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(共34张PPT)
2.1 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
动物细胞工程和植物细胞工程
什么是细胞工程
从社会中来
“其芽茸茸，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开，凝晴露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非入兰室乎！”
这是我国历史上第一部兰谱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；传统分株繁殖的方式，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？
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%。
植物通常是通过播种或扦插实现繁殖的。
落地生根
玉米种子萌发
黄豆种子发芽
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
如多肉进行叶插繁殖
一、植物细胞工程的基本技术
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：
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。
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
4、生长发育过程中细胞没有体现全能性的原因：
芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶体现了全能性吗？
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
（一）植物组织培养技术
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.植物组织培养：
3. 一般过程：
指离体的植物器官、组织或细胞（外植体）等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。
2.理论基础：
细胞的全能性
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
（1）脱分化
①概念
在一定的 ____和__ __等条件的 ____下，_____ ___的细胞________________ __，转变成______ __的过程；
②实质
____________________________________________
③结果：___________
*愈伤组织的特点：_________________
④光照条件：_______________
⑤过程中涉及的生命活动
__________________________________________
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
已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞
形成愈伤组织
不定形的薄壁组织团块
一般不需要光照
只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
（2）再分化
①概念
________能重新_____成_ ___________的过程；
②实质
______________
③结果
__________________________________________
④光照条件：_________________________
为什么？_____________________________________
⑤过程中涉及的生命活动
__________________________________________
愈伤组织
分化
芽、根等器官
基因的选择性表达
再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株
需要给予适当时间和强度的光照
诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用
既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化
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
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，呈不定型状态的薄壁细胞
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
（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）
---细胞表现全能性的条件
4、适宜的培养条件
探究-实践
菊花的组织培养
1、原理：
（1）植物细胞一般具有全能性。
（2）在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。
（3）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、比例都会影响植物细胞的发育方向。
促进愈伤组织的形成
促进根的分化
促进芽的分化
2、实验步骤
（1）制备外植体
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
超净工作台或接种箱
消毒与无菌水冲洗
切割与接种
（2）接种到诱导愈伤组织培养基
脱分化 避光
形成愈伤组织
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
愈伤组织培养
培养温度：
18-220C
(3）接种到诱导生芽培养基
（4）接种到诱导生根培养基
接种室
试管苗
若先生根后面就不易生芽
移栽
培养室
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。
结果分析与评价
（二）植物体细胞杂交技术
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。因为不同种生物之间存在着生殖隔离
阅读课文36-38页，图2-4，讨论：
（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？
（5）这项技术的出现有什么意义？
（二）植物体细胞杂交技术
A细胞
B细胞
纤维素酶果胶酶
去壁
酶解法
正在融合的原生质体
再生出细胞壁
诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法等
聚乙二醇（PEG）融合法等
脱分化
再分化
移栽
植物细胞融合
植物组织培养
杂种植株
愈伤组织
A原生质体
B原生质体
移栽后的植株
去壁
植物细胞融合完成的标志
植物体细胞杂交完成的标志
（二）植物体细胞杂交技术
1、过程
原生质体：
指的是脱去细胞壁的细胞。动物细胞也可看做是原生质体。
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。原生质层不包括细胞液和细胞核。
注意事项
高尔基体
两亲本染色体数之和
两亲本染色体组数之和
A、B、AA、BB、AB。（只考虑两两融合）需要进一步筛选
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？
（二）植物体细胞杂交技术
2. 概念：
将不同种的植物体细胞，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：
细胞膜的流动性（原生质体融合）
植物细胞的全能性（杂种细胞培养成杂种植株）
（二）植物体细胞杂交技术
4. 实例：
5.意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种
6.研究现状：
仍有许多理论与技术问题没有解决，还不能让杂种植株表现出人们所需要的所有性状。
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。
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。
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。
(4)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。
(3)优点：
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不受自然生长季节的限制
④培养周期短
（一）植物繁殖的新途径
(1)概念：
1、快速繁殖
(2)生殖方式：
一般为无性生殖
运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株，而且均来自单一的个体，可以保持优良品种的遗传特性。例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。
1960年，荷兰科学家通过对兰花茎尖进行培养，获得了快速繁殖的脱毒兰花，随后在国内外进行了“兰花试管苗产业化”。
培养
接种
生姜是药食两用的经济作物，在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%-50%。
病毒引起的植物病害有500多种。受害植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉等。而且没有有效的防治办法，只能拔除，造成经济损失。病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几乎不含病毒。
背景资料
(1)为何要进行作物脱毒？
(2)作物脱毒选用什么材料？选择该种材料的理由是？
无性繁殖的作物，容易将病毒传染给后代。病毒积累，导致作物产量降低、品质变差。
分生区（如茎尖）的细胞
植物分生区细胞病毒少，甚至没有病毒
无病毒组织 （切取茎尖组织）
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
幼苗
完整植株
移栽成活
注：脱毒苗不等于抗毒苗。
与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。
(3)脱毒过程：
2、作物脱毒
(4)脱毒产品
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
脱毒草莓
普通草莓
香蕉
菠萝
实际问题：传统的育种方法是通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中。但缺点是：要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种。如何解决育种时间过长的问题？
P：
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
F1
紫色非甜玉米
AaSs
↓
第1年
↓
×
选育出需要
的矮抗纯种
F2
A_S_
A_ss
aaS_
aass
紫甜
传统方法： 杂交育种
第2年
第3年
×
生长
A_ss
F3
第4年
现有紫色非甜玉米（基因型AASS）和白色甜玉米（基因型aass），如何获得纯种的紫色甜玉米（基因型AAss）？
配子：
AS
As
aS
as
单倍体幼苗：
AS
As
aS
as
花药离体培养
秋水 仙素
第2年
AAss
aaSS
aass
纯合体:
AASS
紫甜
P
紫色非甜 AASS
×
白色甜
aass
F1
紫色非甜
AaSs
第1年
选择亲本
有性杂交
F1代
花药离体培养
单倍体植株
诱变
染色体加倍
可育纯合子
选择所需类型
（1）过程
（2）原理：
染色体变异、植物细胞的全能性。
（3）优点：
①极大地缩短了育种的年限。
②后代都是纯合子，能稳定遗传。
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。
（二）作物新品种的培育
1、单倍体育种
（4）应 用
水稻
小麦
烟草
柏树
（1）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）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
（6）实例：
抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
（3）原理：
基因突变和植物细胞的全能性。
（5）缺点：
提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。
2.突变体的利用
难以控制突变方向，有利性状较少，需要大量处理实验材料。
（4）优点：
(三）细胞产物的工厂化生产
（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，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。
1.植物的代谢产物
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。
3.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。
4.实例：
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷的植物细胞工程产品。
2.概念：
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
注意：① 一般组织培养到愈伤组织即可。因为此时细胞分裂能力旺盛，代谢快，有利于产物生成。②液体培养基（培养液）有利于培养的细胞与营养物质充分接触。
工厂化生产人参皂甙干粉的基本流程：
人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快而且细胞内人参皂甙干粉含量高的细胞
细胞增殖 　　 提取人参皂甙干粉
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
5.过程：
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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