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第33讲 植物细胞工程
第十二单元 生物技术与工程
课标要求 1.阐明植物组织培养是在一定条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程
2.概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞，继而培育成新植物体的技术
3.举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式，有效提高了生产效率

考点一 植物细胞工程的基本技术
一. 细胞工程
1.操作水平:_________________________。
2.目的: 获得特定的细胞、_______、器官、个体或其_______。
细胞器、细胞或组织水平
组织
产品
3.分类:__________________________________________；
植物细胞工程、动物细胞工程、胚胎工程
二. 植物细胞的全能性
1.概念: 细胞经_____________后,仍然具有产生_____________或分化成其他各种细胞的潜能。
2.原理: 细胞内含有本物种的_______________。
3.全能性表达条件: 具有完整的细胞结构, 处于_______状态,提供一定的______________和其他适宜外界条件。
分裂和分化
完整生物体
全部遗传信息
离体
营养、激素
4.生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因:
（不离体的细胞无法表现出全能性的原因）
因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
9. 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
(3)适宜的培养条件
(4)适宜浓度和比例的植物激素
(5)一定的营养条件
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；
①温度(例如菊花植物组织培养应为18-22℃)；
②光照(例如脱分化需避光，再分化需照光)；
*植物激素的种类和含量不同，对愈伤组织的形成和分化的影响不同
*配制合适的培养基，包括有机营养成分、无机营养成分、适宜浓度和比例的激素；
*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；
(生长素与细胞分裂素)
(BA与NAA)
5.全能性大小比较
(1)受精卵、体细胞、生殖细胞
________________________________________
(2)分化程度高的细胞、分化程度低的细胞
________________________________________
(3)分裂能力强的细胞、分裂能力弱的细胞
________________________________________
(4)植物细胞、动物细胞
________________________________________
(5)幼嫩的细胞、衰老的细胞
________________________________________
分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞
分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞
受精卵＞生殖细胞＞体细胞
植物细胞＞动物细胞
幼嫩的细胞＞衰老的细胞
6.实例
(1)表现出全能性的例子
①利用菊花茎段培养获得试管苗；
②利用胡萝卜的韧皮部细胞培养获得胡萝卜幼苗；
③受精卵发育成个体；
④蜜蜂的孤雌生殖中，卵细胞直接发育成雄蜂；
⑤通过花药离体培养，获得单倍体幼苗；
⑥胚胎干细胞可分化发育成为各种组织器官的细胞；
①芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶；
②神经干细胞分化形成各类神经细胞；
③造血干细胞可分化形成多种血细胞；
*多莉羊的诞生只表现了动物细胞核的全能性，没有表现出动物细胞的全能性；
(2)未表现出全能性的例子
二. 植物组织培养技术
1.概念:
植物组织培养是指将______的植物______、______或______(称为_______)等，培养在人工配制的________上，给予________________，诱导其形成__________的技术；
2.原理:___________________
3.生殖方式:_______________
4.分裂方式:_______________
离体
器官
组织
细胞
外植体
培养基
适宜的培养条件
完整植株
植物细胞的全能性
无性生殖
有丝分裂
5.过程:
(1)脱分化
①概念:
在一定的_____和_____等条件的_____下，________的细胞_______________________，转变成______________的过程；
②实质:
__________________________________________________
③结果:_______________
*愈伤组织的特点:______________________
④光照条件:_______________
⑤过程中涉及的生命活动:
__________________________________________
激素
营养
诱导
已经分化
失去其特有的结构和功能
未分化的细胞
已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞
形成愈伤组织
不定形的薄壁组织团块
一般不需要光照
只有细胞增殖(有丝分裂)，没有细胞分化
(2)再分化
①概念:
__________能重新_____成______________的过程；
②实质:
______________________
③结果:
__________________________________________________
④光照条件:_________________________________________
为什么？__________________________________________
⑤过程中涉及的生命活动:
__________________________________________
愈伤组织
分化
芽、根等器官
基因的选择性表达
再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株
需要给予适当时间和强度的光照
诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用
既有细胞增殖(有丝分裂)，又有细胞分化
次氯酸钠
薄壁组
织团块
<
7.实例—菊花的组织培养
7.实例—菊花的组织培养
>
生长素用量与细胞分裂素用量的比值 结果
比值高
比值低
比值适中
有利于根的分化
有利于芽的分化
有利于愈伤组织的形成
组别 生长素(mg/L) 细胞分裂素(mg/L) 分化状况
甲 2 0.02 分化形成根
乙 2 0.2 不分化
丙 2 0.5 分化形成芽
8. 植物激素在植物组织培养中的作用
特殊的植物组织培养——花药离体培养
花药离体培养
配子
DDTT
DDtt
ddTT
ddtt
正常植株（纯合）
秋水仙素诱导
高杆抗病
DdTt
DT
Dt
dT
dt
单倍体植株
DT
Dt
dT
dt
需要的纯合矮抗品种
(1)植物组织培养过程中涉及的分裂方式为_________；
(2)该过程涉及的生殖方式是_________*；
(3)经秋水仙素加倍之后，获得的植株一般为_______，一定是吗？_______
有丝分裂
有性生殖
纯合子
不一定
1.概念:
植物体细胞杂交是指将_________的____________，在__________下_____成___________，并把__________培育成__________的技术；
2.原理:__________________________________________
3.生殖方式:____________
4.分裂方式:____________
5.可遗传变异类型:_____________________
6.实例: 白菜-甘蓝、普通小麦-长穗偃麦草
7.意义:*____________________________________________
不同来源
植物体细胞
一定条件
融合
杂种细胞
杂种细胞
新植物体
细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性
无性生殖
有丝分裂
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
四. 植物体细胞杂交技术
A细胞
B细胞
B原生质体
A原生质体
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
AB杂种细胞
脱分化
愈伤组织
再分化
杂种植株
去壁
去壁
原生质体融合
植物组织培养
植物体细胞杂交
8.植物体细胞杂交过程示意图
酶解法
原生质体融合成功标志:
杂种细胞再生出细胞壁；
植物体细胞杂交成功的标志:
形成杂种植株。
(1)去除细胞壁
①去壁原因:
______________________________________________________
②方法:_______
③所用酶:___________________
*为什么用上述酶？_______________________________________
*酶解法利用了原理？_________________
*纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，试分析原因？
____________________________________________________
____________________________________________________
细胞壁阻碍着细胞间的杂交(阻碍了原生质体间的融合)
酶解法
纤维素酶和果胶酶
植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶构成
酶的专一性
使溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体正常形态。
(2)原生质体间的融合
①原理:
__________________________
②方法:_________和__________
细胞膜具有一定的流动性
物理法
化学法
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
【思考】获得的所有细胞一定是需要的杂种细胞吗？
不一定；
诱导融合后的产物有三类:
①未融合的细胞(A细胞、B细胞)
②两两融合的细胞(AA细胞、BB细胞、AB细胞)
③多细胞融合体
(3)再生出新的细胞壁
①细胞融合完成的标志*:
_______________________
②相关的细胞器：
_______________________
③验证再生出新壁的实验：
_____________________________________
再生出新的细胞壁
高尔基体和线粒体
质壁分离和质壁分离复原实验
【提醒】有关植物细胞杂交的三个易错点
①两个不同品种的植物细胞，A、B进行杂交，错认为两两融合的原生质体只有AB类型。其实还可能有AA融合的和BB融合的，需要经过筛选，选出AB融合的原生质体。
②错认为植物体细胞杂交属于有性生殖。植物体细胞杂交过程中没有有性生殖细胞的结合，因此不属于有性生殖，应为无性生殖。
③错认为杂种植株的变异类型属于基因重组。杂种植株的变异类型属于染色体变异，其染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，杂种植株属于异源多倍体。
考点二 植物细胞工程的应用
植物细胞工程的应用
植物繁殖的新途径
作物新品种的培育
细胞产物的工厂化生产
快速繁殖
作物脱毒
单倍体育种
突变体的利用
植物细胞的全能性
1. 快速繁殖
(1)概念:
快速繁殖优良品种的 技术。
植物组织培养
一. 植物繁殖的新途径
(2)原理:
①高效、快速地实现种苗的大量繁殖。
②保持优良品种的遗传特性。
(3)优点:
无性生殖
(4)本质:
(5)实例:
一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物等。
2.作物脱毒
(1)适用范围:__________________
(2)进行作物脱毒的原因:
__________________________________________________________
__________________________________________________________
(3)外植体选材部位:_________________________________________
(4)选分生区的原因:_________________________________________
(5)优点:___________________________________________________
(6)操作过程:_______________________________________________
__________________________________________________________
(7)实例:
_________________________________________
无性繁殖的作物
①用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代;
②病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差
植物顶端分生区附近部位，如茎尖、根尖
植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒
脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物
切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗
马铃薯、草莓、打算、甘蔗、菠萝和香蕉
脱毒马铃薯田与被病毒感染的未脱毒马铃薯叶片
(1)脱毒苗是选择植物的分生区如茎尖(刚形成，不含有病毒)进行植物组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。
(2)抗毒苗是把某抗病毒基因导入受体细胞中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。
*脱毒苗≠抗毒苗
1.单倍体育种
(1)过程(花药取自二倍体植株)
通过_____(或____)培养获得___________,然后经过______________，______就能培育出__________________的_______________________；
花药
花粉
单倍体植株
诱导染色体加倍
当年
遗传性状相对稳定
纯合二倍体植株
二. 作物新品种的培育
1.单倍体育种
(2)原理:_____________________和______________________
(3)优点:
①___________________________________________________
②___________________________________________________
染色体(数目)变异
植物细胞的全能性
极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力
是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
2.单倍体育种
(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
2.突变体的利用
(1)过程:
(2)诱变处理对象: 一般为____________
(3)产生突变体的原因:
__________________________________________________________
__________________________________________________________
(4)原理:____________和___________________________
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，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变；
愈伤组织
基因突变
植物细胞的全能性
二. 作物新品种的培育
2.突变体的利用
(5)实例:
__________________________________________________
(6)优点:
__________________________________________________
__________________________________________________
(7)缺点
__________________________________________________
__________________________________________________
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草
通过人工诱变①提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，②加快育种进程。
①突变具有不定向和低频性，需要处理大量材料；
②突变少利多害，符合人们需要、有利的品种比较少。
二. 作物新品种的培育
(1)植物的代谢产物分类
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；
产物: 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，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行；
产物: 一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)
(2)细胞产物的工厂化生产的目标产物____________________
次生代谢产物
三.细胞产物的工厂化生产
(3)技术——_______________
在______条件下对________________或__________进行培养使其______的技术；
(4)细胞产物的工厂化生产的一般过程
由以上过程可知:
*细胞产物工厂化生长主要利用的是植物组织培养中的哪种结构？_____________
*该过程中是否需要培养得到完整植株？____________
植物细胞培养
离体
单个植物细胞
细胞团
增殖
愈伤组织
一般不需要
(5)优点_____________________________________________
____________________________________________________
(6)实例
____________________________________________________
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
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷等
红豆杉和紫杉醇
植物细胞培养与植物组织培养不完全相同,不需要经过再分化的过程。
利用植物细胞培养获得细胞产物, 只需要通过脱分化得到愈伤组织, 然后利用液体培养基大量培养愈伤组织细胞,从中提取所需目标产物。
【检测】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
去除细胞壁
外源基因导入原生质体
农杆菌转化法
脱分化
再分化
生长发育
B
A项: 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,
外源基因可以在宿主细胞表达产生相应的蛋白质，说明所有的生物共用一套密码子
固体培养基
单倍体幼苗，再用秋水仙素处理获得纯合植株
【检测】利用相关工程技术可以获得抗黑腐病杂种黑芥—花椰菜植株，已知野生黑芥具有黑腐病的抗性基因，而花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，技术人员用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力，再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，流程如下：据图回答下列问题：
(1)该过程用到的工程技术有_________________和_______________。
植物体细胞杂交
植物组织培养
(2)过程①所需的酶是_________________,过程②PEG的作用是_____________________，经过②操作后，需筛选出融合的杂种细胞，显微镜下观察融合的活细胞中有供体的_________存在可作为初步筛选杂种细胞的标志。
促进原生质体的融合
叶绿体
纤维素酶和果胶酶
(3)原生质体培养液中需要加入适宜浓度的甘露醇以保持一定的渗透压，其作用是_____________________________________。原生质体经过细胞壁再生，进而分裂和脱分化形成____________。
保持原生质体完整性(或正常形态)
愈伤组织
(4)若分析再生植株的染色体变异类型，应剪取再生植株和双亲植株的根尖，制成装片，然后在显微镜下观察比较染色体的_____________；对杂种植株进行_________接种实验，可筛选出具有高抗性的杂种植株。
形态和数目
黑腐病菌
【检测】利用相关工程技术可以获得抗黑腐病杂种黑芥—花椰菜植株，已知野生黑芥具有黑腐病的抗性基因，而花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病，技术人员用一定剂量的紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化,并丧失再生能力，再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与完整的花椰菜原生质体融合，流程如下:据图回答下列问题:

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