2.1.1 植物细胞工程的基本技术-【堂堂清】2024-2025学年高二生物下学期同步精品课件（2019人教版选择性必修3）

第二章 细胞工程 概念： 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生物工程。 植物细胞工程 动物细胞工程 ①原理方法：细胞生物学、分子生物学和发育生物学 ②操作水平：细胞器、细胞或组织水平 ③目的：获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 ④分类：植物细胞工程、动物细胞工程 1902年，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。 1958年，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。 1960年，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。 1964年，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。 1971年，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。 1974年，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 植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。 科技探索之路· 植物细胞工程发展历程 植物细胞工程，便是以植物 2.1.1 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？ 温故知新：细胞的全能性 1.概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生 或 分化成 的潜能,即细胞的全能性。 2.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 。 完整生物体 其他各种细胞 全部遗传信息 生物体生长发育过程中,所有的细胞都能表现出全能性吗？ 思考 不是。如：芽原基的细胞只能发育为芽， 叶原基的细胞只能发育为叶。 原因：在特定的时间和空间条件下， 细胞中的基因会选择性地表达。 具有全能性不等于能表现出全能性 温故知新：细胞的全能性 火焰兰的快速繁殖 如何才能让细胞表现出全能性？ 思考 植物组织培养技术 ①离体 ②人工配置的培养基 ③适宜的培养条件 ④无菌等 植物组织培养技术 01 1.概念：指将 的植物器官、组织或细胞等， 培养在 上，给予 ， 诱导其形成 的技术。 2.过程： 离体 人工配制的培养基 适宜的培养条件 完整植株 统称外植体 实验原理 植物组织培养技术 菊花的组织培养 探究·实践 1. ： 在一定植物激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过 脱分化形成愈伤组织，再分化成芽和根等器官，进而发育成完整的植株。 植物细胞的全能性 请简单概括出植物组织培养的技术流程图。 思考 外植体 愈伤组织 芽、根 植株 脱分化 再分化 实验原理 植物组织培养技术 菊花的组织培养 探究·实践 ①愈伤组织：细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、 、呈 团块。 ②脱分化：已经分化的细胞，经过诱导， 失去其特有的结构和功能而转变成 细胞（愈伤组织）的过程。 ③再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养， 又可以重新 出根、芽等器官的过程。 未分化 不定形的薄壁组织 未分化 分化 愈伤组织 无叶绿体 图中的愈伤组织细胞与叶肉细胞相比，不含有的细胞器是叶绿体， 原因：外植体经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 生长素/细胞分裂素 结果 比值高 比值低 比值适中 2.激素的作用： 植物激素中 和 是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素，它们的 、 等都会影响植物细胞的发育方向； 生长素 细胞分裂素 浓度 比例 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 注意：由愈伤组织进行细胞分化时， 一般要先诱导其生芽，然后诱导其生根。 实验原理 ①外植体： ②体积分数为70%的酒精： ③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液: ④无菌水: ⑤培养基（参见本书附录1） ：水和无机盐 ：蔗糖、氨基酸、维生素等 特定浓度和比例的激素( ) 琼脂（ 培养基） 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 材料用具 幼嫩的菊花茎段 (容易诱导形成愈伤组织) 对手、超净工作台、外植体进行消毒 对外植体进行消毒 清洗外植体 无机营养成分 有机营养成分 生长素和细胞分裂素 固体 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 ①培养基名称： ； ②物理性质： ； ③碳源： 。 MS 固体培养基 蔗糖 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 菊花组织培养过程中，诱导外植体脱分化形成愈伤组织的培养基中加入蔗糖等有机物的原因是？ 思考 材料用具 ①作为碳源，提供能量。 注：此时外植体不能进行光合作用制造有机物。 ②调节渗透压。 a.双手和超净工作台台面: 。 b.外植体: → 充分冲洗； → 消毒30s； →立即用 清洗2～3次； → 处理30min； →立即用 清洗2～3次。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 用酒精擦拭 流水 酒精 无菌水 次氯酸钠溶液 无菌水 ①消毒工作 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ②外植体切段 消毒过的外植体置于 . 吸去外植体表面水分 用解剖刀切成 长的小段 无菌培养皿 无菌滤纸 0.5~1cm 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ③外植体接种 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 （生长素/细胞分裂素比值 ） 封口膜封盖瓶口，并做好标记 无菌区域 形态学下端 适中 注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！ 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ④诱导脱分化 将外植体置于 的培养箱中培养 定期观察和记录愈伤组织的生长情况 18~22℃ 注：脱分化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。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑤诱导再分化 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。 （生长素/细胞分裂素比值 ） 形成试管苗 长出芽后， 再将其转接到诱导生根的培养基上。 （生长素/细胞分裂素比值 ） 低 高 注意：再分化过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照(诱导叶绿素的合成)！ 先生芽，再生根。 原因：若先生根，后面不易生芽。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑥移栽试管苗 打开封口膜或瓶盖, 让试管苗在培养箱内生长几日 每天观察并记录生长情况 用流水清洗掉根部的培养基后， 将幼苗移植到 等 环境中，待其长壮后再移栽入土 消毒的蛭石或珍珠岩 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑥移栽试管苗 珍珠岩 【资料】蛭石 具有良好的保温性能和透气性，吸水能力强。 【资料】珍珠岩 透气性强，具有很好的排水性。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 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，并分析它们被污染的原因。 思考 ①培养基、接种工具灭菌不彻底； ②外植体消毒不彻底； ③操作过程不符合无菌操作要求等。 注：实验中使用的培养基和所有器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。 被污染的培养基 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？ 思考 既要充分清洗根系表面的培养基，又不能伤及根系 炼苗 无土栽培 提示：不能， 在移栽前一般需要 ,目的是提高组培苗对外界环境条件的适应性。 新移栽的试管苗要在温室过渡几天，待其长壮后再移植到大田或盆中。 另外要注意移栽技术的关键是： , 一般使用 的办法。 (1)植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出全能性(　　) (2)在植物组织培养时，对外植体要进行灭菌处理(　　) (3)若用菊花茎切段作为外植体，应将其形态学上端插入诱导愈伤组织的 培养基中(　　) (4)诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样(　　) 植物组织培养技术·判断正误P23 × 不一定； 01 × 消毒处理； × 形态学下端； × 生长素与细胞分裂素的比值不同； 1.下列关于菊花组织培养的叙述，正确的是(　　) A．用自然生长的茎进行组织培养需要用适宜浓度的乙醇和次氯酸钠的混合液消毒 B．培养瓶用专用封口膜封口可防止外界杂菌侵入并阻止瓶内外的气体交换 C．再生植株需要去除根部残留的培养基进行锻炼后才能移种大田 D．试管苗锻炼时采用蛭石作为栽培基质的原因是蛭石带菌量低且营养丰富 植物组织培养技术·落实思维方法P23 01 C 外植体消毒:酒精消毒-无菌水清洗-次氯酸钠-无菌水清洗，×; 不影响气体交换，×; 蛭石保水透气，但不含营养，×; 2．如图是植物组织培养过程示意图，下列相关说法正确的是(　　) A．上述植物组织培养过程依据的生物学原理是植物细胞具有全能性 B．需要对外植体进行严格的灭菌处理，以防止杂菌污染 C．外植体若是月季的花药，则图中的①过程需要光照 D．外植体若是菊花的根尖组织，因细胞中没有叶绿体， 故培养成的新植株叶片无色 植物组织培养技术·落实思维方法P23 01 A 消毒，×; ①脱分化-不需要光照且应避光培养，×; 有全套基因，细胞分化过程中， 基因的选择性表达会使叶片呈绿色，×; 植物组织培养技术·综合强化小本P100 01 右图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题： (1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括 和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和 两类植物激素。 (2)此过程依据的原理是 。A和B阶段主要进行的 分裂方式是 ，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞 等。 无机物 生长素 植物细胞的全能性 有丝分裂 分化 植物组织培养技术·综合强化小本P100 01 右图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题： (3)此过程要无菌操作，主要是指对 进行灭菌处理。B阶段需要光照，原因是 。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素， 这是基因 的结果。 培养基 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件 选择性表达 从社会中来 20世纪60年代，科学家尝试将番茄和马铃薯杂交，希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的“超级作物”。讨论：用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗？为什么？ 不能,因为两种生物之间存在着生殖隔离； 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， 获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？ 思考 番茄-马铃薯（想象图） 植物体细胞杂交技术 02 1.概念：植物体细胞杂交是指将 ， 在一定条件下融合成 ， 并把杂种细胞培育成 的技术。 2.实例：白菜-甘蓝、普通小麦-长穗偃[yǎn]麦草等杂种植株。 不同来源的植物体细胞 杂种细胞 [资料]白菜-甘蓝 生长期短，耐热、易贮藏。 新植物体 目的 植物体细胞杂交技术 02 要想将植物体细胞进行融合，首要解决的是什么问题呢？ 思考 有效去除植物细胞的细胞壁(主要成分：纤维素和果胶)。 纤维素酶 果胶酶 酶解法 原生质体：除去细胞壁后植物细胞剩余部分。 细胞壁 ＝ — 注：原生质体≠原生质层 植物体细胞杂交技术 02 1.原理： 。 2.方法： ①物理法： 、 。 ②化学法： 、 。 3.结果：获得 。 关键环节 原生质体之间如何融合呢？ 思考 电融合法 细胞膜具有流动性 杂种细胞 离心法 聚乙二醇（PEG）融合法 高Ca2+-高pH融合法 植物体细胞杂交技术 02 3.过程： ③脱分化 ④再分化 ⑤移栽 植物细胞融合 植物组织培养 原理 标志 过程 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 再生出新的细胞壁 培育出杂种植株 意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种,培育植物新品种。 植物体细胞杂交技术 02 【拓展思考①】 A种原生质体与B种原生质体融合后，有 种类型(只考虑两两融合)， 分别是 ，其中我们需要的是 ， 所以原生质体融合后， 我们要对融合后的原生质体进行 。 3 AA、BB、AB AB 对融合后的原生质体进行筛选 例：可利用叶绿体颜色等原生质体的物理特异性差异为标志对杂种细胞进行筛选。 例如：马铃薯和番茄原生质体融合后，融合成功的杂种细胞类型可能有： 马铃薯—马铃薯型、番茄—番茄型、马铃薯—番茄型等。 我们需要的是马铃薯—番茄型。 我们可以利用细胞系互补、原生质体物理特异性及生长特异性等 差异对杂种细胞进行筛选。 植物体细胞杂交技术 02 【拓展思考②】 A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb。 B细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd， 则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的: 染色体条数： ； 染色体组数： ； 基因型： ； 属于可遗传变异类型中的 。 植物体细胞杂交过程中没有有性生殖细胞的结合，因此应为 生殖。 2x+2y 4个 AabbccDd 染色体数目变异 注：杂种植株属于异源多倍体。 无性 规律：都采用直接相加的方法。 (1)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞(　　) (2)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术(　　) (3)植物原生质体融合的原理是植物细胞的全能性(　　) (4)利用物理法或化学法可以直接诱导两个植物细胞融合(　　) 植物体细胞杂交技术·判断正误P24 × 获得杂种植株； 02 √ × 细胞膜具有流动性； × 应先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得具有活力的原生质体， 再用物理法或化学法诱导原生质体融合； 3．人参皂苷是人参的主要活性成分。科研人员分别诱导人参根与胡萝卜根产生愈伤组织并进行细胞融合，以提高人参皂苷的产率。下列叙述错误的是(　　) A．细胞融合前应去除细胞壁 B．高Ca2＋—高pH溶液可促进细胞融合 C．融合的细胞即为杂交细胞 D．杂交细胞可能具有生长快速的优势 植物体细胞杂交技术·落实思维方法P25 02 C 只考虑细胞两两融合，融合的细胞中有人参根－人参根细胞、人参根－胡萝卜根细胞、胡萝卜根－胡萝卜根细胞，只有人参根－胡萝卜根细胞才是杂种细胞，×; 4．如图为植物体细胞杂交技术的流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析，下列叙述错误的是(　　) A．经过程①获得的a、b称为原生质体，过程②利用了细胞膜的流动性 B．c细胞只有AABB这一种类型 C．过程④和⑤分别是脱分化和再分化 D．获得的植株d，因为在减数分裂时同源染色体能正常配对， 所以理论上是可育的 植物体细胞杂交技术·落实思维方法P25 02 若只考虑两两融合，则融合的细胞有三种类型：AAAA、BBBB、AABB，×; B 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 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? 随堂小练·书本P38 A 纤维素酶和果胶酶，×; 纤维素酶 和果胶酶。 随堂小练·书本P38 二、拓展应用 “番茄-马铃著”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? 提示：生物体内基因的表达 （“是”或“不是”）孤立的， 它们之间是 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。 不是 相互调控、相互影响 【微点强化】植物细胞工程与育种 单倍体育种 传统杂交育种 植物体细胞杂交育种 诱变育种 多倍体育种 传统杂交育种 1.主要流程： ； 2.培育周期： ； 3.变异类型： ； 4.优点： ； 5.缺点： ； 人工杂交+自交+筛选 一般需要5～6年 基因重组 操作较为简单 培育周期较长 01 杂交育种有没有产生新基因？ 思考 没有产生新基因， 也没有出现新性状。 诱变育种 02 1.主要流程： ； 2.培育周期： ； 3.变异类型： ； 4.优点： ； 5.缺点： ； 物理、化学诱变 基因突变 无法确定 突变率高，可在短时间内获得更多优良的变异类型 变异不定向，可预见性小，需要处理大量材料 单倍体育种 03 1.主要流程： ； 2.培育周期： ； 3.变异类型： ； 4.优点： ； 5.缺点： ； 花药离体培养(单倍体幼苗) 一般需要两年 基因重组+染色体数目变异 大大缩短育种年限 技术含量高，不易操作 由配子发育而来，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。 什么是单倍体？ 思考 一般是纯合子 一般高度不育 +人工诱导染色体加倍(正常植株) 多倍体育种 04 1.主要流程： ； 2.培育周期： ； 3.变异类型： ； 4.优点： ； 5.缺点： ； 用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗形成多倍体 一般需要两年 染色体数目变异 提高营养物质含量 发育延迟，结实率低 由受精卵发育而来， 体细胞中含三个或三个以上染色体组的个体。 什么是多倍体？ 思考 植物体细胞杂交育种 05 1.主要流程： ； 2.培育周期： ； 3.变异类型： ； 4.优点： ； 5.缺点： ； 植物细胞融合+植物组织培养 当年就可获得 染色体数目变异 实现远缘杂交育种 技术含量高，不易操作 归纳总结 (1)操作简便的育种方法: ；(2)能产生新性状的育种方法: ；(3)能打破生殖隔离的育种方式: ； (4)显著缩短育种年限的育种方式: ； (5)能产生无子果实的育种方式: ； 杂交育种 诱变育种 植物体细胞杂交育种 单倍体育种 多倍体育种 随堂小练 1.下列有关植物体细胞杂交和生物个体杂交的比较中，不正确的是(　　)A.植物体细胞杂交可以克服不同种生物之间的生殖隔离B.植物体细胞杂交获得的是杂种细胞，生物个体杂交获得的是生物个体C.生物个体杂交属于有性生殖，而植物体细胞杂交属于无性生殖D.植物体细胞杂交可发生在不同种植物个体之间，生物个体杂交只能在 同种生物个体之间 植物体细胞杂交，使得不同的物种能杂交,√； B 生物个体杂交-减数分裂-有性生殖，植物体细胞杂交-有丝分裂-无性生殖,√； 杂种个体，×； 不同物种存在生殖隔离，植物体细胞杂交技术可以实现远缘杂交育种，√； 随堂小练 2.植株甲是二倍体水稻，利用植株甲获得了植株乙，而后利用植株甲和乙又获得植.株丙和丁。培养过程如图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A.用秋水仙素处理植株甲的雌蕊柱头可获得植株乙 B.植株丙与植株丁的体细胞中染色体组的数目相同 C.植株丁的花药离体培养可得到植株丙 D.获得植株丙和植株丁的过程都属于有性生殖 C 应处理萌发的种子或幼苗,×； 不同，×； 3N 2N 4N 6N 6N→3N，√； 获得植株丙-有性生殖，获得植株丁-无性生殖，×； $$