2.1.1 植物细胞工程（第1课时）（情境教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 第1课时 植物组织培养技术 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 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 操作的水平 目的 分类 细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科。 细胞器、细胞或组织水平 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品。 植物细胞工程、动物细胞工程 细胞工程 科技探索之路：植物细胞工程的发展之路 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 情境导入 4 课程标准内容要求 素养目标 1.阐明植物组织培养是在一定的条件下，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。 2．概述植物体细胞杂交是将不同来源的植物体细胞在一定的条件下融合成杂种细胞，继而培育新植物体的技术。 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：查阅资料，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。 教学目标 课程标准内容、素养目标 植物细胞的全能性 1 植物组织培养技术 2 目录 CONTENTS 目录页 6 【问题探讨】 “其芽葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫花开,凝晴瀼露,万态千妍,薰风自来,四坐芬郁,岂非入兰室乎!岂非有国香乎!”这是我国历史上第一部兰谱——《金漳兰谱》（宋·赵时庚）中对兰花的一段描述。从古至今，我国人民都把兰花看作高洁、典雅的象征，很多人喜欢兰花。但是，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。 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？ 7 一、植物细胞的全能性 活动 任务1：植物细胞的全能性 【资料】 利用兰花芽的细胞经组织培养，可以培育成成熟植株。 中国科学院华南植物园华南农业植物遗传育种和分子改良重点实验室吴坤林、曾宋君等科研人员完成的“一种火焰兰一次成苗快速繁殖方法及培养基”获得国家发明专利授权。 火焰兰组织培养流程图 火焰兰组织培养流程图 一、植物细胞的全能性 活动 植物细胞的全能性 讨论： 1.为什么利用植物的体细胞（如芽细胞）就能培养出完整植株？ 2.是否所有的植物细胞都适合进行植物的组织培养？ 正常的植物体细胞具有该生物生长发育和繁殖所需的全套遗传物质，具有全能性。 不是；没有细胞核的筛管细胞无全能性，不适合进行植物的组织培养。 一、植物细胞的全能性 1.细胞全能性的概念 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。 一般来说，生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质都有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。 2.细胞具有全能性的原因（物质基础） 思考 为什么生物体生长发育过程中细胞不表现全能性（未离体的细胞无法表现出全能性的原因）？ 在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达，从而形成生物体的不同组织和器官。 【实例】 芽原基的细胞只能发育为芽； 叶原基的细胞只能发育为叶； 神经干细胞分化形成各类神经细胞； 造血干细胞可分化形成多种血细胞。 10 一、植物细胞的全能性 3.细胞全能性的大小 幼嫩的细胞＞衰老的细胞 分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞 分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞 ①不同细胞的全能性： 受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞（卵细胞＞精子）＞体细胞 ②不同生物的细胞全能性： 植物细胞＞动物细胞 ③体细胞的全能性： 【思考】配子中染色体数比正常体细胞减少了一半，为什么配子还有全能性？ 在体细胞中染色体成对存在，配子染色体数虽然减半，但仍含有完整的染色体组，具有控制生物性状的全部基因。 一、植物组织培养技术 思考 1.是不是所有的活细胞都具有全能性？ 2.种子发育成植株是否体现了细胞的全能性？ 3.细胞具有的全能性一定能表现出来吗？ 不是，例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞。 没有，植物种子种的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能。 不一定，例如动物的体细胞 一、植物组织培养技术 4.植物细胞全能性表达所需的条件 植物细胞全能性表达所需的条件 培养材料 培养基 外界条件 种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素 离体的器官、组织或细胞（即外植体） 无菌环境、适宜的温度、pH等外界条件 一、植物细胞的全能性 5.细胞全能性的实例 利用菊花茎段培养获得试管苗； 利用胡萝卜的韧皮部细胞培养获得胡萝卜幼苗； 受精卵发育成个体； 通过花药离体培养，获得单倍体幼苗。 蜜蜂的孤雌生殖中，卵细胞直接发育成雄蜂； 胚胎干细胞可分化发育成为各种组织器官的细胞。 一、植物细胞的全能性 【应用】下列关于细胞全能性的叙述，不正确的是（ ） A.受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高 B.生物体内的体细胞由于细胞分化，全能性不能表达 C.卵细胞与受精卵一样，细胞未分化，全能性最高 D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性 C 目录 CONTENTS 植物细胞的全能性 1 植物组织培养技术 2 目录页 16 二、植物组织培养技术 活动 任务2：植物组织培养的操作 胡萝卜根 根的切片 韧皮部组织细胞 细胞分裂形成的细胞团 胚状体 试管苗 开花的胡萝卜植株 脱分化 再分化 胡萝卜的组织培养流程如下图所示，阅读教材P34~35，讨论问题。 My First Template 二、植物组织培养技术 活动 任务2：植物组织培养的操作 阅读教材P34~35，讨论问题： （1）进行组织培养过程时需要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作，目的是______________________________________________________________________________。 （2）图中脱分化和再分化阶段是对光照的需求相同吗？ （3）脱分化后产生的薄壁组织团块是什么结构？有没有全能性？ 二、植物组织培养技术 1.植物组织培养技术概念 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：在植物组织培养过程中，从植物体上被分离下来的，接种在培养基上供培养用的原生质体、细胞、组织、器官等。 原理 生殖方式 无性生殖 分裂方式 有丝分裂 植物细胞的全能性 My First Template 二、植物组织培养技术 2.植物组织培养的流程 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽或胚状体 幼苗 完整植株 移栽成活 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 2.植物组织培养的流程——脱分化 概念 实质 结果 条件 在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞的过程。 已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞。 形成愈伤组织 一般不需要光照 愈伤组织：没有特定结构和功能，排列疏松而无规则，高度液泡化的成无定性状态的薄壁细胞团。 该过程中涉及的生命活动只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化。 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽或胚状体 幼苗 完整植株 移栽成活 二、植物组织培养技术 2.植物组织培养的流程——再分化 概念 实质 结果 条件 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程。 基因的选择性表达。 再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 需要给予适当时间和强度的光照 该过程既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽或胚状体 幼苗 完整植株 移栽成活 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。 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 实验原理： （1）植物细胞一般具有全能性。 （2）在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 （3）植物激素中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、比例等都会影响植物细胞的发育方向。 生长素 细胞分裂素 结果 a、比值高 b、比值低 c、比值适中 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 促进愈伤组织的形成 a b c 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 材料用具： （1）外植体： 幼嫩的菊花茎段 (细胞分裂能力强，容易诱导形成愈伤组织) （2）体积分数为70%的酒精： 对手、超净工作台、外植体进行消毒 （3）质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液： 对外植体进行消毒 （4）无菌水： 清洗外植体 （5）培养基 （植物组织培养常用的培养基配方P116-参见本书附录1） 无机营养成分：水和无机盐 有机营养成分：蔗糖、氨基酸、维生素等 特定浓度和比例的激素：主要是生长素和细胞分裂素 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 固体培养基 提供能量，调节渗透压 二、植物组织培养技术 制备外植体 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 （1）消毒 ①双手和超净工作台台面： 用酒精擦拭 ②外植体消毒： 方法步骤 移栽培养 酒精→无菌水洗→次氯酸钠→无菌水洗 30S 2~3次 溶液30min 2~3次 （2）外植体切段 外植体置于无菌的培养皿中→用无菌滤纸吸去表面水分→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。 思考 1.消毒的目的是什么？ 避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养，同时防止有些杂菌危害培养物的生长。 二、植物组织培养技术 制备外植体 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 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，并在培养瓶上作好标记。 方法步骤 移栽培养 思考 2.为什么外植体不能倒插？（了解） 生长素的极性运输有关； 生长素含量多的部分容易生出不定根，含量少的部分生出不定芽，一般而言，容易长不定芽的是形态学上端，容易长不定根的是形态学下端，因此应该将形态学上端朝上，下端朝下，若倒插，外植体不易存活。 【注意】 ①接种操作应在酒精灯火焰旁进行，但注意塑料的瓶口不可灼烧； ②接种时，注意外植体的方向，不要倒插（应使形态学下端接触培养基）。 二、植物组织培养技术 制备外植体 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18~22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。 方法步骤 移栽培养 思考 遮光培养：有光照容易产生维管等组织不利于形成愈伤组织。 3.若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？为什么？ 愈伤组织中不含有叶绿体；培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞，因此，愈伤组织中不含有叶绿体。 二、植物组织培养技术 制备外植体 接种外植体 诱导再分化 诱导脱分化 ①培养15~20 d后，接种到诱导生芽培养基； ②接种到诱导生根培养基； ③进一步诱导形成试管苗。 方法步骤 移栽培养 注意 需要给予适当时间和强度的光照：有光照有利于诱导叶片内叶绿素的合成。 ①注意诱导顺序：先诱导生芽，再诱导生根（若先生根后面就不易生芽）。 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）。 二、植物组织培养技术 制备外植体 接种外植体 移栽培养 诱导脱分化 ①炼苗：移栽试管苗前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。 ②移栽：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。 方法步骤 诱导再分化 生殖方式：无性生殖 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 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，有多少能正常生长，试分析它们被污染的原因。 （2）你培养出愈伤组织了吗？如果培养出来了，从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？这些愈伤组织进一步分化出芽和根了吗？ 用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。导致外植体被污染的原因可能有：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。 观察实验结果，看看是否培养出了愈伤组织，记录多长时间长出了愈伤组织。从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例和时间。 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 结果分析与评价 （3）观察外植体的分化情况，填好结果记录表，并及时分析结果。 （4）你培育的幼苗移栽到露地后，能够正常生长吗？ 做好统计和对照，填好结果记录表，培养严谨的科学态度。从实验的第一步开始就要做好实验记录，可以分组配制不同的培养基，如诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基等，还可以进行不同配方的比较。 生根苗移栽技术的关键是既要充分清洗根系表面的培养基，又不能伤及根系。一般使用无土栽培的办法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷酒质量分数为5%的高锰酸钾，并用塑料薄膜覆盖12h。掀开塑料薄膜24h后才能移栽。新移栽的组培苗要在温室过渡几天，待其长壮后再移植到大田或盆中。可以在课后统计移栽的成活率，看看移栽是否合格。 二、植物组织培养技术 思考 概括植物组织培养中细胞表现出全能性所需要的条件？ 4.适宜浓度和比例的激素 ①对操作环境、双手、外植体进行消毒； ②对培养基和器械进行灭菌； ③接种操作必须在酒精灯火焰旁进行。 ①温度（例如菊花植物组织培养应为18-22℃）； ②光照（例如脱分化需避光，再分化需照光）。 植物激素的种类和含量不同，对愈伤组织的形成和分化的影响不同。 配制合适的培养基，包括有机营养成分、无机营养成分、适宜浓度和比例的激素。 若细胞不离体，细胞中的基因会选择性地表达，从而形成生物体的不同组织和器官，不能表现出全能性。 1.离体（最关键） 2.严格的无菌条件 3.适宜的培养条件 5.一定的营养条件 二、植物组织培养技术 【探究·实践】菊花的组织培养 随堂检测 1.番茄根尖经过植物组织培养过程可以获得完整的番茄植株，有关此过程的叙述错误的是(　　) A.此过程中发生了细胞的脱分化、再分化 B.植物激素在此过程中起调节作用 C.此过程中若发生杂菌污染则难以获得目的植株 D.根尖细胞最终发育为无叶绿体的植株 D 随堂检测 2.为探究矮牵牛原生质体的培养条件和植株再生能力，某研究小组的实验过程如下图。下列叙述正确的是(　　) A.过程①获得的原生质体需悬浮在质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液中 B.过程②需提高生长素的比例，以促进芽的分化 C.过程③需要用秋水仙素处理诱导细胞壁再生 D.原生质体虽无细胞壁，但仍然保持细胞的全能性 D 课堂小结 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 38 Lavf58.46.101 Tencent CAPD MTS $$材料用具，幼嫩的菊花茎段，体积分数为70%的酒精MS培养基母液琼脂粉蔗糖质量分数约为5%的次氯酸钠溶液、蒸馏水培养瓶。制备MS固体培养基。在1000毫升烧杯中加入十克琼脂粉。以及一定量的蒸馏水。加热使琼脂溶解。然后加入蔗糖30克。用玻璃棒搅拌均匀。取配置好的MS培养基母液加入到烧杯中。再加蒸馏水定容至1000毫升。调节PH至5.8，配置好诱导菊花愈伤组织的培养基。分装到带瓶盖的培养瓶中，每瓶分装约90毫升。灭菌，将分装好的培养基蒸馏水加入高压蒸汽灭菌锅中，灭菌15到30分钟。本实验中所使用的用具也一并进行灭菌。外植体消毒。选取菊花茎段时要取生长旺盛的嫩枝，把菊花茎段放在盛有清水的培养皿中进行清洗，在水中可加少许洗衣粉，用软刷轻轻刷洗。刷洗后，在流水下充分冲洗。用75%酒精棉球消毒双手和擦拭实验台。在手上和台面的酒精挥发后，点燃酒精灯。用无菌吸水纸吸干外植体幼嫩的茎断表面的水分。放入体积分数为70%的酒精中。窑洞。立即将外之提取出。在无菌水中清洗2到3次。取出后仍用无菌吸水纸吸干外植体表面水分。然后加入质量分数约为5%的次氯酸钠溶液中。处理30分钟。取出后在无菌水中清洗2到3次，漂净消毒液。接种。取出已灭菌的培养皿和镊子。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。将装有培养基的培养瓶整齐地排列到酒精灯左侧，用镍过军的解剖刀将菊花茎段在无菌培养皿中切成小段长约0.5到1厘米。打开培养瓶瓶盖，左手持瓶使瓶口旋转通过火焰，右手用无菌镊子夹取菊花茎段，将外植体的3分之1到2分之1插入诱导愈伤组织的培养基中，插入时应注意方向，不要倒插门。接种后将瓶盖盖好，每瓶接种6到8块。外植体在培养瓶上做好标记。培养接种了外植体的，培养瓶放在无菌培养箱中培养，培养期间应定期消毒。并把培养温度控制在18到22摄氏度。在培养过程中定期观察和记录愈伤组织的生长情况。培养15到20天后将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上，长出芽后再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。形成的试管苗需要经过炼苗才能移栽。先打开封口膜或瓶盖，在培养箱中培养一周左右，使试管苗逐步适应外部环境。之后取出幼苗，洗去根部的培养基，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。