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第2章 细胞工程
照片中两只可爱的小猴，分别叫“中中”和“华华”，它们于2017年诞生于中国，是世界首例体细胞克隆猴，轰动全世界！
首例体细胞克隆猴
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。
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
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
植物细胞工程和动物细胞工程
细胞工程
科技探索之路
植物细胞工程的发展历程
哈伯兰特提出细胞全能性的理论，但相关实验尝试没有成功。
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。
1902年
1958年
1960年
1964年
1971年
1974年
“其芽葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫花开，凝晴滾露，万态千妍，薰风自来，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？
【提示】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%。
从社会中来
I have a dream!
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
2.1 植物细胞工程的基本技术
本节聚焦
1. 植物细胞工程的理论基础是什么？
2.什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？
3.怎样进行菊花的组织培养？
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】
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
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
植物细胞工程的基本技术
植物组织培养
植物细胞的全能性
条件
步骤
应用
常用方法、应用-制备单克隆抗体
体外受精
胚胎移植
胚胎分割
细胞工程
植物细胞工程
动物细胞工程
胚胎工程
植物体细胞杂交技术
动物细胞培养
动物细胞融合
动物体细胞核移植
理论基础：受精和早期胚胎发育
常用技术
常用方法、应用-培育杂种植株
本章导图
1.概念：
3.体现全能性的标志：
细胞经过和分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能
细胞→完整个体或其他各种细胞
一、植物细胞全能性
2.具有全能性的原因：
细胞内含有本物种的全部遗传信息。
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
3.表现条件：
具有完整的细胞结构；
处于离体状态；
提供一定的营养、激素和其他适宜的外界条件
一、植物细胞全能性
5. 全能性大小比较：
（1）分化程度越高，全能性越低
（2）受精卵 胚胎干细胞 生殖细胞 体细胞
植物细胞 动物细胞
＞
＞
＞
＞
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
原因：
基因在特定时间和空间条件下会选择性表达
2.原理：
1.概念：
指将 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 的技术。
离体
完整植株
植物细胞的全能性
、
外植体
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。
二、植物组织培养
3.繁殖方式：
生殖方式：
分裂方式：
无性繁殖
有丝分裂
4.过程：
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
二、植物组织培养
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）
二、植物组织培养
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。
二、植物组织培养
注意说明
1.外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对较易，而植物的茎、叶等成熟的组织脱分化则较难。
2.该过程添加的外源激素主要是细胞分裂素和生长素（比例适中）， 因为二者能强烈地促进愈伤组织的形成。
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。
二、植物组织培养
注意说明
影响再分化的因素:
a.外植体的遗传特征和取材的位置会影响愈伤组织的再分化能力。
b.培养基的成分和物理性质对器官的形成有一定的影
响，但起决定作用的是植物激素，特别是生长素和细
胞分裂素的比例。
生长素/细胞分裂素 结果
比值高(＞1)
比值低(＜1)
比值适中(=1)
促进根的分化
促进芽的分化
促进愈伤组织的形成
简记为：“高”根，“低”芽，“中”愈伤
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。
脱分化 再分化
过程
结果
需要的条件
外植体→愈伤组织
愈伤组织→幼苗
形成愈伤组织
形成根、芽
a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例适中
d.一般不需要光照
a.离体
b.适宜的营养
c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽
d.光照
决定植物脱分化、再分化的关键因素
总结：脱分化和再分化对比
1.实验原理：
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______和______，形成________，长出_______，进而发育成__________；
脱分化
再分化
胚状体
芽和根
完整的植株
③植物激素中______和__________是启动_________、______和______的关键激素，它们的_____、_____等都会影响植物细胞的发育方向；
生长素
细胞分裂素
细胞分裂
脱分化
再分化
浓度
比例
2.实验目的：
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。
探究·实践 菊花的组织培养
探究·实践 菊花的组织培养
3.材料用具
植物组织培养常用的培养基：
MS培养基 ( P116)
50mL锥形瓶（或植物组织培养瓶）
植物组织培养瓶
幼嫩的菊花茎段、体积分布式70%的酒精，质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液和无菌水
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:
对外植体进行消毒
④无菌水:
清洗外植体
⑤培养基（参见本书附录1）
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）；
蔗糖的作用：
提供能量，调节渗透压
灭菌方法为：
湿热灭菌法
探究·实践 菊花的组织培养
3.材料用具
①培养基名称： ；
②物理性质： ；
③碳源： 。
植物组织培养常用的培养基配方（P116）
MS培养基
固体培养基
有机碳源（蔗糖）
4.方法步骤
①外植体消毒
用酒精擦拭双手和超净工作台台面。
②消毒：
30s
2-3次
30min
①材料：
幼嫩的菊花茎段
2-3次
酒精
无菌水
次氯酸钠溶液
无菌水
探究·实践 菊花的组织培养
注意：实验使用的培养基和所有机械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的机械都要灭菌。
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
①外植体消毒
探究·实践 菊花的组织培养
说明：
消毒酒精一般用体积分数70%的（医院一般用75%的）。次氯酸钠消毒的时间需要和浓度相匹配，并不固定。
酒精和次氯酸钠消毒的机理有所区别，两者依次使用以达到更好的消毒效果。对外植体的消毒既要达到消毒的效果，又不能杀死外植体。
想一想，为什么消毒后还要无菌水清洗？
消毒剂对外植体具有杀伤力，影响正常细胞的成长和再生
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
②外植体切段
用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段
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
探究·实践 菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
③接种外植体
注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！
用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记
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
（将形态学上端朝上，形态学下端朝下）
探究·实践 菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
④诱导愈伤组织
培养条件：
有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
脱分化
定期观察和记录愈伤组织的生长情况
将接种了外植体的锥形瓶置于18-22℃的培养箱培中养
激素比例1：1
避光培养
提供有机碳源（蔗糖）
探究·实践 菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
⑤诱导生芽、生根
培养15～20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上
注意顺序：先诱导生芽，再诱导生根；
(若先生根后面就不易生芽)
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。
该过程每日需要给予适当时间和强度的光照！
探究·实践 菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
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。
⑥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
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 菊花的组织培养
制备外植体
接种培养
试管苗移栽
4.方法步骤
植物组织培养技术
（1）组织离体状态
（2）适宜的培养条件
（3）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节
植物组织培养成功的条件
种类齐全、比例适合的营养物质
适宜的外界条件（温度、pH、光照等）
无菌环境
注意：
实验中使用的培养基和所有器械都要灭菌。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。
为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？
防止杂菌污染。因为杂菌生长快，会和培养物争夺营养。杂菌生长过程中会产生有害物质，导致培养物迅速死亡。
探究·实践 菊花的组织培养
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。
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。
第一节
外植体的选择与消毒
外植体的接种
配制诱导愈伤组织培养基
愈伤组织培养
（不需要光照）
生芽培养
（每天光照12～16h）
生根培养
更换培养基
更换培养基
炼苗、移栽入土
探究·实践 菊花的组织培养
方法步骤
的植物器官、组织或细胞
组织
植物体
A、 分化
B、 分化
1、A过程进行 分裂,不分化。
2、B过程进行 分裂同时也进行分化
3、A 光照，遮光。而B 光照，叶绿素的合成需光照
（排列疏松而无规则，
高度液泡化的呈无定
形状态的薄壁细胞）
愈伤
脱
再
细胞分裂素、生长素
有丝
有丝
不需
需
离体
胚状体
第一节
探究·实践 菊花的组织培养
拓展：植物组织培养的两种途径
器官发生途径
胚状体途径
胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但经过胚胎发育过程形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽、生根
或胚状体
试管苗
（移栽到大田）
对点训练：如图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题：
(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括________和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和________两类植物激素。
(2)此过程依据的原理是__________________。A和B阶段主要进行的分裂方式是_________，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞_____等。
无机物
生长素
植物细胞的全能性
有丝分裂
分化
【练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：
(3)此过程要无菌操作，主要是指对________进行灭菌处理。B阶段需要光照，原因是_______________________________________________。
(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是基因___________的结果。
培养基
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件
选择性表达
【练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：
1.A、B过程分别为 。C是 。
A过程细胞分裂方式是 ，
B过程细胞分裂方式是 ,同时也进行 。
A过程一般 光照；B过程需要光照，因为 。
2.影响A、B过程的关键因素是 ，主要是 和 ，二者添加的 会影响脱分化和再分化过程。
3.植物组织培养是一个 过程。（填“无性繁殖”、“有性繁殖”）
植物体
根、芽或胚状体
外植体
脱分化
再分化
有丝分裂
细胞分化
植物激素
细胞分裂素
生长素
无性繁殖
A B
有丝分裂
浓度及比例
【练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：
C
脱分化、再分化
愈伤组织
不需要
叶绿素的合成需要光照
欲培育出地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”，你有什么妙招？
利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？
不能。因为不同物种之间存在着生殖隔离。
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？
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。
三、植物体细胞杂交技术
2.原理
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
思考1：
不同植物的体细胞发生融合，遇到的第一个障碍是什么？
如何去掉细胞壁呢？
酶解法
果胶酶
纤维素酶
原生质体
原生质体：是指去除细胞壁后的植物细胞
原生质层：是指植物细胞的液泡膜、细胞膜及其之间的细胞质构成的
三、植物体细胞杂交技术
思考2：
两个原生质体如何融合在一起呢？
体现了细胞膜的流动性
人工诱导方法
物理法:
化学法:
电融合法、离心法等
聚乙二醇（PEG）、高Ca2＋ 高pH融合法等
三、植物体细胞杂交技术
二
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）
3.过程
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
融合完成的标志
（1）去除细胞壁
①去壁的原因：___________________________________
②方法：____________
③相关酶：______________________ 为什么用上述酶？
④结果：__________________
酶解法
细胞壁阻碍着细胞间的杂交
纤维素酶和果胶酶
酶的专一性
获得原生质体
高尔基体
A为2a=20
B为2b=30
50
4
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
两亲本染色体数之和
两亲本染色体组数之和
不遵循孟德尔定律
（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
思考：若只考虑原生质体的两两融合，诱导融合后只出现杂种细胞吗？如何将杂种细胞培育成杂种植株？
番茄细胞原生质体
马铃薯细胞原生质体
电激或PEG
未融合的细胞
杂种细胞
自身融合的细胞
细胞壁
筛选
等量混合
有3种类型：AA、BB、AB；我们需要的是AB；因此要对融合后的原生质体进行筛选。
A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合)？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？
思考：
植物体细胞杂交过程中所有杂种细胞类型(假设用于杂交的两种植物细胞分别为A、B)
(1)未融合的细胞：A和B。
(2)两两融合的细胞：AA、BB和AB。
(3)多细胞融合体。
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
无性繁殖
有丝分裂
染色体数目变异
4.生殖方式
5.分裂方式
6.优点
7.变异类型
三、植物体细胞杂交技术
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种
白菜
甘蓝
白菜—甘蓝
8.实例：
白菜—甘蓝等。
“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？
“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。近年来，有报道称利用嫁接技术培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。
拓展应用
练习与应用
思考：
若植株A和植株B细胞结构如图所思，A有X条染色体，B有Y条染色体，通过植物细胞融合技术获得杂种细胞AB，则：
①杂种细胞的染色体数为______
②杂种细胞的基因型为__________
③杂种细胞中染色体组数为________
④得到的杂种植株为____倍体
⑤理论上该植株可育吗？___________________________
X+Y
DdYyRr
4
四
可育，有同源染色体，同源染色体能联会，可形成配子
*异源四倍体
若A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb。B细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数：　　　　；染色体组数：　　；
属于_________倍体植株;基因型：____________；属于可遗传变异类型中的________________。
2x＋2y
4个
AabbccDd
染色体数目变异
思考：
(异源)四
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
1．下图是“白菜-甘蓝”杂种植株的培育过程，回答下列问题。
(1)步骤①需要用到的试剂是什么？______________________
(2)步骤②所用的方法有哪些？________________
(3)经过步骤③得到的杂种细胞和融合的原生质体的区别是什么？_________________________________________________
(4)杂种细胞能发育成“白菜-甘蓝”植株的理论基础是什么？____________________________
纤维素酶和果胶酶
电融合法、离心法、聚乙二醇（PEG）、高Ca2＋ 高pH融合法
杂种细胞具有细胞壁，融合的原生质体没有细胞壁
植物细胞的全能性
典题应用
练习与应用
2．猕猴桃因貌似猕猴而得名，是一种品质鲜嫩、营养丰富的美味水果。我国研究人员利用“中华猕猴桃”和“美味猕猴桃”两个不同种培育出了更加优良的品种，其过程如下图所示。请分析并回答下列问题：
(1)因“中华猕猴桃”和“美味猕猴桃”之间存在_________________，所以用有性杂交方法很难得到可育后代，上述①～⑥培育优良品种H的过程所应用的技术是_______________技术。
生殖隔离
植物体细胞杂交
典题应用
(2)图中B、D是_______________；G是_______________；②过程需使用__________________酶进行处理，该过程受处理时间、__________、___________等条件的影响。
(3)过程③使用的化学法包括：聚乙二醇（PEG）融合法和_________________________等。
(4)过程③得到的两两融合的细胞有__________种，因此需要进行筛选。
原生质体
愈伤组织
纤维素酶和果胶
温度
pH
高Ca2+—高pH融合法
典题应用
3
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
一、概念检测
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
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
01
植物繁殖的新途径
作物新品种的培育
微生物的纯培养
细胞产物的工厂化生产
三、植物细胞工程的应用
01
植物繁殖的新途径
02
作物新品种的培育
03
细胞产物的工厂化生产
1. 快速繁殖
一、植物繁殖的新途径
（1）概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫作微型繁殖技术。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
试管苗
（2）原理：
①高效、快速地实现种苗的大量繁殖
②无性繁殖，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，培养周期短
（3）优点：
植物细胞的全能性
④选材少，繁殖率高，便于自动化管理。
试管苗大规模培养
无性生殖
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。
【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。
一、植物繁殖的新途径
（5）实例：
甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
铁皮石斛的工厂化生产
（4）应用：
快速繁殖优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等。
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。
你有什么启发？
生活情境
2. 作物脱毒
（1）原因
选材原因：_________________________________
无性繁殖的作物，感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，导致作物产量降低、品质变差。
（2）选用材料：___________________________________________
该部位的病毒极少，甚至无病毒
植物顶端分生区附件（如茎尖、芽尖、根尖）
一、植物繁殖的新途径
取材：分生区（如茎尖、根尖：病毒极少，甚至无毒）
(植物组织培养)
脱毒苗
注：脱毒苗≠抗毒苗。
抗病基因
导入
植物细胞
植物组织培养
完整植株
抗毒苗：
（3）脱毒过程：
（4）实例：
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
与微型繁殖相比，二者无本质区别，只是取材部位不同。
茎尖
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
脱毒苗
脱毒草莓
普通草莓
脱毒马铃薯田与被病毒感染的未脱毒马铃薯叶片
一、植物繁殖的新途径
①树木需生长数年才能结出种子
④优良杂交种后代会因发生性状分离而丧失优良特性
②受季节、气候和地域的限制
③制种时需要占用大量土地
如何克服缺陷？
常规种子植物生产的不足：
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
人工种子
概念：通过植物组织培养的方法获得的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料外面包被着人工薄膜，在适宜的条件下可以发芽成幼苗的种子。
胚状体
人工胚乳
（提供发育所需的营养）
人工种皮
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
过程：
外植体
愈伤组织
脱分化
胚状体
再分化
完整植物体
制成人工种子
种下去
包裹人工种皮
问：人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，人工种皮中应该具有的有效成分是什么
问：为了促进胚状体的生长发育。我们还可以向人工种皮中加入哪些物质
适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。
植物生长调节剂。
人工种子来自有性生殖？无性生殖？
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
无性生殖
植物生长调节剂在组培过程中要灭菌后加入—（高温、强光下易挥发、分解）
人工薄膜，透气透水
种皮
胚状体（不定芽、顶芽和腋芽）
胚
营养物质+抗生素、
农药+有益菌+植物生长调节剂
胚乳
胚状体
人工胚乳
人工种皮
单子叶植物的种子
胚
种皮
胚乳
组成：胚状体＋人工种皮＋人工胚乳
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
⑤后代无性状分离，保持优良品种的遗传特性
①易于储藏和运输
④解决某些作物品种繁殖能力差、结子
困难或发芽率低等问题
③避免占用大量土地制种，节约粮食
优点：
②不受季节、气候和地域的限制
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
人工种子应用
花椰菜
桉树
水稻
芹菜
3、人工种子
一
植物繁殖的新途径
单倍体
单倍体：
由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成的个体。
正常物种二倍体
正常物种四倍体
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
单倍体（含1个染色体组）
单倍体（含2个染色体组）
单倍体育种：
概念：通过花药(或花粉)培养获得单倍体植株，然后经过诱导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株;
植株枝叶茎杆弱小，果实多而小，一般高度不育。
1. 单倍体育种
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
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。
1. 单倍体育种
（1）过程
二、作物新品种的培育
秋水仙素
单倍体幼苗
优良品种
愈伤组织
纯合二倍体植株
花药
染色体
数目加倍
脱分化
再分化
选择
秋水仙素处理
花药离体培养
（植物细胞的全能性）
（染色体数目变异）
（2）原理：
植物细胞的全能性、染色体数目变异
通过花药离体培养获得单倍体植株，经染色体加倍,选择稳定遗传优良品种
现有纯合的高秆抗病小麦（DDTT）和矮秆感病小麦(ddtt)，怎样尽快得到纯合的矮秆抗病的优良品种(ddTT)？你能想到几种育种方法？
思考·讨论：
（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（♂）
筛选
DdTt
（抗倒伏，不抗病）
（倒伏，抗病）
二倍体生物
（组织培养）
DdTt植株
DT Dt dT dt
P
矮杆感病
DDTT
×
高杆抗病
ddtt
F1
矮杆感病
DdTt
F2
D_T_
D_tt
ddT_
ddtt
ddTT
杂交育种
矮抗

需要的纯合矮抗品种
连续自交多代
第1年
第2年
第3-6年
缺点：耗时长
优点：操作简单
第1年
第2年
明显缩短育种年限
单倍体育种
（3）优点：
① 明显缩短育种年限；
②后代都是纯合子，能稳定遗传。
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。
（4）实例
二、作物新品种的培育
③可作为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一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现。
技术相当复杂
缺点：
2.突变体的利用
二、作物新品种的培育
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，易受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。
新品种
筛选培育
外植体
愈伤组织
脱分化
多种突变体　
诱导分化
诱变处理
（1）原理
（2）过程：
（3）利用：
筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种。
（4）原理：
突变和植物细胞的全能性
突变体育种的原理是突变，诱变育种的原理是基因突变。
突变 = 基因突变 ＋ 染色体变异
二、作物新品种的培育
（5）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。
（6）缺点：
白三叶草
（7）实例：
抗除草剂的白三叶草
抗花叶病毒的甘蔗
抗盐碱的野生烟草
难以控制突变方向，有利性状比较少，需要大量处理实验材料。
细胞产物的工厂化生产
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。
分析生产实践中遇到的问题：
人参为我国名贵药材，现今因野生资源短缺，多用人工栽培，但人工栽培生长缓慢，6年才能生成10克左右（干重）人参根。
解决办法：利用植物组培工厂化生成细胞产物
三、细胞产物的工业化生产
阅读课本41页回答：高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来了一场灭顶之灾。能否用植物组织培养技术生产紫杉醇？
离体植物组织
脱分化
愈伤组织
从愈伤组织中提取紫杉醇
三、细胞产物的工业化生产
三、细胞产物的工业化生产
是生物生长和生存所必需的代谢活动，一直进行
植物代谢
初生代谢：
次生代谢：
缺点：①植物细胞的次生代谢物含量很低。
②有些产物不能或难以通过化学合成途径得到。
一类小分子有机化合物
(如酚类、萜类和含氮化合物等)
产物：
如糖类、脂质、蛋白质、核酸等
产物：
植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。
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。
应用多、产量低
利用植物细胞培养来获得目标产物
三、细胞产物的工业化生产
03
1、概念：指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培
养使其增殖的技术，利用植物细胞培养来获得目标产物。
3、优势：
不占用耕地、不受季节、天气的限制，
对社会、经济、环保具有重要意义。
2、原理：
细胞增殖
外植体
愈伤组织
细胞悬液
脱分化
振荡分散
细胞悬浮培养
细胞产物
提取
该过程不能体现植物细胞的全能性
工厂化生产人参皂苷粉的基本流程：
人参根 　 愈伤组织 　　 增长速度快而且细胞内人参皂苷粉含量高的细胞
细胞增殖　　 提取人参皂苷粉
细胞产物的工厂化生产的过程
外植体
脱分化
愈伤组织
细胞产物
培养、提取
脱分化
培养选择
破碎细胞
放入发酵罐
注意：① 一般组织培养到愈伤组织即可。因为此时
细胞分裂能力强，代谢快， 产物多。
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。
紫草宁
具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性
紫杉醇
具有高抗癌活性
已用于乳腺癌等癌症的治疗
红豆杉(濒危植物）
（世界上首例药用植物细胞工程产品）
紫草宁、紫杉醇、人参皂苷（ɡān）等。
3.实例
三、细胞产物的工业化生产
项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的 获得植物体 获得细胞产物
原理 植物细胞的全能性 细胞增殖
培养基 固体培养基 液体培养基
过程
应用 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产，
植物组织培养和植物细胞培养的比较
特别提醒
小结
外植体
↓
愈伤组织
↓
胚状体
↓
试管苗
↓
植株
再分化
保持优良性状
快速大量繁殖
快速
繁殖
作物
脱毒
选择分生区
脱分化
选择花粉
培养
单倍体
纯合体
加倍
单倍体育种
化学物理因素诱导筛选
突变体利用
培养、提取
代谢产物
③细胞产物的工厂化生产
①植物繁殖新途径
②作物新品种的培育
四种育种方法的比较
育种方法 原理 过程 优点
快速繁殖 脱分化、再分化 保持优良品种的遗传特性
突变体 的利用 基因突变、 细胞的 ; 对愈伤组织进行诱变处理后再筛选 提高 ，获得优良性状
单倍体 育种 细胞的 、 ; 、 诱导染色体数目加倍 明显缩短？
植物体细 胞杂交 细胞膜的 、 细胞的 ; 融合、 杂种细胞组织培养 打破 ，
实现 。
细胞的全能性
全能性
突变率
全能性
染色体变异
先花药离体培养
再秋水仙素
育种年限
流动性
全能性
植物细胞
生殖隔离
远缘杂交
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。
概念
植物细胞融合
原生质体制备
过程
变异类型
植物组织培养
原生质体融合
原理
育种类型
本堂小结
原理
过程
花药离体培养
细胞全能性
操作步骤
脱分化
再分化
外植体
根、芽、胚状体
愈伤组织
外植体消毒
接种
切块
形成愈伤组织
诱导生芽生根
植物体细胞杂交
植物组织培养
植物细胞工程
优缺点
思维导图
第一节
一、概念检测
1. 运用植物细胞工程技术可以培育单倍体植株和进行细胞产物的工厂化生产。判断下列相关表述是否正确。
（1）用花药培养得到单倍体植株需要用到植物组织培养技术。（ ）
（2）细胞产物的工厂化生产主要是利用促进细胞生长的培养条件，提高了单个细胞中次生代谢物的含量。（ ）
2.生产中培育香蕉脱毒苗常用的方法是 （ ）
A.人工诱导基因突变
B.选择优良品种进行杂交
C.进行远缘植物体细胞杂交
D.取茎尖分生组织进行组织培养
√
×
D
练习与应用（P42）
1.紫色非甜玉米（基因型为AASuSu ）和白色甜玉米（基因型为aasusu ）杂交（Su和su代 表一对等位基因）,得到的F1（ AaSusu ）再进行自交，F2会有紫色甜玉米的表型产生。如果运用常规育种方法，应该如何筛选出纯合的紫色甜玉米？如果利用花药培养的技术，又应该怎样做呢？请你设计相关实验的思路。
【答案】F2中的紫色甜玉米的基因型可能为 Aasusu或 Aasusu。如果运用常规育种方法，将F2中的紫色甜玉米与白色甜玉米( aasusu)进行测交，可以选择出基因型为 AASUSU的纯种紫色甜玉米。但这种方法比较烦琐，耗时也较长，需要至少三年的选种和育种时间。其实在F1产生的花粉中就可能有Asu的组合，如果利用花药培养的技术获得单倍体植株，再经过诱导染色体加倍，就可以直接得到紫色甜玉米的纯合体。这种方法可以大大缩短育种周期。
练习与应用（P42）
二、拓展应用
【提示】积极探索其他的繁育途径。例如，研究如何利用植物组织培养技术繁育甜叶菊，研究内容涉及植物组织培养材料的选择，培养基配方的优化，提高试管苗移栽成活率的方法等，最终目的是建立一套利用植物组织培养技术繁育甜叶菊的标准技术体系，实现甜叶菊种苗的产业化生产。
2. 甜叶菊是一种菊科植物，植株中所含甜菊糖的甜度是蔗糖的300倍左右，而它的热量却很低，所以它逐渐成为一些用糖行业欢迎的新糖源。甜叶菊的种子小，发芽率低，种子繁殖遗传性状不稳定；而扦插植株的根系弱，且需要原始材料多，这些都会限制甜叶菊的生产。假如你是某甜叶菊生产公司的项目负责人，该公司当前运行状况良好，但一直未能解决种子发芽率低的问题，为了提高公司的甜叶菊繁育效率，你应该如何作出决策，并请说出理由。
练习与应用（P42）
二、拓展应用

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