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1、 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。第2章 细胞工程操作对象分类：操作对象分类：植物植物植物植物细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程动物动物动物动物细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程植物组织培养技术植物体细胞杂交技术 科技探索之路 1902年，哈伯兰特(G.Haberlandt，1854一1945)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(EC.Steward，1904一1993)等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性
2、理论提供了强有力的支持。1960年，科金(E.C.Cocking，1931一）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（PS.Carlson，1944一2017)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紧密结合。细胞工程的发展历程-植物细胞工程第1课时植物细胞工程的基本技术第第1 1节节植物细胞工程第第2 2章章细胞
3、工程细胞工程SW-PWFSW-PWF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，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？从社会中来利用利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。兰花是观兰花是观赏植物中最常见的一类，依靠植物组织培养繁育种苗的植物，赏植物中最常见的一类，依靠植物组织培养繁育种苗的植物，其组培苗
4、的数量约占观赏植物组培苗总量的其组培苗的数量约占观赏植物组培苗总量的40%40%。其芽葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开，凝晴瀼露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非入兰室乎！岂非有国香乎！第一部兰谱金漳兰谱（宋赵时庚）植物通常是通过播种或扦插实现繁殖的。细胞经分裂和分化后，仍然具有产生细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体完整生物体或分化成或分化成其他其他各种细胞各种细胞的潜能。的潜能。细胞细胞 完整生物体完整生物体或其他或其他各种细各种细胞。胞。2.原因：3.细胞全能性的标志：细胞全能性1.概念：生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的生物体的每一个细胞都包含有该物
5、种所特有的全套遗传物质全套遗传物质。分化程度越高，全能性越低。分化程度越高，全能性越低。如：如：植物植物细胞的全能性细胞的全能性 动物动物细胞全能性细胞全能性如：受精卵如：受精卵 胚胎干细胞胚胎干细胞 生殖细胞生殖细胞(精细胞、卵细胞精细胞、卵细胞)体细胞体细胞4.全能性的高低：细胞全能性在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，比如，芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶。在特定的时间和空间条件下，细胞中的在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因选择性表达。基因选择性表达。5.细胞不体现全能性的原因：6.实例：受精卵受精卵发育成个体发育成个体（动植物）；（动植物）；蜜蜂蜜蜂卵细胞
6、卵细胞发育成雄峰；发育成雄峰；通过通过花药花药离体培养，获得单倍体幼苗；离体培养，获得单倍体幼苗；胡萝卜胡萝卜韧皮部细胞韧皮部细胞发育成完整植株；发育成完整植株；胚胎干细胞胚胎干细胞可分化发育成为各种组织器官的细胞；可分化发育成为各种组织器官的细胞；用用一片叶子一片叶子、一片花瓣一片花瓣、一粒花粉一粒花粉繁殖出新的植株。繁殖出新的植株。种子萌发成幼苗，能否体现细胞的全能性？高度分化的植物细胞能在适宜条件下表现出全能性，这是通过植物组织培养实现的有丝分裂无性生殖生殖方式：分裂方式：植物组织培养技术一是指将是指将离体离体的植物器官、组织或细胞等，培养在的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培人
7、工配制的培养基养基上，给予上，给予适宜的培养条件适宜的培养条件，诱导其形成，诱导其形成完整植株完整植株的技术。的技术。1.概念：2.理论基础：植物植物细胞的全能性细胞的全能性3.植物细胞表现出全能性的条件：(1(1)离体条件：离体条件：(2(2)一定的一定的营养物质、植物激素：营养物质、植物激素：(3(3)适宜的适宜的外界条件：外界条件：（细胞、组织或器官）（细胞、组织或器官）（细胞、组织或器官）（细胞、组织或器官）（蔗糖、矿质元素、维生素等）（蔗糖、矿质元素、维生素等）（蔗糖、矿质元素、维生素等）（蔗糖、矿质元素、维生素等）（细胞分裂素、生长素）（细胞分裂素、生长素）（细胞分裂素、生长素）（
8、细胞分裂素、生长素）培养基培养基培养基培养基(温度、温度、温度、温度、pHpHpHpH、无菌、光照、无菌、光照、无菌、光照、无菌、光照的控制等的控制等的控制等的控制等)植物组织培养技术一接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根移栽成活脱分化再分化再分化4.植物组织培养的过程：植物组织培养流程图植物组织培养流程图外植体外植体脱分化脱分化愈伤组织愈伤组织再分化再分化试管苗驯化移栽驯化移栽完整植株生芽生根或胚状体植物组织培养技术一4.植物组织培养的过程：外植体外植体脱分化脱分化愈伤组织愈伤组织再分化再分化试管苗驯化移栽驯化移栽完整植株生芽生根或胚状体离体离体的植物器官、组织或细胞等。的植物器官、组织或
9、细胞等。如：胡萝卜的形成层、菊花如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药幼茎段、月季的花药(1)外植体：(2)脱分化：(3)愈伤组织：(4)再分化：已经分化的细胞已经分化的细胞经过诱导，经过诱导，失去其特有的结构和功能失去其特有的结构和功能,转变转变成成未分化细胞未分化细胞的过程的过程。细胞细胞排列疏松而无规则，高度液泡排列疏松而无规则，高度液泡化的呈化的呈不定形状态的薄壁组织团块不定形状态的薄壁组织团块。愈伤组织愈伤组织愈伤组织重新重新分化分化成芽、根等器官的成芽、根等器官的过程。过程。菊花的组织培养探究实践一、目的要求1.基本原理：植物细胞一般具有全能性植物细胞一般具有全能性根、芽或胚状
10、体完整植株脱分化再分化愈伤组织离体的植物器官、组织或细胞（外植体）(1)植物细胞表现出全能性需要经历脱分化和再分化过程；(2)细胞分裂素和生长素是启动细胞分裂、影响脱分化和再分化的关键激素，激素浓度和比例会影响植物细胞发育的方向。菊花的组织培养探究实践一、目的要求2.生长素和细胞分裂素的浓度、用量的比例：生长素/细胞分裂素用量结果比值适中比值高比值低促进根的分化促进芽的分化促进愈伤组织的形成菊花的组织培养探究实践二、实验步骤：1.1.用用 擦拭擦拭双手和超净工作台双手和超净工作台台面。台面。将流水充分冲洗后的将流水充分冲洗后的外植体外植体用用 消消毒毒30s30s，然后立即用，然后立即用 清洗
11、清洗2 23 3次次；再用再用 溶液处理溶液处理30 min30 min后，立后，立即用即用 清洗清洗2 23 3次次。酒精酒精酒精酒精无菌水无菌水次氯酸钠次氯酸钠无菌水无菌水外植体消毒(1)注意酒精和次氯酸钠消毒的时间和浓度。对外植体的消毒既要达到消毒的效果，又不能杀死外植体。(2)用无菌水清洗是为了防治消毒液残留，消毒过度杀伤外植体。菊花的组织培养探究实践2.2.将消过毒的将消过毒的外植体外植体置于置于无菌无菌的的 中，用中，用 吸去表面的水吸去表面的水分。用分。用 将外植体切成将外植体切成0.50.51cm1cm长的小段。长的小段。培养皿培养皿无菌滤纸无菌滤纸解剖刀解剖刀3.3.在在 旁
12、，将旁，将外植体外植体的的 插入诱导愈伤组织的培养基中。插入诱导愈伤组织的培养基中。用用封口膜或瓶盖封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养基封盖瓶口，并在培养基上做好上做好标记标记。酒精灯火焰酒精灯火焰1/31/31/21/2 不能倒置 外植体切段接种外植体二、实验步骤：菊花的组织培养探究实践4.4.将接种了将接种了外植体外植体的锥形瓶或植的锥形瓶或植物组织培养瓶置于物组织培养瓶置于 的的 中培养。在培养过程中，定期观中培养。在培养过程中，定期观察和记录察和记录 的生长情况。的生长情况。脱分化5.5.培养培养151520d20d后，将生长良好的后，将生长良好的愈伤组织愈伤组织转接到诱导转接到诱导 的培
13、养基上。长出芽后，的培养基上。长出芽后，再将其转移到诱导再将其转移到诱导 的培养基上，进一的培养基上，进一步诱导形成步诱导形成试管苗试管苗。再分化18182222培养箱培养箱愈伤组织愈伤组织 避光培养 有光时，往往容易形成维管有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。组织，而不易形成愈伤组织。生芽生芽生根生根 1.照光培养 2.先生芽后生根，培养基不同 叶绿素的生成需要光叶绿素的生成需要光若先生根后面就不易生芽若先生根后面就不易生芽二、实验步骤：菊花的组织培养探究实践二、实验步骤：6.6.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移栽前先打开封口膜或瓶盖，
14、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培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩蛭石或珍珠岩等环境中，待其长大后再移栽入土。等环境中，待其长大后再移栽入土。每天观察并记录幼苗生长情况，适时每天观察并记录幼苗生长情况，适时浇水、施肥，直至开花浇水、施肥，直至开花。移栽培养基、接种工具灭菌不彻底；培养基、接种工具灭菌不彻底；外植体消毒不彻底；外植体消毒不彻底；操作过程不符合无菌操作要求等。操作过程不符合无菌操作要求等。被污染的培养基被污染的培养基杂菌和植物细胞之间有哪些关系？菊花的组织培养探究实践三、结果分析与评价：1.接种34d后，检查外植体的生长情况，统计
15、有多少外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。竞争竞争或或寄生。寄生。菊花的组织培养探究实践三、结果分析与评价：4.培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？试试管管苗苗移移栽栽的的关关键键：既既要要充充分分清清洗洗根根系系表表面面的的培培养养基基，又又不不能能伤伤及及根根系系。一一般般使使用用无无土土栽栽培培方方法法。培培养养基基质质要要提提前前消消毒毒，可可以以向向培培养养基基质质喷喷洒洒质质量量分分数数为为5%5%的的高高锰锰酸酸钾钾，并并用用塑塑料料薄薄膜膜覆覆盖盖12h12h，掀掀开开塑塑料料薄薄膜膜24h24h后后才才能能移移栽栽。新新移移栽栽的的组组培培苗苗要要在在温温室室过
16、过渡渡几几天天，待其长壮后再移植到大田或盆中。待其长壮后再移植到大田或盆中。进一步探究：若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应如何设计对照实验?A.A.不加不加任何植物激素任何植物激素B.B.生长素用量生长素用量与与细胞分裂素细胞分裂素用量的比值为用量的比值为1 1C.C.生长素用量与细胞分裂素用量的比值生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于大于1 1D.D.生长素用量与细胞分裂素用量的比值生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于小于1 1菊花的组织培养探究实践拓展：植物组织培养的两种途径胚胚状状体体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但经过胚胎发育过程形成的胚状类似物，因而
17、统称为体细胞胚或胚状体。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）植物组织培养花药离体培养花药试管苗脱分化再分化愈伤组织单倍体：植株矮小、高度不育秋水仙素诱导纯合品种有丝分裂有性生殖生殖方式：分裂方式：植物体细胞杂交技术二不能；因为两种生物之间存在着生殖隔离。番茄番茄-马铃薯（想象图）马铃薯（想象图）欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么妙招？利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？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二1.过程：杂种
18、细胞去除细胞壁人工诱导融合脱分化再分化移栽杂种植株（植物细胞的全能性）（细胞膜的流动性）纤维素酶和和果胶酶物理法：化学法：电融合法、离心法等聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+高pH融合法等植物细胞融合完成的标志植物体细胞杂交技术完成的标志原生质体融合植物组织培养酶解法去除细胞壁 植物体细胞杂交技术二1.过程：(1)去除细胞壁所用酶：酶解法（酶解法（纤维素酶、果胶酶纤维素酶、果胶酶等）等）细胞壁原生质体利用酶的利用酶的专一性专一性原生质体细胞壁细胞膜细胞质液泡细胞核原生质层指的是脱去细胞壁的指的是脱去细胞壁的细胞。动物细胞也可细胞。动物细胞也可看做是原生质体。看做是原生质体。原生质体原生质体成
19、熟植物细胞的细胞膜、成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质。之间的细胞质。原生质层原生质层光镜下烟草叶肉细胞原生质体植物体细胞杂交技术二1.过程：(2)原生质体融合方法：物理法化学法电融合法离心法聚乙二醇（PEG）高Ca2+-高pH原生质体原生质体A A和原生质体和原生质体B B融合后，融合后，获得的所有细胞一定是需要的杂交细胞吗获得的所有细胞一定是需要的杂交细胞吗？我们需要的是那种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理我们需要的是那种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？AAAAABABBBBB筛选筛选ABAB不一定，诱导融合后的产物不一
20、定，诱导融合后的产物有三类：有三类：未融合的细胞未融合的细胞两两融合的细胞两两融合的细胞多细胞融合体多细胞融合体植物体细胞杂交技术二1.过程：(5)植物体细胞杂交运用的技术及其对应的原理：(3)细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁再生出新的细胞壁，形成杂种细胞。形成杂种细胞。(4)植物体细胞杂交完成的标志：培育出杂种植株培育出杂种植株(6)植物体细胞杂交的生殖方式：无性生殖无性生殖原生质体融合：原生质体融合：细胞膜具有一定的流动性细胞膜具有一定的流动性植物组织培养技术：植物组织培养技术：植物细胞具有全能性植物细胞具有全能性高尔基体植物体细胞杂交技术二1.过程：(7)杂种植株中染色体、染色体组的
21、数目、变异类型：杂种细胞染色体数为：杂种细胞染色体组数为？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？染色体数目变异染色体数目变异4 4个个异源倍体异源倍体 杂种植株为几倍体生物？植物体细胞杂交技术二2.概念：3.意义（优势）：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。打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面具有独特的优势4.实例：5.研究现状：仍有许多理论与技术问题没有解决，还不能让杂种植株表现出人们所需要的所有性状。项目植物组织培养植物体细胞杂交原理过程结果意义联系植物组织培养和植物体细胞杂交技术比较植物细胞的全能性细胞膜的流动性 植物细
22、胞的全能性完整植株杂种植株繁殖速度快、不受自然生长季节限制打破生殖隔离，实现远缘杂交育种植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养课堂小结1.下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是()A一、概念检测A.A.进行进行a a处理时能用胰蛋白酶处理时能用胰蛋白酶B.bB.b是诱导融合后得到的杂种细胞是诱导融合后得到的杂种细胞C.cC.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽D.D.进行进行d d选择时要将植株种在高盐环境中选择时要将植株种在高盐环境中练习与应用2.科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道
23、提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分？纤维素酶和纤维素酶和果胶酶果胶酶“番茄-马铃薯”杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？“番茄番茄-马铃薯马铃薯”没有像人们预想的那样地上结番茄、地没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯下长马铃薯,主要原因是：主要原因是：生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以所以“番茄番茄-马马铃薯铃薯”杂种植株的细胞中杂种植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些但这些遗传物质的表达相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。近年来，有报道称利用能地上结番茄、地下长马铃薯了。近年来，有报道称利用嫁接技术培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。二、拓展应用练习与应用感 谢 观 看