点是克服了远缘杂交不亲和的障碍
C.驱蚊草培育利用了植物体细胞杂交技术,育种原理是染色体数目变异
D.融合的细胞具有全能性,因此不需要植物组织培养就可得到杂种植株
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