2025届高三生物二轮复习课件 19动植物细胞工程

细胞工程 ——运用细胞工程解决实际生产问题 学习目标 1.结合实例,总结细胞工程各技术原理,具体流程及每一步需要注意的事项。 2.解读图文信息,综合运用细胞工程解决相关问题,强化结构与功能相适应的观点。 3.辩证分析,细胞工程在生产生活中应用的利与弊,并说明理由。 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。 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 植物体细胞杂交 植物细胞的全能性 植物细胞工程的理论基础 全能性:具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞都具有发育成完整生物体的潜能。 思考: 1.比较下列细胞的全能性大小: ①植物细胞与动物细胞 ②体细胞、生殖细胞、受精卵 2.影响细胞全能性表现的原因? 1、植物组织培养技术 (1)概念: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: 外植体 愈伤组织 完整植株 脱分化(实质) 再分化(实质) (3)流程: 指已经分化的细胞在特殊的离体条件下,失去其特有的结构和功能,转变成未分化细胞的过程。 *脱分化和再分化是组织培养技术的两个基本环节。 离体进行组织培养的植物组织或器官 胚状体、芽、根 发育 植物细胞的全能性 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 特点:具分裂、分化能力,又具全能性(主要) 无叶绿体,不进行光合作用 脱分化产生的愈伤组织在一定的培养条件下,再分化出幼根和芽,进而形成完整的小植株。 5 植物组织培养技术的流程简图 仪器、材料消毒 接种到诱导培养基 诱导出愈伤组织 愈伤组织接种到分化培养基 分化出幼苗(试管苗) 完整植株 实验:菊花的组织培养 脱分化 再分化 放在23-26 恒温,避光条件下培养(没有叶绿体) 需要光照 注意事项: 1.在组织培养实验中,为什么强调所用材料器具的消毒、灭菌等无菌操作? 3.培养基配制(生长素与细胞分裂素的比值) 4.光照条件 2.外植体消毒常用的试剂有哪些? 生长素与细胞分裂素的比值 作用效果 比值高时 比值低时 比值适中时 3.培养基配制 在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养,这是因为暗培养有利于细胞脱分化产生愈伤组织。如果在光照条件下,很容易分化产生维管等组织,不利于产生大量的愈伤组织。 再分化过程中一定要有光照,才能诱导绿叶素的合成。 4.光照条件 1.在组织培养实验中,为什么强调所用材料器具的消毒、灭菌等无菌操作? 植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分。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,而且会生成大量对培养物有害的物质,导致培养物迅速死亡。 2.外植体消毒常用的试剂 酒精溶液、次氯酸钠溶液、升汞溶液等 口诀:高根低芽中愈伤 有利于根的分化, 抑制芽的形成 有利于芽的分化, 抑制根的形成 促进愈伤组织形成 注意事项: 原生质体 再生出细胞壁 杂种细胞 脱分化 愈伤组织 杂种植株 再分化 2.植物体细胞杂交技术(重点理解) 过程: 马铃薯细胞 融合完成标志 去壁 植物组织培养:植物细胞全能性 植物细胞的融合:细胞膜流动性 酶解法(纤维素酶、果胶酶等) 物理法:离心法、电融合法 化学法:聚乙二醇(PEG) 植物体 细胞杂 交完成 标志 番茄细胞 高尔基体 人工诱导原生质体融合 (筛选) 注意:原生质体虽然没有细胞壁,但是具有活细胞的一切特征。酶解法获得原生质体条件温和,原生质体完整性好,活力高。 思考: 为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样,地上长番茄、地下结马铃薯? 生物基因的表达不是孤立的,它们之间相互调控、相互影响。马铃薯—番茄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可能会相互干扰。所以,它们的杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。 植物体细胞杂交的意义:打破生殖隔离,实现远缘杂交育种。 (克服了不同物种远缘杂交不亲和的障碍) 小结 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 原理 步骤 意义 联系 细胞全能性 ①脱分化 ②再分化 保持优良性状 繁殖速度快 大规模生产提高经济效益 杂交技术应用了组织培养 打破生殖隔离,实现远缘杂交育种 ①去除细胞壁 ②融合形成杂种细胞 ③组织培养 膜流动性 细胞全能性 3、植物细胞工程的实际应用 (一)植物繁殖的新途径 1、快速繁殖:快速繁殖优良品种的植物组织培养技术 特点:(植物组织培养的特点) a. 无性繁殖;保持优良品种的遗传特性 b. 高效快速地实现种苗的大量繁殖 c. 可以实现工厂化生产 2、作物脱毒 (1)选材部位:植物的分生区附近。 (2)选材原因:分生区附件的病毒极少,甚至无病毒。 (3)实例:目前采用茎尖组织培养技术来脱除病毒,在马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝、香蕉等主要经济作物上已获得成功。 (二)作物新品种的培养 (1)过程:花药离体培养 单倍体植株 染色体加倍 纯合二倍体植株。 (2)优点: ①后代是纯合子,能稳定遗传。 ②明显缩短了育种年限。 1、单倍体育种(以二倍体植株为例) (1)产生原因:在植物的组织培养过程中,易受培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。 (2)利用:筛选出对人们有用的突变体,进而培育成新品种。 2、突变体的利用 (三)细胞产物的工厂化生产 1、细胞产物种类:蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。 2、技术:植物组织培养技术。 3、实例:我国利用植物组织培养技术实现了大量生产人参皂苷干粉;另外,三七、紫草和银杏的细胞产物也都已经实现了工厂化生产。 注意:初生代谢物/次生代谢物 植物组织培养的目的不同,培养阶段也不同: 若是进行植物微型繁殖 若是生产人工种子 若是生产细胞产品 可培养到愈伤组织,从愈伤组织中提取产品 应培养成具有生根发芽能力的胚状体(用人工种皮包裹) 应培养成植株幼苗 一、动物细胞培养 1.概念 动物细胞培养是指从动物体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后再适宜的培养条件下,让这些细胞生长和繁殖的技术 2.目的 3.理论基础 4.动物细胞培养的条件 获得细胞或细胞产物;不能获得完整动物个体 细胞增殖(有丝分裂) 动物细胞工程 动物细胞培养的条件 1.营养 ①与体内基本相同,需要糖类、氨基酸、促生长因子、无机盐、维生素等。 ②另外,在使用合成培养基时,通常需加入血清等一些天然成分。 ③动物细胞培养使用的是液体培养基,也称培养液,植物组织培养使用的是固体培养基。 2.无菌、无毒的环境 ①是对培养液和所有培养用具进行无菌处理; ②是在细胞培养液中添加一定量的抗生素; ③是定期更换培养液,防止细胞代谢产物积累。 3.温度和PH和渗透压 ①温度以36.5 0.5 为宜 ②pH为7.2~7.4 ③渗透压也是需要考虑的一个重要环境参数。 4.气体环境 O2和CO2(95%空气和5% CO2 ) O2是细胞代谢所必需的,CO2的主要作用是维持培养液的pH。 思考: 1.ES细胞的特点?①形态特点:体积小、细胞核大、核仁明显 ②功能特点:具有发育的全能性 ③体外培养条件下,可以只增殖,不分化 2.如何制备iPS细胞?(课本P46相关信息) 18 1.幼龄动物的细胞与老龄动物的细胞比较,分化程度低的细胞与分化程度高的细胞比较,哪些细胞更易于培养?为什么? 幼龄动物的细胞、分化程度低的细胞更易于培养。因为幼龄动物的细胞、分化程度低的细胞生命力旺盛,分裂能力强。 思考: 2.将组织分散成单个细胞时为什么要用胰蛋白酶(胶原蛋白酶)处理?胃蛋白酶可以吗? 胰蛋白酶可以将动物组织细胞间的蛋白质成分酶解,使细胞分散开,获得单个细胞; 胃蛋白酶不可以,pH不适宜 3.为什么动物细胞要分散成单个细胞培养? 分散成单个细胞后容易培养,细胞所需的营养容易供应,其代谢废物容易排出;而用大组织块培养时,内部细胞的营养供应和代谢废物的排出都较困难。因此,这些细胞在体外长时间生存和生长就较困难。同时,分散成单个细胞培养,可使在细胞水平操作的其他技术得以实现。 比较 项目 植物组织培养 动物细胞培养 区别 原理 植物细胞的全能性 动物细胞增殖 培养基类型 固体和半固体培养基 液体培养基 培养基特有成分 植物激素 动物血清或血浆 细胞来源 离体植物器官、组织或细胞 胚胎或幼龄动物组织、器官 结果 形成完整的植株 获得细胞或细胞产物 相同 ①都需要人工条件下的无菌操作;都需要适合的温度、酸碱度 ②培养过程中细胞都进行有丝分裂,都不涉及减数分裂 ③都存在细胞培养过程 动物细胞培养与植物组织培养的对比 二、动物细胞融合技术与单克隆抗体 1.概念:动物细胞融合技术就是使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术 2.原理:细胞膜具有一定的流动性 3.诱导方式: 4.结果:形成杂交细胞。即融合后形成的原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞 物理法:电融合法 化学法:聚乙二醇(PEG) 生物法:灭活的病毒 如:仙台病毒 用灭活的病毒诱导动物细胞融合过程: 灭活的病毒颗粒黏附于细胞表面 细胞膜被病毒颗粒穿通 细胞膜连接 细胞核融合,形成杂交细胞 项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合 原理 融合前处理 用_和_去除细胞壁后诱导原生质体融合 用_使细胞分散后诱导细胞融合 诱导融合的方法 杂种植株 (或杂交细胞)特点 杂种植株含有两种生物的遗传物质 杂交细胞具有 意义和用途 打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,在培育植物新品种等方面展示出独特的优势 突破_,使_成为可能。获得杂交细胞,用于_ 细胞膜的流动性 植物细胞全能性 细胞膜的流动性 纤维素酶 果胶酶 胰蛋白酶或 胶原蛋白酶 物理法(离心,振动,电激) 化学法:PEG 物理法(离心,振动,电激) 化学法:PEG 还有 生物法:灭活的病毒 两个或多个细胞的遗传物质 远缘杂交 单克隆抗体制备 有性杂交局限 比较植物体细胞杂交和动物细胞融合 B淋巴细胞 骨髓瘤细胞 动物细胞融合 动物细胞培养 单克隆抗体 杂交瘤细胞 1.制备单克隆抗体过程: 单克隆抗体的制备 2.与常规方法制备的血清抗体相比,单克隆抗体有何优越性? 常规方法:向动物体内反复注射某种抗原,使动物产生抗体,然后,从动物血清中分离所需抗体。这种方法不仅产量低,纯度低,而且制备的抗体特异性差。 单克隆抗体最主要的优点在于它的特异性强,灵敏度高,并可大量制备。 24 问题:我们所学的哪种细胞能够无限增殖?/有什么方法能使B淋巴细胞也具有这样的能力?(诺贝尔生理学奖或医学奖) 第1次筛选目的:得到杂交瘤细胞 阶段一:动物细胞融合 原理:动物细胞膜具有一定的流动性 第2次筛选目的:在杂交瘤细胞中筛选出能产生特定抗体的杂交瘤细胞。 阶段二:动物细胞培养 原理:细胞增殖 多孔细胞培养板 怎样二次筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞? 将杂交瘤细胞群稀释,约每孔1个进行培养(克隆化培养) 一段时间后,检测各孔上清液中细胞分泌的抗体 上清液可与特定抗原 结合的培养孔为阳性孔 抗体检测板 27 单克隆抗体是生物制药产业增长最快的领域之一约占到全球生物制药市场的35%左右。 2010年全球抗体药物市场将达到300多亿美元的规模我国也将达到50亿元人币的销售额 抗体检测板 多孔细胞培养板 怎样再次筛选出能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。 二选方法:克隆化培养和专一抗体检测 将杂交瘤细胞群稀释,约每孔1个进行培养(克隆化培养) 一段时间后,检测每个孔内的抗体 分泌抗体能跟抗原结合的细胞即为所需细胞 28 专一抗体检测呈阳性 多孔细胞培养板 多种B淋巴细胞 小鼠 注射抗原 骨髓瘤细胞 融合 B-B细胞 杂交瘤细胞 瘤-瘤细胞 选择性培养基 筛选1 多种杂交瘤细胞(特点) 符合要求的杂交瘤细胞(特点) 抗原-抗体 杂交法 筛选2 克隆化 体外培养 小鼠腹腔内增殖 单克隆抗体 总结 思考: 1.注射抗原的目的是什么? 2.细胞融合的方法有哪些?与植物细胞融合的区别是什么? 3.两次筛选的目的分别是什么? 4.获得单克隆抗体的方法有哪些? 5.单克隆抗体的制备过程中包括几个阶段?其原理是什么? 6.杂交瘤细胞的特点?单克隆抗体的特点? 单克隆抗体的应用 a.作为诊断试剂——最广泛应用 同位素标记的单克隆抗体,在特定组织中成像,定位诊断相关疾病。 准确、高效、简易、快速 b.用于治疗疾病和运载药物 ①特异性强、灵敏度高 生物导弹——单克隆抗体+抗癌药物 ②疗效高、毒副作用小 结合同位素的单抗 -生物导弹 单克隆抗体的应用 三、动物体细胞核移植技术和克隆动物 动物体细胞核移植技术 (1)概念: 将动物的一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中,使这个重新组合的细胞发育成新胚胎,继而发育成动物个体的技术。 (2)核移植种类:胚胎细胞核移植(易);体细胞核移植(难) (3) (4)结果:用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。 原理:动物体细胞核的全能性 分子水平:一般指DNA分子扩增 细胞水平:由一个细胞分裂所形成的细胞群体 个体水平:指基因型完全相同的个体或群体 克隆就是无性繁殖,具体地说,是指一个共同的祖先,通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性相同的DNA分子、细胞或个体。 (首先是人工诱导的无性繁殖,没有人工的诱导不能称其为克隆) 补充:克隆 减数第二次分裂中期 (M 卵母细胞) 胚胎移植 1.受体细胞为什么选用卵母细胞(M 期)? 思考: 体积大,易操作; 含有激发细胞核全能性的物质。 2.在将体细胞的核移植到卵母细胞之前,为什么必须先对卵母细胞进行去核操作? 3.你认为用上述体细胞核移植技术培育的克隆动物,是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗?为什么? 体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 1.应用前景: (1) 医药卫生方面: ①生产许多珍贵的医用蛋白 ②转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体治疗人类疾病 ③以患者作为供体培育相应细胞、组织或器官进行移植,避免免疫排斥反应 (2)畜牧生产:加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育 (3)科研: ①使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程 ②分析致病基因 ③研究致病机制,开发药物 (4)保护濒危动物:增加濒危物种存活数量 2.体细胞核移植技术存在的问题 ① 成功率低 ② 克隆动物存在健康问题 ③ 克隆动物食品的安全性问题存有争议 干细胞的种类及功能 种类 来源 功能及应用 胚胎干细胞 (ES细胞) 早期胚胎 能够分化成为动物体内的任何细胞,并进一步形成组织、器官甚至生物个体 成体干细胞 成体组织或器官 只能分化成特定的细胞或组织,不具有发育成完整个体的潜能 诱导多能干细胞(iPS细胞) 体外诱导体细胞产生 能分化成为具有特定功能的细胞,用于治疗疾病 $$