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植物细胞工程
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。
细胞
工程
植物组
织培养
动物细胞培养
动物细
胞融合
植物
体细胞
杂交
一 植物细胞工程的基本技术
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
问题:已经分裂分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体说明？
植物细胞具有全能性
细胞的全能性
1.概念：
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。
实例：①胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株
②受精卵发育成个体（动植物）
③蜜蜂卵细胞发育成雄峰
④一粒花粉繁殖出新的植株
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
细胞的全能性
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。
2.细胞具有全能性的原因：
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
叶
芽
在生长发育过程中，某些细胞并未表现出全能性
细胞的全能性
3.体现细胞全能性的标志：
细胞→完整个体或其他各种细胞
潜能
表现出全能性
怎么才能表现出来呢？
一、植物组织培养
1958年美国科学家将胡萝卜韧皮部一些细胞培养获得了完整的新植株。
实验结论：在离体时给予细胞一定条件，高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植株的潜能，即植物细胞具有全能性。
已分化细胞
脱分化
愈伤组织
再分化
胚状体
再分化
试管苗
完整个体
这就是植物组织培养技术
一、植物组织培养
1.概念：
是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。
外植体
植物细胞的全能性
原理
生殖方式
无性生殖
分裂方式
有丝分裂
一、植物组织培养
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
脱分化
再分化
再分化
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
生长
发育
2.过程：
一、植物组织培养
①脱分化：
在一定的 和 等条件的 下， 的细胞
，转变成 的过程。
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
①光照条件：
②过程中涉及的生命活动：
一般不需要光照
只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
③结果：
形成愈伤组织
（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）
一、植物组织培养
②愈伤组织：离体的植物器官、组织或细胞，在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成一种高度液泡化、无定形状态，具有分生能力的薄壁细胞。
一、植物组织培养
③再分化：
愈伤组织___________成芽、根等器官的过程。
重新分化
①实质：
②光照条件：
基因的选择性表达
需要给予适当强度的光照
诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用
原因：
③过程中涉及的生命活动：
既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。
一、植物组织培养
决定植物脱分化、再分化的关键因素：
外植体
愈伤组织
试管苗
完整植株
脱分化
芽、根等
再分化
关键激素
生长素和细胞分裂素
细胞分裂素
生长素
芽分化
愈伤组织
根分化
生长素用量 / 细胞分裂素用量 结果
比值≈1
比值＞1
比值＜1
促进根的分化
促进芽的分化
促进愈伤组织的形成
二、菊花的组织培养
1.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
2.材料：
(1)外植体：
幼嫩的菊花茎段
(容易诱导形成愈伤组织)
(2)体积分数为70%的酒精：
对手、超净工作台、外植体进行消毒
(3)质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液:
(4)无菌水:
清洗外植体
3.MS培养基：
水（去离子水）、无机营养（大量元素、微量元素）、有机营养（蔗糖、维生素、氨基酸）、天然附加物、植物激素（生长素、细胞分裂素等）
二、菊花的组织培养
4.步骤：
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
消毒：
切割：（无菌操作）
酒精
30S
无菌水
2-3次
次氯酸钠溶液
30min
材料：
幼嫩的菊花茎段
2-3次
无菌水洗
消毒与无菌水冲洗
切割与接种
二、菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
①接种到诱导愈伤组织培养基形成愈伤组织
培养温度：18-220C、避光
愈伤组织
愈伤组织
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
二、菊花的组织培养
再分化
注意：若先生根后面就不易生芽
外植体
愈伤组织
脱分化
芽
再分化
生长素/细胞分裂素
适中
根
高
低
诱导出芽
培养15~20天后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
诱导生根
二、菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
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。
试管苗
移栽
培养室
二、菊花的组织培养
固体基质型，含水量高、
蓄水性强、透性好，适合栽培
珍珠岩 ,珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩 。
蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。
二、菊花的组织培养
根、芽
胚状体
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
遮光
一定的光照
愈伤组织
离体的植物器官、组织或细胞（外植体）
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
试管苗
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长
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。
三、植物体细胞杂交技术
番茄-马铃薯（想象图）
番茄
马铃薯
问题1:要培育出如图所示的番茄—马铃薯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
问题2:有没有方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？
植物体细胞杂交技术
三、植物体细胞杂交技术
①
①
②
③
④
⑤
⑥
植物体细胞杂交技术
杂种细胞
去除细胞壁
去除细胞壁
诱导融合
脱分化
再分化
移栽
植物组织培养
原生质体融合
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
植物体细胞杂交技术成功的标志：
获得杂种植株
再生出细胞壁
三、植物体细胞杂交技术
1、要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？
2、怎样通过比较温和的方法去掉细胞壁？
3.怎样诱导两个原生质体的融合？与细胞膜的什么特性有关？
4.如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步如何将杂种细胞培育成杂种植株？
融合后得到的杂种细胞需要通过植物组织培养才能形成杂种植株。
三、植物体细胞杂交技术
⑤结果：__________________
（1）去除细胞壁
①去壁的原因：_______________________________
②方法：____________
③相关酶：______________________
酶解法
细胞壁阻碍着细胞间的杂交
纤维素酶和果胶酶
获得原生质体
通常将细胞置于含有纤维素酶和果胶酶的溶液中（为维持细胞形态，外界溶液浓度应等于或略大于细胞液浓度）
④操作：____________________________________________________________
三、植物体细胞杂交技术
（2）原生质体间的融合
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
①原理：_____________________
②人工诱导原生质体融合的方法：
细胞膜的流动性
②新细胞壁的形成与哪些细胞器有关？
高尔基体、线粒体
①融合完成的标志：______________________________
（3）再生出细胞壁
融合的原生质体再生出细胞壁
三、植物体细胞杂交技术
细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？
若只考虑两两融合
有三类：
①未融合的细胞
②两两融合的细胞
③多细胞融合体
AA
AB
BB
筛选
AB
三、植物体细胞杂交技术
（再生出细胞壁）
杂种细胞
愈伤组织
杂种植株
脱分化
再分化
（4）植物组织培养
①原理：_____________________
细胞的全能性
②细胞杂交完成的标志：_____________________
培育成新植物体
三、植物体细胞杂交技术
识图：数字代表过程，字母代表细胞、组织或植株
①_______________ a/b_____________
②_______________ c_______________
③_______________ d_______________
④_______________ e_______________
⑤_______________ f_______________
①②③___________ ④⑤____________
去除细胞壁
原生质体
原生质体间的融合
正在融合的原生质体
再生出新的细胞壁
杂种细胞
脱分化
愈伤组织
再分化
杂种植株
植物细胞融合
植物组织培养
三、植物体细胞杂交技术
3.植物体细胞杂交技术意义？
2.杂种细胞的染色体数是多少？杂种细胞染色体组数是多少？
1.植物体细胞杂交属于哪种变异类型？
4.植物体细胞杂交有何优缺点？
A植物的染色体数目为2n，基因型为AaBb；B植物的染色体数目为2m，基因型为CcDd。现通过植物体细胞杂交技术获得这两种植物的杂种植株，请回答下列问题：
三、植物体细胞杂交技术
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
AaBb
CcDd
三、植物体细胞杂交技术
植物体细胞杂交育种
四倍体
杂交育种诱导多倍体
四倍体
二倍体
看减数分裂联会、配对能否正常进行！
①若亲本植株可育，
则杂种植株可育。
②杂种植株是不同于
亲本的新物种。
意义：
打破生殖隔离，克服远缘杂交不亲和的障碍，培育植物新品种。
三、植物体细胞杂交技术
①优点
打破远缘亲本杂交生殖隔离，扩展杂交亲本组合范围。
②缺点
有可能杂交不成功，即使杂交成功也可能不产生人们想要的性状。
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：
（4）优点：
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。
①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖；
②可以保持优良品种的遗传特性。
③几乎不受季节、气候等的限制，培养周期短；
④可实现产业化生产。
（2）生殖方式：
（3）原理：
一般为无性生殖
植物细胞的全能性
其细胞分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞DNA相同，所以可以保持亲代优良的遗传特性。
一、植物繁殖的新途径
（5）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。
【思考】植物组织培养可以进行快速繁殖的原因是什么？
植物组织培养到愈伤组织阶段，细胞进行旺盛、快速的有丝分裂，从而获得大量的组织细胞。不断地对愈伤组织进行分割、移瓶、诱导再分化就可以形成大量的新植株。另外，植物组织培养在实验室进行，一般不受季节、气候等条件的限制。
1.快速繁殖
铁皮石斛
一、植物繁殖的新途径
（1）脱毒原因
马铃薯
草莓
香蕉
无性繁殖
感染的病毒很容易传给后代
病毒在作物体内积累
作物产量降低品质变差
2.作物脱毒
（2）脱毒方法：
切取植物一定大小的茎尖，进行组织培养技术，再生植株有可能不带病毒，获得脱毒苗。
植物顶端分生区附近（如：茎尖、根尖）的病毒极少，甚至无病毒。
一、植物繁殖的新途径
（3）优点：
（4）实例：
明显提高作物的产量和品质。
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。
思考：经植物组织培养技术培育出的脱毒苗抗病毒吗？为什么？
“脱毒”≠“抗毒”
2.作物脱毒
脱毒苗与抗毒苗有何区别？
脱毒苗：是选择植物的茎尖(刚形成，不含有病毒)进行组织培养而获得的，属于细胞工程的范畴。
抗毒苗：是把某抗病基因导入到受体植株中，并通过一定的方法培养形成的，属于基因工程的范畴。
二、作物新品种的培育
　Ｐ 高抗 　 矮不抗
F1　 高抗
DDTT
ddtt
DdTt
ddTt
高抗 高不抗 矮抗 矮不抗
ddTT
矮抗
ddTT
ddTt
矮抗
ddTT
矮抗
矮抗 矮不抗
ddTT
ddTt
杂交
自交
选优
自交
F3
选优
F2
连续自交
1 ：2
选育出一个可以稳定遗传的农作物优良品种，一般要经过5—6年的连续筛选。
现有纯合的高秆抗锈病的小麦（DDTT）和矮秆不抗锈病的小麦（ddtt），如何最简单 得到矮秆抗病的优良品种（ddTT）？
杂交育种
育种原理？
基因重组
育种方法？
二、作物新品种的培育
优良品种
花药
花粉
离体培养
单倍体
纯合二倍体
人工诱导
染色体加倍
选择
再人工诱导染色体数加倍
先花药离体培养
单倍体植株
正常纯合体植株
脱分化
愈伤组织
再分化
（1）过程
秋水仙素处理
玉米（2n)单倍体育种
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（抗倒伏，不抗病）
（抗倒伏抗病）
花药（粉）：
单倍体幼苗：DT Dt dT dt
正常植株：DDTT DDtt ddTT ddtt
新品种：DDtt
方法：花药离体培养
秋水仙素处理
DDTT（♀） × ddtt（♂）
第一年
筛选
（抗倒伏，不抗病）
（倒伏，抗病）
DT Dt dT dt
DdTt
（2）举例
1.单倍体育种
（3）单倍体育种的方法：
先 （所用技术 ）获得 单倍体幼苗 ；
再经 处理诱导 加倍，当年就可以得到遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株。
（4）单倍体育种原理
细胞的全能性和染色体变异。
花药离体培养
植物组织培养
秋水仙素
染色体数
二、作物新品种的培育
（5）单倍体育种优点：
①子代一般是能稳定遗传的纯合子，极大地缩短了育种的年限。
②也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有一套染色体，染色体加倍后得到的植株隐性性状容易出现。
思考：单倍体育种为什么能为体细胞诱变育种和研究遗传突变提供理想材料？
Aa
A
a
AA
aa
单倍体（n）
纯合二倍体（2n）
二倍体（2n）
1.单倍体育种
二、作物新品种的培育
（6）实例：
①我国科学家在1974年成功培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。
②我国科学家把单倍体育种与常规育种结合起来，育成水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
1.单倍体育种
注意①：单倍体育种的目的不是获得单倍体本身，因为单倍体是高度不育的，在生产上没有实际价值，需诱导单倍体的染色体数目加倍。
注意②：单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍；单倍体育种需要先利用植物组织培养技术形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。
二、作物新品种的培育
2.突变体的利用
（1）产生的原理：
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（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
（2）突变体育种的原理：
植物细胞的全能性
基因突变
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
试管苗
植株
筛选
有用的突变体
诱变
（4）实例：
已经筛选到抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，有些品种已经用于生产，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（3）优点：
提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。
二、作物新品种的培育
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：
①次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下进行的代谢活动。
③作用：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。
④特点：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。
②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）。
二、作物新品种的培育
2.细胞产物的工厂化生产的过程
外植体
愈伤组织
单个细胞
脱分化
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
3.细胞产物的工厂化生产所用的技术：
植物细胞培养
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。
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。
原理：
细胞的增殖
有无体现细胞的全能性？
无
二、作物新品种的培育
5.实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
紫草细胞中提取的一种药物和色素；具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。
世界上首例药用植物细胞工程产品。
具有高抗癌性，广泛应用于乳腺癌等癌症的治疗。
应用人参细胞培养来生产人参中重要的活性成分→人参皂苷。
二、作物新品种的培育
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
原理
过程
应用
植物细胞的全能性
细胞增殖
获得植物体
获得细胞产物
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
到社会中去
“手指植物”通常培育在装有彩色固体培养基的小玻璃瓶中，只要保证充足的光照和适宜的温度，不需要额外补充水分和营养物质，它们就能在玻璃瓶中生长三四个月之久。
“手指植物”的制作方法用到了植物组织培养技术。在制作过程中，一定要注意做好灭菌和消毒工作，为了防止污染可在培养基中加入一定量的抑菌剂。
另外，还可以根据个人喜好，在培养基中加入适量的色素或者荧光剂，使“手指植物”更具有观赏价值。

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