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人教版（2019）选择性必修三
植物细胞工程的基本技术
第2章 细胞工程
学习目标
1.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
细胞工程的概述和发展历程
原理
操作水平
目的
动物细胞工程
植物细胞工程
植物组织培养
植物体细胞杂交
植物细胞工程发展历程
1902年，哈伯兰特，提出细胞全能性的理论
1958年，斯图尔德，发现胡萝卜的体细胞可分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持
1960年，科金，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，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，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
动物细胞工程发展历程
1975年，米尔斯坦和科勒，创立单克隆抗体技术
1890年，希普，世界上首例胚胎移植成功
1907年，哈里森，
首创了动物组织体外培养法
1951年，张明觉，
发现哺乳动物精子获能现象
1958年，格登，
体细胞核移植成功
1959年，试管家兔诞生
1978年，胚胎分割移植工程
1981年，埃文斯，
分离和培养小鼠胚胎干细胞
1996年，克隆羊诞生
2006年，山中伸弥，
获得诱导多能干细胞
2014年，单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿诞生
2017年，我国科学家首次培育了体细胞克隆猴
1.了解细胞工程的含义
2.简述植物组织培养和植物体细胞杂交的原理和过程
3.“结合菊花的组织培养”的实验操作，尝试设计植物组织培养技术的流程简图
4.探究植物生长素和细胞分裂素使用比例对植物组织培养的影响
学习目标
　　
从社会中来
“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫开也，凝情瀼露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非真兰室乎！岂非有国香乎！”这是我国历史上第一部兰谱 —《金漳兰谱》的跋文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？
目录
01
植物组织培养技术
02
植物体细胞杂交技术
植物组织培养技术
1.植物组织培养
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.理论基础
植物细胞具有全能性
（1）什么是细胞的全能性？
（2）细胞具有全能性的原因是什么？
（3）为什么生物体内细胞并没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官？
植物组织培养技术
【知识回顾】——细胞的全能性
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，即细胞具有全能性
细胞具有全能性的原因
胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株
高度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。
植物组织培养技术
细胞全能性大小的比较
体细胞全能性与细胞的分化程度
体细胞全能性与细胞分裂能力
不同类型
不同生物
分化程度低的 > 分化程度高的
分裂能力强的 > 分裂能力弱的
受精卵 > 生殖细胞 > 体细胞
受精卵 > 干细胞 >体细胞
植物细胞 > 动物细胞
植物组织培养技术
植物细胞表现出全能性的条件
① 离体
② 一定的营养物质、植物激素
③ 适宜的温度、pH、光照、无菌等外界条件
不体现全能性的实例
芽原基的细胞只能发育为芽、叶原基的细胞只能发育为叶
不体现全能性的原因
基因在特定时间、空间条件下选择性表达
植物组织培养技术
3.植物组织培养的基本流程
外植体：离体培养的植物器官、组织或细胞被称为外植体
接种外植体
诱导愈伤组织
诱导生芽
诱导生根
移栽成活
植物组织培养技术
接种外植体
移栽成活
诱导愈伤组织
脱分化
诱导生芽
再分化
诱导生根
再分化
外植体
愈伤组织
芽、根
试管苗
完整植株
脱分化
再分化
移栽
植物组织培养技术
【探究·实践】菊花的组织培养
实验原理：植物细胞一般具有全能性
相关概念
脱分化
再分化
愈伤组织
让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程
排列疏松且无规则，是一种高度液泡化的，呈无定形状的薄壁细胞
愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程
植物组织培养技术
【方法步骤】
1.消毒
（1）用酒精擦拭双手和超净工作台台面
（2）外植体（幼嫩的茎段）
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
植物组织培养技术
2.取材
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
3.接种
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
植物组织培养技术
3.接种
注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插（形态学上端朝上，下端朝下）
【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。
植物组织培养技术
4.诱导愈伤组织（脱分化）
将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于 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。
注意：该过程一般不需要光照
有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。
植物组织培养技术
5.诱导生芽生根（再分化）
培养15~20 d 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，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗
取决于植物激素的浓度和比例
主要是生长素与细胞分裂素
【注意】注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根；该过程每日需要给予适当时间和强度的光照！
植物组织培养技术
高细胞分裂素/低生长素
产生不定芽
细胞分裂素与
生长素比例适宜
产生愈伤组织
高生长素/低细胞分裂素
产生不定根
植物组织培养技术
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。
注意：不伤及根部
植物组织培养技术
植物组织培养技术
脱分化
外植体
黑暗
愈伤组织
再分化
试管苗
植株
光照
移栽成活
离体
无菌
适宜培养基
适宜的外界条件
（温度、光照、pH、气体等）
水
琼脂
碳源
无机盐
植物激素
蔗糖：
作为碳源，提供能量、调节渗透压
植物激素：
主要是生长素和细胞分裂素
氮源
植物体细胞杂交技术
20 世纪 60 年代，科学家尝试将番茄和马铃薯杂交，希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的“超级作物”。
但是，两种生物之间存在着天然的生殖隔离，用传统的有性杂交的方法很难得到杂种后代。
经过长期实验，科学家采用体细胞杂交的方法得到了“番茄—马铃薯”杂种植株，但这种植株并没有在地上结番茄、地下长马铃薯。
【思考】科学家是怎样得到杂种植株的呢？
植物体细胞杂交技术
1.植物体细胞杂交
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
2.过程
植物细胞融合 + 植物组织培养
【思考】参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？
植物体细胞杂交技术
3.植物细胞融合
（1）去除细胞壁
去壁原因：细胞壁阻碍着细胞间的杂交（阻碍了原生质体间的融合）
方法：酶解法（纤维素酶和果胶酶）
酶解法原理：植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶构成；酶具有专一性
原生质体
植物体细胞杂交技术
（2）原生质体间的融合
原理：细胞膜具有一定的流动性
方法
物理法：电融合法、离心法等
化学法：聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法等
【注意】去除细胞壁和诱导原生质体融合时，不能在低渗溶液中进行。将细胞放在等渗或略大于的溶液中，防止原生质体吸水而涨破，保持原生质体正常
植物体细胞杂交技术
4.植物组织培养
植物体细胞杂交完成的标志
再分化
杂种植株
移栽
移栽后的植株
脱分化
愈伤组织
杂种细胞
原生质体融合成功的标志
再生出细胞壁
植物体细胞杂交技术
马铃薯细胞
植物体细胞杂交完成的标志
原理：植物细胞的全能性
马铃薯原生质体
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
番茄细胞
番茄原生质体
杂种细胞
原生质体融合成功的标志
再生出细胞壁
植物细胞融合
原理：细胞膜的流动性
筛选
正在融合的原生质体
人工诱融
酶解法去壁
植物体细胞杂交技术
在此基础上，科学家们利用植物体细胞杂交技术，又相继培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种。我国科学家还在木本植物的体细胞杂交方面培育出了多种柑橘属不同种间的杂种植株。
白菜
甘蓝
白菜—甘蓝
植物体细胞杂交技术
植物组织培养和植物体细胞杂交的异同点
植物组织培养 植物体细胞杂交技术
生殖方式
原理
步骤
意义
联系 无性繁殖
无性繁殖
细胞全能性
细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性
①脱分化
②再分化
①去除细胞壁②融合形成杂种细胞
③组织培养（脱分化、再分化）
保持优良性状，繁殖速度快
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种
植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程，植物组织培养是植物体细胞杂交的一个环节，融合的体细胞只有通过植物组织培养才能发育成完整的个体。
课堂小结
随堂练习
1.以某种植物的绿色叶片和白色花瓣为材料，利用植物组织培养技术繁殖该植物。下列叙述错误的是( )
A.植物组织培养时所用的外植体必须经过表面消毒处理后才能接种
B.以绿色叶片和白色花瓣作为外植体，进行组织培养均能获得试管苗
C.外植体脱分化培养成愈伤组织的过程，需要植物生长调节剂的处理
D.若用某一植物细胞进行组织培养，则该细胞必须有完整的细胞核和叶绿体
解析：植物组织培养技术中，为了避免杂菌污染，外植体要经过表面消毒处理后，才能进行接种，A正确；某种植物的绿色叶片和白色花瓣均具有个体发育所需的全套遗传物质，因此以绿色叶片和白色花瓣作为外植体，进行组织培养均能获得试管苗，B正确；外植体脱分化培养成愈伤组织的过程，需要植物生长调节剂(生长素和细胞分裂素类似物)的处理，C正确；若用某一植物细胞进行组织培养，则该细胞必须有完整的细胞核，但是不一定需要有叶绿体，D错误。
D
随堂练习
2.科学家以矮牵牛(可育)和粉蓝烟草(可育)为实验材料，运用植物体细胞杂交技术成功获得了矮牵牛—粉蓝烟草植株。下列有关叙述错误的是( )
A.利用植物体细胞杂交技术能实现远缘杂交育种
B.植物体细胞杂交技术的关键环节是原生质层间的融合
C.矮牵牛—粉蓝烟草植株的培育依据了植物细胞全能性等原理
D.理论上分析，获得的矮牵牛—粉蓝烟草植株能产生子代
解析：植物体细胞杂交技术打破了原来的生殖隔离，能实现远缘杂交育种，A正确；植物体细胞杂交技术的关键环节是原生质体间的融合，B错误；矮牵牛—粉蓝烟草植株的培育依据了植物细胞全能性和细胞膜具有流动性等原理，C正确；矮牵牛和粉蓝烟草原来都是可育的，都具有同源染色体，故获得的矮牵牛—粉蓝烟草杂种植株在理论上也是可育的，D正确。
B
随堂练习
3.科学家以二倍体番茄和四倍体马铃薯为材料，采用植物体细胞杂交技术，成功培育出了“番茄-马铃薯”杂种植株，下图中①~⑤表示过程，字母表示细胞、组织或植株。下列相关叙述正确的是( )
A.过程①需将体细胞用含解离液的等渗或略微高渗的溶液处理
B.愈伤组织形成试管苗需要经过脱分化和再分化两个过程
C.过程④⑤均会发生基因的选择性表达
D.有丝分裂中期，杂种植株的体细胞中有12个染色体组
解析：A、过程①为利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获取原生质体的过程，该过程需要在等渗溶液中进行，以维持原生质体的形态和功能，A错误；B、经过脱分化形成愈伤组织，再经过再分化形成试管苗，B错误；C、过程④是脱分化，过程⑤是再分化，该过程中均会发生基因的选择性表达，C正确；D、番茄为二倍体，马铃薯为四倍体，将二者进行植物体细胞杂交得到的杂种植株为六倍体，处于有丝分裂中期，杂种植株的体细胞中有6个染色体组，D错误。
C
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