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第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
照片中两只可爱的小猴，分别叫“中中”和“华华”，它们诞生于2017年，一出生就轰动了全世界，这是我国科学家的研究成果。你知道它们是如何培育出来的吗？
在这之前，科学家培育了胚胎细胞克降猴，你知道两者有什么不同吗？其实，自1996年首个体细胞克隆动物多莉羊（Dolly）诞生以来，人类已经成功克隆了马、牛和猪等大型家畜，但为什么体细胞克隆猴的诞生能轰动世界呢？
第2章 细胞工程
1902年，哈伯兰特，提出细胞全能性的理论。
1958年，斯图尔德，发现胡萝卜的体细胞可分化为胚，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，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。
【科技探索之路 · 植物细胞工程的发展历程】
1975年，米尔斯坦和科勒，创立单克隆抗体技术
1890年，希普，世界上首例胚胎移植成功
1907年，哈里森，
首创了动物组织体外培养法
1951年，张明觉，
发现哺乳动物精子获能现象
1958年，格登，体细胞核移植成功
1959年，试管家兔诞生
1978年，胚胎分割移植工程
1981年，埃文斯，
分离和培养小鼠胚胎干细胞
1996年，克隆羊诞生
2006年，山中伸弥，
获得诱导多能干细胞
2014年，单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿诞生
2017年，我国科学家首次培育了体细胞克隆猴
【科技探索之路·动物细胞工程的发展历程】
“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫开也，凝情瀼（ráng）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？
从社会中来
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
一
植物细胞工程的基本技术
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
1.概念：
细胞经过分裂和分化后，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：
生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质（或基因或遗传信息）。
3.体现全能性的标志：
细胞（或组织或器官）→ 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）
蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰
用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株
4.发育过程中不体现全能性的实例：
芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶
5.发育过程中不体现全能性的原因：
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
（一）
细胞的全能性
6.全能性大小的比较：
①受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞；
②植物细胞>动物细胞。
随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。
如何激活细胞的全能性呢？
植物组织培养技术
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
试管苗
驯化移栽
完整植株
1.概念：
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。
移栽成活
2.理论基础：
植物细胞的全能性
外植体
生殖方式：无性生殖（外植体为体细胞时）或有性生殖（外植体为生殖细胞时）
分裂方式：有丝分裂
（二）
植物组织培养技术
（二）
植物组织培养技术
在___________________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_____________，进而形成_________的过程。
一定的激素和营养等
未分化的细胞
愈伤组织
排列不规则，高度液泡化，不定形具有很强分裂能力的薄壁组织团块。
愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
（1）离体状态
（2）无菌操作
（3）种类齐全、比例适合的营养物质
（4）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节
（5）适宜的外界条件（温度、pH、光照等）
相关概念
脱分化：
愈伤组织：
再分化：
适宜的培养条件：
培养基：
（1）状态：固体培养基，其中需加入凝固剂，如琼脂等
（2）成分：水、有机物（如蔗糖等）、无机物、植物激素等
①蔗糖：提供能量、调节渗透压。
②无机物：包括大量元素（如N、P、S、K、Ca、Mg等)和微量元素（如Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu等）
③植物激素：主要是生长素和细胞分裂素
（3）其他条件：适宜的温度、pH等
用酒精擦拭双手和超净工作台台面
→流水冲洗
→酒精消毒30s
→无菌水清洗2～3次
→次氯酸钠溶液处理30min
→无菌水清洗2～3次。
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
（三）
菊花的组织培养
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
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
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
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
诱导愈伤组织
培养基及培养条件：
生长素和细胞分裂素比例1：1、置于黑暗、提供有机碳源（蔗糖）、 18~22℃培养箱中
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
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
诱导生芽生根
注意：先诱导生芽，再诱导生根！须经两次转接培养基。
生芽过程：
生根过程：
生长素比例少、有机营养、不需光照；
生长素比例多、无机营养、需光照。
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。
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
1）双手和超净工作台台面（酒精）
2）培养基的灭菌（高压蒸汽灭菌）
3）外植体的消毒（酒精、次氯酸钠）
4）切段用解剖刀灭菌（干热灭菌）
5）接种和转接的无菌操作（酒精灯——灼烧）
6）培养箱中的培养；
7）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？
思考：1.为什么整个过程要保证无菌操作？
避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养，同时防止有些杂菌危害培养物的生长。
探究 实践（三）菊花的组织培养回顾实验
①外植体消毒
②外植体切段
③接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤诱导生芽生根
⑥移栽
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
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，试分析它们被污染的可能原因。
2. 从刚接种的外植体到长出愈伤组织需经历多少天？
3. 培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？
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。
2周左右
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。
一般使用无土栽培方法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷洒质量分数为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。
结果分析与评价
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
4. 进一步探究
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。
使用比例 实验结果
生长素
细胞分裂素
>
生长素
细胞分裂素
<
生长素
细胞分裂素
＝
有利于根的分化
有利于芽的分化，抑制根的分化
促进愈伤组织生长
探究 实践
（三）
菊花的组织培养
总结：菊花的植物组织培养
根、芽
植物体
脱分化
再分化
培养条件：
①无菌 ②营养物质
③适宜环境条件（温度、PH、光等） ④植物激素：
遮光
一定的光照
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
失去特有结构和功能转变成未分化的细胞
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。生长素和细胞分裂素的比例和浓度都会影响植物细胞的发育方向。
如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…
排列不规则，高度液泡化，呈不定型状态的薄壁细胞
自我检测
1.植物组织培养是将离体的植物器官、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,判断下列有关植物组织培养的表述是否正确。
(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)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出全能性。( × )
(3)在植物组织培养过程中,细胞的遗传物质一般都会发生改变。( × )
(4)诱导愈伤组织期间需要给予光照。( × )
2.下图为植物组织培养过程,有关说法正确的是(　　)
A.②试管中的愈伤组织细胞全能性最高
B.④试管中培育出的个体都是纯合子
C.①→②的过程需要光照
D.①→④过程培养基保持不变
答案 A
解析 ①试管中的外植体经脱分化形成②试管中的愈伤组织,愈伤组织是未分化的细胞,在本实验中全能性最高;植物组织培养属于无性生殖,不改变基因型,所以产生的个体基因型与母本是相同的,可能是纯合子也可能是杂合子;脱分化形成愈伤组织的过程中一般不需要光照;植物组织培养的不同阶段需要的条件不同,培养基中所含有的物质比例也不同,如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。
3.植物组织培养技术是指将离体的植物器官、组织或细胞等,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。关于菊花组织培养的操作,下列叙述错误的是(　　)
A.组织培养选择植物幼嫩的部分作外植体,更易诱导脱分化
B.接种时用镊子夹取菊花的外植体,全部插入诱导愈伤组织的培养基中
C.将愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上培养,长出芽后再诱导生根
D.将幼苗先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境中,待其长壮后再移栽入土
答案 B
解析 植物幼嫩部分全能性高,细胞分裂能力强,更容易经过脱分化形成愈伤组织,A项正确;接种时用镊子夹取菊花的外植体,将其部分插入诱导愈伤组织的培养基中,而不是全部插入,B项错误;植株组织培养时,将愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上培养,长出芽后再转移至生根培养基中诱导生根,C项正确;进行移栽时,将幼苗先移植到消过毒的蛭石或者珍珠岩等环境中,待其长壮后再移栽入土,D项正确。
根、芽
植物体
脱分化
再分化
培养条件：
①离体、无菌
②营养物质
③适宜环境条件（温度、PH、光等）
④植物激素：
细胞分裂素 生长素
如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…
植物组织培养技术--过程
遮光
一定的光照
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
排列不规则，高度液泡化，呈不定形状态的薄壁细胞
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
失去特有结构和功能转变成未分化的细胞

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