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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（Biology）是研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学，它从显微、亚显微与分子水平上研究细胞结构与功能。细胞增殖、分化、代谢、运动、衰老、死亡，以及细胞信号转导，细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等重大生命过程。
分子生物学（molecular biology）是从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 （中心是分子遗传学）和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。
发育生物学（developmental biology）是一门研究生物体从精子和卵子发生、受精、发育、生长到衰老、死亡规律的科学。
细胞工程
1.概念：
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，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
2.类型：
植物细胞工程
动物细胞工程
植物组织培养技术
植物体细胞杂交技术
原理
操作水平
目的
1902年，哈伯兰特（G. Haberlandt，1854—1945）提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。
1958年，斯图尔德（F. C. Steward， 1904—1993）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。
1960年，科金（E. C. Cocking，1931—）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。
1964年，古哈（S. Guha，1938—2007）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。
1971年，卡尔森（P. S. Carlson， 1944—2017）
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。
1974年，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。
2.1
植物细胞工程
播种或扦插
一片花瓣
一个细胞
一粒花粉
知识回顾：必修一第6章第2节
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
1.细胞的全能性
（1）概念：
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。
潜能
潜能
分裂
分裂
分化
细胞具有全能性的原因？
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
1.细胞的全能性
（2）原因：
细胞仍含有该种生物的全部遗传信息（具有发育成完整个体所需要的全套基因）
潜能
潜能
分裂
分裂
分化
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
1.细胞的全能性
（3）体现全能性的标志：
细胞→完整个体或其他各种细胞
潜能
潜能
分裂
分裂
分化
具有全能性的细胞是否都能表现出全能性？
具有
表现出全能性
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
1.细胞的全能性
（4）不能体现全能性：
①例子：
芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶
②原因：
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
（5）全能性表现条件：
①具有完整的细胞结构
②处于离体状态
③提供一定的营养、激素和其他适宜条件
联系
潜能
表现出全能性
科学家是如何做到让其潜能表现出来的呢？
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
2.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。
（2）原理：
植物细胞具有全能性
请课本中植物组织的变化写出植物组织培养的基本流程！
2.植物组织培养技术
（3）过程：
离体培养的植物器官、组织或细胞。（一般取植物的幼嫩部位，如茎尖、花药）
①概念：已分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块。
②特点：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，具有分裂和未分化特性。
已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。
愈伤组织重新分化为芽、根等器官的过程。
外植体 → 愈伤组织 → 生芽、生根 → 完整植株
脱分化
再分化
移栽成活
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
拓展
生长素
细胞分裂素
比值适中（=1）
比值低（＜1）
比值高（＞1）
促进愈伤组织的形成
促进芽的分化，抑制根的形成
促进根的分化，抑制芽的形成
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。
“高根低芽中愈伤”
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
2.植物组织培养技术
（3）过程：
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
接种外植体
诱导愈伤组织
脱分化
再分化
生长素
细胞分裂素
适中
生长素
细胞分裂素
低
生长素
细胞分裂素
高
该实验具体如何操作呢？
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脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再经过再分化生产芽、根等器官，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、比例等都会影响植物细胞的发育方向。将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上，就可以诱导其分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。
目的要求
材料用具
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，一般专指在组织培养条件下产生的非合子胚。
拓展
植物组织培养的两种途径
胚状体
途径
器官发生途径
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
生芽生根
或胚状体
生长发育
试管苗
（移栽到大田）
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
用酒精擦拭双手和超净工作台面。
①流水冲洗外植体（幼嫩的茎段）→
②酒精消毒30s→
③无菌水清洗2-3次→
④次氯酸钠溶液处理30min→
⑤无菌水清洗2-3次
Q：无菌操作目的：
避免杂菌与培养物竞争营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
将消毒过的外植体置于无菌培养皿，用无菌滤纸吸去表面水分，用解剖刀将外植体切成0.5~1cm长的小段。
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
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，并在培养瓶上做好标记。
接种时注意外植体的方向，应将外植体的形态学下端插入培养基，不能倒插。
MS培养基由穆拉西格（Murashige）和斯柯格（Skoog）于1962年设计，是目前使用最广泛的植物培养基。一种适合某种培养目的的培养基，一般是在已被广泛使用的基本培养基如MS培养基的基础上调整某些成分，再经过一系列实验而确定的。在设计植物培养基时，最常改动的成分就是植物激素类物质的种类和比例。
⑴培养基名称： ；
⑵物理性质： ；
⑶碳源： 。
MS培养基
固体培养基
蔗糖
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
将接种了外植体的锥形瓶置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。
愈伤组织的形成一般不需要光照，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
遮光
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
培养15~20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽培养基上出芽后，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。
每日需要一定的光照，因为芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照。
必须先进行生芽培养，再进行生根培养。如果顺序颠倒，先诱导生根，则不易诱导生芽。
脱分化
再分化
遮光
光照
方法步骤
1.3 传统发酵技术
探究·实践：菊花的组织培养（P35）
② 外植体处理
③ 接种外植体
④诱导愈伤组织
⑤ 诱导芽和根
⑥ 移栽
① 外植体消毒
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。
脱分化
再分化
遮光
光照
1.体现植物细胞全能性的条件
归纳提升
材料 离体的细胞、组织或器官
培养基 种类齐全、比例合适的营养物质及一定比例的植物激素
外界条件 (1)无菌操作；
(2)光照：诱导愈伤组织时一般不需要光照，再分化时需要光照
P23
2.生长素和细胞分裂素用量的比例对植物细胞发育方向的影响
生长素用量与细胞分裂素用量的比值 结果
比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
植物组织培养
植物组织培养
不能杂交，因为不同种生物之间存在着生殖隔离。
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（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。
A细胞
B细胞
什么条件？
融合前需进行什么操作？
A细胞
B细胞
去壁
去壁
A原生质体
B原生质体
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（2）过程：
原生质体：
是细胞壁以内各种结构的总称，也是组成细胞的一个形态结构单位。
原生质层：
指细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质。
细胞壁
纤维素酶、果胶酶
原生质体
酶解法去壁：
区别：
有无液泡里面的细胞液
A细胞
B细胞
去壁
去壁
A原生质体
B原生质体
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（2）过程：
人工融合
正在融合的原生质体
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融合法等
Q1：A原生质体与B原生质体融合后，有哪几种类型（只考虑两两融合）？我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后要进行怎样的处理？
A-A；A-B；B-B
A-B，要对融合后的原生质体进行筛选。
A细胞
B细胞
去壁
去壁
A原生质体
B原生质体
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（2）过程：
人工融合
正在融合的原生质体
筛选
杂种细胞
成功融合的标志
再生出细胞壁
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（2）过程：
植物细胞融合
原理：细胞膜的流动性
再分化
杂种植株
移栽
移栽后的植株
脱分化
愈伤组织
植物组织培养
原理：植物细胞的全能性
杂交完成的标志
拓展
①此过程中起主要作用的细胞器是？
高尔基体、（线粒体）
②杂种细胞染色体数为？
50
③杂种细胞染色体组数为？
4
④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
A为2a=20
B为2b=30
利用这项技术，科学家培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种植株。
与普通白菜相比，“ 白菜—甘蓝 ”具有生长周期短、耐热性强、贮藏等优点。由此可见，通过植物体细胞杂交可以逾越种间、属间的杂交屏障，这是培育新品种的一条有效途径。
拓展
白菜-甘蓝
一、植物细胞工程的基本技术（P34）
3.植物体细胞杂交技术
（3）意义：
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。
Q：“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上长番茄、地下结马铃薯的主要原因是？
生物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—马铃薯杂交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，不能像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。
有关植物体细胞杂交的3个易错点：
①误认为植物体细胞杂交的结果只是形成杂种细胞。植物体细胞杂交的结果最终要经过组织培养形成杂种植株。
②误认为植物体细胞杂交属于有性生殖。
植物体细胞杂交过程中没有有性生殖细胞的结合，因此不属于有性生殖，应为无性生殖。
③误认为杂种植株的变异类型属于基因重组。
杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，属于异源多倍体，所以变异类型为染色体变异。　
拓展
二、植物细胞工程的应用（P39）
1.植物繁殖的新途径
（1）快速繁殖：
①概念：
用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，称为快速繁殖技术，也叫微型繁殖技术。
②原理：植物细胞的全能性
③优点：
Ⅰ高效、快速地实现种苗的大量繁殖
Ⅱ无性繁殖，保持优良品种的遗传特性
Ⅲ可实现工厂化生产
二、植物细胞工程的应用（P39）
1.植物繁殖的新途径
（1）快速繁殖：
④过程：
⑤举例：
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都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
试管苗
植株
移栽
Q1：为什么植物组织培养可以进行快速繁殖？
①愈伤组织细胞分裂旺盛、快速，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。
②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。
Q2：离体能否用花粉作为外植体？
不能，因为用花粉做外植体会出现
性状分离。
拓展
二、植物细胞工程的应用（P39）
1.植物繁殖的新途径
（2）作物脱毒：
①培育脱毒苗的原因：
无性繁殖的方式进行繁殖的作物，感染的病毒很容易传给后代，并在作物体内逐年积累，会导致作物产量降低、品质变差。
②选材部位：顶端分生区附近（如茎尖）
选材原因：分生区附近的病毒极少，甚至无病毒
③方法：切取茎尖进行组织培养获得脱毒苗
（即：茎尖组织培养技术）
二、植物细胞工程的应用（P39）
1.植物繁殖的新途径
（2）作物脱毒：
④脱毒过程：
⑤优点：
脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。
⑥成果：
马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等。
茎尖
脱分化
愈伤组织
再分化
芽、根
脱毒苗
脱毒苗≠抗毒苗，前者指的是本身病毒少，甚至无病毒，受病毒感染的机会少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。
知识回顾：必修2第5章第2节
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（1）单倍体育种：
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（1）单倍体育种：
①过程：
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
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）
选择
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（1）单倍体育种：
②原理：
植物细胞的全能性＋染色体数目变异
③优点：
Ⅰ子代是能稳定遗传的纯合子
Ⅱ极大地缩短了育种的年限
Ⅲ是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料
因为大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现。
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（1）单倍体育种：
④举例：
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。
后来，把单倍体育种与常规育种结合起来，培育成了水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（2）突变体的利用：
①产生原因：
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：
拓展
Q1：诱变处理的对象？为什么？
愈伤组织细胞分裂旺盛，细胞要进行DNA分子复制，因此更易发生突变，突变率高。
Q2：产生的变异一定符合需要吗？为什么？
大多数都不可以，因为突变是不定向的，可能破坏生物体与现有环境的协调关系，进而对生物体有害；还有些基因突变既无害也无益，是中性的。
二、植物细胞工程的应用（P39）
2.作物新品种的培育
（2）突变体的利用：
③原理：
基因突变 + 植物细胞的全能性
④优点：
Ⅰ提高变异的频率，加速育种进程
Ⅱ大幅度地改良某些性状
⑤实例：
已筛选出抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草。
二、植物细胞工程的应用（P39）
3.细胞产物的工厂化生产
（1）初生代谢物 VS 次生代谢物
初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。
次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。
初生代谢
次生代谢
产物
产物
初生代谢物
次生代谢物
初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等
小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等），在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
二、植物细胞工程的应用（P39）
3.细胞产物的工厂化生产
（2）细胞产物工厂化生产：
①概念：
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。
②生产技术手段：
植物细胞培养技术
二、植物细胞工程的应用（P39）
3.细胞产物的工厂化生产
（3）植物细胞培养：
①概念：
指在离体条件下对单个细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
②过程：
大量细胞
细胞培养
外植体
脱分化
提取
细胞产物
愈伤组织
二、植物细胞工程的应用（P39）
3.细胞产物的工厂化生产
（3）植物细胞培养：
③优点：
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、人参皂苷等。
利用人参细胞生产人参皂苷
比较项目 植物组织培养 植物细胞培养
目的
原理
过程
应用
植物细胞的全能性
细胞增殖
获得植物体
获得细胞产物
快速繁殖、作物脱毒、
单倍体育种等
细胞产物的工厂化生产：如紫草宁、人参皂苷、紫杉醇
联系
课堂总结
课堂总结
练习与应用
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

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