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第1节 植物细胞工程
第二章 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，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
动物细胞工程
植物细胞工程
原理
操作水平
目的
植物组织培养
植物体细胞杂交
细胞工程的概述
书P32 细胞工程的发展历程
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。
外植体
植物细胞的全能性
原理
生殖方式
无性生殖
分裂方式
有丝分裂
植物组织培养
每一个细胞含有控制该生物发育的全部基因
原因
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
比较
为什么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，细胞中的基因会选择性表达
必修1-P121
细胞全能性：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
如何才能让细胞表现出全能性？
植物组织培养
离体；一定的营养物质、植物激素；适宜的温度、pH、无菌等外界条件
种子萌发成幼苗，能否体现细胞的全能性？
不能。种子萌发形成幼苗是自然生长的结果。
植物组织培养常用的培养基配方
书P116
⑴培养基名称： ；
⑵物理性质： ；
⑶碳源： 。
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)
作为碳源，提供能量，调节渗透压
植物组织培养
植物组织培养的流程：
脱分化：已分化细胞，失去其特有结构和功能而转变成未分化的细胞过程。
愈伤组织：不定形的薄壁组织团块。
再分化：愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。
有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化。
既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。
脱分化
接种外植体
诱导愈伤组织
再分化
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
植物组织培养
书P36菊花的组织培养
植物组织培养
如何对外植体进行消毒？
①制备外植体
目的是？
防止杂菌生长。一方面与培养物竞争营养；另一方面产生有害物质危害培养物。
书P36菊花的组织培养
植物组织培养
接种操作在哪里进行？
②接种到诱导愈伤组织培养基
酒精灯火焰旁、超净工作台
该过程称为_________；
____________光照
倒插
接种时注意外植体的方向，
不要________
脱分化
不需要
书P36菊花的组织培养
植物组织培养
③接种到诱导生芽培养基
→诱导生根培养基
诱导生芽
诱导生根
该过程称为_________；
_________给予适当时间和强度的光照
再分化
需要
原因是？
促进叶绿素的形成，以进行光合作用
书P36菊花的组织培养
植物组织培养
④移栽
细胞分裂素
生长素
芽分化
愈伤组织
根分化
巧记：高根低芽中愈伤
生长素用量 / 细胞分裂素用量 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。
决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？
植物组织培养
书P37 进一步探究2.
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。
被污染的培养基
书P36 结果分析与评价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。
植物组织培养
书P36 注意1.实验中使用的培养基和所用的器械都要灭菌。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。
通过该方法获得的植株，在遗传特性上与亲本相比有什么特点？
该种繁殖方式是有性繁殖还是无性繁殖？
遗传物质与亲本相同
无性繁殖
根、芽
植物体
再分化
培养条件：①无菌②营养物质③适宜条件（温度、pH、光等）
④植物激素
脱分化
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
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。生长素和细胞分裂素的比例和浓度会影响植物细胞的发育方向。
不定形的薄壁组织团块
植物组织培养
光照
芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照
册P49 例1、2
通过有性杂交能实现吗？为什么？
西红柿
土豆
×
不能，不同种物种间存在生殖隔离
植物体细胞杂交技术：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方法。
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？
植物体细胞杂交技术
植物体细胞杂交技术
阅读课本37—38页内容，思考并小组讨论以下问题：
1、植物体细胞杂交技术的原理是什么？
2、为什么要去除细胞壁？
用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？
3、诱导原生质体融合的方法有哪些？
4、如何将杂种细胞培养成杂种植株？
诱导原生质体融合的方法有哪些？
植物细胞融合完成的标志？
原生质体融合的原理是什么？
A细胞
B细胞
去壁
物理法：电融合法、离心法等
化学法：聚乙二醇（PEG）融合法等
A原生质体
B原生质体
去壁
技术流程：
正在融合的原生质体
再生细胞壁
植物体细胞杂交技术
为什么要去除细胞壁？
用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？
细胞壁若不去除，会阻碍细胞之间的杂交
纤维素酶和果胶酶（酶解法）
融合后的原生质体再生出细胞壁
细胞膜的流动性
必修一：人-鼠细胞融合实验（荧光标记实验）
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡
细胞核
指的是脱去细胞壁的细胞。动物细胞也可看做是原生质体。
原生质体
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
区分原生质体与原生质层
【注意】质壁分离的“质”指的是原生质层
技术流程：
植物体细胞杂交技术
A细胞
B细胞
去壁
正在融合的原生质体
A原生质体
B原生质体
去壁
再生细胞壁
如何将杂种细胞培养成杂种植株？
植物组织培养技术
原理：植物细胞具有全能性
脱分化
再分化
移栽
杂种植株
愈伤组织
移栽后的植株
植物体细胞杂交完成的标志
意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种
假设A细胞、B细胞均为二倍体，体细胞染色体数分别为20、18。通过植物体细胞杂交技术获得的杂种植株，体细胞染色体数目是多少？有多少染色体组？
植物体细胞杂交技术
38
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
异源多倍体
4
书P38 二、“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什么？
植物体细胞杂交技术
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。
册P50 例3、4
植物细胞工程的应用——植物繁殖的新途径
铁皮石斛的工厂化生产
植物细胞工程的应用——植物繁殖的新途径
1、快速繁殖，也叫微型繁殖，是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
①原理：植物细胞的全能性
②优点：高效、快速地实现种苗的大量繁殖，保持优良品种的遗传特性
③过程：植物组织培养（书P35 图2-1）
册P63 1.下列属于生物的快速繁殖技术的是(　　)
A.兰花的芽尖组织培育成兰花幼苗 B.水稻种子萌发并长成新个体
C.扦插的葡萄枝长成新个体 D.柳树芽发育成枝条
A
*扦插、压条、嫁接等不属于微型繁殖技术
植物细胞工程的应用——植物繁殖的新途径
为什么马铃薯繁殖多代之后产量会下降？
用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、作物脱毒（培育脱毒苗）
①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优点：脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物
②原理：植物细胞的全能性
植物细胞工程的应用——植物繁殖的新途径
脱毒产品
香蕉
脱毒草莓
普通草莓
甘蔗
菠萝
植物细胞工程的应用——作物新品种的培育
书P42 二、1.紫色非甜玉米（基因型AASuSu）和白色甜玉米（基因型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？
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
↓
×
F2
A_ss
第2年
连续自交
紫色甜玉米
将获得的紫色甜玉米进行连续自交，即将每次自交后代的紫色甜玉米选育后再进行自交，直至自交后代中不再出现白色甜玉米为止。
这种方法比较烦琐，耗时也较长。如何解决育种时间过长的问题？
植物细胞工程的应用——作物新品种的培育
1、单倍体育种
①过程：
花药离体培养
诱导染色体加倍
二倍体植株
单倍体植株
二倍体植株（纯合子）
（秋水仙素处理）
②原理：染色体数目变异、植物细胞的全能性
书P42 二、1.紫色非甜玉米（基因型AASuSu）和白色甜玉米（基因型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？
植物细胞工程的应用——作物新品种的培育
单倍体育种
P：
紫色非甜玉米
AASS
×
白色甜玉米
aass
紫色非甜玉米
AaSs
↓
配子：
AS
As
aS
as
花药离体培养
F1
单倍体幼苗：
AS
As
aS
as
纯合体:
AASS
AAss
aaSS
aass
选择紫甜玉米即为新品种
人工诱导染色体加倍
优点：
①极大地缩短了育种的年限。
②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，是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
植物细胞工程的应用——作物新品种的培育
册P61
B
母体延伸：（1）题中过程①②包括哪两个阶段？
（2）单倍体植株经秋水仙素诱导处理后得到的植株都是纯合子吗？
脱分化、再分化
不一定。对于二倍体形成的单倍体来说，是正确的。
对于多倍体来说，不正确。如四倍体植株（基因型AAaa）形成的单倍体幼苗（基因型：AA、aa、Aa 3种），经秋水仙素处理后，基因型为AAAA、aaaa、AAaa，其中AAaa为杂合子。
植物细胞工程的应用——作物新品种的培育
愈伤组织细胞不断分裂，细胞要进行DNA分子复制，因此更易发生突变。
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：
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
突变体
筛选培育
新品种
诱变处理的对象？为什么？产生的变异一定符合需要吗？
不一定，因为突变是不定向的。
诱变处理
③原理：
突变(基因突变和染色体变异）和植物细胞的全能性。
植物细胞工程的应用——细胞产物的工业化生产
应用多、产量低
一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
初生代谢物：生物生长生存所必需的代谢活动如糖类、脂质、蛋白质、核酸等
次生代谢物：不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定条件下才进行。
红豆杉→紫杉醇
紫草→紫草宁
书P41 相关信息：
植物细胞工程的应用——细胞产物的工业化生产
细胞产物的工业化生产：利用植物细胞培养来获得目标产物。
植物细胞培养：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
①筛选出高产紫杉醇的细胞
②人参皂苷的生产
植物细胞工程的应用
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
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
选择根尖
茎尖、芽尖
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
细胞产物的工厂化生产
③
①植物繁殖新途径
②作物新品种的培育
感谢观看
20XX

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