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(共45张PPT)
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。
1958年 美国 斯图尔德
1996年 英国 伊恩·维尔穆特
2017年 “中中”“华华”
细胞工程
第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
一 植物细胞工程的基本技术
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。
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。
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
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。
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。
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。
1902年
1958年
1960年
1964年
1971年
1974年
【科技探索之路】植物细胞工程的发展历程
从社会中来
高洁、典雅的兰花颇受人喜欢。但兰花种子通常发育不全，繁殖率低，价格不菲。如何让它大量、快速地繁殖呢，从而走入寻常百姓家呢？
植物组织培养---工厂化生产
植物细胞工程的基本技术
植物组织培养
植物体细胞杂交
植物细胞工程的理论基础是什么
细胞的全能性
一片花瓣
一个细胞
一粒花粉
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)定义：
细胞→ 完整个体或其他各种细胞
（3)体现全能性的标志：
一 细胞的全能性
（2)原因：
一般情况下，生物体的每一个细胞含有控制该生物发育的全部基因(该物种的全套遗传信息)
种子发育成植株，体现了植物种子的全能性（ ）
胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株（ ）
受精卵发育成个体（ ）
胚胎干细胞分化成其他种类的细胞（ )
哺乳动物成熟的红细胞具有全能型（ ）
芽原基发育为芽，叶原基发育为叶体现了全能性（ ）
×
√
√
√
×
×
生长点
叶原基
芽轴
芽原基
枝芽结构示意图
原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性表达。
(4)生物体内细胞并不都表现出全能性
①按细胞分化程度比：
②按细胞分裂能力比：
③不同类型细胞的全能性：
④不同生物细胞的全能性：
全能性：分化程度低的＞分化程度高的
全能性：分裂能力强的＞分裂能力弱的
受精卵＞生殖细胞（如精子、卵细胞）＞体细胞
植物细胞＞动物细胞
（5)全能性大小比较：
(6)表现全能性的条件：
潜能
怎么才能表现出来呢？
1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，这是人类第一次获得了人工胚状体，并获得个体植株。
植物组织培养技术
离体
一定的营养物质、植物激素
适宜的温度、pH等外界条件
无菌环境
外植体
有丝分裂
植物细胞的全能性
2生殖方式：
一般是无性生殖
3分裂方式：
4原理：
5成功的关键：
无菌操作
1概念
二 植物组织培养技术
将离体的植物器官、组织或细胞等，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。
接种外植体
脱分化
诱导愈伤组织
外植体经过脱分化形成的不定形的薄壁组织团块
已分化的细胞经过诱导，失去特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成愈伤组织的过程 （重新获得分裂能力）
诱导生芽
再分化
愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程
诱导生根
移栽成活
6 植物组织培养的流程
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
(1)流程
(2)决定植物脱分化、再分化的关键因素
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
关键激素
生长素和细胞分裂素（浓度 比例）
结果
比值≈1
比值＜1
比值＞1
促进芽的分化
促进根的分化
促进愈伤组织的形成
生长素用量
细胞分裂素用量
细胞分裂素
生长素
芽分化
愈伤组织
根分化
生长素作用：用于诱导细胞的 和 的分化；
细胞分裂素作用：促进组织细胞的分裂或促进 的分化。
伸长生长
根
芽
巧记：生根分芽中愈伤
(3)脱分化与再分化的比较
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
脱分化 再分化
过程
分裂、分化
结果
需要条件
有分裂，无分化
有分裂，有分化
形成愈伤组织
形成根、芽
a.离体、适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例适中
d.一般不需光（有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织）
a.离体、适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽
d.光照（诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用）
外植体→愈伤组织
愈伤组织→根 芽
①外植体：
幼嫩的菊花茎段
(细胞分裂旺盛，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
1材料用具
【探究 实践】菊花的组织培养
⑤MS培养基 ( P116)：包括诱导愈伤组织的培养基(BA，NAA 0.5mg/L)
诱导生芽的培养基(BA 2--3mg/L,NAA 0.02--0.3mg/L)
诱导生根的培养基(部分物质用量减半，NAA 0.1mg/L)
作为碳源
提供能量
植物可少量吸收，调节渗透压
葡萄糖和果糖在与蔗糖提供相同数量碳源的前提下，其造成的渗透压可能过高。
培养基名称： ；
物理性质： ；
碳源： 。
MS培养基
固体培养基
有机碳源（蔗糖）
问题1：植物是自养生物，为什么用于植物组织培养的MS培养基中需要加入有机物作为碳源？
通常植物体本身进行光合作用产生糖类，不需要外部供给糖，但植物组织培养利用的是离体组织或细胞，在其脱分化过程中不能进行光合作用合成糖类，因此必须在培养基中添加糖类，作为碳源和能源物质，同时维持细胞的渗透压。
问题2：同微生物培养基的配方相比，MS培养基的配方有哪些明显的不同？
微生物培养基以有机营养为主。
与微生物的培养不同，MS培养基则需提供大量无机营养，含有植物生长必需的大量元素和微量元素，还需要添加植物激素。
3方法步骤
(1)消毒
①双手,超净工作台台面:
用酒精擦拭
②外植体:
（2)外植体切段:
外植体置于无菌的培养皿中→用无菌滤纸吸去表面水分→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段
消毒与无菌水冲洗
酒精
30S
无菌水洗
2-3次
次氯酸钠溶液
30min
2-3次
无菌水洗
切割
防止杂菌生长：①杂菌与培养物竞争营养；
②产生有害物质危害培养物。
目的：
（3)接种外植体:
过程：在超净工作台酒精灯火焰旁，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）
接种
提供营养、调节渗透压
①生长素、细胞分裂素比例≈1：1
②提供有机碳源（蔗糖）
培养基：
有利于促进愈伤组织的形成
（4)诱导愈伤组织（脱分化）
有光时，往往容易形成导管和筛管等，而不易形成愈伤组织。
①一般不需要光照：
②培养温度：
③时间：15 20 d
培养条件：
18-220C
不定形的薄壁组织团块
诱导生根
（5)诱导生芽、生根（再分化）
①培养15 20 d后，接种到诱导生芽培养基
②长出芽后，接种到诱导生根培养基
生长素：细胞分裂素＜1
每日需要给予适当时间和强度的光照（有利于叶绿素的形成，促进光合作用）。
思考1：再分化需要避光吗？为什么？
思考2：为什么要先诱导生芽，再诱导生根呢？
①根的质地较硬，更换培养基时可能会导致根的损伤或断裂
②先生芽有利于导管、筛管等的对接和形成，为后续生根过程中物质的运输和分配提供便利。
诱导出芽
生长素：细胞分裂素＞1
(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。
①炼苗：
②移栽：
固体基质型，含水量高、
蓄水性强、透性好，适合栽培
珍珠岩,是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩。
蛭石，是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。
4实验结果分析与评价
(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。
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。
被污染的外植体
（3）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≈1；
③ 实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值＞1；
④ 实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值＜1。
①培养基的灭菌（高压蒸汽灭菌）
②外植体的消毒（酒精、次氯酸钠）
③接种的无菌操作（酒精、酒精灯——灼烧）
④无菌箱中的培养；
⑤移栽到消过毒的环境中生存一段时间。
（2）在整个操作过程中，是如何来实现无菌环境的？
补充：特殊的植物组织培养——花药离体培养
生殖方式为特殊的 生殖，培养过程中 分裂
花药
试管苗
脱分化
再分化
愈伤组织
单倍体：植株矮小、高度不育
秋水仙素
诱导
新品种(可育)
有性
只涉及有丝
拓展：植物组织培养的两种途径
胚状体
途径
器官发生途径
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
试管苗
（移栽到大田）
器官发生途径
胚状体途径
胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但经过胚胎发育过程形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。
拓展：植物组织培养的两种途径
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
试管苗
（移栽到大田）
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.植物组织培养一般是一个 过程。（填“无性繁殖”、“有性繁殖”）
植物体
根、芽或胚状体
外植体
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
有丝分裂
浓度及比例
C
脱分化、再分化
愈伤组织
不需要
叶绿素的合成需要光照
B
巩固练习
1.通过传统有性杂交能实现吗？为什么？
不能，不同种物种间存在生殖隔离。
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？
番茄
马铃薯
三 植物体细胞杂交技术
（2)用什么方法使两个细胞能发生融合？
(1)你认为两个植物的体细胞进行融合，遇到的第一个障碍是什么？用什么方法解决这个障碍？
（3)得到杂种细胞后，如何培育成植株？
光学显微镜下的烟草细胞原生质体
1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。
阅读教材，结合所学知识，思考：
2 过程
A细胞
B细胞
正在融合的原生质体
杂种细胞：再生出细胞壁
脱分化
再分化
移栽
植物细胞融合
植物组织培养
杂种植株
愈伤组织
A原生质体
B原生质体
移栽后的植株
(1)去除细胞壁
B细胞
A原生质体
B原生质体
去壁
去壁
A细胞
酶解法（纤维素酶和果胶酶）
①方法：
②酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，目的是？
使酶溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体形态正常
①原理：
②方法：
(2)原生质体融合
细胞膜具有流动性
物理方法：电融合法、离心法
化学方法：聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+-高pH融合法
(3)再生出细胞壁——
B细胞
A原生质体
B原生质体
去壁
去壁
A细胞
正在融合的原生质体
融合
融合完成的标志
杂种细胞
有关细胞器： 。
高尔基体、
线粒体
再生出细胞壁
思考：若只考虑原生质体的两两融合，A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型？而我们需要的是哪种类型？
番茄细胞原生质体
马铃薯细胞原生质体
PEG
未融合的细胞
杂种细胞
自身融合的细胞
等量混合
因此要对融合后的原生质体进行筛选。
(4)植物组织培养
植物体细胞杂交技术流程图
（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
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种
3 原理
4两个标志
5 意义
细胞膜具有一定的流动性（原生质体融合）
植物细胞的全能性（杂种细胞培养成杂种植株）
①杂种植物不一定表达出人们需要的优良性状
②技术复杂、工作量大
6 局限性
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
植物组织培养与植物体细胞杂交技术
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
打破生殖隔离，
克服不同种生物远缘杂交的障碍
课堂小结
1.植物体细胞杂交：
白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株白菜-甘蓝的
细胞染色体数为 ，属于 倍体。
36
（异源）四
2.不同物种的有性杂交：
白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）进行杂交（相互授粉）所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于
倍体。
（异源）二
18
基因重组
染色体数目变异
同源染色体， 正常联会， 育
同源染色体， 正常联会， 育
变异类型：
变异类型：
植物体细胞杂交
杂交育种
含有
能
可
不含
不能
不可
拓展：植物体细胞杂交与变异
植物A体细胞染色体数20条 植物B体细胞染色体数40条 有性杂交 后代体细胞中染色体数 条
植物体细胞杂交 后代体细胞中染色体数 条
植物A为二倍体 植物B为四倍体 有性杂交 后代为 倍体
植物体细胞杂交 后代为 倍体
30
60
三
六
植物体细胞杂交得到的杂种植株是不同于两个亲本的 。
新物种
（1）图中过程：①为 ，②为 ，
③为 ，④为 ，⑤为 。
（2）细胞融合成功的标志是 ，
植物体细胞杂交技术成功的标志是 。
（3）植物体细胞杂交技术的原理是 。
（4）植物体细胞杂交技术的意义是 。
去除细胞壁
诱导细胞融合
再生出新的细胞壁
脱分化
再分化
再生出新的细胞壁
形成杂种植株
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
打破生殖隔离，实现远缘杂交
巩固练习
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
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？
纤维素酶和果胶酶
A
练习与应用
"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。
二 拓展应用

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