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第1节 植物细胞工程
----植物细胞工程的基本技术
I have a dream!
能 这 样 操 作 的 原 理 是 什 么？
植物细胞的全能性
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
复习旧知
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？
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
高度分化的植物组织细胞，如叶片和花瓣的细胞如何表现出全能性呢？需要什么条件呢？
细胞全能性大小的比较
①植物细胞 > 动物细胞(动物细胞只有细胞核表现全能性)。
②受精卵 > 生殖细胞(精子、卵细胞) > 体细胞。
③体细胞：分化程度低的 > 分化程度高的，
细胞分裂能力强的 > 细胞分裂能力弱的，
幼嫩的细胞 > 衰老的细胞。
一、植物组织培养技术011、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。3、大致过程：外植体脱分化愈伤组织再分化根、芽完整植株2、理论基础：植物细胞的全能性外植体已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块脱分化如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…愈伤组织重新分化为芽、根等器官再分化1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，这是人类第一次获得了人工胚状体，并获得个体植株。
植物细胞表现出全能性的条件：
1
离体状态：器官、组织或细胞
2
一定的营养物质、植物激素
3
适宜的温度、pH、光照等外界条件
（必修一 P118-121）
4
无菌环境
如何让细胞表现全能性呢？
内容 脱分化 再分化
过程 外植体 愈伤组织 愈伤组织 幼苗
形成体特点 排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞 有根、芽
需要条件 a.离体 b.适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素 d.一般不需光 a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例适中
脱分化和再分化的比较
探究-实践
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽等
试管苗
完整植株
移栽
1、原理：
2、目的：
1）了解植物组织培养的基本原理
2）了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响
3）尝试进行植物组织培养
3、步骤：
1）制备外植体
2）接种到诱导愈伤组织培养基
3）接种到诱导生芽培养基
4）接种到诱导生根培养基
菊花的组织培养
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
炼苗、移栽
探究 实践
防止杂菌生长。
一方面与培养物竞争营养；
另一方面产生有害物质危害培养物。
为什么进行无菌操作？
可以灭菌操作吗？
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
炼苗、移栽
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
Expand
01
拓展
一、植物组织培养常用的培养基配方
P116
二、MS培养基配过程
⑴培养基名称： ；
⑵物理性质： ；
⑶碳源： 。
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)；
还可以提供能量，调节渗透压
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
炼苗、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。
探究 实践
接种外植体时，不要倒插！
（将“形态学上端”朝上）
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
炼苗、移栽
探究 实践
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。
置于黑暗
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
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
炼苗、移栽
探究 实践
培养15~20天后，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，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。
一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根
如何控制？
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
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
促进愈伤组织的形成
巧记：高根低芽中愈伤
使用顺序 实验结果
先使用生长素后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂
先使用细胞分裂素，后使用生长素 细胞既分裂也分化
同时使用 分化频率提高
简记为：先“生”分裂不分化，后“生”分裂又分化，同“使”分化频率高 按照不同的顺序使用这两类激素，会得到不同的实验结果
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
炼苗、移栽
探究 实践
培养15~20天后，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，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。
置于光照！
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根
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
炼苗、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。
每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。
探究 实践
炼苗！
移栽！
观察！
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炼苗、移栽
植物组织培养过程中应注意的问题：
(1)接种时注意外植体的方向，应将外植体的___________插入培养基，不能倒插。
(2)培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽培养，再进行生根培养。如果顺序颠倒，先诱导生根，就不好诱导生芽了。
(3)菊花的组织培养中，愈伤组织的形成一般___________光照，而在再分化的培养过程中，_________一定的光照。
(4)试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长，出瓶后一定要注意保温、保湿。
(5)试管苗的光合作用能力弱，在移栽前应给予较强光照闭瓶炼苗，以促进幼苗向自养苗转化。
形态学下端
不需要
需要
Expand
02
拓展
植物组织培养的两种途径
胚状体途径
器官发生途径
类似胚的结构
胚状体
探究点一　植物组织培养技术
观察菊花的组织培养流程图，探究以下问题：
(1)植物细胞具有全能性的原因是________________________________。由植物组织培养过程可知，植物细胞全能性表现的条件为 、一定的营养条件、适宜__________的诱导、无菌无毒等。植物激素中________和____________是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素，它们的______、______等都会影响植物细胞的发育方向。
(2)植物组织培养过程中________ (填“脱分化”或“再分化”)过程需要光照，光的作用是________________________________________。
细胞中含有本物种全套的遗传信息
植物激素
生长素
细胞分裂素
浓度
比例
再分化
诱导叶绿素的合成，利于幼苗进行光合作用
离体
提示　形成层细胞由于分裂旺盛，全能性高，容易诱导形成愈伤组织，其他部分如叶、花全能性低，不易培养成小植株。
(3)选用菊花的外植体时，一般选用形成层细胞或组织块，其原因是什么？___________________________________________________________________。
(4)为什么说从繁殖方式上看，植物组织培养的繁殖方式是无性繁殖？
提示　植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的基础上实现的，此过程并没有生殖细胞的产生，所以是无性繁殖。
(5)在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？
提示　培养物一旦受到微生物的污染，这些微生物会和外植体争夺培养基中的营养物质，并且产生大量对外植体有害的物质，导致外植体死亡。
[例1] 植物细胞表现出全能性的必要条件和增殖方式分别是(　　)
A.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；减数分裂
B.导入其他植物细胞的基因；有丝分裂
C.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内；减数分裂
D.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件；有丝分裂
D
解析　植物细胞表现全能性的条件：①离体的器官、组织或细胞和适宜的外界条件；②一定的营养(无机、有机成分)和植物激素。植物细胞经组织培养形成植物体，包括脱分化和再分化两个重要的过程，在这两个过程中细胞都是通过有丝分裂方式进行增殖的。
[例2] 下面是植物组织培养过程示意图，下列相关说法正确的是(　　)
A
A.上述植物组织培养过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性
B.需要对外植体进行严格的灭菌处理，以防止杂菌污染
C.外植体若是月季的花药，则图中的①过程需要光照
D.外植体若是菊花的根尖组织，因细胞中没有叶绿体，故培养成的新植株叶片无色
菊花根尖组织中含有控制叶绿体形成的基因，在培养过程中，基因的选择性表达会使培养成的新植株叶片呈绿色
植物体细胞杂交技术
02
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？
不能。因为两种生物之间存在着天然的生殖隔离
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
“番茄-马铃薯”的假想图
将不同来源的植物细胞，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。（课本P38）
植物体细胞杂交技术
02
1.概念：
参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？
自主阅读课本37—38页内容，思考并小组讨论以下问题：
1、为什么要去除细胞壁？用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？
2、诱导原生质体融合的方法有哪些？
3、如何将杂种细胞培养成杂种植株？
植物体细胞杂交技术
02
2.过程
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
马铃薯
细胞
番茄细胞
马铃薯
原生质体
番茄原生质体
杂种细胞
杂种植株
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
杂种细胞
杂种植株
植物体细胞杂交技术
02
(1)去除细胞壁
①去壁原因：
②方法：
③相关酶：
细胞壁阻碍着细胞间的杂交
酶解法
纤维素酶和果胶酶
植物细胞融合
光镜下烟草叶肉
细胞原生质体
原生质体
制备
用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，得到原生质体。
利用酶的专一性
原生质体制备
植物体细胞杂交技术
02
（2）原生质体
间的融合
①理论基础：
②方法：
细胞膜具有流动性
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
融合后，培养基中有几种类型的细胞？
A、B、AA、BB、AB。（只考虑两两融合）
需要进一步筛选
融合完成的标志是重新产生细胞壁，形成杂种细胞。
高尔基体
A：2a=20
B：2b=30
50
4
原生质体融合
植物细胞融合
杂种细胞染色体数为？
此过程中起主要作用的细胞器是？
杂种细胞染色体组数为？
从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？
染色体数目变异
植物体细胞杂交技术
02
（4）植物体细胞杂交完成的标志：
培育成新植物体
（3）植物细胞融合完成的标志：
再生出新的细胞壁
原理？
原理？
细胞膜的流动性
细胞的全能性
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
Expand
02
拓展
课本P38
植物体细胞杂交技术02打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等3、意义：融合实例:探究点二　植物体细胞杂交技术
植物体细胞杂交技术流程图如下：
(1)图中过程：①为____________，②为__________________，③为________，④为________。
(2)获得原生质体时，应在______ (填“低渗”或“等渗”)溶液中进行，理由是______________________________。
(3)若只考虑细胞两两融合，经过程②后可得到____种细胞，其中符合要求的细胞中含有____个染色体组。
去除细胞壁
再生出新的细胞壁
脱分化
再分化
等渗
低渗溶液中原生质体易吸水涨破
3
4
(4)通过体细胞杂交获得的植株是否可育？说出你的理由。
提示　可育，通过体细胞杂交获得的植株为异源四倍体，含有同源染色体，可以正常联会。
(5)从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？
提示　打破生殖隔离，使不同种植物杂交成为可能。
[例3] 甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物，甲含有效成分A，乙含有效成分B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。下列叙述错误的是(　　)
A.为了培育该新型药用植物，取甲和乙的叶片，先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁
B.用化学诱导剂PEG或高Ca2＋—高pH诱导二者融合
C.形成的融合细胞进一步培养形成愈伤组织，之后形成整个植株，这一过程中进行了植物组织培养
D.上述杂种植株属于二倍体
D
异源四倍体
[例4] 玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β 胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。请回答下列问题：
(1)制备原生质体的过程不能在清水中进行，以防止___________________。
(2)原生质体融合过程体现了细胞膜____________的结构特点。
原生质体吸水涨破
具有流动性
[例4] 玉米(2N＝20)和水稻(2M＝24)均为二倍体植物，某实验小组拟用体细胞杂交技术培育富含β 胡萝卜素的“黄金大米”植株，过程设计如图所示。请回答下列问题：
(3)图中融合的杂种细胞中含有________个染色体组，该杂种细胞培育形成的植株的精原细胞在减数分裂过程中能产生________个四分体。
(4)③过程________(填“需要”或“不需要”)在光下进行，⑤过程中愈伤组织分化的方向与培养基中______________________有关。
4
22
不需要
植物激素的种类和比例
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

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