2.1.1植物细胞工程的基本技术课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第一课时 植物细胞工程的基本技术 第二章 第1节 本节聚焦 1.概述植物组织培养的原理和过程。 2.概述植物体细胞杂交的原理和过程。 一、细胞工程 1.细胞工程的概念： 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的生物工程。 2.细胞工程的分类 植物细胞工程 动物细胞工程 植物组织培养 植物体细胞杂交 动物细胞培养 动物细胞融合 动物体细胞核移植 一、细胞工程 3.细胞工程的发展历程——植物细胞工程的发展 一、细胞工程 3.细胞工程的发展历程——动物细胞工程的发展 从社会中来 “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？ 利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。 二、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 个体生长发育过程中，细胞不会表现出全能性，而是分化成 各种组织和器官，原因是在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性的表达出各种蛋白质，构成不同组织和器官。 2.细胞具有全能性的原因： 生物体的每一个细胞都含有个体发育的全部基因 二、细胞的全能性 判断：细胞全能性大小 （1）植物细胞＞动物细胞； （2）受精卵＞生殖细胞（卵细胞>精子）＞体细胞 （3）细胞分化程度越低，细胞全能性越高； 细胞分化程度越高，细胞全能性越低。 （4）细胞分裂能力强＞细胞分裂能力弱 幼嫩细胞＞衰老细胞 三、植物组织培养 1.植物组织培养概念： 指离体的植物器官、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，诱导其分化为完整植株的技术。 2.理论基础：细胞具有全能性 3.基本过程： 脱分化 再分化 三、植物组织培养 探究实践：菊花的组织培养 植物细胞一般具有全能性。 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，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，这称为愈伤组织。愈伤组织能重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。 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。 将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上，就可以诱导其再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 1.原理： 三、植物组织培养 探究实践：菊花的组织培养 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、用量的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.目的要求： 材料：幼嫩的菊花茎段、培养基、体积分数为70%的酒精、质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液和无菌水等。 3.材料用具： 用具： 50 mL锥形瓶（或植物组织培养瓶）、烧杯、酒精灯、超净工作台（或接种箱）、高压蒸汽灭菌锅、培养箱、封口膜、滤纸、标签、消毒用酒精棉球、培养皿、解剖刀和镊子等。 三、植物组织培养 3.基本过程： 消毒 诱导生根 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 外植体处理 接种 诱导生芽 再分化 用酒精擦拭双手和超净工 作台台面。将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精消毒30s，然后立即用无菌水清洗2〜3次；再用次氯酸钠溶液处理30min后，立即用无菌水清洗2〜3次。 经常选择根尖（分生区）、茎的韧皮部（形成层）等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织。 三、植物组织培养 3.基本过程： 消毒 诱导生根 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 外植体处理 接种 诱导生芽 再分化 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。 防止杂菌生长： ①杂菌与培养物竞争营养； ②产生有害物质危害 培养物。 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，并在培养瓶上做好 标记。（避光） 接种时注意外植体的方向，不要倒插。（形态学上端朝上，下端朝下） 三、植物组织培养 3.基本过程： 消毒 诱导生根 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 外植体处理 接种 诱导生芽 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。 愈伤组织的特点：高度液泡化，排列疏松、不定形的薄壁组织团块。 注：a.具分裂、分化能 力即具全能性 b.无叶绿体,不进行 光合作用 诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。 三、植物组织培养 3.基本过程： 消毒 诱导生根 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 外植体处理 接种 诱导生芽 再分化 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。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。 *注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根； *该过程每日需要给予适当时间和强度的光照； 诱导生根 诱导生芽 诱导生根 试管苗 三、植物组织培养 3.基本过程： 消毒 诱导生根 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 外植体处理 接种 诱导生芽 再分化 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。（炼苗）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。 蛭石和珍珠岩的作用： 保水透气，但不含任何营养物质。 三、植物组织培养 4.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。 2.从刚接种的外植体到长出愈伤组织需经历多少天？ 3.培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？ 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。 2周左右 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。 一般使用无土栽培方法。培养基质要提前消毒，可以向培养基质喷洒质量分数为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。 三、植物组织培养 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、比例都会影响植物细胞的发育方向。 生长素用量与细胞分裂素用量的比值 结果 比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成 比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成 比值适中 促进愈伤组织的形成 三、植物组织培养 若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应如何设计对照实验？ ①空白对照：不加任何激素； ②实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1； ③实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1； ④实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。 四、植物体细胞杂交 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。 思考 1.通过有性杂交能实现吗？为什么？ 不能，不同种物种间存在生殖隔离 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 四、植物体细胞杂交 1.概念： 植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，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。 2.基本过程： 四、植物体细胞杂交 1.概念： 植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，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。 2.基本过程： 植物细胞融合 植物组织培养 四、植物体细胞杂交 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？ 细胞壁阻碍着细胞间的杂交（阻碍了原生质体间的融合） 如何去除细胞壁？ 回顾： 植物细胞细胞壁的主要成分是纤维素和果胶。 去除细胞壁的方法： 酶解法 纤维素酶 果胶酶 去除细胞壁后得到原生质体，类似于动物细胞。 四、植物体细胞杂交 原生质体之间如何诱导融合? 原生质体间的融合（关键环节） 物理法：电融合法；离心法 化学法：聚乙二醇（PEG）融合法； 高Ca2+—高pH融合法 这与细胞膜具有一定的流动性的特性有关 融合后的原生质体有几种类型： AA AB BB 融合后的原生质体需要经过筛选 细胞融合完成的标志 四、植物体细胞杂交 脱分化 植物细胞的全能性 再分化 植物体细胞杂交完成的标志 四、植物体细胞杂交 植物体细胞杂交的小节： 1.概念： 植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，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。 2.遵循原理：细胞膜具有流动性；细胞的全能性 3.两个标志： （1）植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁 （2）植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植物体 4.优点： 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。 四、植物体细胞杂交 植物体细胞杂交的小节： 5.未解决的问题： 有些杂种植株未按照人们的意愿表现出亲代的优良性状 “番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上长番茄、地下结马铃薯。 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。 四、植物体细胞杂交 植物组织培养和植物体细胞杂交的比较 项目 植物组织培养 植物体细胞杂交 原理 植物细胞的全能性 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 过程     四、植物体细胞杂交 植物组织培养和植物体细胞杂交的比较 项目 植物组织培养 植物体细胞杂交 选材 选取根尖、茎尖、具有形成层等容易诱导形成愈伤组织的部位 不同来源的植物体细胞 技术操作 脱分化、再分化 除脱分化、再分化外，还要用酶解法去除细胞壁，用一定的方法诱导细胞融合 ~~~~~练习与应用~~~~~ 一、概念检测 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 A ~~~~~练习与应用~~~~~ 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？ 提示：纤维素酶和果胶酶。因为植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶组成，利用酶的专一性，在降解植物细胞的细胞壁时要利用纤维素酶和果胶酶。 1．下列关于细胞全能性的叙述，不正确的是(　　) A．在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性 B．植物组织培养依据的原理是植物细胞的全能性 C．诱导植物细胞全能性表达的关键激素是生长激素和细胞分裂素 D．雄蜂的发育体现了已分化的动物细胞也具有全能性 C 随堂演练 解析： 在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，因为在生物的生长发育过程中，细胞中的基因会选择性表达，A正确； 植物组织培养的原理是植物细胞的全能性，因为植物组织培养的目的是获得完整的植株，B正确； 诱导植物细胞全能性表达的关键激素是生长素和细胞分裂素，C错误； 雄蜂是由未受精的卵细胞直接发育成一个完整的个体，体现了已分化的动物细胞(卵细胞)也具有全能性，D正确。 随堂演练 2．如图表示用取自基因型为AaBb的胡萝卜韧皮部细胞培育出胡萝卜小苗的过程，下列叙述错误的是(　　)   A．a→b过程是通过细胞有丝分裂完成的 B．b→c→d过程发生了细胞分化 C．a→b过程中使用的培养基中应含有机碳源和氮源 D．杂合植株经上述过程获得的幼苗会出现性状分离 D 随堂演练 解析：a→b过程是脱分化过程，形成愈伤组织，该过程中细胞的分裂方式是有丝分裂，A正确；b→c→d过程为再分化过程，形成根、芽等器官，发生了细胞分化，B正确；a→b过程植物不能进行光合作用，所需的营养来自培养基，培养基应含有机碳源和氮源，C正确；图中植物组织培养过程中细胞的分裂方式是有丝分裂，杂合植株经上述过程获得的幼苗的基因型与亲本相同，仍然为杂合子，不会出现性状分离，D错误。 随堂演练 3．植物组织培养过程中，无菌操作步骤至关重要。下列关于无菌操作的叙述，错误的是(　　) A．不耐高温的植物激素需过滤除菌后才能添加到已灭菌的培养基中 B．超净工作台可用紫外线消毒，镊子、剪刀可灼烧灭菌 C．外植体用次氯酸钠消毒后接种到培养基中 D．玻璃培养皿常采用干热灭菌法灭菌 C 随堂演练 解析：对不耐高温的植物激素除菌时无法用高压蒸汽灭菌法，可以用滤膜过滤除菌，再添加到已灭菌的培养基中，A正确；接种室和超净工作台等表面可用紫外线进行消毒，镊子、剪刀等金属器具可灼烧灭菌，B正确；植物组织培养中的外植体用体积分数为70%的酒精和质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液进行消毒，外植体取出后，要在无菌水中清洗干净后才能接种到培养基中，C错误；玻璃培养皿常采用干热灭菌法灭菌，D正确。 随堂演练 4．如图表示利用植物体细胞杂交技术获得杂种植株白菜—甘蓝的过程，下列有关说法错误的是(　　) A．①过程表示利用酶解法去除细胞壁获得原生质体的过程 B．②过程可用聚乙二醇诱导原生质体融合 C．③过程中高尔基体活动旺盛 D．最终获得的杂种植株体细胞内含19条染色体 D 随堂演练 解析：最终获得的杂种植株体细胞内含有两个亲本的全部遗传物质，即含有20＋18＝38(条)染色体，故D错误。 随堂演练 5．科学家将番茄(2N)和马铃薯(4N)利用如图技术得到“番茄—马铃薯”植株。请据图回答下列问题。 (1)题图中所示技术的原理是___________________和 ______________。 (2)过程Ⅰ使用_____________酶去除细胞壁，从而获得有活力的原生质体。c表示_______________。植物体细胞融合完成的标志是_____________________________。 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 纤维素酶和果胶 正在融合的原生质体 杂种细胞再生出细胞壁(形成新的细胞壁) 随堂演练 (3)过程Ⅳ是________，过程Ⅴ增殖的方式为_________；诱导试管f中植株生根过程的培养基中，生长素与细胞分裂素的比值较过程Ⅳ________(填“高”或“低”)，最终获得的“番茄—马铃薯”属于________倍体植株。 (4)植物体细胞杂交和传统杂交技术相比的优点是 ________________________________________________________________________。 脱分化 有丝分裂 高 六 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，在培养植物新品种等方面展示出独特的优势 随堂演练 EV录屏3.9.6软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Lavf57.83.100 $$null接下来我们一起来学习菊花的组织培养。首先，进行实验前准备。第一步。把用到的实验器材都放到超净工作台里，用紫外光照射30分钟。打开风机，关闭紫外灯，用75%酒精擦洗手和超净工作台。点燃酒精灯。第二步，外植体的制备和消毒，用剪刀剪取幼嫩的菊花茎部，剪去枝和叶的多余部分。将菊花金布放在烧杯中，转入超净工作台中将菊花金布放入70%酒精中浸泡5到30秒。用无菌水冲洗三次，然后用无菌滤纸吸干菊花茎部的水分。接下来把菊花金布放入0.1%氯化汞中浸泡3到8分钟，然后放入无菌水中浸泡两分钟，取出菊花茎部，再次用无菌水冲洗三次，并用无菌滤纸吸干水分。用解剖剪把茎部剪成0.5到1厘米大小的茎段。第三步，制备MS固体培养基。我们在实验室里一般用保存好的培养基母液来制备，根据比例计算用量，加水稀释。将配置好的培养基分装入锥形瓶中。进行高压蒸汽灭菌，完成以上准备工作后，我们就可以进行接种了。首先左手拿锥形瓶，右手揭开封口膜，将封口膜攥于右手手心。然后左手持瓶，使瓶口旋转通过火焰。右手用镊子夹取菊花茎段，插入培养基中。最后将封口膜重新扎好，定期观察茎段的生长情况，观察发现菊花茎段在20天左右长出愈伤组织，然后将愈伤组织转移到分化培养基中，经过15天左右长出幼苗。再将幼苗转移至生根培养基，15天左右生根，长成一株完整的幼苗。这样菊花的组织培养就完成了。