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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
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
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
概念
细胞工程
细胞器、细胞或组织
植物细胞工程和动物细胞工程
第2章 细胞工程
第1节 植物细胞工程
一、植物细胞工程的基本技术
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
植物细胞工程的理论基础是什么？
什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？
本节聚焦
1
2
3
怎样进行菊花的组织培养？
“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】
植物组织培养技术
1 选取多肉上健康、饱满的叶片。
2 用剪刀切下整片叶片，切口要平滑、整齐。也可以直接用手轻轻掰下叶片。
3 平躺放在沙床上，叶片间隔相聚2~3厘米。
4 叶片切口不要有碰脏，摆放通风处2~3天，晾干。
5 待叶片晾干后移至半阴处养护。
6 约2~3周后生根，或从叶基处长出不定芽。
7 叶插成功
多肉进行叶插繁殖
为什么多肉叶片能发育成植株？需要具备哪些条件？
【从社会中来】
植物组织培养技术
植物体细胞杂交技术
01
植物细胞工程的基本技术
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
01
植物细胞工程的基本技术
植物细胞工程 的基本技术
植物组织培养
植物体细胞杂交
植物细胞工程的理论基础是什么
细胞的全能性
1.全能性定义：
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.具有全能性的原因：
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。
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
受精卵发育成个体（动植物）
蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰
用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株
4.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
5.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
细胞的全能性
6.全能性大小的比较：
①受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞；
②植物细胞>动物细胞。
随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
试管苗
驯化移栽
完整植株
1.概念：
3.一般过程：
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。
移栽成活
2.理论基础：
植物细胞的全能性
外植体
生殖方式：无性生殖
分裂方式：有丝分裂
02
植物组织培养技术
在___________________条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构
和功能，转变为_____________，进而形成_________的过程。
一定的激素和营养等
未分化的细胞
愈伤组织
不定形的薄壁组织团块。
愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。
（1）离体状态
（2）无菌操作
（3）种类齐全、比例适合的营养物质
（4）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节
（5）适宜的外界条件（温度、pH、光照等）
相关概念
脱分化：
愈伤组织：
再分化：
适宜的培养条件：
菊花的组织培养
流水冲洗
→酒精消毒30s
→无菌水清洗2～3次
→次氯酸钠溶液处理30min
→无菌水清洗2～3次。
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
外植体的消毒
外植体的切段
将消过毒的外植体置于无菌培养皿中
→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。
探究 实践
菊花的组织培养
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
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！
（将“形态学上端”朝上，下端朝下）
接种外植体
探究 实践
菊花的组织培养
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
诱导愈伤组织
培养基及培养条件：
激素比例1：1、置于黑暗、
提供有机碳源（蔗糖）
探究 实践
菊花的组织培养
外植体的消毒
外植体的切段
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽生根
移栽
诱导生芽生根
注意：先诱导生芽，再诱导生根！
生芽过程：
生根过程：
生长素比例少、有机营养、不需光照；
生长素比例多、无机营养、需光照。
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。
探究 实践
回顾实验
①外植体消毒
②外植体切段
③接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤诱导生芽生根
⑥移栽
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. 从刚接种的外植体到长出愈伤组织需经历多少天？
3. 培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？
培养基、接种工具灭菌不彻底；
外植体消毒不彻底；
操作过程不符合无菌操作要求等。
2周左右
生根苗移栽技术的关键是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 结果分析与评价
探究 实践
4. 进一步探究
若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应如何设计对照实验？
① 空白对照：不加任何激素；
② 实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1；
③ 实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1；
④ 实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。
探究 实践
菊花的组织培养
使用比例 实验结果
生长素
细胞分裂素
>
生长素
细胞分裂素
<
生长素
细胞分裂素
＝
有利于根的分化
有利于芽的分化，抑制根的分化
促进愈伤组织生长
根、芽
植物体
脱分化
再分化
培养条件：
①无菌
②营养物质
③适宜环境条件（温度、PH、光等）
④植物激素：
细胞分裂素 生长素
如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…
植物组织培养技术--过程
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
排列不规则，高度液泡化，呈不定形状态的薄壁细胞
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
愈伤组织重新分化为芽、根等器官
失去特有结构和功能转变成未分化的细胞
欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么好妙招？
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
不能。因为两种生物之间存在着天然的生殖隔离
03
植物体细胞杂交技术
1.过程
植物细胞融合 + 植物组织培养
去壁
①
去壁
①
融
合 ②
再生
新壁
③
脱分化
④
再分化
⑤
移栽
植物细胞融合
植物组织培养
植物体细胞杂交
03
植物体细胞杂交技术
原生质体
原生质层
原生质体
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡
细胞核
原生质层
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
①去壁原因： 。
②方法： 。
③相关酶： 。
*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
（1）去除细胞壁
相关提醒
原生质体
原生质层
方法：
物理方法：电融合法、离心法
化学方法：聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+-高pH融合法
理论基础：细胞膜具有流动性
原生质体
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡
细胞核
原生质层
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
（2）原生质体间的融合
相关提醒
融合的原生质体重新产生细胞壁，形成杂种细胞
思考：1、参与此过程中的主要细胞器是？
2、杂种细胞的染色体数是多少？
3、杂种细胞染色体组数是多少？
4、融合后，培养基中有几种类型的细胞？
验证再生出新壁的实验：
质壁分离和质壁分离复原实验
（3）细胞融合完成的标志*：
高尔基体
两亲本染色体数之和
两亲本染色体组数之和
①未融合的细胞：A、B ②两两融合的细胞：AA、BB、AB ③多细胞融合体
需要进一步筛选
相关提醒
2.融合实例:
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。
4.步骤说明:
1）酶解法去壁：
细胞壁
纤维素酶、果胶酶
原生质体
2）理化法促融：
物理法：电融合法、离心法
化学法：聚乙二醇融合法、高Ca2+ —高PH融合法等
3）融合的原生质体再生出细胞壁为杂种细胞，可诱导形成愈伤组织
5.意义:
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
3.理论基础：
细胞膜的流动性和细胞全能性
03
植物体细胞杂交技术
课堂小结
练习与应用
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
√
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
"番茄—马铃薯"没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，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。
练习与应用
一、概念检测
"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
二、拓展应用

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