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(共51张PPT)
2.1 植物细胞工程
1. 植物细胞工程的理论基础
2. 植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术
3. 怎样进行菊花的组织培养
4. 植物细胞工程在生产实践中有哪些应用
你好，还记得我吗？
克隆羊“多莉”
指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。
细胞工程：
按操作对象分
植物细胞工程
动物细胞工程
一、植物组织培养技术
“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！”——《金漳兰谱》
思考：高洁、典雅的兰花颇受人喜欢。但其繁殖率低，价格不菲，如何让它大量、快速地繁殖呢？
一 植物细胞工程的基本技术
——植物组织培养技术
从社会中来
植物通常是通过播种或扦插实现繁殖的。
玉米种子萌发
黄豆种子发芽
一、植物组织培养技术
落地生根
细胞的全能性
1、定义：
2、原因：
一般情况下，生物体的每一个细胞都包含有该生物的 。
生长发育所需的全套基因
3、全能性大小比较：
（1）分化程度低的 分化程度高的
（2）细胞分裂能力强的 细胞分裂能力弱
（3）受精卵＿胚胎干细胞 生殖细胞＿体细胞;
（4）植物细胞＿动物细胞
＞
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
＞
＞
＞
＞
＞
3、体现全能性的标志：
细胞→ 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
蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰
细胞的全能性
一、植物组织培养技术
4. 生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性
(1)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
(2)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
外植体
1、概念：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。
有丝分裂
无性生殖
植物细胞具有全能性
2. 生殖方式：
3. 分裂方式：
4. 原理：
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
一、植物组织培养技术
移栽成活
脱分化
再分化
再分化
菊花的组织培养
探究 实践
1.实验原理
外植体
愈伤组织
芽、根
完整植株
脱分化
再分化
生长发育
植物细胞一般具有全能性。
植物组织培养的过程
脱分化
再分化
让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程。
不定形的薄壁组织团块。
愈伤组织
愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。
二、植物组织培养技术
探究 实践
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、比例都会影响植物细胞的发育方向。
生长素用量 / 细胞分裂素用量 结果
比值适中（=1）
比值高(＞1)
比值低(＜1)
促进根的分化
促进芽的分化
促进愈伤组织的形成
植物的组织培养
2. 材料用具
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（参见本书附录1）
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
灭菌方法为：
高压蒸汽灭菌法
①外植体消毒
②外植体处理
③接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤诱导芽和根
⑥移栽
用酒精擦拭双手和超净工作台面：
①流水冲洗外植体(幼嫩的茎段)→②酒精消毒30s→③无菌水清洗2-3次→④次氯酸钠溶液处理30min→⑤无菌水清洗2-3次
①外植体消毒
菊花的组织培养
探究·实践
二、方法步骤
②外植体处理
用无菌滤纸吸去表面水分，将外植体切成0.5-1cm长的小段
③接种外植体
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。
菊花的组织培养
探究·实践
二、方法步骤
注意：注意外植体的方向，不要倒插！
④诱导愈伤组织
将接种了外植体的锥形瓶置18-22℃的培养箱中培养。
将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽培养基上出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
⑤诱导芽和根
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。
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
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、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。
4、培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？
外植体消毒不彻底；培养基、接种工具灭菌不彻底；
操作过程不符合无菌操作要求等。
试管苗移栽的关键：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。
菊花的组织培养
探究·实践
三、结果分析与评价
利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花
若细胞不离体，细胞中的基因会选择性地表达，从而形成生物体的不同组织和器官，不能表现出全能性；
【归纳】植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
（1）离体（最关键）:
（2）严格的无菌条件:
① 对操作环境、双手、外植体进行消毒；② 对培养基和器械进行灭菌；
③ 接种操作必须在酒精灯火焰旁进行；
（3）适宜的培养条件:
（4）适宜浓度和比例的激素:
（5）一定的营养条件:
温度,光照
包括有机营养成分、无机营养成分
主要是生长素和细胞分裂素
拓展：植物组织培养的两种途径
器官发生途径
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽生根
生长发育
试管苗
（移栽到大田）
拓展：植物组织培养的两种途径
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。
胚状体
途径
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
胚状体
生长发育
试管苗
（移栽到大田）
1.(不定项)下图表示利用棉花叶肉细胞原生质体进行遗传改良的过程,下列说法正确的是(　 　)
A.①过程需在适宜条件下用纤维素酶和果胶酶处理
B.②过程能定向诱导原生质体产生优良性状的突变
C.③过程中叶肉细胞失去了其特有的结构和功能
D.④过程需用适宜浓度的生长素和细胞分裂素处理
ACD
课堂演练
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。
讨论：
用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗？为什么？
不能；
因为两种生物之间存在着生殖隔离；
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？
从社会中来
三、植物体细胞杂交技术
1. 过程
A细胞
B细胞
纤维素酶果胶酶
1.去壁：
酶解法
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
2.诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
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
融合成功标志
植物体细胞杂交技术完成的标志
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
原理：
拓展：
① 原生质体是指植物细胞去除细胞壁后剩余的部分，包括细胞膜、细胞质和细胞核。
② 原生质层是指成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质，包括细胞膜、细胞质、液泡膜。
区分原生质体与原生质层：
【注意】质壁分离的“质”指的是原生质层。
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。
2、原理：
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
二、植物体细胞杂交技术
3、变异类型：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等
染色体数目的变异
4. 两个标志
（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
5、优点：
6、局限性:目前仍有许多理论和技术问题未解决,还不能让杂种植物按照人们的需求表现出双亲的优良性状。
而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。
2.细胞融合后，共有几种细胞类型？融合细胞有几种，符合要求的是哪种？
A
B
杂种细胞形成的标志是杂种细胞再生出细胞壁。在此过程中哪种细胞器活跃？
1.
在此过程中活跃的细胞器是线粒体和高尔基体
思 考
体细胞融合成功后培养基中共有5种细胞类型(A、B、AA、BB、AB)，
其中融合细胞类型有3种(AA、BB、AB)，
注意：
两个细胞融合成一个细胞，染色体数，基因型和染色体组数都采用直接相加的方法。
课堂检测
A种植物的细胞和B种植物细胞的结构如右图所示将A、B两种植物细胞去掉细胞壁后，诱导二者的原生质体融合，形成单核的杂种细胞，若经过 组织培养后得到了杂种植株，则该杂种植株是（ ）
A．二倍体；基因型是DdYyRr
B．三倍体；基因型是DdYyRr
C．四倍体；基因型是DdYyRr
D．四倍体；
基因型是DDddYYyyRRrr
C
2.(不定项)驱蚊香草含有香茅醛,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。驱蚊香草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。下列关于驱蚊香草培育的叙述,错误的是(　 　)
A.驱蚊香草的培育属于细胞工程育种,优点是克服了远缘杂交不亲和的障碍B.驱蚊香草的培育过程要用到纤维素酶、果胶酶、PEG等试剂或电融合等方法
C.驱蚊香草的培育过程不同于植物组织培养,无细胞脱分化和再分化的过程D.驱蚊香草的培育利用了植物体细胞杂交技术,育种原理是基因重组
CD
3.下图表示菊花嫩枝的离体培养过程,请据图回答下列问题。
(1)在植物组织培养中常用的培养基名称为　　　　　　　,从物理性质上看属于　　　　培养基。(2)植物组织培养都需要接种,接种前为确定培养基是否灭菌彻底,需要进行检测,检测的方法是 。
植物组织培养无菌操作应注意 。 (3)图中的B过程需要　　　,
光照
MS培养基
固体
将未接种的培养基放在适宜温度下培养一段时间，观察是否有菌落出现
　外植体消毒、在酒精灯火焰旁进行操作、操作者双手消毒等　
2.1.2 植物细胞工程的应用
植物细胞工程的实际应用
（一）、植物繁殖的新途径
（二）、作物新品种的培育
（三）、细胞产物的工厂化生产
1、单倍体育种；
2、突变体的利用
药物，香料，蛋白质等
1、微型繁殖；2、作物脱毒；
三、植物细胞工程的实际应用
一、植物繁殖的新途径
1. 快速繁殖
（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
（2）优点：
①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；
②可以保持优良品种的遗传特性。
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
（3）过程：
（5）实例：
一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。
（4）快速繁殖的繁殖方式：
无性繁殖
资料1
铁皮石斛的工厂化生产
铁皮石斛具滋阴清热、润肺益肾、明目强腰、增强机体免疫力，被誉为“九大仙草之首”。1992年在《中国植物红皮书》中被收载为濒危植物，不允许采摘野生石斛。
如今，通过植物组织培养技术,人为培养出人工铁皮石斛试管苗，用于扩大培养及蔬果市场。
荷兰园艺业占国家农业总产值的42%，每年出口鲜切花、球茎和观赏植物达60亿美元，其中鲜切花为35亿美元。花卉出口占世界花卉出口的70%（品种多，品质好）。荷兰的球茎贸易占全球贸易额的80%，盆花占50%，鲜切花占60%，花卉品种已超过1.1万个，种球出口到100多个国家和地区。资料2荷兰的花卉产业西瓜试管苗蝴蝶兰试管苗红薯试管苗香蕉试管苗春兰试管苗快速繁殖部分成果
（1）选材部位
植物 。
选材原因：该部位的病毒极少，甚至无病毒。
（2）方法
切取一定大小的 进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。（即：茎尖组织培养技术）
茎尖
顶端分生区附近
（2）作物脱毒
三、植物细胞工程的实际应用
脱毒草莓
普通草莓
香蕉
菠萝
作物脱毒原因：
无性繁殖的作物，容易将病毒传染给后代。病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。
脱毒苗不等于抗毒苗，与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
单倍体概念:
体细胞中的染色体数目与本物种配子染色体数目相同的个体，叫作单倍体，如蜜蜂中的雄蜂。
2n=32
2n=32
n=16
单倍体特点：植株弱小，高度不育
应用：单倍体育种
三、植物细胞工程的实际应用
二、作物新品种的培育
秋水仙素处理，染色体数加倍
花药离体培养
单倍体植株
正常纯合体植株
1. 单倍体育种
（1）过程：
脱分化
愈伤组织
再分化
（2）原理：
染色体（数目）变异、植物细胞的全能性。
配子：
DT
Dt
dT
dt
单倍体幼苗：
DT
Dt
dT
dt
花药离体培养
秋 水 仙 素
第2年
DDtt
ddTT
ddtt
纯合体:
DDTT
矮抗
P
高杆抗病
DDTT
×
矮杆感病
ddtt
F1
高杆抗病
DdTt
第1年
选择矮秆抗病即为新品种
1、单倍体育种：
三、植物细胞工程的实际应用
（3）优点：
① 极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力：
杂交育种培育一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般不断自交选优, 常需5～6年。
② 可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料：
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。
（4）实例：
单育1号烟草、水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物。
我国培育的单育1号烟草是世界上第一个单倍体作物新品种
京花1号小麦
中花11号水稻
2. 突变体的利用
（1）原理：
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。
（2）过程：
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
（3）原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
难以控制突变方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
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。
缺点：
抗病、
抗盐、
含高蛋白、高产
突变体的利用
三、植物细胞工程的实际应用
应用：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的野生烟草
烟草
三、细胞产物的工厂化生产
1. 植物的代谢产物
（1）初生代谢物：
初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。
（2）次生代谢物：
次生代谢不是生物生长所必需的，在特定条件下进行；
次生代谢物是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化
合物等）.
在植物的抗虫、抗病等方面发挥作用，也是很多药物、香料和
色素等的重要来源。
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。
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。
2. 细胞产物的工厂化生产
三、细胞产物的工厂化生产
（1）原理：
（2）特点：
（3）过程：
利用植物细胞培养来获得目标产物。
不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
（4）实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
三、细胞产物的工厂化生产
紫草宁（紫草的一种药物和色素）
——具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性（首例植物细胞工程产品）
紫杉醇（红豆杉属的一种次生代谢物）
——具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗
到社会中去
“手指植物”通常培育在装有彩色固体培养
基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜
的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它
们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。
【提示】手指植物的制作方法用到了植物组织培养技术。在制作过程中，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加人适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。
练习与应用
一、概念检测
1. 运用植物细胞工程技术可以培育单倍体 植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。
（1）用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。（ ）
（2）细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ）
2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是 （ ）
A.人工诱导基因突变
B.选择优良品种进行杂交
C.进行远缘植物体细胞杂交
D.取茎尖分生组织进行组织培养
√
×
D

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