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1、专题二专题二 细胞工程细胞工程学习目标1.明确细胞工程的概念2.细胞工程的分类、植物细胞工程的主要内容3.植物组织培养技术的基本操作、原理、条件4.植物体细胞杂交技术的基本操作、原理第1页/共31页细胞工程的概念细胞工程的概念 指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。应用的原理和方法研究的水平研究的目的细胞生物学和细胞生物学和分子生物学分子生物学细胞整体水平或细胞器水平按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品第2页/共31页前者是前者是细胞水平或细胞器水平细胞水平
2、或细胞器水平上生物技术上生物技术,后者是后者是分子水平上分子水平上的生物技术。的生物技术。克隆多莉羊技术是克隆多莉羊技术是 水平上的技术，水平上的技术，培育抗虫棉是培育抗虫棉是 水平上的技术。水平上的技术。蛋白质工程是蛋白质工程是 水平上的技术。水平上的技术。细胞工程与基因工程相比：细胞工程与基因工程相比：细胞分子思考思考:分子第3页/共31页细胞工程的分类细胞工程植物细胞工程动物细胞工程第4页/共31页所采用技术的理论基础 植物细胞工程通常采用的技 术 手 段 植物组织培养植物组织培养 植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物细胞的全能性植物细胞的全能性第5页/共31页具有某种生物全部遗传信息的任何
3、一个细胞都具有发育成完整生物体的潜能。生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的的的的全套遗传物质全套遗传物质全套遗传物质全套遗传物质，都有发育成为完整个体所，都有发育成为完整个体所，都有发育成为完整个体所，都有发育成为完整个体所必需的必需的必需的必需的全部基因全部基因全部基因全部基因，从，从，从，从理论上讲，生物体的每理论上讲，生物体的每理论上讲，生物体的每理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性一个活细胞都应该具有全能性一个活细胞都应该具有全能性一个活细胞都应该具有全能性。
4、1 1、定义、定义：2、基础：3、体内细胞未表现全能性的原因：基因选择性表达的结果基因选择性表达的结果基因选择性表达的结果基因选择性表达的结果 一、植物细胞工程的理论基础-细胞全能性4、全能性表达的条件（植物组织培养的条件）：内因：离体细胞、组织或器官（为什么要离体？P34）外因：1）适宜的外界环境条件，例如无菌、适宜的温度、湿度、光照等 2）培养基（一定的营养物质，激素）第6页/共31页5、全能性的高低：受精卵受精卵 生殖细胞（精、卵）生殖细胞（精、卵）体细胞体细胞体细胞：植物细胞植物细胞 动物细胞动物细胞分化程度低的细胞程度低的细胞 分化程度高的细胞分化程度高的细胞 分裂能力强的细胞 分裂
5、能力弱的细胞分裂能力弱的细胞有关细胞全能性的叙述，不正确的是（）A.A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此其全能性最高B.B.生物体内细胞由于进行分化，全能性不能表达C.C.卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性很高D.D.在一定条件下，植物细胞离体培养能表现出全能性即时应用C第7页/共31页二、植物组织培养二、植物组织培养2 2、理论基础：、理论基础：植物细胞的全能性1 1、植物组织培养的概念、植物组织培养的概念 在无菌和人工控制的条件下,将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。（无性生殖无性生殖
6、或或有性生殖有性生殖（花药离体培养）（花药离体培养）下列属于植物组织培养的是（）A.A.花粉培养成单倍体植株B.B.芽发育成枝条C.C.根尖分生区发育成成熟区D.D.未受精的卵发育成植株即时应用A第8页/共31页3.植物组织培养的过程胡萝卜胡萝卜外植体外植体单个细胞单个细胞愈伤组织愈伤组织脱分化脱分化胚状体胚状体再分化再分化试管植物试管植物离体的植物器官、组织或细胞脱分化（又叫去分化）P33愈伤组织（排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞，代谢类型是异养需氧型）再分化（P33）胚状体、根或芽等器官植物体（试管苗）（试管苗）条件条件：离体离体一定的一定的营养物质营养物质和和激素激素
7、（生长素、细胞分裂素）（生长素、细胞分裂素）适宜的条件适宜的条件（无菌、适宜的温度、（无菌、适宜的温度、pH、光照等）、光照等）第9页/共31页离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织愈伤组织根、芽植物体外植体外植体A、脱分化、脱分化B、再分化、再分化植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素植物组织培养过程1、A过程进行有丝分裂过程进行有丝分裂2、B过程进行有丝分裂同时过程进行有丝分裂同时也进行分化也进行分化3、A不需光照，而不需光照，而B需光需光照，叶绿素的合成需光照照，叶绿素的合成需光照第10页/共31页植物激素调节：（1）、在生长素存在的情况下，细胞分
8、裂素的作用呈现加强的趋势；（2）、使用顺序影响实验结果：（3）、激素用量的比例影响实验结果：生长素用量比细胞分裂素用量，比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时，促进愈伤组织的生长。使用顺序使用顺序实验结果实验结果先使用生长素，后使用细胞分裂素先使用生长素，后使用细胞分裂素有利于细胞分裂，有利于细胞分裂，但细胞不分化但细胞不分化先使用细胞分裂素，后使用生长素先使用细胞分裂素，后使用生长素 细胞既分裂也分化细胞既分裂也分化同时使用同时使用分化频率提高分化频率提高第11页/共31页人工种子结构：人工薄膜+胚状体（不定芽、顶芽、腋芽）优点：不受气候、
9、季节、地域的限制保留优良性状时间短，占地少技术：组织培养原理：细胞全能性第12页/共31页在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，对培养条件的要求较高。植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长。造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅
10、速死亡，实验前功尽弃。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范，避免带入杂菌。第13页/共31页二、植物二、植物体细胞杂交体细胞杂交1 概念概念：不同种植物不同种植物的的体细胞融合体细胞融合成一个成一个杂种细杂种细胞胞，杂种细胞，杂种细胞发育成新的植物体发育成新的植物体的方法的方法2 理论基础理论基础：细胞膜的流动性细胞膜的流动性和植物细胞的和植物细胞的全能性全能性3 过程过程：植物细胞植物细胞A 植物细胞植物细胞B植物细胞植物细胞A植物细胞植物细胞B去壁去壁(酶解法酶解法:纤维素纤维素酶和果胶酶酶和果胶酶)去去壁壁原生质体：植物细胞去掉细胞壁的部
11、分原生质体：植物细胞去掉细胞壁的部分原生质体原生质体A原生质体原生质体B原生质体原生质体B诱导诱导融合融合原生质体原生质体A诱导融合：物理法（离心、振动、诱导融合：物理法（离心、振动、电激）化学法（电激）化学法（PEG,聚乙二醇）聚乙二醇）融合的原生质体融合的原生质体融合的原融合的原生质体生质体物化法物化法再生壁再生壁杂种细胞杂种细胞脱分化脱分化愈伤组织愈伤组织脱分化脱分化再生壁再生壁再分化再分化杂种植株杂种植株再分化再分化（无性生殖）（无性生殖）第14页/共31页(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交植物体细胞杂交过程示意图过程示意图4 意义意义：克服了克服了远源杂交不亲和性远源
12、杂交不亲和性的障碍的障碍扩展了扩展了用于杂交用于杂交 的亲本范围的亲本范围5 未解决的问题未解决的问题：还不能让：还不能让杂种植物按照人们的要求杂种植物按照人们的要求表现出亲代性状表现出亲代性状第15页/共31页杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈伤组织再再分分化化植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞A原生质体B原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去 壁去 壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融合的方法？的方法？融合完成的标志植物细胞B回顾、植物体细胞杂交基本过程回顾、植物体细胞杂交基本过程酶解法（纤维素酶、果胶酶等
13、）物理法：离心、振动、电刺激等化学法：聚乙二醇（PEG）第16页/共31页 19721972年卡尔森等通过两个烟草品种之年卡尔森等通过两个烟草品种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。杂种。19781978年梅尔彻斯年梅尔彻斯(Melchers)(Melchers)等首次获得了番茄等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种和马铃薯的属间体细胞杂种“PotamatoPotamato”。但。但还未得到还未得到地上结番茄地下结马铃薯。地上结番茄地下结马铃薯。目前，已得到栽培目前，已得到栽培烟草与野生烟草、烟草与野生烟草、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、栽培大
14、豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代及其后代，获得了有价值的新品系或育，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。种上有用的新材料。第17页/共31页白菜白菜甘蓝甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝第19页/共31页即时应用1、在下列选项中，不需要采用植物组织培养、在下列选项中，不需要采用植物组织培养技术的是技术的是()A利用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，获利用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，获得多倍体植株得多倍体植株B利用花药离体培养得到单倍体植株利用花药离体培养得到单倍体植株C利用基因工程培养抗棉铃虫的棉花植株利用基因工程培养抗棉铃虫的棉花
15、植株D利用细胞工程培养利用细胞工程培养“番茄番茄马铃薯马铃薯”杂种杂种植株植株A A第20页/共31页常见育种方式比较方法方法原理原理原因原因实例实例优点优点杂交育种杂交育种基因重基因重组组非同源染色体上的非同源染色体上的非等位基因自由组非等位基因自由组合合抗倒伏抗抗倒伏抗锈病小麦锈病小麦集中优良性状集中优良性状诱变育种诱变育种基因突基因突变变人工方法使人工方法使DNADNA复复制过程发生差错制过程发生差错青霉素高青霉素高产菌株产菌株提高变异频率，提高变异频率，出现新性状出现新性状单倍体育单倍体育种种染色体染色体变异变异秋水仙素处理单倍秋水仙素处理单倍体使其染色体加倍体使其染色体加倍小麦新品小
16、麦新品种种缩短育种年限缩短育种年限,得到纯合体得到纯合体多倍体育多倍体育种种染色体染色体变异变异秋水仙素处理使染秋水仙素处理使染色体加倍色体加倍无籽西瓜无籽西瓜器官大，营养成器官大，营养成分含量高分含量高细胞工程细胞工程育种育种染色体染色体变异变异实现不同种植物之实现不同种植物之间的核质融合间的核质融合白菜白菜-甘蓝甘蓝克服远源杂交不克服远源杂交不亲和的障碍亲和的障碍基因工程基因工程育种育种基因重基因重组组将不同生物的基因将不同生物的基因拼接在一起拼接在一起抗虫棉抗虫棉目的性强，打破目的性强，打破物种界限物种界限第21页/共31页问题自然界中有一种含有叶绿体的原生动物眼虫，说明植物的细胞器同样
17、可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。第22页/共31页异想天开第23页/共31页1、细胞全能性的概念、全能性大小的比较2、植物组织培养的概念、原理、过程。3、植物组织培养实验所需的条件：离体、无菌、培养基、环境条件。4、植物体细胞杂交的概念、原理、过程。本节课内容小结本节课内容小结第24页/共31页【解解析析】只只有有将将离离体体植植物物细细胞胞或或组组织织培培养养成成具具有有生生根根发发芽芽能能力力的的胚胚状状结结构构，再再包包上上人人造造种种皮皮，才才能能得得到到人人工工种种子子，而而是是未未分分化化的的愈愈伤伤组组
18、织织，不不具具有有生生根根发发芽芽能能力力，只只有有在在分分化化培养基上培养后，才能用于制造人工种子。培养基上培养后，才能用于制造人工种子。【答案答案】D第25页/共31页2(2011苏北四市调研苏北四市调研)下图为白菜与甘蓝体细胞杂交育成白菜甘蓝杂种植株的示意图。请据此回答：(1)图中过程用到的酶是_，作用的结果是获得_。(2)在过程中，常用的化学诱导剂是_，若在容器中放置若干a、b，诱导完成且假设所有细胞发生了融合(只考虑细胞两两融合)，然后经过程，形成的d细胞的类型有_种，从中选出_进行培养。(3)图中过程是_，过程合称_技术。【答案答案】(1)纤维素酶和果胶酶纤维素酶和果胶酶(具有活力
19、具有活力)原生质体原生质体(2)聚聚乙二醇乙二醇(PEG)3杂种细胞杂种细胞(3)脱分化植物组织培养脱分化植物组织培养 第26页/共31页 (2011泰州模拟泰州模拟)我国植物学家将名贵兰花的茎尖细胞放在培养基中进行培养，最终发育成完整的新植株。下图是细胞培养形成兰花植株示意图，请据图分析回答：(1)过程和分别表示_和_。(2)在培养过程中，除了提供水分、无机盐、糖类、维生素及氨基酸外，还需要在培养基中加入_。同时，在培养过程中，除必需的温度、光照和氧气等外界条件外，成功的另一个关键是操作过程必须保证_。(3)从育种的角度看，植物组织培养与有性生殖相比，优势主要有(列举2条)：_。(4)植物组
20、织培养的过程中，可以对_进行化学或物理的诱变处理，促使其发生突变，再通过诱导分化形成植株，从中选育出优良品种。(5)若将兰花的茎尖细胞换成兰花的花粉粒经组织培养形成植株，这种育种方法称为_，其优点是_。【答案答案】(1)脱分化再分化脱分化再分化(2)植物激素植物激素(或植物激素类似物或植物激素类似物)无菌无菌(3)能能保保持持亲亲本本的的优优良良性性状状；培培养养周周期期短短，繁繁殖殖效率高；能培育无病毒植株效率高；能培育无病毒植株(4)愈伤组织愈伤组织(5)单单倍倍体体育育种种缩缩短短育育种种年年限限，培培育育的的品品种种一一定是纯种定是纯种第27页/共31页【答案答案】(1)脱分化再分化脱
21、分化再分化(2)植物激素植物激素(或植物激素类似物或植物激素类似物)无菌无菌(3)能能保保持持亲亲本本的的优优良良性性状状；培培养养周周期期短短，繁繁殖殖效效率率高高；能培育无病毒植株能培育无病毒植株(4)愈伤组织愈伤组织(5)单单倍倍体体育育种种缩缩短短育育种种年年限限，培培育育的的品品种种一一定定是是纯纯种种(1)微微型型繁繁殖殖，实实际际上上是是一一种种无无性性繁繁殖殖，能能保保持持亲亲本本的的一一切切优优良良性性状状，这这项项技技术术只只运运用用了了植植物物组组织织培培养养，因因此此该该过过程程只涉及有丝分裂，不涉及减数分裂。只涉及有丝分裂，不涉及减数分裂。(2)微微型型繁繁殖殖具具有
22、有选选材材少少，培培养养周周期期短短，繁繁殖殖率率高高，便便于于自自动化管理等优点，有利于进行工厂化培养。动化管理等优点，有利于进行工厂化培养。(3)作作物物脱脱毒毒，人人工工种种子子中中的的胚胚状状体体、不不定定芽芽、顶顶芽芽和和腋腋芽芽的获得采用的技术还是微型繁殖。的获得采用的技术还是微型繁殖。第28页/共31页 (2011扬州模拟扬州模拟)如图为植物如图为植物体细胞杂交流程图，请回答下列体细胞杂交流程图，请回答下列问题：问题：(1)制备原生质体时，常用的酶是_。(2)诱导原生质体融合常用的化学诱导剂是_。(3)杂种细胞再生出细胞壁，此过程与细胞内_(细胞器)有密切关系。在对杂种细胞进行植
23、物组织培养时，通常还需要加入的两种植物激素是_。通过该技术得到的杂种植株在形态上表现为_，其根本原因是_。(4)通常情况下，马铃薯和番茄杂交是不成功的，原因是_。该项研究解决了育种过程_的问题。(5)通过细胞工程获得的杂种植株是否可育，为什么？_。6)若马铃薯是四倍体，番茄是二倍体，则杂种植株是_倍体。【答案【答案(1)纤维素酶、果胶酶纤维素酶、果胶酶(2)PEG(聚乙二醇聚乙二醇)(3)高高尔尔基基体体细细胞胞分分裂裂素素和和生生长长素素同同时时具具有有两两个个亲亲本本的的特特性性具具有有双双亲亲细细胞胞的的全全部部遗遗传传物质物质(4)存在生殖隔离远缘杂交不亲和存在生殖隔离远缘杂交不亲和(5)可可育育，因因为为马马铃铃薯薯和和番番茄茄这这两两种种植植物物各各自自都都是是可可育育的的，杂杂种种植植株株也也可可正正常常进进行行减减数数分分裂裂，产生配子并能受精形成种子产生配子并能受精形成种子 (6)六六第29页/共31页植物原生质体融合所用的促融剂为聚乙二醇，不能用灭植物原生质体融合所用的促融剂为聚乙二醇，不能用灭活的病毒。活的病毒。第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页