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(共38张PPT)
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。
第2章 细胞工程
包括植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。
哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。
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。
植物细胞工程的发展历程
1902年
1958年
1960年
1964年
1971年
1974年
【科技探索之路】
第1节 植物细胞工程
本节聚焦:
植物细胞工程的理论基础？
什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？
怎样进行菊花的组织培养？
第二章 细胞工程
“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫花开，凝晴滚露，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。
从社会中来
思考：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？
植物组织培养技术
思考: 为什么利用植物的组织或细胞就能培养成完整植物体？
植物细胞具有全能性
植物组织培养的基本原理
利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
阅读教材P34第一段，回答下列问题。
1.什么是细胞的全能性？
2.体细胞具有全能性的根本原因是什么？
3.体现全能性的标志？
4.在生物的生长发育过程中，所有细胞都能表现出全能性吗？请举例。
5.为什么不是所有的细胞都表现出全能性？
一、细胞的全能性
1.概念：
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。
一、细胞的全能性
2.原因：
已分化的细胞仍含有该物种的全部遗传信息(具有发育成完整个体所需要的全套基因)
叶子
花瓣
花粉
细胞
植物体
3.体现全能性的标志：
细胞 → 完整个体或其他各种细胞
5.生物体内细胞并不都表现全能性原因：
在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性的表达，即发生细胞分化。如芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶。
一、细胞的全能性
（1）受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞＞体细胞
（2）植物细胞＞动物细胞
一般情况下，随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。
4.全能性的大小：
6.表现出全能性的条件：
表现出全能性
①
离体
②
一定的营养物质、植物激素
③
适宜的温度、pH等外界条件
④
无菌环境
1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，并获得个体植株。
一、细胞的全能性
阅读教材P35第二段及“探究实践”，回答下列问题。
1.什么是外植体？
2.什么是脱分化？
3.什么是愈伤组织？
4.什么是再分化？
愈伤组织
二、植物组织培养技术
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。
植物细胞的全能性
无性生殖
有丝分裂
二、植物组织培养技术
原理：
生殖方式：
分裂方式：
植物组织培养技术
2.植物组织培养的流程：
接种外植体
离体培养的植物器官、组织或细胞
脱分化
诱导愈伤组织
脱分化形成的不定形的薄壁组织团块
离体条件下已分化的细胞经过诱导，失去特有的结构和功能，转变成未分化的细胞
诱导生芽
再分化
愈伤组织能重新分化成芽、根等器官
诱导生根
移栽成活
外植体
愈伤组织
芽、根
完整植株
脱分化
再分化
生长发育
脱分化与再分化的比较：
脱分化 再分化
过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗
分裂、分化 有分裂，无分化 有分裂，无分化
结果 形成愈伤组织 形成根、芽
需要条件 a.离体、适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素的比例适中 d.一般不需光 a.离体、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（诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用。）
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。
3.决定植物脱分化、再分化的关键因素：
生长素/ 细胞分裂素 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
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。
外植体
愈伤组织
芽、根
完整植株
脱分化
再分化
生长发育
探究·实践 菊花的组织培养
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
1）培养基名称： ；
2）物理性质： ；
3）碳源： 。
拓展1：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）
①提供能量
②调节渗透压
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
移栽
外植体的消毒
外植体的切段
探究·实践 菊花的组织培养
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。
方法步骤
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
移栽
接种外植体
探究·实践 菊花的组织培养
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
培养温度：18-220C、
一般不需要光照
诱导愈伤组织
注意：有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。
注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插。
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
移栽
诱导生芽生根
探究·实践 菊花的组织培养
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，再将其转移到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
诱导出芽
诱导生根
注意：要给予适当时间和强度的光照。
叶绿素的合成需要光照
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
移栽
移栽
探究·实践 菊花的组织培养
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。
炼苗：使试管苗逐渐适应外界环境，促进向自养型转化。
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。
探究·实践 菊花的组织培养
1. 接种3 4d后，检查外植体的生长情况，可能有外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。
用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。
菊花的组织培养
探究 实践
结果分析与评价
导致外植体被污染的原因可能有：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。
课堂小结
根、芽
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
避光
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。
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，进行炼苗（使试管苗逐渐适应外界环境，促进向自养型转化）。
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
问题情景：欲培育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。因为不同种物种之间存在着生殖隔离
思考：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. 参考动物细胞融合，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？
去除细胞壁（获得原生质体）
2. 得到杂种细胞后，如何培育成植株？
植物组织培养
原生质层
1.去壁：
纤维素酶
果胶酶
酶解法
2.诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+ —高PH融合法等
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
思考：
1.纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，试分析原因？
使溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体正常。
三、植物体细胞杂交技术
1.去壁：
纤维素酶
果胶酶
酶解法
2.诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
聚乙二醇（PEG）融合法、
高Ca2+ —高PH融合法等
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
思考：
2.细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？
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
筛选
AB
若只考虑两两融合
AA
AB
BB
三、植物体细胞杂交技术
1.去壁：
纤维素酶
果胶酶
酶解法
2.诱融
物理法：
化学法：
电融合法、离心法
聚乙二醇（PEG）融合法、
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
脱分化
愈伤组织
再分化
杂种植株
移栽
移栽后的植株
植物组织培养
植物细胞融合
（植物细胞的全能性）
（细胞膜的流动性）
植物细胞融合完成的标志:
融合的原生质体重新产生细胞壁。
三、植物体细胞杂交技术
高Ca2+ —高PH融合法等
1. 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。
2. 原理：
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
三、植物体细胞杂交技术
3. 成果：
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草
【练习】
1.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于 倍体。
思考：通过体细胞杂交获得的植株是否可育？说出理由。
36
（异源）四
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，能正常联会。
1. 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。
2. 原理：
细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
“白菜-甘蓝”
4. 变异类型：
5. 成功标志：
6. 优点：
获得杂种植株
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
染色体数目变异
三、植物体细胞杂交技术
白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草
3. 成果：
植物组织培养 植物体细胞杂交技术
原理
过程
意义
联系 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性
植物细胞的全能性
离体的植物器官、组织或细胞
愈伤组织
脱分化
再分化
根、芽或胚状体
植物体
生长发育
植物组织培养与植物体细胞杂交技术的比较
植物细胞A
植物细胞B
原生质体A
去壁
原生质体B
去壁
人工诱导
融合的原生质体AB
杂种细胞AB
愈伤组织
脱分化
再生细胞壁
杂种植株
再分化
保持优良性状，繁殖速度快、大规模生产提高经济效益
植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术
克服不同种生物远缘杂交的障碍
植物体细胞的杂交技术
植物细胞工程的基本技术
去除细胞壁
再生细胞壁
纤维素酶果胶酶
植物细A、B
原生质体A、B
融合的原生质体
杂种细胞
原理：植物细胞的全能性
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
(根、芽)
完整植株
物理法：
化学法：
电融合法、离心法等
聚乙二醇（PEG）融合法等
菊花的组织培养技术
愈伤组织
脱分化
杂种植株
再分化
植物组织培养技术
流程
课堂小结
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？
二、拓展应用
“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？
原因：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。
纤维素酶和果胶酶

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