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第二章细胞工程
定义
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、个体或其它产品地一门综合性生物工程
分类
根据对象分：植物细胞工程和动物细胞工程
根据技术分：细胞与组织培养、细胞融合、细胞核移植等
2.1 植物细胞工程
叶原基
芽原基
叶原基只能发育成叶
芽原基只能发育成芽
这能体现细胞的全能性吗？
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
细胞全能性
细胞经分化分裂后，仍具有产生完整生物体或分化成其它各种细胞的潜能
植物细胞大多具有全能性
动物细胞的细胞核具有全能性
植物细胞工程的基本技术
一、植物组织培养技术：
植物组织培养指离体的植物器官、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，诱导其分化为完整植株的技术。
外植体
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
植物组织培养流程图
外植体
愈伤组织
胚状体
（根、芽）
完整植株
脱分化
在一定的激素和营养等条件的诱导下，使已经分化的细胞失去特有结构和功能转变成未分化的细胞。
无定形，高度液泡化的薄壁细胞
再分化
愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程
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，它们的浓度、比例等都会影响植物的发育方向。
＞1
发育成根
＜1
发育成芽
严格无菌
菊花的组织培养
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、用量的比例对菊
花愈伤组织形成和分化的影响。
3.尝试进行植物组织培养。
实验原理
植物细胞的全能性
实验目的
用酒精擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精消毒30s，然后立即用无菌水清洗2 ~ 3次；再用次氯酸钠溶液处理30min后，立即
用无菌水清洗2 ~ 3次。
1
将消毒的外植体置于无菌水的培养皿中，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。
2
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。
3
实验步骤
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。
4
培养15 ~ 20 d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。
5
移栽前先打开封口膜或瓶盖，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。
6
1．实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌。接种操
作必须在酒精灯火焰旁进行,并且每次使用后的器械都
要灭菌。
2．接种时注意外植体的方向,不要倒插。
3．诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过
程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。
外植体
愈伤组织
胚状体
（根、芽）
完整植株
脱分化
再分化
注意事项
若想得到一株地上结番茄，地下长土豆的植株，用传统杂交手段能达到目的吗？
不行，两者存在生殖隔离。
二、植物体细胞杂交技术
1. 定义：
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。
2. 过程：
A细胞
B细胞
A原生质体
B原生质体
去壁
去壁
利用纤维素酶和果胶酶
▲烟草叶肉细胞的原生质体
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
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
移栽后的植物
去壁
去壁
组培
关键环节
融合
利用纤维素酶和果胶酶
▲烟草叶肉细胞的原生质体
物理法：
电融合法、离心法
化学法：
聚乙二醇(PEG)融合法、
高Ca2+ —高pH融合法
细胞融合完成的标志
3. 原理：
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
普通小麦—长穗偃麦草
白菜—甘蓝
4. 意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种
植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
1. 快速繁殖：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，被人们形象地称为植物的快速繁殖技术，也叫作微型繁殖技术。
▲ 蔬菜的微型繁殖生产
不仅可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性。
2. 作物脱毒：
马铃薯、草莓和香蕉等通常是用无性繁殖的方式进行繁殖的,它们感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。
脱毒苗：植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。因此，切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得。
普通草莓
脱毒草莓
二. 作物新品种的培育
常规选育出一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般要经过5 ~ 6年的连续筛选。
1. 单倍体育种：
单倍体育种可以极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。
花药
花粉
离体培养
人工诱导
染色体加倍
选择
单倍体
纯合二倍体
优良品种
▲玉米单倍体育种流程示意图
高杆抗病植株
杂交育种
单倍体育种
高杆抗病植株
DDTT
DdTt
ddtt
P
F
1
F
2
矮杆染病植株
×
取F
1
花药
取F
1
自交
花粉
纯合二倍体
矮杆抗病纯合体
矮杆抗病纯合体
矮杆抗病
离体培养
加倍处理
筛选
筛选
连续自交
多代筛选
单倍体幼苗
DT
Dt
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dt
DT
Dt
dT
dt
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D_T_
D_tt
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ddT_
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ddTT
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2. 突变体的应用：
外植体
愈伤组织
突变体
完整植株
脱分化
再分化
诱变处理
筛选
培育
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。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。20世纪70年代以来,世界各国的科学家用这种方法已经筛选到抗病、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。
细胞产物的工厂化生产
1. 植物的代谢产物：
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。
次生代谢物：
① 次生代谢不是生物生长所必需的，在特定条件下进行。
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）。
③ 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 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. 细胞产物工厂化生产：
植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织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，因此人们期望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。
紫草宁
紫杉醇
人参皂苷

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