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第2章 细胞工程
第1节　植物细胞工程
从社会中来
“其芽葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开，凝晴滾露，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
一 植物细胞工程的基本技术
一、细胞工程
1.概念：
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。
2.分类：
依据操作对象分植物细胞工程和动物细胞工程。
二、植物组织培养技术
1.细胞的全能性
(1)定义：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。
(2)在生长发育过程中，细胞不能表现出全能性的原因：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。
2.植物组织培养：
(1)概念：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。
(2)植物组织培养的流程：
①接种外植体
②诱导愈伤组织
③诱导生芽
④诱导生根
⑤移栽成活
再分化：愈伤组织重新分化成根、芽等器官的过程。
外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。
愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块。
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。
脱分化
再分化
菊花的组织培养
探究·实践
消毒
接种
既要考虑消毒效果又要考虑植物的耐受力
注意菊花茎段插入方向(形态学下端插入培养基)
分割
解剖刀使用前后均需灭菌
菊花的组织培养
探究·实践
移栽
培养
脱分化，一般不要光照
再分化，每日需要适当时间和强度的光照
培养
既要充分清洗根系表面培养基，又不能伤及根系
1.植物组织培养的理论基础：植物细胞全能性。
2．植物组织培养的条件：①离体；②无菌；③培养基；④适宜的培养条件。
3．体现细胞全能性的条件
核心归纳
材料 离体的细胞、组织或器官
培养基 种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素
外界 条件 ①无菌操作；
②光照：诱导愈伤组织时一般不需要光照，再分化时需要光照
4.生长素和细胞分裂素用量的比例对植物细胞发育方向的影响
生长素用量与细胞分裂素用量的比值 结果
比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
三、植物体细胞杂交技术
1．概念：
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．过程
番茄——马铃薯想象图
光学显微镜下的烟草叶肉细胞原生质体(放大约200倍)
在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除这层细胞壁，获得原生质体。
2．过程
A细胞
B细胞
A原生质体
B原生质体
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
愈伤组织
杂种植株
移栽后的植株
植物B细胞
去除细胞壁
A原生质体
B原生质体
诱导
融合
融合的原生质体
再生出细胞壁
杂种细胞
脱分化
愈伤组织
再分化
杂种植株
植物A细胞
( 融合完成的标志)
(2)人工诱导原生质体融合的方法
①物理法：电融合法、离心法等。
②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。
3．植物体细胞杂交的原理
原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。
4．意义：
打破生殖隔离、实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
思考·讨论
植物体细胞杂交技术
1．A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合)？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？
有3种类型：AA、BB、AB；我们需要的是AB；因此要对融合后的原生质体进行筛选。
2．若A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb。B细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数： ；染色体组数： 个；基因型： ；属于可遗传变异类型中的 。
2x＋2y
4
AabbccDd
染色体数目变异
植物体细胞杂交与植物组织培养的比较
1.原理
(1)植物体细胞杂交的原理：
(2)植物组织培养的原理：
2.过程
植物体细胞杂交包括原生质体融合和植物组织培养等过程。
3.繁殖方式
植物组织培养和植物体细胞杂交都属于无性繁殖；并且后者还能打破生殖隔离，实现远缘杂交。
思考·讨论
①细胞膜的流动性；②植物细胞的全能性。
植物细胞的全能性。
二 植物细胞工程的应用
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，也叫作微型繁殖技术。
(2)特点
①高效、快速地实现种苗的大量鳘殖
②无性繁殖，保持优良品种的遗传特性
③可实现产业化生产
(3)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都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
2．作物脱毒
(1)选材
①部位：
植物顶端分生区附近(如茎尖)。
②原因：
病毒极少，甚至无病毒。
(2)优点：
提高作物的产量和品质。
(3)实例：
采用茎尖组织培养技术脱去病毒，已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。
脱毒马铃薯田和被病毒感染的未脱毒的马铃薯叶片(左上)
繁殖新途径 取材 优点 技术
快速繁殖 (微型繁殖) 取材广泛 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 植物
组织
培养
作物脱毒 顶端分生 区附近 获得高产、优质的无病毒植物
比较两种植物繁殖新途径
二、作物新品种的培育
1．单倍体育种
(1)原理：
细胞的全能性和染色体变异。
(2)过程：
花药(或花粉)单倍体植株人工诱导染色体加倍纯合二倍体植株优良品种。
单倍体
纯合二倍体
优良品种
选择
人工诱导
染色体加倍
离体培养
花药
花粉
(4)实例
①世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。
②单倍体育种与常规育种相结合的新品种：水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等。
(3)优点
①子代是能稳定遗传的纯合子。
②极大地缩短了育种的年限。
③是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
2．突变体的利用
(1)原理：
在植物的组织培养过程中，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(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。
(2)利用：
筛选出有用的突变体，培育新品种。如培育抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体。
(3)实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
3．细胞产物的工厂化生产
(1)次生代谢物
①定义：
植物代谢产生的，一般认为不是植物基本生命活动所必需的产物。
②本质：
小分子有机化合物，如酚类、萜类和含氮化合物等。
③作用：
在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，还是药物、香料和色素等的重要来源。
(2)技术：
植物细胞培养，指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
(3)实例：
人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现工厂化生产。
(4)优势：
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。
植物组织培养和植物细胞培养的比较
比较项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的 获得植物体 获得细胞产物
原理 植物细胞的全能性 细胞增殖
过程
应用 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产，如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇等
核心归纳
四种育种方法的比较
核心归纳
育种方法 原理 过程 优点
快速繁殖 细胞的全能性 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性
突变体 的利用 基因突变、细胞的全能性 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高突变率，获得优良性状
单倍体 育种 细胞的全能性、染色体变异 花药离体培养、秋水仙素诱导染色体数目加倍 明显缩短育种年限
植物体细 胞杂交 细胞膜的流动性、细胞的全能性 原生质体融合、杂种细胞组织培养 打破生殖隔离，实现远缘杂交

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