2.1 植物细胞工程（第1课时 基本技术）（教学课件）-【上好课】高二生物同步高效课堂（人教版2019选择性必修3）

第二章 细胞工程 第1节 植物细胞工程的基本技术 【本节聚焦】 1.植物细胞工程的理论基础是什么？ 2.什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？ 3.怎样进行菊花的组织培养？ 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 科技探索之路：植物细胞工程的发展历程 哈伯兰特提出细胞全能性的理论，但相关实验尝试没有成功。 斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。 科金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 古哈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。 卡尔森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。 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的紧密结合。 1902年 1958年 1960年 1964年 1971年 1974年 2 问题探讨 鬼兰（幽灵兰） 市场价格： 1500万每株！ 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。 思考：高洁、典雅的兰花颇受人喜欢。但其繁殖率低，价格不菲，如何让它大量、快速地繁殖呢？ 3 问题探讨 利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。 为什么植物组织或细胞能培养成完整植物体？ 细胞的全能性 4 问题探讨 （2）体现全能性的标志： 种子发育成植株，体现了植物种子的全能性。（ ） 胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株。（ ） 受精卵发育成个体。（ ） 胚胎干细胞分化成其他种类的细胞。（ ) × √ √ √ （1）定义： 细胞→ 完整个体或其他各种细胞 （3）细胞没有体现全能性的原因： 生物体内所有细胞都能表现出全能性吗？ 芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶体现了全能性吗？ 基因在特定时间、空间条件下选择性表达。 细胞经过分裂和分化后，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。 1.细胞的全能性 5 问题探讨 (4)植物细胞具有全能性的原因： 一般来说，生物体的每一个细胞都含有该物种所持有的 全套遗传信息。 (5)细胞全能性大小的比较： 一般来说，细胞分化程度越高，全能性 ；随着细胞分化程度的不断提高，细胞的分裂能力和全能性 。 越低 逐渐降低 不同种生物细胞: 同种生物不同细胞： 植物细胞 动物细胞 受精卵 生殖细胞 体细胞 ＞ （动物细胞具有全能性，但目前只有细胞核能体现全能性） ＞ 同种生物不同体细胞的全能性大小： 幼嫩的细胞 衰老的细胞 ＞ ＞ 不是每个活细胞都有全能性，例如哺乳动物成熟的红细胞。 6 问题探讨 (6)表现出全能性的条件： 潜能 表现出全能性 怎么才能表现出来呢？ 1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，这是人类第一次获得了人工胚状体，并获得个体植株。 （必修一 P118-121） ① 离体 ② 一定的营养物质、植物激素 ③ 适宜的温度、pH等外界条件 ④ 无菌环境 7 一、植物组织培养技术 合作探究一：请同学们自主阅读教材P35-36，小组合作思考讨论完成问题。 1.组织培养技术的原理什么？基本培养过程有哪些？ 2.什么是外植体？ 3.什么是脱分化？愈伤组织有什么特点？ 4.什么是再分化？ 移栽成活 8 一、植物组织培养技术 1.概念： 是指将离体的植物器官、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。 外植体 植物细胞的全能性 原理 生殖方式 无性生殖 分裂方式 有丝分裂 9 一、植物组织培养技术 2.植物组织培养的流程： 接种外植体 离体培养的植物器官、组织或细胞。 脱分化 诱导愈伤组织 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、无叶绿体、不定形的薄壁组织团块。 离体条件下已分化的细胞经过诱导，失去特有的结构和功能，重新获得分裂能力。 诱导生芽 再分化 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官。 诱导生根 移栽成活 该实验具体如何操作呢？ 愈伤组织 既有细胞增殖，又有细胞分化。 10 一、植物组织培养技术 3.决定植物脱分化、再分化的关键因素： 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 关键激素 生长素和细胞分裂素 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 巧记：裂芽生根中愈伤 结果 比值≈1 比值＜1 比值＞1 促进芽的分化 促进根的分化 促进愈伤组织的形成 生长素用量 细胞分裂素用量 11 探究·实践:菊花的组织培养 1.目的要求： （1）了解植物组织培养的基本原理。 （2）了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响。 （3）尝试进行植物组织培养。 2.材料用具： 幼嫩的菊花茎段、体积分数70%的酒精，质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液和无菌水，50mL锥形瓶（或植物组织培养瓶）。植物组织培养常用的培养基：MS培养基 ( P116)。 分裂旺盛，更容易诱导形成愈伤组织。 植物组织培养瓶 12 探究·实践:菊花的组织培养 （1）培养基名称： ； （2）物理性质： ； （3）碳源： 。 拓展1：植物组织培养常用的培养基配方 P116 MS培养基 固体培养基 有机碳源（蔗糖） 作为碳源，提供能量。 ①无机营养成分(水和无机盐) ②有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等) ③特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素) 13 探究·实践:菊花的组织培养 3.方法步骤： 14 探究·实践:菊花的组织培养 3.方法步骤： ①制备外植体 消毒： 切割：无菌操作 酒精 30s 无菌水 2-3次 次氯酸钠溶液 30min 材料： 幼嫩的菊花茎段 2-3次 无菌水洗 目的 防止杂菌生长。一方面与培养物竞争营养；另一方面产生有害物质危害培养物。 15 探究·实践:菊花的组织培养 ②接种到诱导愈伤组织培养基 脱分化（避光） 产生愈伤组织 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？ 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 超级工作台无菌操作 3.方法步骤： 接种外植体时，不要倒插！ （将“形态学上端”朝上） 16 探究·实践:菊花的组织培养 3.方法步骤： ③接种到诱导生芽、生根培养基 再分化 ②接种到诱导生根培养基 ①培养15〜20 d后，接种到诱导生芽培养基 ③进一步诱导形成试管苗 注意： ①注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根。 ②该过程每日需要给予适当时间和强度的光照（有利于叶绿素的形成）。 17 探究·实践:菊花的组织培养 3.方法步骤： 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后，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。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。 ④试管苗移栽 生殖方式：无性生殖 分裂方式：有丝分裂 18 探究·实践:菊花的组织培养 固体基质型，含水量高、 蓄水性强、透性好，适合栽培 珍珠岩 ,珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩 。 蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。 19 探究·实践:菊花的组织培养 胚状体：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） 拓展：植物组织培养的两种途径 20 课堂小结 根、芽 植物体 再分化 培养条件：①无菌②营养物质③适宜条件（温度、PH、光等） ④植物激素： 遮光 光照 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 脱分化 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 生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键。生长素和细胞分裂素的比例和浓度会影响植物细胞的发育方向。 如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药… 排列不规则，高度液泡化，呈不定型状态的薄壁细胞 21 课堂练习 1.培养胡萝卜根组织可获得试管苗，获得试管苗的过程如图所示。回答下列问题。 （1）利用胡萝卜根段进行组织培养可以形成试管苗。用分化的植物细胞可以培养成完整的植株，这是因为植物细胞具有__________。 （2）步骤③切取的组织块中要带有形成层，原因是__ ______________________。 （3）从步骤⑤到步骤⑥需要更换新的培养基，其原因是_______________________ _ 。 在新的培养基上愈伤组织通过细胞的__________过程，最终可形成试管苗。 （4）步骤⑥要进行照光培养，其作用是______ __________________。 （5）经组织培养得到的植株，一般可保持原品种的________________________，这种繁殖方式属于____________繁殖。 全能性 形成层容易诱导形成愈伤组织 再分化 有利于诱导叶绿素形成和植物光合作用 遗传特性 无性 ①随培养时间的增加培养基中营养物质减少、有害代谢产物的积累会抑制愈伤组织的分裂、分化。②形成愈伤组织后，需要调整培养基中生长素与细胞分裂素用量的比例，以影响植物细胞的发育方向 22 1.通过有性杂交能实现吗？为什么？ 【思考.讨论】 不能，不同种物种间存在生殖隔离。 植物体细胞杂交技术 2.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？ 西红柿 土豆 23 二、植物体细胞杂交技术 1.概念： 将不同来源的植物细胞，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 细胞膜的流动性、植物细胞的全能性 原理 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 意义 24 二、植物体细胞杂交技术 参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？ 25 二、植物体细胞杂交技术 合作探究二：请同学们自主阅读教材P36-38，小组合作思考讨论完成问题。 1.你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？ 2.用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？ 3.人工诱导原生质体间的融合方法有哪些？与细胞膜的什么特性有关？ 4.细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？ 5.如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步如何将杂种细胞培育成杂种植株？ 26 二、植物体细胞杂交技术 2.过程： （1）去除细胞壁 B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 方法： 原理： 目的： 酶解法（用纤维素酶和果胶酶） 利用酶的专一性 去除细胞壁，获得原生质体。 细胞壁 （纤维素和果胶） 酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，维持渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破。 27 二、植物体细胞杂交技术 注意：区分原生质体和原生质层 细胞壁 细胞膜 细胞质 液泡 细胞核 指的是脱去细胞壁的细胞。 包括：细胞膜、细胞质、细胞核。 原生质体 成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质。 原生质层 原生质层 28 二、植物体细胞杂交技术 2.过程： （2）诱导融合 B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 正在融合的原生质体 融合 方法： 原理： 细胞膜具有流动性 物理方法： ①电融合法 ②离心法等 化学方法： ①聚乙二醇(PEG)融合法 ②高Ca2+—高pH融合法 是杂交过程中的一个关键环节 29 二、植物体细胞杂交技术 2.过程： （3）再生细胞壁： B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 正在融合的原生质体 融合 再生出细胞壁 杂种细胞 ②新细胞壁的形成与哪些细胞器有关： 高尔基体、线粒体 ①融合完成的标志：______________________________ 融合的原生质体再生出细胞壁 30 二、植物体细胞杂交技术 思考： 若只考虑原生质体的两两融合，A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？ 番茄细胞原生质体 马铃薯细胞原生质体 PEG 未融合的细胞 杂种细胞 自身融合的细胞 等量混合 因此要对融合后的原生质体进行筛选。 31 二、植物体细胞杂交技术 植物组织培养 脱分化 再分化 融合成功标志 原生质体融合 植物体细胞杂交 （完成标志：形成杂种植株） 2.过程： (4)植物组织培养： 32 二、植物体细胞杂交技术 思考：A植物的染色体数目为2n，基因型为AaBb。B植物的染色体数目为2m，基因型为CcDd。根据植物体细胞杂交技术的相关原理，小组合作思考讨论完成表格。 AaBb CcDd 生殖类型 变异类型 染色体数 染色体组数 基因组成 无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律 染色体数目变异 两亲本染色体数之和:2a+2b 两亲本染色体组数之和:2+2 两亲本基因型之和:AaBbCcDd 通过植物体细胞杂交技术得到的杂种植株，理论上是可育的， 原因是： 杂种植株含有两整套遗传物质，减数分裂时同源染色体能正常联会，形成正常配子。 33 二、植物体细胞杂交技术 利用这项技术，科学家培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种植株。 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 3.意义： + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 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？ 有可能杂交不成功，即使杂交成功也可能不产生人们想要的性状。 4.缺点： 34 二、植物体细胞杂交技术 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 原理 过程 意义 联系 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 植物细胞的全能性 离体的植物器官、组织或细胞 愈伤组织 脱分化 再分化 芽、根或胚状体 植物体 生长发育 植物组织培养与植物体细胞杂交技术的比较： 植物细胞A 植物细胞B 原生质体A 去壁 原生质体B 去壁 人工诱导 融合的原生质体AB 杂种细胞AB 愈伤组织 脱分化 再生细胞壁 杂种植株 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 植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术 克服不同种生物远缘杂交的障碍 35 课堂练习 1.图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答： （1）步骤①是 ，最常用的方法是 。 （2）步骤②一般常用的化学试剂是 ，目的是 。　　 (3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，此技术运用的原理是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相当于 。 （4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株， 使　 　　　　 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是　　　　 　　　 。 （5）若远缘杂交亲本A的基因型为AaBb，B的基因型为YYEe，则融合后形成的杂种植株基因型是 。 去除细胞壁，获得原生质体 酶解法 聚乙二醇（PEG） 诱导植物原生质体融合 脱分化 再分化 远缘杂交亲本的遗传特征 杂种植株获得双亲的遗传物质 细胞的全能性 AaBbYYEe 36 课堂小结 植物体细胞的杂交技术 植物细胞工程的基本技术 去除细胞壁 再生细胞壁 纤维素酶果胶酶 植物细A、B 原生质体A、B 融合的原生质体 杂种细胞 原理：植物细胞的全能性 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 (根、芽) 完整植株 物理法： 化学法： 电融合法、离心法等 聚乙二醇（PEG）融合法等 菊花的组织培养技术 愈伤组织 脱分化 杂种植株 再分化 植物组织培养技术 流程 37 练习与应用 一、概念检测 纤维素酶和果胶酶 A 2. 科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道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？ 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.进行a处理时能用胰蛋白酶 B.b是诱导融合后得到的杂种细胞 C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽 D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中 38 练习与应用 二、拓展应用 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"番茄—马铃薯"杂种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，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。 "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? 39 感谢您的观看！ 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 40 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$