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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。
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、植物细胞工程、胚胎工程
什么是细胞工程
第2章 细胞工程
2.1 植物细胞工程
2.2 动物细胞工程
2.3 胚胎工程
科技探索之路
哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。
斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。
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
古哈等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。
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。
土壤农杆菌的Ti质粒被发现。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。
植物细胞工程的发展历程
1902年
1958年
1960年
1964年
1971年
1974年
“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫花开，凝晴滚露，万态千妍，薰（xūn）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（zhānɡ）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。
兰花是观赏植物中最常见的一类依靠植物组织培养繁育种苗的植物，其组培苗的数量约占观赏植物组培苗总量的40%。
一、植物细胞工程的基本技术
理论基础: 细胞的全能性
1、植物组织培养技术
包括:
2、植物体细胞杂交技术
植物细胞工程的基本技术
1.定义：
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（物质基础）：
一般来说，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（发育成为完整个体所需的全部遗传信息）。
3.体现全能性的标志：
细胞→ 完整个体或其他各种细胞
4.（生物体内）不体现全能性的原因：
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
(从而形成生物体的不同组织和器官)
1.细胞的全能性
一
5.全能性大小的比较：
细胞分化程度越高,细胞分裂能力越弱，细胞全能性越低。
(1)受精卵、体细胞、生殖细胞
受精卵> 生殖细胞>体细胞
(2)分化程度高的细胞、分化程度低的细胞
分化程度低的细胞>分化程度高的细胞
(3)分裂能力强的细胞、分裂能力弱的细胞
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
植物细胞>动物细胞
(5)幼嫩的细胞、衰老的细胞
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（必修一P121);
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;
(2)未表现出全能性的例子
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;
④种子萌发形成植株
*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;
7.思考
1.是不是所有的活细胞都具有全能性
2.种子发育成植株体现了全能性了吗
3.细胞具有的全能性一定能表现出来吗
4.植物细胞表现全能性的条件
不是; 例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞
没有
植物种子种的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体， 没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能;
不一定; 例如动物的体细胞
①离体状态 ②营养物质 ③ 植物激素 ④ 外界条件 ⑤ 无菌操作
1.概念：
指将离体的植物器官、组织或细胞（称为外植体）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.原理：
植物细胞的全能性。
3.过程：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根等
试管苗
驯化移栽
完整植株
植物组织培养技术
二
4.生殖方式：无性生殖
进行的是有丝分裂
培养条件：
①离体、无菌
②一定的营养、植物激素
③适宜环境条件（温度、PH、光照等）
根、芽
植物体
脱分化
再分化
如：菊花幼嫩的茎段、胡萝卜的形成层、月季的花药…
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
不定形的薄壁组织团块
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
已分化的细胞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激素。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。
愈伤组织
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
探究·实践 菊花的组织培养
原理
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(＞1)
比值低(＜1)
比值适中(=1)
促进根的分化，抑制芽的形成
促进芽的分化，抑制根的形成
促进愈伤组织的形成
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
器官发生途径
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽生根
或胚状体
生长发育
试管苗
（移栽到大田）
①双手和超净工作台台面:
用酒精擦拭
②外植体:
流水冲洗→酒精消毒30s→立即用无菌水清洗2～3次→次氯酸钠溶液处理30min→立即用无菌水清洗2～3次。
将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中→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。
方法步骤
①外植体消毒
②外植体切段
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！
形态学下方插在培养基内
将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18～22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。
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。
③接种外植体
④诱导愈伤组织
愈伤组织
培养15～20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上→长出芽后→将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
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！
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。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。
⑤诱导芽和根
⑥移栽
培养条件：
①离体、无菌
②一定的营养、植物激素
③适宜环境条件（温度、PH、光照等）
根、芽
植物体
脱分化
再分化
如：菊花幼嫩的茎段、胡萝卜的形成层、月季的花药…
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
不定形的薄壁组织团块
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
已分化的细胞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激素。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。
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
探究·实践 菊花的组织培养
原理
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(＞1)
比值低(＜1)
比值适中(=1)
促进根的分化，抑制芽的形成
促进芽的分化，抑制根的形成
促进愈伤组织的形成
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.你培养出愈伤组织了吗？从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？
愈伤组织进一步分化出芽和根了吗？
3.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。
2周左右
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。
结果分析与评价
P36注意事项
离体
无菌
一定的营养、激素
适宜的外界条件(温度、pH、光照等)
外植体
愈伤组织
根、芽或胚状体
试管苗
脱分化
再分化
黑暗
光照
水
琼脂
有机物
无机物
植物激素
蔗糖：提供能量、调节渗透压。
植物激素：主要是生长素和细胞分裂素。
小结
1.A、B过程分别为 。C是 。
A过程细胞分裂方式是 ，
B过程细胞分裂方式是 ,同时也进行 。
A过程一般 光照；B过程需要光照，因为 。
2.影响A、B过程的关键因素是 ，主要是 和 ，二者添加的 会影响脱分化和再分化过程。
3.植物组织培养是一个 过程。（填“无性繁殖”、“有性繁殖”）
植物体
根、芽或胚状体
外植体
脱分化
再分化
有丝分裂
细胞分化
植物激素
细胞分裂素
生长素
无性繁殖
A B
有丝分裂
浓度及比例
【练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：
C
脱分化、再分化
愈伤组织
不需要
叶绿素的合成需要光照
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。
不能。因为不同种物种之间存在着生殖隔离
问题探讨
讨论:
用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗 为什么
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
杂种植株
愈伤组织
A原生质体
B原生质体
移栽后的植株
植物体细胞杂交
植物组织培养
植物细胞融合
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
杂种细胞
指去除细胞壁的细胞。
植物体细胞杂交技术
三
思考：若只考虑原生质体的两两融合，诱导融合后只出现杂种细胞吗？如何将杂种细胞培育成杂种植株？
番茄细胞原生质体
马铃薯细胞原生质体
电激或PEG
未融合的细胞
杂种细胞
自身融合的细胞
细胞壁
筛选
等量混合
√
2.植物体细胞杂交的概念：
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。
3.原理：
细胞膜具有一定的流动性
植物细胞的全能性
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.实例：
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。
6.意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
项目 体细胞杂交 P1：2n(AaBb) 与 P2：2m(CcDd)
生殖类型
变异类型
染色体数
染色体组数
基因组成
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
植物体细胞杂交后代的遗传变化
若亲本植株可育，则杂种植株可育。杂种植株是不同于亲本的新物种。
体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞。
不管染色体、基因组成还是染色体组都是两亲本之和。
一、概念检测
1. 下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是( )
A.进行a处理时能用胰蛋白酶
B.b是诱导融合后得到的杂种细胞
C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽
D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中
A
练习与应用
2. 科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？
纤维素酶和果胶酶
主要原因是∶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，所以"番茄—马铃薯"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，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。
"番茄—马铃薯"杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么
第1节 植物细胞工程
第2课时
植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
(1)快速繁殖
特点：
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不受自然生长季节的限制
(属无性繁殖)
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。
优点：
从植物体上取材少，培养周期短，繁殖率高，便于自动化管理。
用一个兰花茎尖就可以在一年内生产400万株兰花苗。
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。
(2)作物脱毒
作物脱毒的材料：
顶端分生区细胞，如茎尖
切取茎尖进行组织培养获得可脱毒苗
作物脱毒的原因：
长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致产量降低，品质变差。
作物脱毒的方法：
作物脱毒的结果：
获得脱毒苗
成就：
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
原因：
顶端分生区附近的病毒极少，甚至无病毒
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（1）原理：
染色体（数目）变异、植物细胞的全能性
（3）过程
秋水仙素诱导染色体加倍
或低温处理
花药离体培养
单倍体植株
正常纯合体植株
脱分化
愈伤组织
再分化
（2）方法：
花药离体培养、秋水仙素诱导染色体加倍
（3）优点：
②明显缩短育种的年限，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，经过不断自交、选优，常需5～6年。而单倍体育种当年就能培育出所需纯合体。
③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。
①后代稳定遗传，都是纯合子。
2.突变体的利用
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。
（1）原理：
如：抗病、抗盐、含高蛋白、高产
（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
（4）实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等
（3）原理：
基因突变、植物细胞的全能性
白三叶草
二、作物新品种的培育
（5）优点：
提高变异的频率，加速育种进程。
难以控制突变方向，需要大量处理实验材料。
（6）缺点：
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。
次生代谢物含量很低，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。
细胞产物种类：
蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等
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。
3.细胞产物的工厂化生产的过程
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
2.细胞产物的工厂化生产的概念：
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。
植物细胞培养
4.特点：
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。
5.实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品
技术：
我国利用植物组织培养技术实现了大量生产人参皂苷干粉；三七、紫草、银杏的细胞产物也都已经实现了工厂化生产。
03
细胞产物的工厂化生产
具有高抗癌活性，已被用于乳腺癌等癌症的治疗。
红豆杉→紫杉醇
紫草→紫草宁
抗菌、消炎和抗肿瘤，世界首例药用植物细胞工程产品
人参→人参皂苷
用组织培养技术生产的人参，生长速度比栽培人参约快100倍以上
10g左右
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
练习与应用
1.紫色非甜玉米（基因型为AASuSu）和白色甜玉米（基因型为aasusu）杂交（Su和su代表一对等位基因），得到的F（AaSusu）再进行自交，F，会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米 如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢 请你设计相关实验的思路。
提示：F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或AAsusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米（aasusu）进行测交（将F2中的紫色甜玉米进行自交），可以选择出基因型为AAsusu的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。
其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株。再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。
练习与应用
二、拓展应用
2.甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的热量却很低，所以它逐渐成为一些用糖行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低，种子繁殖遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，这些都会限制甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的项目负责人，该公司当前运行状况良好，但一直未能解决种子发芽率低的问题。为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何作出决策，并请说出理由。
提示：积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。
练习与应用
二、拓展应用
思考：
若植株A和植株B细胞结构如图所思，A有X条染色体，B有Y条染色体，通过植物细胞融合技术获得杂种细胞AB，则：
①杂种细胞的染色体数为______
②杂种细胞的基因型为__________
③杂种细胞中染色体组数为________
④得到的杂种植株为____倍体
⑤理论上该植株可育吗？___________________________
X+Y
DdYyRr
4
四
可育，有同源染色体，同源染色体能联会，可形成配子
*异源四倍体
【检测】图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：
（1）步骤①是 ，最常用的方法是 。
（2）步骤②一般常用的化学试剂是 ，目的是 。　　
(3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，此技术运用的原理是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相当于 。
（4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，
使　　　　　 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是　　　　　　　 。
去除细胞壁，分离原生质体
酶解法
聚乙二醇（PEG）
诱导植物原生质体融合
脱分化
再分化
远缘杂交亲本的遗传特征
杂种植株获得双亲的遗传物质
细胞的全能性
（6）从理论上讲，杂种植株的育性　　。若运用传统有性杂交方法能否实现？　　　；原因是　　　 。
因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于　　　　　　　　　　　 。
（7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？
　　 。
可育
不能
不同种生物之间存在生殖隔离
不遵循；因为孟德尔遗传规律发生在有性生殖减数分裂产生配子时，而植物体细胞杂交育种属于无性生殖。
克服了远缘杂交不亲和的障碍

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