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1、植物细胞工程植物细胞工程Plant Cell Engineering2010.9本课程的学习内容及成绩评定本课程的学习内容及成绩评定n课程内容安排(课程总时数32=16+16):理论部分共十三章，分为植物细胞工程研究历史、消毒灭菌技术、培养基的配制方法、植物体细胞胚胎发生、植物细胞培养、原生质体培养、体细胞杂交、单倍体育种、植物遗传转化等。实验部分主要是植物组织与细胞培养的基础实验。成绩评定成绩评定70%30%参考书目录1.谢从华等，植物细胞工程。高等教育出版社，20042.杨淑慎，细胞工程。科学出版社，20093.朱至清，植物细胞工程，化学工业出版社，20024.周维燕，植物细胞工程原理与技
2、术，中国农业大学出版社，2001。绪论绪论 植物细胞工程的概念及植物细胞工程的概念及发展历史发展历史本节教学重点本节教学重点n了解生物技术及细胞工程的含义n能理解植物细胞全能性的含义n掌握植物细胞全能性、细胞分化、脱分化、再分化、愈伤组织等关键概念n通过对植物细胞工程发展简史的学习，了解植物细胞工程的主要研究内容、研究方法及对社会、经济发展的意义 各位同学能否用已学过的知识试述一下，什么是“生物技术”？Biotechnology一、生物技术一、生物技术 Biotechnologyn1986年，原国家科委制订中国生物技术政策纲要:以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原
3、理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需新产品或达到某种目的。基因工程、酶基因工程、酶工程、工程、细胞工细胞工程程、发酵工程、发酵工程动物、动物、植物植物、微生物品系微生物品系粮食、医药、食品、粮食、医药、食品、能源、化工原料等能源、化工原料等疾病预防、诊断与疾病预防、诊断与治疗，环境污染物治疗，环境污染物监测、治理与修复监测、治理与修复 二、细胞工程二、细胞工程 Cell engineering n细胞工程：以应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的实验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方
4、法的科学。四、植物细胞工程的理论基础四、植物细胞工程的理论基础植物细胞的全能性植物细胞的全能性1、细胞全能性 Totipotentiality植物细胞全能性植物细胞全能性 一个植物细胞所具一个植物细胞所具有的产生有的产生完整完整植物个体的植物个体的潜在能力潜在能力。2 2、细胞的全能性的实现、细胞的全能性的实现PlantTissue RemovedPlantletMedium1 1）“生理脱离生理脱离”效应效应n植物细胞或组织从完整的有机体上分离下来，脱离母体（离体离体）的影响，在适宜的条件下（培养培养），有利于激发植物细胞全能性的表达。2 2）培养条件下的）培养条件下的细胞脱分化细胞脱分化n
5、脱分化（dedifferentiation):培养条件下使已分培养条件下使已分化的细胞化的细胞 回复到原始无分化状态或分生细回复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程。胞状态的过程。Tissue;organdedifferentiation？愈伤组织（愈伤组织（callus)愈伤组织愈伤组织由外植体组织增生的细胞产生的一团不定型的疏散排列的薄壁细胞。愈伤组织原是指生物在受伤以后于伤口表面形成的一团薄壁细胞。组织组织分裂分裂生长分化生长分化分生组织细胞分生组织细胞分裂分裂已分化组织细胞已分化组织细胞脱分化脱分化分裂生长分裂生长再再分分化化器官器官植株植株愈伤组织愈伤组织离体条件下离体条件下活体条件
6、下活体条件下 离体培养条件下，细胞全能性的表达离体培养条件下，细胞全能性的表达是通过细胞是通过细胞脱分化和再分化脱分化和再分化实现的。实现的。五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史n（一）探索阶段（1902-1929）nHaberlandt：提出了植物细胞全能性的假说；首次进行了植物细胞的离体培养实验；(Haberlandt,1902)The father of plant tissue culturenHaberlandt 对高等植物的叶肉细胞、髓细胞、腺毛细胞、气孔保卫细胞、表皮细胞等材料进行了离体无菌培养，虽然某些细胞存活了很长时间，但始终没能发生细胞分裂和增殖，大家推测一
7、下他失败的可能原因是什么？1904年年：Hanning培养萝卜和辣根菜的胚，培养萝卜和辣根菜的胚，得到幼苗。得到幼苗。1922年年：Kotte和和Robbins根培养根培养1925年年：Laibach亚麻种间杂交幼胚培养得到亚麻种间杂交幼胚培养得到杂种杂种其它研究其它研究1922年：年：Knudson采用胚培养法获得采用胚培养法获得兰花幼兰花幼苗苗，克服其种子发芽困难的问题。，克服其种子发芽困难的问题。（White）五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史（二）培养技术与理论的建立与发展阶段 （1930-1959）nWhite:美国植物生理学家n1934年，建立了第一个活跃生长的无
8、性繁殖系 建立了第一个人工合成培养基n1937年，研配了综合培养基（White培养基培养基）发现了B族维生素和生长素族维生素和生长素对离体培 养的促进作用。1939年：年：Gautherete培养胡萝卜根外植体培养胡萝卜根外植体成功成功1939年：年：White培养烟草种间杂种幼茎切段培养烟草种间杂种幼茎切段原形成层成功原形成层成功1939年：年：Nobecourt培养胡萝卜根块茎薄培养胡萝卜根块茎薄壁组织成功壁组织成功n20世纪世纪40-50年代：年代：n1944-1948年，年，Skoog、崔澂等发现嘌呤类物质能诱导芽的形、崔澂等发现嘌呤类物质能诱导芽的形成。成。n1952年，年，More
9、l 和和Martin成功培养兰花和大丽菊成功培养兰花和大丽菊脱毒脱毒苗苗。n1954年，年，Muir单细胞培养单细胞培养获得成功。获得成功。n1957-58年，年，Miller 和和Skoog发现发现激动素激动素；提出有关；提出有关植物激素植物激素控制器官形成理论。控制器官形成理论。n1959,Reinert Steward Shantz分别报道分别报道,在胡萝卜愈组组织培在胡萝卜愈组组织培养中形成了养中形成了体细胞胚体细胞胚.培养条件和培养培养条件和培养基成分的广泛研究基成分的广泛研究MS培养基培养基(MS Media)1962 Murashige and Skoog 发表了发表了MS培养基
10、培养基配方配方,包括了无机化合包括了无机化合物类、维生素类、氨基物类、维生素类、氨基酸类、有机碳源、（激酸类、有机碳源、（激素）及培养材料的支持素）及培养材料的支持物等部分。提供了离体物等部分。提供了离体植物材料正常生长发育植物材料正常生长发育所需的营养物质。所需的营养物质。Murashige五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史（三）快速发展和实践应用阶段（三）快速发展和实践应用阶段(1960年以后年以后)n1、原生质体培养取得重大突破、原生质体培养取得重大突破n1960年：年：Cocking酶解法分离原生质体原生质体获得成功。为植物体细胞杂交奠定了基础。n1971年年，Tak
11、ebe等人在烟草上首次由原生质原生质体培养获得植株体培养获得植株。n到20世纪90年代，全世界约有180种植物原生质体培养获得再生植株。五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史（三）快速发展和实践应用阶段（三）快速发展和实践应用阶段(1960年以后年以后)n1、原生质体培养取得重大突破、原生质体培养取得重大突破n1972年：年：Carlson利用甘露醇和硝酸盐诱诱获得两利用甘露醇和硝酸盐诱诱获得两种不同烟草的种不同烟草的原生质融合体原生质融合体。n1978年年，Melchers进行了马铃薯和番茄的融合实验，获得了第一个体细胞杂种植株体细胞杂种植株。n到目前为止，已诱导了不同种间、属
12、间甚至科间的细胞融合，获得了一些具有优良性状或抗性的种间或属间杂种。体细胞杂交技术已作为重要的育种途径在多种作用中应用。五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史2、花药培养技术、花药培养技术n1964年：年：Guha和 Maheshwari（印）离体培养毛叶曼陀罗的花药花药，获得了世界上第一株花粉单倍体植株花粉单倍体植株。n花粉植株的研究主要集中于烟草、水稻和小麦的育种研究上，对其它植物也有研究；目前世界上已有300多种植物成功地获得花粉植物。五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史n3、植物脱毒和快繁技术、植物脱毒和快繁技术n1960年年：Morel用兰花茎尖离体培养
13、，既脱除了兰花的病毒，又建立了兰花的快速繁殖体系。这种技术被迅速运用到兰花工厂化生产工厂化生产，实现了试管苗产业化，取得了巨大的经济与社会效益。n目前，已广泛应用于观赏植物和经济植物的脱毒繁脱毒繁育育和和工厂化生产工厂化生产，走向了组培苗市场的国际化。五、植物细胞工程的研究历史五、植物细胞工程的研究历史n4、次生代谢产物的生产、次生代谢产物的生产n1967年年：Kaul和Staba采用发酵罐从对小阿米的细胞培养中首次获得了药用物质呋喃色酮。n1983年年：日本三进石油公司首次利用培养的紫草生产出紫草宁。n目前，世界上已对近千种植物进行了细胞培养研究，实现了如紫草宁、人参皂苷、黄连素、紫杉醇等药
14、物的工厂化生产。六、植物细胞工程的应用六、植物细胞工程的应用n1、在植物育种上的应用n2、种苗脱毒与快速繁殖n3、细胞培养生产次生代谢产物n4、在细胞生物学和发育生物学研究中的应用n5、在植物遗传、生理生化及植物病理等基础研究中的应用 快速获得特殊倍性材料;克服远缘杂交不亲和;克服杂种胚早期夭折;导入外源基因;突变体的筛选;种质资源保存七、植物细胞工程的研究内容七、植物细胞工程的研究内容组织与器官培养组织与器官培养胚胎培养胚胎培养细胞细胞培养培养原生质原生质体培养体培养细胞工程新产品思考题思考题n1、简述植物细胞工程的概念、研究范畴。n2、如何理解“植物细胞全能性”的概念？n3、概念辨析：细胞
15、分化；细胞脱分化；细 胞再分化思考题：为什么植物培养技术能实现大规模的植物繁育？与传统繁殖途径相比优点何在？1 1、培养条件可以人为加以控制、培养条件可以人为加以控制，摆脱了大自然中，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响。四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响。2 2、培养周期短、培养周期短,繁殖系数大繁殖系数大，能及时提供规格，能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。一致的优质种苗或脱病毒种苗。3 3、管理方便，有利于实、管理方便，有利于实现工厂化生产和自动化现工厂化生产和自动化控制控制orchid ovary cut lengthwiseorchid ovary cut lengthwiseTissue Culture Systems