2025届高三生物一轮复习课件细胞工程

细胞工程 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 植物细胞工程 动物细胞工程 课标要求 植物细胞工程包括组织培养和体细胞杂交等技术 动物细胞工程包括细胞培养、核移植、细胞融合和干细胞的应用等技 对动物早期胚胎或配子进行显微操作和处理以获得目标个体 阐明植物组织培养是在一定条件下，将离体植物器官、组织和细胞在适宜的培养条件下诱导形成愈伤组织，并重新分化，最终形成完整植株的过程 概述植物体细胞杂交是将不同植物体细胞在一定条件下融合成杂合细胞，继而培育成新植物体的技术 举例说明植物细胞工程利用快速繁殖、脱毒、次生代谢产物生产、育种等方式有效提高了生产效率 阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础 阐明动物细胞核移植一般是将体细胞核移入一个去核的卵母细胞中，并使重组细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的过程 阐明动物细胞融合是指通过物理、化学或生物学等手段，使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程 概述细胞融合技术是单克隆抗体制备的重要技术 简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值 简述胚胎形成经过了受精及早期发育等过程 简述胚胎工程包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等技术 植物细胞工程 1、理论基础：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。 2、基本技术： 植物组织培养 植物体细胞杂交 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 全能性的大小分析 A.体细胞全能性与细胞分化程度： B.体细胞全能性与细胞分裂能力： C.不同类型细胞的全能性： D.不同生物细胞的全能性： 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 1、概念：将离体的植物器官、组织或细胞（外植体）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、过程 生长素 细胞分裂素 生长素 细胞分裂素 移栽成活 不需要光照 需要光照 外植体 脱分化 愈伤 组织 再分化 根、芽等 试管苗 移栽 完整 植株 愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。 酒精消 毒30s 1.外植体的消毒 材料： 幼嫩的菊花茎段 流水 冲洗 次氯酸钠溶 液处理30min → → 无菌水清 洗2～3次 → → 无菌水清 洗2～3次 用解剖刀将外植体切 成0.5～1cm长的小段 2.外植体的切段 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 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 注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！ （将“形态学上端”朝上，下端朝下） 3.接种外植体 用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记 无菌操作 培养基及培养条件： 激素比例1：1、置于黑暗、 提供有机碳源（蔗糖） 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 4.诱导愈伤组织 将接种了外植体的锥形瓶置于18-22℃的培养箱培养 脱分化 定期观察愈伤组 织的生长情况 培养15～20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上 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！ 5.诱导生芽生根 长出芽后，将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。 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 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。 外植体的消毒 消毒与无菌水冲洗 外植体的切段 切割与接种 接种外植体 超净工作台或接种箱 诱导愈伤组织 愈伤组织培养 诱导生芽生根 移栽 回顾实验 植物组织培养的两种途径 胚状体途径 器官发 生途径 根、芽 植物体 脱分化 再分化 培养条件： ①无菌 ②营养物质 ③适宜环境条件（温度、PH、光等） ④植物激素：细胞分裂素 生长素 如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药… 植物组织培养技术--过程 遮光 一定的光照 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 排列不规则，高度液泡化，呈不定形状态的薄壁细胞 愈伤组织 离体的植物器官、组织或细胞（外植体） 愈伤组织重新分化为芽、根等器官 失去特有结构和功能转变成未分化的细胞 植物体细胞杂交技术 1.概念 将不同来源植物细胞，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。 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 体细胞杂交利用了细胞膜具有一定的流动性。 杂种细胞培育成植株利用了植物细胞的全能性。 细胞A 细胞B 去壁 纤维素酶、果胶酶 原生质体A 原生质体B 注：原生质体≠原生质层 你还记得原生质层是什么吗？ 人工诱导融合（关键环节） 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 正在融合的原生质体 杂种细胞 再生壁 思考：如何将杂种细胞培养成杂种植株？ 愈伤组织 杂种植株 脱分化 再分化 返回 植物体细胞杂交育种 四倍体 杂交育种诱导多倍体 四倍体 二倍体 如何处理植株使其可育？ 看减数分裂联会、配对能否正常进行！ ①若亲本植株可育， 则杂种植株可育。 ②杂种植株是不同于 亲本的新物种。 优点： 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 植物细胞工程的应用 3、应用 ①植物繁殖的新途径 ②作物新品种的培育 快速繁殖：不仅可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，（微型繁殖） 还可以保持优良品种的遗传特性。 作物脱毒：植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少， 甚至无病毒。因此，切除茎尖进行组织培养， 再生的植株就可能不带病毒，从而获得脱毒苗。 单倍体育种：明显缩短育种年限。 单倍体育种 突变体的利用：愈伤组织一直处于不断增殖的状态，容易受到 培养条件和诱变因素的影响而产生突变。从产 生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变 体，进而培育成新品种。（突变的不定向性） 植物繁殖的新途径 1.快速繁殖: 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。也叫微型繁殖。 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 试管苗 优点： ①无性繁殖，保持优良品种的遗传特性 ②繁殖率高，可大批量生产 ③培养周期短 ④不受自然生长季节的限制 作物脱毒原因： 马铃薯 作物病毒积累 草莓 香蕉 感染的病毒很容易传给后代 无性繁殖 病毒在作物体内积累 作物产量降低品质变差 植物繁殖的新途径 脱毒方法 顶端分生区 植物组织培养 脱毒苗 过程： 取材部位： 优点： 明显提高农作物的产量和品质 （如茎尖、根尖： 病毒极少，甚至无毒） 注：脱毒苗不等于抗毒苗。 与微型繁殖相比较，二者无本质区别，只是取材部位不同。 脱毒苗不等于抗毒苗。 脱毒苗是选择植物的茎尖进行组织培养而获得的，只是体内不含病毒，不能抵抗病毒侵染，属于细胞工程的范畴； 抗毒苗是把某抗病基因导入植物细胞，属于基因工程的范畴； 脱毒草莓 未脱毒草莓 脱毒产品 甘蔗 香蕉 菠萝 实际问题：传统的育种方法是通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中。 缺点是：要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种。如何解决育种时间过长的问题？ 传统方法： 杂交育种 高杆抗病 DDTT × 矮杆感病 ddtt 高杆抗病DdTt D_T_ D_tt ddT_ ddtt ddTT 矮抗 ⊗ 需要的纯合矮抗品种 连续⊗ 第1年 第2年 第3-6年 体细胞中的染色体数目与本物种配子染色体数目相同的个体。 如：雄蜂 正常物种二倍体 正常物种四倍体 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 单倍体（含1个染色体组） 单倍体（含2个染色体组） 单倍体 单倍体特点：植株弱小，高度不育 应用：单倍体育种 由配子（如卵细胞、花粉等）直接发育而成。 优良品种 花药 花粉 离体培养 单倍体 纯合二倍体 人工诱导 染色体加倍 选择 植物组织培养 取花药 单倍体幼苗 脱分化 纯合二倍体 人工诱导染色体加倍 优良品种 选择 愈伤组织 再分化 花药离体培养 花药离体培养 P F1 配子 DDTT DDtt ddTT ddtt 正常植株（纯合） 秋水仙素诱导加倍 单倍体育种 P 高杆抗病 DDTT × 矮杆感病 ddtt F1 高杆抗病 DdTt F2 D_T_ D_tt ddT_ ddtt ddTT 杂交育种 矮抗 ⊗ 需要的纯合矮抗品种 连续自交多代 第1年 第2年 第3-6年 高杆抗病 DDTT × 矮杆感病 ddtt 高杆抗病 DdTt DT Dt dT dt 单倍体植株 第1年 第2年 DT Dt dT dt 需要的纯合矮抗品种 单倍体育种举例 培育矮杆抗病( ddTT )小麦 缺点：耗时长 优点：操作简单 纯合子 不一定 植物组织培养 注意①：单倍体育种的目的不是获得单倍体本身，因为单倍体是高度不育的，在生产上没有实际价值，需诱导单倍体的染色体数目加倍。 注意②：单倍体育种和多倍体育种均需要用秋水仙素诱导染色体数目加倍；单倍体育种需要先利用植物组织培养技术形成单倍体幼苗，但多倍体育种一般不使用植物组织培养技术。 实际问题：传统的育种方法是通过杂交把两亲本的优良性状组合在同一后代中。但缺点是：要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种。如何解决育种时间过长的问题？ 优点： ①极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。 ②后代都是纯合子，能稳定遗传。 ③可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 大多数单倍体植株的细胞中只含一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现。 突变体的利用 （1）原理： 在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。 （2）过程： 外植体 诱变处理 （3）利用： 筛选对人们有利的突变体,进而培育成新品种。 （5）实例： 抗病、抗盐、含高蛋白、高产的突变体 抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。 （3）原理： 突变和植物细胞的全能性。 （4）优点： 提高变异的频率，加速育种进程。大幅度地改良某些性状。 突变体育种的原理是突变，诱变育种的原理是基因突变。 突变 = 基因突变 ＋ 染色体变异 植物细胞工程 ③细胞产物的工厂化生产 背景：植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生 代谢物。次生代谢物是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)， 在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 由于植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源， 有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。 措施：植物细胞培养（在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。） 初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，初生代谢产物有糖类、脂质、蛋白质、核酸等。 植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。 过程： 次生代谢产物 化学本质 作用 应用 直接获取困难 化学合成困难 利用植物细胞培养来获得目标产物 细胞产物的工厂化生产 小分子有机物(酚类、萜类和含氮类) 植物抗病、抗虫 药物、香料、色素 含量低、从植物组织提取会大量破坏植物资源 有些产物不能或难以通过化学合成途径得到 细胞产物的工厂化生产 利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化生产。 外植体 愈伤组织 细胞悬液 脱分化 振荡分散 细胞悬浮培养 细胞产物 提取 红豆杉→紫杉醇 紫草→紫草宁 人参→ 人参皂苷 有再分化 区别植物组织培养和植物细胞培养 项目 植物组织培养 植物细胞培养 目的 获得植物体 获得细胞产物 原理 植物细胞的全能性 细胞增殖 培养基 固体培养基 液体培养基 过程 应用 快速繁殖、作物脱毒、单倍体育种等 细胞产物的工厂化生产， 动物细胞培养 01 动物细胞工程常用的技术包括动物细胞培养、动物细胞融合和细胞核移植等，其中动物细胞培养是动物细胞工程的基础。（教材P43） 动物细胞培养是从动物体中取出相关的组织或器官,将它分散成单个细胞，然后在适宜的培养条件下,让这些细胞生长和增殖的技术。(教材P43) 动物细胞培养所需的基本条件 其他条件 营养条件 糖类、氨基酸、无机盐、维生素 无菌、无毒的环境 适宜的温度、pH和渗透压 适宜的气体环境 动物细胞培养是对体内细胞生长和繁殖的模拟 34 动物细胞培养 01 营养条件 将细胞所需的上述营养物质按其种类和所需数量严格配制而成的培养基，称为合成培养基(区别天然培养基)。培养动物细胞一般使用液体培养基,也叫培养液. ☆由于人们对细胞所需的营养物质还没有完全搞清楚，因此，在使用合成培养基时，通常需加入血清和血浆等一些天然成分。 动物细胞培养所需的基本条件 其他条件 营养条件 糖类、氨基酸、无机盐、维生素 无菌、无毒的环境 适宜的温度、pH和渗透压 适宜的气体环境 35 无菌、无毒的环境 无菌：无菌操作—防止培养过程中的微生物污染 无毒：定期更换培养液—清除代谢产物，防止代谢产物积累对细胞造成危害。 温度、pH和渗透压 气体环境 温度：36.5±0.5℃ pH：7.2-7.4 渗透压：维持细胞正常形态 O2：细胞代谢所必须 CO2 ：维持培养液的pH值 用培养皿或松盖培养瓶，在95%空气和5 %CO2 的混合气体的CO2培养箱中进行培养。 动物细胞培养 01 36 动物细胞培养的过程 02 37 动物细胞培养的过程 02 细胞接触抑制 细胞贴壁 悬液中大多数分散的细胞很快就贴附在瓶壁上生长增殖，这种现象称为细胞贴壁。 当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为接触抑制。 肿瘤细胞失去接触抑制，在培养液可以无限增殖下去。 38 动物细胞培养的过程 02 机械方法 胰蛋白酶处理 胶原蛋白酶处理 动物 组织块 分散成 单个细胞 加培养液 细胞 悬液 放入培养瓶 在适宜条件 在适宜条件 分瓶培养 原代培养 传代培养 原代培养 将分瓶之前的细胞培养，即动物组织经过处理后的初次培养称为原代培养。 将分瓶后的细胞培养称为传代培养。 传代培养 ★体外培养动物细胞分为两类 ①悬浮生长细胞：细胞能够悬浮在培养液中生长增殖 ②贴壁生长细胞：细胞需要贴附于某些基质(如培养瓶壁)表面才能增殖(主要类型) 39 细胞株与细胞系 拓展 ①细胞株:传代培养的细胞能传到10~50代,这样的传代细胞称为细胞株。 ②细胞系:传代培养的细胞在传到50代后,部分细胞的遗传物质发生改变,并且具有癌变的特点,能够无限地传代下去,这样的传代细胞称为细胞系。 ★为什么要进行分瓶培养 动物细胞培养的过程 02 细胞系的生命期 40 机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）并具有多向分化潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞称为干细胞。 干细胞基本特征 干细胞能产生与自己相同的子代细胞，即自我更新能力。同时也具有分化成不同细胞类型的潜能 干细胞培养及其应用 03 ①胚胎干细胞(ES细胞)：存在于早期胚胎中，具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。 ★分类： 特点：体积小、 细胞核大、核仁明显。取自早期胚胎。也叫做全能干细胞。 ②成体干细胞：存在于成体组织或器官内中，包括骨髓中的造血干细胞，神经系统中的神经干细胞和睾丸中的精原干细胞 成体干细胞具有组织特性，一般只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。 41 应用 再生医学 运用克隆技术获得患者“自身” 的胚胎干细胞，然后在合适的条件下，定向分化成患者所需的各种细胞类型，如胰岛细胞可用于移植和糖尿病的治疗 将治疗性克隆技术与人胚胎干细胞的制备相结合，利用体外构建的自身组织与器官来使患者得以康复。 胚胎干细胞或卵细胞的来源？ 干细胞培养及其应用 03 42 再生医学 日本京都大学教授山中伸弥在2006 年， 选取了24 个对胚胎干细胞维持十分重要的基因，在小鼠的成纤维细胞中诱导表达，最后发现同时转入4 种基因（Oct4、Sox2、c-myc 和KLF4）就可诱导产生一种多能干细胞，称“诱导性多潜能干细胞”（iPS cell） 干细胞培养及其应用 03 利用iPS细胞治疗小鼠镰状细胞贫血 *注意：从小鼠体内获得的成纤维细胞会含有镰状细胞平血基因，在诱导形成iPS细胞的过程中，需要对致病基因进行修复。 43 应用 诱导性多潜能干细胞 诱导性多潜能干细胞的制备 取出 病人 移植 转入相关因子，细胞发生转化 成纤维细胞 iPS细胞 分化 各种类型的细胞 干细胞培养及其应用 03 44 动物细胞融合技术 04 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。融合后形成的杂交细胞就有原来两个细胞的遗传遗传信息。(教材P48) 方法 物理方法：电融合法、离心法 化学方法：聚乙二醇（PEG）法 与植物原生质体融合的基本原理相同 生物方法：灭活病毒诱导法 肺结核病病人体内病毒等诱导多个体细胞融合形成了多核细胞。 45 方法 生物方法：灭活病毒诱导法 灭活：是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力，但并不破坏它们的抗原结构。 原理：病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞相互凝集，细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细胞膜打开，细胞发生融合。(P48 相关信息) 动物细胞融合技术 04 46 意义 ①突破有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能 ②研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等的重要手段。 ③利用动物细胞融合技术而发展起来的杂交瘤技术，为制造单克隆抗体开辟了新途径。 种间、属间、科间，甚至动物和植物之间的细胞融合都已获得成功。 动物细胞融合技术 04 47 传统抗体的生产方法 向动物反复 注射某种抗原 使动物产生抗体 从动物血清中 分离所需抗体 产量低、纯度低、特异性差 单克隆抗体及其应用 05 动物会接触多种天然抗原，体内相应产生的特异性抗体种类可以达到百万种以上，但每一个淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。因此，要想获得大量的单一抗体，必须克隆单一的淋巴细胞，形成细胞群。(教材P49) 48 单克隆抗体及其应用 ☆抗体 一个B淋巴细胞 B淋巴 细胞群 单克隆 抗体 克隆 产生 × B淋巴细胞不具有无限增殖的能力 1975年，英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒设计了一个极富创造性的试验方案： 解决 B细胞 骨髓瘤细胞 杂交瘤细胞 抗体 05 49 单克隆抗体及其应用 米尔斯坦和科勒制备单克隆抗体过程示意图 05 50 单克隆抗体及其应用 米尔斯坦和科勒制备单克隆抗体过程示意图 05 51 单克隆抗体及其应用 05 52 单克隆抗体及其应用 单克隆抗体的应用 ①作为诊断试剂 诊断疾病 05 ②运载药物 治疗疾病 ③作为药物治疗疾病 53 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。(教材P52黑体字) 胚胎细胞 体细胞 原理：动物体细胞核的全能性 胚胎细胞核移植 体细胞核移植 细胞分化程度低，恢复全能性容易 细胞分化程度高，恢复全能性十分困难 克隆动物 供体 一个细胞的细胞核 受体 去掉核的卵母细胞 动物细胞核移植技术 06 54 ①收集牛卵巢，采集卵母细胞 ②通过显微操作去核 ③从供体高产奶牛身体的某一部分取体细胞，进行培养 供体高产奶牛 ④将供体细胞注入去核的卵母细胞 ⑤通过电融合法使两细胞融合，供体核进入卵母细胞形成重构胚 ⑥将胚胎移入受体(代孕)母牛体内 ⑦生出与供体奶牛遗传物质相同的犊牛 动物细胞核移植技术 06 动物体细胞核移植属于无性生殖 55 体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题 畜牧业 加速家畜遗传改良进程、促进改良畜群繁育 动物细胞核移植技术 06 医药卫生 克隆动物（也经过转基因操作）的细胞、组织、器官可作为异种移植的供体 科研 保护濒危物种 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在争议 56 Lavf55.33.100 $$