2.1.1 植物细胞工程的基本技术-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

目录 /CONTENTS 01 发酵工程 02 细胞工程 03 基因工程 04 生物技术的安全性与伦理问题 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。 原理和方法 操作水平 目的 分类 细胞生物学、分子生物学和发育生物学 细胞器、细胞或组织 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 动物细胞工程和植物细胞工程 什么是细胞工程? 第3节 植物细胞工程 （第1课时） 【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？ 第2章 细胞工程 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。 3 学习目标、重难点 核心素养 1.能概述植物细胞工程的理论基础。 2.简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。 3.尝试设计鬼兰的组织培养。 1.科学思维：说明植物组织培养和植物体细胞杂交的原理;以流程简图的形式表示植物组织培养技术和植物体细胞杂交的过程。 2.科学探究：尝试探究植物生长素和细胞分裂素使用比例对植物组织培养的影响。 3.生命观念:列举植物组织培养、植物体细胞杂交技术在生产实践中的应用，解释植物细胞工程给人们带来的影响。 1.教学重点 (1)植物组织培养的原理和过程。 (2)植物体细胞杂交的原理。 2.教学难点 植物组织培养的实验 4 导入 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。 市场价格： 1500万每株！ 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？ I have a dream! 一、细胞的全能性 任务一：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.植物组织培养的基本原理？ 2.概述植物组织培养的概念及基本过程（用文字和箭头表示培养流程）？ 3.辨析培养过程中脱分化、再分化以及愈伤组织。 4.请从条件、关键因素、产物等方面比较脱分化和再分化异同。 5.在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？ 植物细胞的全能性 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。 细胞→ 完整个体或其他各种细胞 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？ 芽原基发育为芽，叶原基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。 一、细胞的全能性 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 (1)不同种生物细胞: (2)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） ＞ (3)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。 一、细胞的全能性 潜能 表现出全能性 怎么才能表现出来呢？ 资料：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。 二、植物组织培养技术 任务：请用文字和箭头表示培养流程基本过程？ ②愈伤组织 ④诱导生芽 ①诱导生根 ③炼苗移载 ⑤外植体 ②愈伤组织 ④诱导生芽 ①诱导生根 ③炼苗移载 ⑤外植体 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 分化状态 未分化状态 1.过程： 植物组织培养的流程 观看视频 1、总结培养条件 2、总结实验步骤 （1）离体状态 （2）无菌操作 （3）种类齐全、比例适合的营养物质 （4）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节 （5）适宜的外界条件（温度、pH、光照等） 二、植物组织培养技术 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： 幼嫩的外植体茎段 2-3次 无菌水洗 外植体的年龄越小，分化程度越低，组织培养的成功率就越高。 为什么？ 为什么进行消毒、无菌操作? 避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物生长。 将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中→用无菌滤纸吸去表面的水分→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。 1.方法步骤 将酒精和次氯酸钠溶液清洗干净 二、植物组织培养技术 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。用封口膜或瓶盖封盖瓶口。 不能倒插， (形态学上端朝上,应使形态学下端接触培养基） ②接种外植体 接 种 ③培养愈伤组织 培养 将接种了外植体的锥形瓶置于18～22℃的培养箱中无光培养 有光时，容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 脱分化 1.方法步骤 二、植物组织培养技术 1.方法步骤 ④诱导生芽和生根 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 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）。 再分化 思考1：为什么要先诱导生芽，再诱导生根呢？ 若先生根后面就不易生芽，维管束对接不上，生长素无法及时补充 思考2：再分化需要避光？ 思考3：脱分化与再分化有什么不同？ 生长素比例多 诱导生芽： 生长素比例少 诱导生根： 二、植物组织培养技术 如何引导？ 脱分化 再分化 过程 分裂、分化 结果 需要条件 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激素。它们的浓度、比例都会影响植物细胞的发育方向。 二、植物组织培养技术 脱分化与再分化的比较： 启动外植体有丝分裂、脱分化与再分化的物质是什么？ 外植体→愈伤组织 有分裂，无分化 形成愈伤组织 a.离体、适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素的比例适中 d.一般不需光 愈伤组织→幼苗 有分裂，有分化 形成根、芽 a.离体、适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽 d.光照（诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用。） 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 生长素用量 / 细胞分裂素用量 结果 比值≈1 比值＞1 比值＜1 促进根的分化 促进芽的分化 促进愈伤组织的形成 决定植物脱分化、再分化的关键因素： 二、植物组织培养技术 不相同。诱导分化培养基=MS培养基（基础：含营养物质、琼脂、蔗糖等）+特定浓度和比例的激素 思考4：植物脱分化、再分化所用的培养基完全相同吗？ 1．青蒿素是有效治疗疟疾的药物，几乎不溶于水，且遇热不稳定，所以提取工艺一直难以突破。下图表示科研人员获得青蒿素含量较高的黄花蒿的植物组织培养流程。下列叙述不正确的是(　　) A．选取黄花蒿的分生区组织作为外植体更易得到愈伤组织 B．过程②和过程③分别代表脱分化和再分化过程 C．从愈伤组织中提取青蒿素效果不理想，与相关基因的表达情况有关 D．除向①②过程培养基添加营养物质外，还需添加生长素和细胞分裂素 趁热打铁 B 炼苗、移栽 1.方法步骤 ⑤试管苗移栽 讨论：培育的试管苗能直接移栽露地吗？ ①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。 ②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。 ③每天观察并记录幼苗的生长情 况，适时浇水、施肥，直至开花。 二、植物组织培养技术 2.定义： 3.一般过程： 植指离体的植物器官、组织或细胞（外植体）等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 二、植物组织培养技术 离体培养的植物器官、组织或细胞。 脱分化 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。 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。 再分化 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官。 愈伤组织 无性生殖 有丝分裂 分裂方式 繁殖方式 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） 4.分类： 二、植物组织培养技术 结果分析与评价 ① 接种3~4d后，检查外植体的生长情况，统计有多少外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。 培养基、接种工具灭菌不彻底； 外植体消毒不彻底； 操作过程不符合无菌操作要求等。 被污染的培养基 ③植物是自养生物，为什么用于植物组织培养的MS培养基中需要加入有机物作为碳源？ ②植物组织培养过程需要严格的无菌条件的原因 避免杂菌与培养物竞争营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。 通常植物体本身进行光合作用产生糖类，不需要外部供给糖，但植物组织培养利用的是离体组织或细胞，在其脱分化过程中不能进行光合作用合成糖类，因此必须在培养基中添加糖类，作为碳源和能源物质，同时维持细胞的渗透压。 ④同微生物培养基的配方相比，MS培养基的配方有哪些明显的不同？ 微生物培养基以有机营养为主。与微生物的培养不同，MS培养基则需提供大量无机营养，含有植物生长必需的大量元素和微量元素，还需要添加植物激素。 二、植物组织培养技术 趁热打铁 2.如图所示为菊花组织培养的过程，下列叙述错误的是(　　) A.①过程用酒精、次氯酸钠等对生理状况良好的嫩枝茎段进行表面消毒 B.通过③过程叶肉细胞失去了其特有的结构和功能 C.④过程需要先诱导生根，长出根后再诱导生芽 D.⑤过程移栽前需要先打开封口膜或瓶盖让试管苗适应外界环境 C 欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么好妙招？？？ 思考：利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？ 不能。因为不同种生物之间存在着生殖隔离 三、植物体细胞杂交技术 有没有方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种？ 植物体细胞杂交技术 资料：2003年1月5日，“神舟”四号准确着陆。这次时6天18小时的空行，开展了多项在轨研究，其中有一项被媒体描述成“太空婚礼”的生物实验。不过，“婚礼”中的 “新郎”和“新娘”是一对对体细胞，作为“新房”的是一个黑色的小合子——电融合仪。原来，这是科技工作者在空间微重力条件下进行的细胞融合(cell fusion)实验 是否给你启示了呢？ 三、植物体细胞杂交技术 阅读课文36-38页，图2-4，讨论： （1）要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？ （2）怎样通过比较温和的方法去掉细胞壁？ （3）怎样诱导两个原生质体的融合？与细胞膜的什么特性有关？ （4）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？ （5）这项技术的出现有什么意义？ 三、植物体细胞杂交技术 A细胞 A原生质体 B细胞 B原生质体 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株 植物体细胞融合 植物组织培养 三、植物组织培养技术 三、植物体细胞杂交技术 A细胞 A原生质体 B细胞 B原生质体 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株 植物体细胞融合 植物组织培养 思考1.不同植物的体细胞融合为什么要去壁？ ①去壁 ①去壁 细胞壁障碍体细胞完成融合 去除细胞壁的方法： 酶解法（纤维素酶和果胶酶，利用，酶的专一性） 原生质体=原生质层？ 原生质层 三、植物体细胞杂交技术 A细胞 A原生质体 B细胞 B原生质体 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株 植物体细胞融合 植物组织培养 ①去壁 ①去壁 ②融合 理论基础？ 细胞膜具有流动性 诱导融合 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 融合完成标志？ 参与的细胞器有哪些？ 如何实验验证？ 高尔基体、线粒体 质壁分离后复原 植物体细胞杂交完成的标志? 脱分化 再分化 移栽 三、植物体细胞杂交技术 2．下图所示为植物体细胞杂交的过程，下列相关叙述错误的是(　　) A．A细胞和B细胞诱导融合前要先去除细胞壁，可用纤维素酶和果胶酶处理 B．从A细胞和B细胞到C细胞的过程中，常用离心法，电融合法或聚乙二醇(PEG)诱导融合 C．A细胞和B细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁 D．植物体细胞杂交的目的是获得杂种细胞 趁热打铁 D 三、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？ AA AB BB 筛选 AB 真正符合要求的是AB， 因此要对融合细胞 进行筛选。 A的染色体组为2a=20， 已知基因型AaBb ； B的染色体组为2b=30， 已知基因型CcDd ； 变异类型 染色体数 染色体组数 基因组成 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 AB属于几倍体？ 异源四倍体 生殖方式？ 属于无性生殖， 不遵循孟德尔遗传定律 可育吗？ 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。 三、植物体细胞杂交技术 1. 过程： 植物体细胞杂交 （完成标志：形成杂种植株） 思考："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? 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。 2. 概念： 将不同种的植物体细胞，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技术。 3. 原理： 细胞膜的流动性（原生质体融合） 植物细胞的全能性（杂种细胞培养成杂种植株） 4. 实例： 5. 意义： 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 6. 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。 白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。 三、植物体细胞杂交技术 3．芦笋为雌雄异株植物，其幼茎美味可口，但雄株产量更高。芦笋雄株性染色体组成为XY，雌株性染色体组成为XX。如图为培育雄株的两种方法。下列有关叙述。正确的是(　　) A．雄株甲、丁的性染色体组成不同，甲为杂合子，丁为纯合子 B．培养基中的生长素和细胞分裂素的比例影响愈伤组织的形成 C．形成幼苗甲经过脱分化和再分化过程，而培育雄株丁没有经过这两个过程 D．在雄株甲、丁的培育过程中均发生基因重组，所以它们的基因型相同 趁热打铁 B 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 根、芽或胚状体 植物体 生长发育 植物组织培养与植物体细胞杂交技术的总结 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 课堂总结 (1)高度分化的细胞，只有发育成一个完整的生物个体，才能体现出细胞的全能性。( ) (2)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。( ) (3)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。( ) (4)植物体细胞杂交就是利用一定的方法将去除细胞壁的不同来源的植物细胞融合为杂种细胞的过程。( ) (5)若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞有3种类型。( ) × √ × × √ 1．判断题 课后训练 2．下列关于细胞全能性的叙述，正确的是(　　) A．乳腺癌细胞易于进行离体培养，说明其全能性比较高 B．细胞具有全能性是因为细胞内含有发育所需的全套遗传物质 C．只要是植物体的活细胞，任何条件下都能表达出全能性 D．植物体只有分生区细胞具有全能性，其他部位细胞没有全能性 课后训练 B　 3．如图为烟草植物组织培养过程的示意图。下列有关叙述正确的是(　　) A．对过程①获取的根组织块应做较彻底的灭菌处理 B．过程②应使用适宜的培养基，在有光环境中进行 C．过程③发生脱分化，其实质是基因的选择性表达 D．从根组织块到幼苗形成的过程说明植物根细胞具有全能性 课后训练 D 4．如图为A、B两种二倍体植物体细胞杂交过程示意图，请据图回答下列问题： (1)步骤①采用的方法是________。步骤②常用的化学试剂是__________，之后________(填“需要”或“不需要”)筛选杂种细胞。 (2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，运用的技术手段是________，其中步骤④是__________________。植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，与A、B两种植物相比，该杂种植株是新物种的原因是_____________________________________________________。 (3)培育该杂种植株的过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔遗传规律？为什么？________________________________________。 课后训练 酶解法 聚乙二醇(PEG) 需要 植物组织培养技术　 脱分化 该杂种植株与A、B两种植物间均存在生殖隔离 不遵循，该过程不属于有性生殖 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$