2.1.2 植物细胞工程的应用 (共40张PPT)

(共40张PPT)
目录 /CONTENTS
01
发酵工程
02
细胞工程
03
基因工程
04
生物技术的安全性与伦理问题
第2章 细胞工程
2.1 植物细胞工程
2.2 动物细胞工程
2.3 胚胎工程
2.1 植物细胞工程第二课时
一、导入
思考： 欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。
你有什么好妙招？
一、导入
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。
×
1. 通过有性杂交能实现吗？为什么？
不能，不同物种之间存在生殖隔离。
植物体细胞杂交技术。
2. 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？
二、植物体细胞杂交技术
概念：将不同来源的植物细胞，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。
想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？
细胞壁
用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？
纤维素酶、果胶酶
二、植物体细胞杂交技术
去壁
杂种细胞AB
植物细胞融合
去壁
植物细胞融合完成的标志
（细胞膜具有一定的流动性）
再生细胞壁
诱导融合
物理法：
化学法：
电融合法、离心法等
聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高PH融合法等
脱分化
再分化
移栽
植物组织培养
杂种植株
移栽后的植株
植物体细胞杂交完成的标志
（植物细胞的全能性）
二、植物体细胞杂交技术
3.变异类型：
染色体数目变异
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
5.意义：
属于无性生殖，
不遵循孟德尔遗传定律
4.生殖方式：
1.原理：
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
2.基础技术：
植物组织培养
二、植物体细胞杂交技术
A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合)？
而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？
AA
AB
BB
筛选
AB
真正符合要求的是AB，
因此要对融合细胞
进行筛选。
二、植物体细胞杂交技术
A的染色体组为2a=20，
已知基因型AaBb ；
B的染色体组为2b=30，
已知基因型CcDd ；
变异类型
染色体数
染色体组数
基因组成
染色体数目变异
两亲本染色体数之和。2a+2b
两亲本染色体组数之和。2+2
两亲本基因型之和。AaBbCcDd
二、植物体细胞杂交技术
植物组织培养 植物体细胞杂交技术
原理
过程
意义
联系 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
植物细胞的全能性
离体的植物器官、组织或细胞
愈伤组织
脱分化
再分化
根、芽或胚状体
植物体
生长发育
植物细胞A
植物细胞B
原生质体A
去壁
原生质体B
去壁
人工诱导
融合的原生质体AB
杂种细胞AB
愈伤组织
脱分化
再生细胞壁
杂种植株
再分化
保持优良性状,繁殖速度快、大规模生产提高经济效益
植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术
克服不同种生物远缘杂交的障碍
植物组织培养与植物体细胞杂交技术的比较
第1节 植物细胞工程
二
铁皮石斛
2.1.2 植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
20世纪60年代，荷兰科学家成功地利用组织培养技术来培育兰花。目前，荷兰的兰花生产已经发展成为举世闻名的兰花产业。
我国组织培养技术已经广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，使得名贵的兰花价格大幅下降。
蝴蝶兰
铁皮石斛
一、植物繁殖的新途径
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。也叫微型繁殖。
1. 快速繁殖
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
试管苗
（2）优点：
①高效、快速地实现种苗的大量繁殖。
②无性繁殖，保持优良品种的遗传特性。
③不受自然生长季节的限制，培养周期短。
（3）应用：
快速繁殖经济林木、名贵花卉、珍稀濒危植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持的植物。
一、植物繁殖的新途径（4）实例：甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。铁皮石斛的工厂化生产甘蔗桉树苗一、植物繁殖的新途径
生姜是药食两用的经济作物，在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%-50%。
病毒引起的植物病害有500多种。受害植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉等。而且没有有效的防治办法，只能拔除，造成经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几乎不含病毒。
一、植物繁殖的新途径
马铃薯
草莓
香蕉
组培
脱毒苗
顶端分生区（如茎尖）：病毒极少，甚至无毒
2、作物脱毒
（3）优点：
明显提高农作物的产量和品质
感染的病毒很容易传给后代
无性繁殖
病毒在作物体内积累
作物产量降低品质变差
（1）脱毒原因
（2）脱毒方法
注：脱毒苗≠抗毒苗。与快速繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
基因工程范畴
抗毒苗属于
一、植物繁殖的新途径
（4）实例：
脱毒草莓
普通草莓
脱毒马铃薯田与被病毒感染未脱毒马铃薯叶片
在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。
二、作物新品种的培育
P
DDBB
ddbb
F1
DdBb
F2
D_B_
D_bb
ddB_
ddbb
高茎抗病
矮茎不抗病
F3
连续的自交直至不发生性状分离
选出ddBB
用高杆抗病（DDTT）和矮杆不抗病（ddtt）小麦品种培育矮杆抗病小麦（ddTT），如果要筛选出纯合的矮茎抗病的优良性状的小麦，你可以想到几种育种方法？
杂交育种
缺点：
获得新品种的周期长
选育出需要的矮抗纯种
生长
F4
诱变育种
缺点：
不定向性
二、作物新品种的培育
（1）单倍体：
枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育。
特点：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成的个体。
（2）单倍体育种原理：
植物细胞的全能性、染色体（数目）变异。
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（3）优点
秋水 仙素
花药离体培养
①极大地缩短了育种的年限。
②后代都是纯合子，能稳定遗传。
③可作为进行体细胞诱变育种
和研究遗传突变的理想材料。
（常需5～6年）
（当年）
技术相当复杂
(4)缺点：
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
注意说明
①单倍体育种的目的不是获得单倍体本身，因为单倍体是高度不育的，在生产上没有实际价值，需诱导单倍体（种子阶段或幼苗阶段）的染色体数目加倍。
②单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍；单倍体育种需要先利用植物组织培养技术形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。
二、作物新品种的培育
我国科学家在1974年成功培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。
(5)实例
我国科学家把单倍体育种与常规育种结合起来，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
二、作物新品种的培育
（1）原理
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化
再分化
植株
诱变
筛选
有用的突变体
2、突变体的利用
抗病、抗盐、含高蛋白、高产
突变体
①基因突变(用射线或诱变剂处理分生细胞，主要是指愈伤组织细胞)。
②植物细胞的全能性(由突变细胞培育得到突变体植株)。
二、作物新品种的培育
（2）优点：
提高变异的频率，加速育种进程。
难以控制突变方向，需要大量处理实验材料。
（3）缺点：
白三叶草
（4）实例：
抗除草剂的白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
抗盐碱的野生烟草
植物代谢
初生代谢：
生物生长生存所必需的代谢活动，一直进行
非生物生长所必需，在特定条件下进行
次生代谢：
缺点：①植物细胞的次生代谢物含量很低。
②有些产物不能或难以通过化学途径得到。
一类小分子有机化合物
(如酚类、萜类和含氮化合物等)
产物：
如糖类、脂质、蛋白质、核酸等
产物：
应用多、产量低
三、细胞产物的工厂化生产
1.概念： 在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
2.优势
不占用耕地、不受季节、天气的限制，
对社会、经济、环保具有重要意义。
三、细胞产物的工厂化生产
三、细胞产物的工厂化生产
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
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。
②液体培养基（培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
工厂化生产人参皂苷干粉的基本流程：
人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快而且细胞内人参皂苷干粉含量高的细胞 细胞增殖　　 提取人参皂苷干粉
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
3、实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草宁——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
世界首例药用植物细胞工程产品 —— 紫草宁
3、实例：
紫草 → 紫草宁
三、细胞产物的工厂化生产
4.意义：对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
紫杉醇——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
3、实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
红豆杉 → 紫杉醇
三、细胞产物的工厂化生产
总结
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化
再分化
植株
作物脱毒
选择顶端分生组织
快速繁殖
单倍体育种
选择花药
进行诱变
突变体的利用
分散后
悬浮培养
3.细胞产物的工厂化生产
2.植物新品质的培育
1.植物繁殖的新途径
筛选
1.疣粒野生稻(2n＝24)对白叶枯病的抗性持久而且稳定，是理想的抗病育种材料。为了充分利用疣粒野生稻资源，通过采用疣粒野生稻和栽培稻(2n＝24)体细胞杂交的方法获得后代，从而实现疣粒野生稻遗传物质向栽培稻转移。下列相关叙述错误的是（ ）
A.疣粒野生稻和栽培稻之间存在生殖隔离，自然条件下不能进行基因交流
B.两种水稻细胞经酶解去壁、诱导融合后可通过观察染色体数目筛选出杂种细胞
C.杂种水稻的组织培养过程需要更换培养基，提高生长素的比例有利于根的分化
D.经组织培养获得的杂种幼苗，一般需要经过由无菌到有菌的炼苗过程才能用
于生产实践
　当堂达标　
两种水稻细胞融合后的不同种类细胞中的染色体数目相同，故不能通过观察染色体数目筛选出杂种细胞，需要观察染色体形态
2.玉米(2n＝20)和水稻(2n＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β-胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。下列说法错误的是（ ）
A.过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞
B.过程②中常用PEG诱导原生质体融合
C.“黄金大米”植株染色体数目为22
D.该技术体现了植物细胞具有全能性
“黄金大米”植株是两种植株的融合体，染色体数目为44
当堂达标　
　当堂达标　
3.红薯是我国种植面积较大的一类作物,但长期以来的连种,造成了红薯品种退化,产量和品质逐年下降,其主要原因是所用的种薯携带了大量的病毒。研究人员利用现代生物技术,对红薯进行脱毒培养。下列说法错误的是(　　)
A.可以选择红薯茎尖或根尖的分生区作为外植体
B.若选择的外植体体积过大,可能会导致脱毒率降低
C.培育红薯脱毒苗的过程中,需要适时调整激素的比例
D.培育红薯脱毒苗过程中,激素使用不当会导致性状分离
培育红薯脱毒苗过程中,细胞分裂的方式为有丝分裂,激素使用不当不会导致性状分离
　当堂达标　
　当堂达标　
4.下图表示利用植物细胞工程对棉花进行改良的过程，①②③④表示实验过程，请据图回答，下列说法正确的是( )
A. 外源基因能够导入并大量复制的物质基础是自然界共用一套密码子
B. ②过程能定向改变原生质体的遗传特性
C. ③过程只能通过液体悬浮培养技术才能实现
D. 基因工程技术与花药离体培养技术相结合可快速获得纯合棉花植株
外源基因能够导入的原因是它们都是由四种脱氧核苷酸组成的双螺旋结构
固体培养基
单倍体幼苗，再用秋水仙素处理获得纯合植株
　当堂达标　
5.下图所示为利用体细胞诱变技术获得抗除草剂白三叶草新品种的过程。下列叙述错误的是（ ）
A.该育种过程所依据的原理有基因突变和植物细胞的全能性
B.培养白三叶草组织细胞的培养基为固体培养基
C.白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA和RNA种类相同
D.过程③通常采用的筛选方法是向白三叶草幼苗喷洒适宜浓度的除草剂
白三叶草愈伤组织和胚状体的细胞中DNA种类相同，但由于细胞分化，基因的选择性表达，RNA种类不同
　高考真题演练
6.（2024·江苏·高考真题）图示植物原生质体制备、分离和检测的流程。下列相关叙述正确的是（ ）
A．步骤①添加盐酸以去除细胞壁
B．步骤②吸取原生质体放入无菌水中清洗
C．原生质体密度介于图中甘露醇和蔗糖溶液密度之间
D．台盼蓝检测后应选择蓝色的原生质体继续培养
步骤①添加纤维素酶或果胶酶去除细胞，其原理是酶的专一性
步骤②吸取原生质体放入等渗液中清洗，否则会导致原生质体吸水涨破
台盼蓝检测后应选择无色的原生质体继续培养，染成蓝色的原生质体活性差或死亡
　高考真题演练
7.（2024·北京·高考真题）五彩缤纷的月季装点着美丽的京城，其中变色月季“光谱”备受青睐。“光谱”月季变色的主要原因是光照引起花瓣细胞液泡中花青素的变化。下列利用“光谱”月季进行的实验，难以达成目的的是（ ）
A．用花瓣细胞观察质壁分离现象
B．用花瓣大量提取叶绿素
C．探索生长素促进其插条生根的最适浓度
D．利用幼嫩茎段进行植物组织培养
花瓣含花青素，而不含叶绿素，因此不能用花瓣提取叶绿素
　高考真题演练
8.（2024·甘肃·高考真题）兰州百合栽培过程中易受病毒侵染，造成品质退化。某研究小组尝试通过组织培养技术获得脱毒苗，操作流程如下图。下列叙述正确的是（ ）
A．①为脱分化过程，1号培养基中的愈伤组织是排列规则的薄壁组织团块
B．②为再分化过程，愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变或基因重组
C．3号培养基用于诱导生根，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1
D．百合分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，可以作为该研究中的外植体
在脱分化过程中，1号培养基中的愈伤组织是排列不规则的薄壁组织团块
愈伤组织细胞的分化过程是有丝分裂，所以不会发生基因重组
3号培养基用于诱导生根，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值应该小于1