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第2章 细胞工程
Chapter 2 cell engineering
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。
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}原理和方法
操作水平
目的
分类
细胞生物学、分子生物学和发育生物学
细胞器、细胞或组织
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
动物细胞工程和植物细胞工程
什么是细胞工程
其茅葺，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!
《金漳兰谱》（宋·赵时庚）
其种子发育不全，萌发率低，育苗困难
说文解字谈“育苗”
到底是孕育还是培育
育苗
第1节 植物细胞工程
Section 1 Plant Cell Engineering
植物细胞工程基本技术之
植物组织培养
就是在无菌和人工控制条件下，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，诱导形成完整的植株的技术。
理性分析
01
什么是细胞的全能性？
02
植物细胞为什么具有全能性？
03
植物体内的细胞为什么没有表现出全能性？
04
高度分化的植物细胞再发育成完整植株的关键变化是什么？
植物细胞具有全能性
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，即细胞具有全能性。
①定义
②原因
高度分化的细胞仍含有该物种的全部遗传信息，具有发育成完整个体所需要的全套基因。
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
植物细胞具有全能性
细胞全能性大小的分析
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}体细胞全能性与细胞分化程度
体细胞全能性与细胞分裂能力
不同类型细胞的全能性
不同生物细胞的全能性
分化程度低的＞分化程度高的
分裂能力强的＞分裂能力弱的
受精卵＞生殖细胞＞体细胞
受精卵＞干细胞＞体细胞
植物细胞＞动物细胞
理性分析
01
什么是细胞的全能性？
02
植物细胞为什么具有全能性？
03
植物体内的细胞为什么没有表现出全能性？
04
高度分化的植物细胞再发育成完整植株的关键变化是什么？
植物组织培养流程图
接种
外植体
诱导
愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
用文字和箭头表示植物组织培养的流程
如何对外植体进行消毒？
植物组织培养需要的条件？
相关概念
外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。
脱分化：已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。
愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、高度未分化、呈无定形状态的薄壁细胞团。
外植体
愈伤组织
芽、根
植株
脱分化
再分化
再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化出根或芽等器官的过程。
植物组织培养的流程
植物组织培养流程图
接种
外植体
诱导
愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
用文字和箭头表示植物组织培养的流程
如何对外植体进行消毒？
植物组织培养需要的条件？
植物组织培养流程图
接种
外植体
诱导
愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
用文字和箭头表示植物组织培养的流程
如何对外植体进行消毒？
植物组织培养需要的条件？
植物组织
培养的条件
请同学们结合视频资料和教材内容，相互讨论，得出植物组织培养的条件
离体
无菌
营养
激素
控制光照
控制温度
植物组织
培养的条件
离体
无菌
控制光照
控制温度
激素
营养
关注碳源
选用蔗糖而非葡萄糖
维持相对低的渗透压
减少微生物的污染
植物组织
培养的条件
离体
无菌
营养
控制光照
控制温度
激素
激素比例的控制
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}
生长素
细胞分裂素
高
低
适中
作用效果
有利于 的分化
抑制 形成
有利于 的分化
抑制 形成
促进 生长
根
芽
芽
根
愈伤组织
植物组织
培养的条件
脱分化：避光
离体
无菌
营养
激素
控制温度
控制光照
再分化：需光
重要提示：
叶绿素的形成离不开光
例1
培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
回答下列问题。
（1）利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有__________。
（2）步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是___________________________________。
全能性
形成层容易诱导形成愈伤组织
切取洁净的胡萝卜根段
对根段
进行消毒
切取1cm3左右带有形成层的组织块
接种
组织块
诱导组织块形成愈伤组织
诱导愈伤组织形成试管苗
①
②
③
④
⑤
⑥
例1
培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
（3）从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是
______________________________________________________。
在新的培养基上愈伤组织通过细胞的____________过程，
最终可形成试管苗。
诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同
分化或再分化
切取洁净的胡萝卜根段
对根段
进行消毒
切取1cm3左右带有形成层的组织块
接种
组织块
诱导组织块形成愈伤组织
诱导愈伤组织形成试管苗
①
②
③
④
⑤
⑥
例1
培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。
（4）步骤⑥要进行照光培养，其作用是
_______________________________________________________。
（5）经组织培养得到的植株，一般可保持原品种的__________，这种繁殖方式属于____________繁殖。
诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用
遗传特性
无性
切取洁净的胡萝卜根段
对根段
进行消毒
切取1cm3左右带有形成层的组织块
接种
组织块
诱导组织块形成愈伤组织
诱导愈伤组织形成试管苗
①
②
③
④
⑤
⑥
素养落实
1. 植物组织培养过程可以归纳为 ① →脱分化 ② →再分化 ③ → ④，下列相关叙述错误的是( )
A. 通常选取根尖、茎尖等诱导形成愈伤组织
B. ②→③再分化过程中，细胞增殖的方式为有丝分裂
C. ①→③培养过程中，应在培养基中加入水、无机盐、葡萄糖、氨基酸等物质
D. 若①为马铃薯的叶尖细胞，则④不可能具有番茄植株的相关性状
?
C
内因
外因
适宜的培养条件
外植体中的遗传物质
地上结番茄，地下有马铃薯块茎的奇葩
如果想通过组织培养技术得到这样的“奇葩植株”的话，需要解决的首要问题是什么？
地上结番茄，地下有马铃薯块茎的奇葩
上世纪60年代，有科学家提出用“有性杂交”方法培养此“奇葩”植株，你认为可行吗？为什么？
Obstacle 1
障碍1
Obstacle 2
障碍2
细胞壁的阻碍
融合率低
植物细胞融合
植物组织培养
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
1.过程
A细胞
B细胞
A原生质体
B原生质体
去壁
①
酶解法
①植物细胞去掉细胞壁，获得原生质体。
利用酶的专一性。
用纤维素酶和果胶酶水解。
去壁
①
酶解液常加入山梨醇和甘露醇稳定渗透压，防止原生质体渗透吸水涨破或渗透失水收缩。
方法
稳定渗透压
1.过程
A原生质体
B原生质体
正在融合的原生质体
②融合
②诱导两个原生质体融合
物理方法：
电融合法、离心法等
化学方法：
聚乙二醇(PEG)融合法
高Ca2+—高pH融合法
细胞膜具有流动性
原理
方法
是杂交过程中的一个关键环节。
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
1.过程
③再生新壁
③融合的原生质体重新产生细胞壁，形成杂种细胞。
是杂交成功的标志。
直接参与此过程中的主要细胞器是？
高尔基体
再生出细胞壁
（杂种细胞）
愈伤组织
杂种植株
移栽后的植株
脱分化
再分化
④利用植物组织培养技术将杂种细胞培育成杂种植株。
1.过程
植物细胞融合
植物组织培养
1.植物体细胞杂交技术获得的变异植株的变异类型？
2.植物体细胞杂交技术的原理有哪些？
3.只考虑两两融合的情况下，将大量的马铃薯和番茄细胞放到一起进行融合处理，将会得到几种杂种细胞？
植物体细胞杂交技术
理性思考
思考：杂种细胞的染色体数是多少？杂种细胞染色体组数是多少？
两亲本染色体数之和
两亲本染色体组数之和
无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律
染色体数目变异
两亲本染色体数之和。2n+2m
两亲本染色体组数之和。2+2
两亲本基因型之和。AabbccDd
植物细胞融合
植物组织培养
1.植物体细胞杂交技术获得的变异植株的变异类型？
2.植物体细胞杂交技术的原理有哪些？
3.只考虑两两融合的情况下，将大量的马铃薯和番茄细胞放到一起进行融合处理，将会得到几种杂种细胞？
植物体细胞杂交技术
理性思考
总结
植物体细胞杂交技术(plant somatic hybridiza-tion)是指将不同来源的的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培养成新植株的技术。
愈伤组织
杂种植株
A细胞
B细胞
A原生质体
B原生质体
去壁
去壁
融合
再生新壁
脱分化
再分化
植物细胞融合
植物组织培养
正在融合的原生质体
杂种细胞
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。
优点
打破远缘亲本杂交生殖隔离，扩展杂交亲本组合范围。
缺点
有可能杂交不成功，即使杂交成功也可能不产生人们想要的性状。
现状 杂种植株包含两个物种的全部遗传物质，各种基因都包含在内，却未按照人们的要求表现出亲本所有的性状，例如“番茄-马铃薯”并没有地上结番茄，地下长马铃薯
原因 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，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，它们不能像在原植株细胞内实现有序表达，因此不能按照人们的要求；表现出亲本所有的性状。
研究现状 仍有许多理论与技术问题没有解决，还不能让杂种植株表现出人们所需要的所有性状。
素养落实
2. （2021江西宜春高安中学高二期末）科学家把天竺葵的原生质体和香茅草的原生质体进行诱导融合，培育出的驱蚊草含有香茅醛，能散发出一种特殊的气味，而且有驱蚊且对人体无害的效果。下列说法错误的是( )
A. 驱蚊草的培育属于细胞工程育种，其优点是能克服远源杂交不亲和的障碍
B. 驱蚊草的培育过程的原理包括细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
C. 驱蚊草培育过程是植物体细胞杂交，不同于植物组织培养，无愈伤组织的形成
D. 驱蚊草不能通过天竺葵和香茅草杂交而获得是因为不同物种间存在生殖隔离
C
课堂达标
5. 下图是植物体细胞杂交过程示意图，请据图回答：
（1） 植物体细胞杂交的第①步是去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体。目前此步骤最常用的方法是酶解法，也就是在温和的条件下用__________________等分解植物细胞的细胞壁。
C
课堂达标
5. 下图是植物体细胞杂交过程示意图，请据图回答：
（2） ②过程的发生，必须进行人工诱导。人工诱导原生质体融合的物理方法是利用__________________（至少答出两种方法）等促使原生质体融合；化学方法是用___________________________试剂作为诱导剂诱导融合。
C
课堂达标
5. 下图是植物体细胞杂交过程示意图，请据图回答：
（3） ③表示融合后的原生质体再产生新的细胞壁，新细胞壁的产生与细胞内__________（细胞器）有密切的关系。
C
再谈细胞工程


细胞
工程
原理
方法
细胞生物学、分子生物学和发育生物学等
研究
水平
研究
目的
细胞器、细胞或组织水平
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
从植物组织培养流程看细胞工程
Cell Engineering viewed from plant tissue culture process
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽根
试管苗
植株
移栽
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
01
关注起点
一般而言，外植体的特性决定终产品的品质
02
关注终点
根据所需产品的特点，决定流程的终点
关注起点之
快速繁殖
观赏植物
经济林木
无性繁殖作物
濒危植物
微型繁殖技术 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术
优点
高效、快速地实现种苗的大量繁殖
保持优良品种的遗传特性
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。
材料分析
简言之 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。
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。
材料分析
对策
采用茎尖组织培养技术脱去病毒
理由
植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒
经典例题（改编）
例1 烟薯-25是一种甜度大、抗病力强、产量高的红薯。它是无性繁殖的作物，多代繁殖后病毒会在体内积累，导致含糖量不足，产量下降。大面积栽培时，一般都用脱毒苗。下列有关脱毒苗培育过程的叙述，正确的是( )
A. 脱毒苗培育过程的原理是高度分化的植物细胞一般具有全能性
B. 脱毒苗培育得到的农作物具有极强的抗病毒能力
C. 脱分化和再分化的培养基成分是相同的，两个阶段光照条件相同
D. 培育脱毒苗应将茎尖进行灭菌处理，接种过程应进行无菌操作
A
关于单倍体育种
On haploid breeding
利用植物组织培养技术(如花药离体培养等)诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍(如用秋水仙素处理)，从而使植物恢复正常染色体数。
单倍体育种
优点之一：大多数单倍体植株的细胞中只含一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现，进而能明显缩短育种年限
优点之二： 后代大多是纯合子，能稳定遗传，可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料
经典例题（改编）
例2 （2021江苏江阴南菁中学高二期中）如图是某二倍体植物通过花药培养进行单倍体育种的过程示意图，下列叙述正确的是( )
A. 图中过程②涉及细胞的分裂和分化，细胞进行有丝分裂
B. 秋水仙素能促进着丝粒分裂，导致细胞染色体数目加倍
C. 图中③过程为了促进生芽，可增加培养基中细胞分裂素的比例
D. 过程④应将炼苗后的植株移栽到含有蛭石或珍珠岩等的基质上
C
突变体的利用
产生原因在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
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
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
突变体
筛选培育
新品种
诱变处理
原理 突变(基因突变和染色体变异）和植物细胞的全能性
细胞产物的工厂化生产
Industrial production of cell products
初生代谢物
次生代谢物
初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，在植物整个生命过程中均有初生代谢，初生代谢的产物即出生代谢物。如糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
不是生物生长所必需的，在特定条件下由特定的组织和器官产生的，一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
次生代谢物 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
Industrial production of cell products
YES 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
NO 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
紫草宁
紫杉醇
细胞产物的工厂化生产
Industrial production of cell products
植物细胞培养指在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术，其原理是细胞的增殖。
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
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。
一般选用液体培养基，因为液体培养基（培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触
人参皂甙工厂化生产的基本流程
Industrial production of cell products

人生根
愈伤组织
增长速度快、细胞内人参皂甙干粉含量高的细胞
大量细胞
提取人参皂甙干粉
脱分化
培养选择
放入发酵罐
破碎细胞
素养落实
2. 紫草宁具有抗菌、消炎效果。在工业化生产中，取紫草植株部分组织诱导形成紫草愈伤组织，转入紫草宁形成培养基，然后将细胞破碎后提取出紫草宁。下列相关叙述中不正确的是( )
A. 工业化生产过程包括细胞的脱分化
B. 在紫草宁生产过程中，不必将愈伤组织培养出根、芽等器官
C. 紫草的愈伤组织细胞在低渗溶液中不会涨破
D. 紫草宁在细胞内合成后被分泌到细胞外
D
THANK YOU
THIS TEMPLATE DESIGNED FOR FEI ER SHE JI

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