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第二章 植物细胞工程
第一节 通过植物组织培养可获得完整植株（第1课时）
素养目标
阐明植物细胞全能性的含义。
生命观念
认识植物组织培养技术是离体获得植物体的重要方法；
概述植物组织培养的过程
科学思维
教学重难点
阐明植物组织培养是在一定的条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程。
课程导入
以上运用了哪种技术？
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
克隆
用幼苗或嫩枝以营养繁殖方式培育植物。
指通过重组DNA技术插入某载体的特定DNA片段，在宿主细胞中进行多次复制而形成的分子群体
分子水平基因克隆
指由一个细胞分裂形成的一个细胞群体。产生特异性抗体的所有浆细胞是由一个B细胞分裂形成的的一个细胞群体
细胞水平的克隆
指通过无性繁殖而得到的基因型相同的个体组成的群体
个体水平的克隆
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
植物组织培养
提出了细胞全能性的设想：植物的器官和组织可以不断分割，直至分成单个细胞。离体的单个细胞经过人工培养，能通过细胞分裂而恢复成完整植株。哈伯兰特大胆的设想为植物组织培养的研究与发展奠定了基础。此后，人们在器官、组织、细胞等不同水平上，利用多种植物材料进行了广泛的研究和尝试。
1902年，德国植物学家哈伯兰特
不仅植物组织培养技术日趋完善和成熟，而且形成了以细胞全能性为基础、以细胞脱分化和再分化为调控中心的理论体系。植物组织培养通过与常规育种、转基因技术相结合，显示出了巨大的应用和经济价值
20 世纪 60 年代后
用胡萝卜根的韧皮部单细胞进行培养，得到完整的小植株，第一次通过实验科学验证了哈伯兰特关于植物细胞全能性的设想，由器官到组织再到细胞，单细胞的成功培养成为植物组织培养研究历史上的一个里程碑。
1958 年，美国植物学家斯图尔德和德国植物学家赖纳特
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
植物组织培养
植物组织培养是指在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织或细胞等（外植体），培养在人工配制的培养基上，使其生成完整植株或使其细胞增殖并产生细胞代谢产物的技术
生殖方式
无性生殖
分裂方式
有丝分裂
分类
器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
细胞的全能性
细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能
原因
每一个细胞含有控制该生物发育的全部基因
比较
生殖细胞＞体细胞；植物细胞＞动物细胞
分化程度越高，全能性越低
生物体内细胞并不都表现全能性：在特定的时间和空间条件下，基因选择性表达
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
植物组织培养的过程
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
试管苗
完整植株
移栽成活
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
脱分化
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，重新获得分裂能力。
过程中涉及的生命活动：只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化
光照条件：一般不需要光照
结果：形成愈伤组织
实质：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
02
04
01
脱分化
03
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
再分化
愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程。
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
光照条件：需要给予适当时间和强度的光照
结果：再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株
实质：基因的选择性表达
02
04
01
脱分化
03
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
根、芽
植物体
脱分化
再分化
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…
遮光
一定的光照
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，呈不定形状态的薄壁细胞
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
植物细胞的全能性使离体组织发育成完整植株成为可能
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
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
提供适宜的条件
（温度、无菌条件、培养基中适宜浓度和配比的植物激素、充分而全面的营养物质等）
要使离体植物器官、组织或细胞生长发育成完整的植株，必须使成熟的细胞恢复到分生或胚胎状态。
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
温度
低于15℃时，外植体会生长停滞
高于35℃时，则发生高温伤害，加快衰老甚至死亡。
大多数植物最适培养温度在20-30℃之间
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
无菌条件
无菌技术的内容包括：材料、培养基、器皿和接种工具的灭菌，以及操作环境和工作台面的灭菌。
取材→自来水沖洗-70%酒精消毒-无菌水冲洗→消毒剂处理→无菌水冲洗→接种
预处理
表面灭菌
灭菌剂处理
外植体灭菌的程序
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
外植体灭菌
75%酒精
表面杀菌，具有湿润和杀菌作用，浸30秒
氯化汞（升汞）
常用浓度0.1-0.2%，处理5-10分钟，有残毒
次氯酸钠
浓度2-10%，对植物无害
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
培养基、器皿和接种工具的灭菌
一般用高压蒸汽灭菌
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
接种室和接种台的灭菌
常利用用紫外灯灭菌
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
适宜的营养物质
植物组织培养的培养基中通常含有水、无机盐、有机营养成分、琼脂、植物激素等物质
主要成分是琼脂和植物激素
加入琼脂的优点：操作简便、对培养物的支持、通气较易解决、便于经常观察研究。
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
适宜的营养物质
无机盐为植物提供必需的矿质元素
N，P，S，K，Mg、Ca等大量元素、Fe、Mn、B、Zn、Cu等微量元素
有机营养成分中含有糖类、氨基酸、维生素等物质
糖类中蔗糖、葡萄糖和果糖是较好的碳源，其中蔗糖最为常用
微生物的碳源物质很多，有糖类及其衍生物、有机酸类、醇类、脂类、烃类、蛋白质及其降解产物等
提供叶绿素来维持植物的光合作用
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
适宜浓度和配比的植物激素
植物激素调控细胞的脱分化和再分化过程，主要成分是琼脂和植物激素
离体的器官、组织、细胞按照人们的设计目标进行细胞分裂和分化、器官形成与个体再生
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
适宜浓度和配比的植物激素
幼 苗
愈伤组织
脱分化
CTK/IAA比例适合
再分化
CTK/IAA比例先增大在减小
完整植株
外植体
生长素与细胞分裂素的比值 作用效果
高 有利于根的分化，抑制芽的形成
低 有利于芽的分化，抑制根的形成
适中 促进愈伤组织形成
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
其具有较高的无机盐浓度，能够保证组织生长所需的矿质营养还能加速愈伤组织的生长。
MS固体培养基可用于诱导愈伤组织，也可用于胚、茎段、茎尖及花药的培养，其液体培养基用于细胞悬浮培养时能获得明显的成功。
Ms培养基，是目前使用最广泛的植物培养基
离体植物器官、组织和细胞在适宜条件下方可发育成完整的植物
离体培养的条件
Ms培养基成分
课堂练习
1.下列有关植物细胞全能性的说法，正确的是（ ）
A.高度分化的植物体细胞具有全能性，而配子不能表现出全能性
B.植物体细胞具有发育成完整个体所需的全部基因，因此高度分化的植物细胞随时能表现出全能性
C.在植物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性
D.将花粉培育成单倍体植株、玉米种子发育成完整植株这两个过程均体现了细胞的全能性
C
解析：配子也具有发育成完整个体所必需的全部基因，花药离体培养证明配子也能表现出全能性，A错误；植物体细胞具有发育成完整个体所需的全部基因，但高度分化的植物细胞只有在离体状态下才可能表现出全能性，B错误；在植物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，如高度分化的细胞没有表现出全能性， C正确；花粉培育成单倍体植株体现了细胞的全能性，但玉米种子中有植物体的幼体，发育成完整植株不能体现细胞的全能性，D错误。
课堂练习
2.从古至今，兰花都是高洁、典雅的象征，很多人喜欢养兰花，但兰花在自然条件下萌发率极低。目前，我国已将组织培养技术广泛应用于兰花种苗的规模化繁殖，让名贵的兰花也“走入”了寻常百姓家。下列相关叙述错误的是（ ）
A.利用植物组织培养技术快速繁殖兰花种苗利用了植物细胞的全能性
B.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
C.组织培养过程中，脱分化和再分化过程均需要保持恒温、避光的环境条件
D.幼苗移栽前需要先将其移植到消过毒的蛭石或珍珠岩中，待长壮后再移栽入土
C
解析：利用植物组织培养技术快速繁殖兰花种苗利用了植物细胞的全能性，原因是植物细胞具有本物种生长发育所需的全部遗传信息，A正确；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，两者的比例会影响细胞分化方向，B正确；植物组织培养过程中，脱分化通常需要避光，而再分化过程需要有光，C错误；移栽前应将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境下生活一段时间再移栽入土，目的是使幼苗适应环境，利于移栽成活，D正确。
课堂练习
3.植物激素中生长素和细胞分裂素是诱导细胞分裂、脱分化和再分化的关键性因素。在植物组织培养过程中，关于这两种激素的使用正确的是（ ）
A.先使用生长素，后使用细胞分裂素
B.同时使用
C.先使用细胞分裂素，后使用生长素
D.都不使用
B
解析：在植物组织培养过程中，同时使用生长素和细胞分裂素可以使分化频率提高，因此更有利于胚状体的形成，故选B。
课堂练习
4.野生铁皮石斛结实率低，可利用铁皮石斛叶片进行组织培养形成大量试管苗下列有关说法正确的是（ ）
A.在70%的酒精中浸泡铁皮石斛叶片30min进行消毒，可避免微生物污染
B.叶片先经过脱分化形成愈伤组织，再转移至液体培养基中进行再分化形成根、芽
C.试管苗应当移栽到含有蔗糖和多种植物激素的基质上以适应外界环境
D.经植物组织培养得到的植株，其基因组DNA一般和原铁皮石斛的相同
D
解析：植物组织培养过程中，外植体需用体积分数为70%的酒精消毒30s，故A错误；再分化过程是在固体培养基中进行的，B错误；试管苗应该移栽到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中以适应外界环境，故C错误；植物组织培养为无性生殖，通过植物组织培养获得的铁皮石斛的基因组DNA一般和原铁皮石斛的相同，D正确。
总结归纳
原理
离体培养的条件
过程
植物组织培养
植物细胞的全能性
概念
细胞具有全能性的原因
不离体的细胞不表现全能性的原因
温度
无菌条件
培养基中适宜浓度和配比的植物激素
脱分化
再分化
适宜的营养物质

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