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

2.1 植物细胞工程的基本技术 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 细胞工程 植物细胞工程发展历程 哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。 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 从社会中来---兰花-高洁、典雅的象征 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。 如何让名贵的兰花大量、快速繁殖，走入寻常百姓家？ ——植物组织培养技术 鬼兰（幽灵兰） 1500万每株！ 播种或扦插 播种或扦插 一片花瓣 一个细胞 细胞具有全能性 一粒花粉 2.体现全能性的标志： 1.定义： 细胞→ 完整个体或其他各种细胞 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。 一、细胞的全能性 ①胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 ②受精卵发育成个体（动植物） ③蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰 ④用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株 3.细胞具有全能性的原因： 一般来说，生物体的每个细胞中都含有发育成为完整个体所需的全部遗传信息。 不是每个活细胞都有全能性，例如哺乳动物成熟的红细胞。 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 ＞ ＞ 思考：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 4.细胞没有体现全能性的原因： 在特定时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性表达。 二、植物组织培养技术 2.原理： 1.概念： 指 的植物器官、组织或细胞等，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 的技术。 离体 完整植株 植物细胞的全能性 外植体 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。 3.生殖方式： 无性生殖 4.分裂方式： 有丝分裂 4.植物组织培养的流程： 接种外植体 脱分化 诱导愈伤组织 诱导生芽 再分化 移栽成活 该实验具体如何操作呢？ 离体培养的植物器官、组织或细胞。 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。 不定形的薄壁组织团块。（细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、无叶绿体。） 再分化 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官。 诱导生根 【探究·实践】——菊花的组织培养 1.实验原理： 植物细胞一般具有 。 全能性 注意：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 比值高(＞1) 比值低(＜1) 比值适中(=1) 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 生长素类作用：用于诱导细胞的伸长生长和根的分化； 细胞分裂素类作用：促进组织细胞的分裂或从愈伤组织和器官上分化出不定芽。 巧记：高根低芽中愈伤 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：MS培养基（P116--参见本书附录1） 包括无机营养成分（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）； 灭菌方法为： 高压蒸汽灭菌法 2.材料用具： （1）培养基名称： ； （2）物理性质： ； （3）碳源： 。 附录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） 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) （1）消 毒 双手和超净工作台台面: 用酒精擦拭 外植体: ①流水冲洗 ②酒精消毒30s→③立即用无菌水清洗2～3次 ④次氯酸钠溶液处理30min→⑤立即用无菌水清洗2～3次。 （2）外植体切段 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。 3.操作步骤： （3）接种到诱导愈伤组织培养基 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。 注意：将“形态学上端”朝上，下端朝下 （4）脱分化——诱导愈伤组织 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。 注意：该过程一般不需要光照，有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。 （5）再分化——诱导生芽生根 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培养。 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。 【注意】该过程每日需要给予适当时间和强度的光照！ 原因：诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用 过程中涉及的生命活动： 既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。 （6）移栽培养 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。 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 【总结】植物组织培养中细胞表现出全能性的条件 （1）离体状态（最关键） （2）严格的无菌条件： 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。 （3）适宜的培养条件： （4）适宜浓度和比例的激素： （5）一定的营养条件： 温度，PH、光照等 包括有机营养成分、无机营养成分 主要是生长素和细胞分裂素 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 【现学现用】 B 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 3.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_____________________________________________________________________________________________________________________。 （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 遗传特性 无性 诱导愈伤组织形成和诱导愈伤组织分化形成试管苗所需的生长素和细胞分裂素的比例不同 诱导叶绿素的形成，使试管苗能够进行光合作用 三、植物体细胞杂交技术 西红柿 土豆 1.要培育出如图所示的番茄—马铃薯利用传统有性杂交方法能实现吗？ 科学家欲利用番茄和马铃薯培育出地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。 不能。因为不同种生物之间存在着生殖隔离 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？ 植物体细胞杂交技术 1.概念：将__________的植物体细胞，在一定条件下融合成____________，并把杂种细胞培育成__________的技术。 无性生殖 不同来源 杂种细胞 新植物体 融合实例: + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 三、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： 酶解法（用纤维素酶和果胶酶） 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。 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 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： 细胞膜具有流动性 ①物理法：电融合法、离心法等 ②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+—高pH融合法 原理： 2.过程： （3）细胞壁再生： 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新的细胞壁 2.过程 A细胞 B细胞 A原生质体 B原生质体 正在融合的原生质体 杂种细胞 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株 ① ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ①去除细胞壁 ②诱导融合 ③细胞壁再生 ④脱分化 ⑤再分化 ⑥移栽 植物细胞融合 植物组织培养 （4）植物组织培养 植物细胞融合完成的标志： 融合的原生质体再生出新的细胞壁 植物体细胞杂交完成的标志： 培育成新植物体 在此过程中活跃的细胞器是 。 线粒体和高尔基体 3.原理：体细胞杂交利用了细胞膜的_________，杂种细胞培育成杂种植株利用了植物细胞的__________。 全能性 流动性 4.标志： 5.优点和局限性 ①优点：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 ②局限性：目前有许多理论和技术问题未解决，还不能让杂种植株按照人们的需求表现出双亲的杂合性状。 融合细胞类型的分析 1.只考虑两两融合, A种原生质体与B种原生质体可以形成几种融合细胞？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？ 有 种融合类型： AA、BB、AB 我们需要的是？ AB 3 培养基中共有 种类型的细胞？ 因此要对融合后的原生质体进行 。 筛选 AA、BB、AB A、B 5 + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 2.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于 倍体。 36 （异源）四 3.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）进行杂交（相互授粉），所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为 ，属于 倍体。 （异源）二 18 染色体变异 基因重组 (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．易错辨析 【现学现用】 2.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 A 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 B 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？________________________________________。 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 $$