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2章 细胞工程 2.1 植物细胞工程 2.2 动物细胞工程 2.3 胚胎工程 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 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 概念 细胞工程 细胞器、细胞或组织 植物细胞工程和动物细胞工程 科技探索之路 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。 植物细胞工程的发展历程 1902年 1958年 1960年 1964年 1971年 1974年 第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 一、植物细胞工程的基本技术 植物组织培养技术 植物体细胞杂交技术 “其茅葺葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫花开，凝晴滚露，万态千妍，薰（xūn）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（zhānɡ）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，很多人喜欢养兰花。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？ 【从社会中来】 植物组织培养技术 国画作品《兰》 兰花是观赏植物中最常见的一类依靠植物组织培养繁育种苗的植物，其组培苗的数量约占观赏植物组培苗总量的40% 1 选取多肉上健康、饱满的叶片。 2 用剪刀切下整片叶片，切口要平滑、整齐。也可以直接用手轻轻掰下叶片。 3 平躺放在沙床上，叶片间隔相聚2~3厘米。 4 叶片切口不要有碰脏，摆放通风处2~3天，晾干。 5 待叶片晾干后移至半阴处养护。 6 约2~3周后生根，或从叶基处长出不定芽。 7 叶插成功 多肉进行叶插繁殖 【从社会中来】 为什么多肉叶片能发育成植株？需要具备哪些条件？ 叶子 花瓣 花粉 细胞 植物体 植物细胞工程 的基本技术 植物组织培养 植物体细胞杂交 植物细胞工程的理论基础是什么? 细胞的全能性 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。 2.具有全能性的原因： 一般情况下，生物体的每一个细胞都包含有该物种的全部遗传信息，具有发育成完整个体所需要的全套基因。 3.体现全能性的标志： 细胞→ 完整个体或其他各种细胞 实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 受精卵发育成个体（动植物） 蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰 用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株 01 细胞的全能性 4.不体现全能性的实例： 芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶 5.不体现全能性的原因： 基因在特定时间、空间条件下选择性表达 6.全能性大小的比较： 随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。 ①体细胞全能性与细胞分化程度： ②体细胞全能性与细胞分裂能力： ③不同类型细胞的全能性： ④不同生物细胞的全能性： 分化程度低的＞分化程度高的 分裂能力强的＞分裂能力弱的 受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞＞体细胞 植物细胞＞动物细胞 01 细胞的全能性 1.概念： 3.一般过程： 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。 移栽成活 2.理论基础： 植物细胞的全能性 外植体 生殖方式：无性生殖 分裂方式：有丝分裂 02 植物组织培养技术 植物的茎尖、幼嫩的叶片、花药是常用的外植体。 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽等 试管苗 驯化移栽 完整植株 在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。 在_____________________条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为_________，进而形成______________的过程。 一定的激素和营养等 未分化的细胞 愈伤组织 形成愈伤组织（不定形的薄壁组织团块）。 脱分化： 结果： 见光后愈伤组织变为绿色 02 植物组织培养技术 条件： 一般不需要光。 涉及的生命活动： 只有细胞增殖（分裂）。 影响植物组织再分化的因素有：生长素和细胞分裂素的比值、微生物、培养基的离子平衡、pH值、温度 愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。 再分化： 02 植物组织培养技术 实质： 结果： 条件： 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 诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用 既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化 涉及的生命活动： 影响植物组织再分化的因素有：生长素和细胞分裂素的比值、微生物、培养基的离子平衡、pH值、温度 （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） 适宜的培养条件： （体现植物细胞全能性的条件） 02 植物组织培养技术 影响植物组织再分化的因素有：生长素和细胞分裂素的比值、微生物、培养基的离子平衡、pH值、温度 复习 1.全能性的概念、具有全能性的原因、体现全能性的标志、不能体现全能性的原因 2.关于植物组织培养： 外植体指的是？ 常用的外植体有？ 植物组织培养利用的理论基础、繁殖方式、细胞增殖方式、一般过程？ 脱分化指的是？愈伤组织指的是？脱分化的条件？ 再分化的实质？再分化的条件？ 植物细胞体现出全能性的条件？ 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______和______，形成________，长出_______，进而发育成__________； 脱分化 再分化 胚状体 芽和根 完整的植株 ③植物激素中_______和____________是启动_________、______和_______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 细胞分裂 脱分化 再分化 浓度 比例 菊花的组织培养 探究•实践 02 菊花的组织培养 流水冲洗→酒精→无菌水→次氯酸钠溶液→无菌水 外植体的制备 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 探究•实践 幼嫩的菊花茎段 02 30s 30min 消毒 切段 无菌 →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。 选择 一般选用形成层细胞或组织块 形成层细胞由于分裂旺盛，全能性高，容易诱导形成愈伤组织 接种时注意外植体的方向， 不要倒插！ （将“形态学上端”朝上，下端朝下） 菊花的组织培养 探究•实践 02 外植体的制备 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 一般不需要光： 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 培养条件及培养基： ①培养温度：18-220C ②一般不需要光照 ③激素比例1：1、 ④提供有机碳源（蔗糖） 外植体的制备 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 菊花的组织培养 探究•实践 02 注意：先诱导生芽，再诱导生根！ 生芽： 生根： 生长素比例少 生长素比例多 外植体的制备 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 菊花的组织培养 探究•实践 02 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 21 植物组织培养中细胞表现出全能性的条件: A.离体（最关键） B.严格的无菌条件 C.适宜的培养条件 D.适宜浓度和比例的激素 E.一定的营养条件 对操作环境、双手、外植体进行消毒； 对培养基和器械进行灭菌； 接种操作必须在酒精灯火焰旁进行。 温度（例如菊花植物组织培养应为18-22℃）； 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。 菊花的组织培养 探究•实践 02 为什么整个过程要保证无菌操作？ 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。 为什么外植体不能倒插？ 与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。 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。 使用比例 实验结果 生长素 细胞分裂素 > 生长素 细胞分裂素 < 生长素 细胞分裂素 ＝ 有利于根的分化 有利于芽的分化，抑制根的分化 促进愈伤组织生长 菊花的组织培养 探究•实践 02 源于选择性必修3 P116“附录1”： (1)诱导菊花　　　　的培养基：在MS培养基中加入BA(苄基腺嘌呤)和NAA(萘乙酸)，质量浓度均为0.5 mg/L。 (2)诱导菊花　　的培养基：在MS培养基中加入BA和NAA，质量浓度分别为2～3 mg/L和0.02～0.3 mg/L。 (3)诱导菊花　　的培养基：将上述MS培养基中NH4NO3、KNO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O和CaCl2·2H2O的用量减半，并添加NAA或IAA(吲哚乙酸)，质量浓度均为0.1 mg/L。 愈伤组织 生芽 生根 教材隐性知识 【典例1】玉米是一种主要的农作物，为了提高玉米的产量，科学家在玉米育种和栽培中作了大量的研究。如图是关于玉米培养的过程，据图判断下列说法中错误的是(　　) C A.从繁殖原理上分析，A→D属于无性生殖 B.植株D和G中的染色体组数不同 C.E→G不能体现细胞的全能性 D.E→F过程中获得的植株一般不用于大田生产 配子中至少含有一个染色体组，所以配子也具有全能性。 植物的种子发育成完整植株，不能体现细胞的全能性。 解析　A→D是植物组织培养过程，从繁殖原理上分析，属于无性生殖，A正确；植株D是二倍体植株，植株G是单倍体植株，体内的染色体组数不同，B正确；E→G表示花药离体培养形成单倍体幼苗的过程，该过程体现了植物细胞的全能性，C错误；E→F过程中获得的植株是单倍体植株，高度不育，一般没有直接的使用价值，D正确。 25 利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？ 不能。因为两种生物之间存在着天然的生殖隔离 03 植物体细胞杂交技术 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？ 植物细胞融合 + 植物组织培养 去壁 ① 去壁 ① 融 合 ② 再生 新壁 ③ 脱分化 ④ 再分化 ⑤ 移栽 植物细胞融合 植物组织培养 植物体细胞杂交 03 植物体细胞杂交技术 原因： 方法： 相关酶： 纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，试分析原因？ 细胞壁阻碍着细胞间的杂交（阻碍了原生质体间的融合） 酶解法 纤维素酶和果胶酶 使溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，等渗溶液，保持原生质体正常形态 ①去壁 03 植物体细胞杂交技术 物理法 化学法 电融合法 离心法 聚乙二醇（PEG） 高Ca2+-高pH 方法 03 植物体细胞杂交技术 ②原生质体间的融合 理论基础： 融合成功的标志： 参与的主要细胞器： 细胞膜具有流动性 再生出新的细胞壁 高尔基体 概念： 融合实例: 理论基础： 生殖方式： 分裂方式： 可遗传变异类型： 意义: 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。 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 细胞膜的流动性和细胞全能性 03 植物体细胞杂交技术 无性生殖 有丝分裂 染色体（数目）变异 白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。 【典例2】识图：数字代表过程，字母代表细胞、组织或植株 ①_______________ a/b_____________ ②_______________ c_______________ ③_______________ d_______________ ④_______________ e_______________ ⑤_______________ f_______________ ①②③___________ ④⑤____________ 去除细胞壁 原生质体 原生质体间的融合 正在融合的原生质体 再生出新的细胞壁 杂种细胞 脱分化 愈伤组织 再分化 杂种植株 植物细胞融合 植物组织培养 【典例3】若植株A和植株B细胞结构如图所思，A有X条染色体，B有Y条染色体，通过植物细胞融合技术获得杂种细胞AB，则： ①杂种细胞的染色体数为______ ②杂种细胞的基因型为__________ ③杂种细胞中染色体组数为________ ④得到的杂种植株为____倍体 ⑤理论上该植株可育吗？ __________________________________________ ⑥得到的杂种植株与植株A和植株B还是同一物种吗？ __________________________________________ X+Y DdYyRr 4 四 可育，有同源染色体，同源染色体能联会，可形成配子 异源四倍体 不是，因为存在生殖隔离（无法产生可育后代） 【典例4】图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答： （1）步骤①是 ，最常用的方法是 。 （2）步骤②一般常用的化学试剂是 ，目的是 。　　 (3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，此技术运用的原理是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相当于 。 （4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株， 使　　　　　 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是　　　　　　　 。 （5）若远缘杂交亲本A的基因型为AaBb，B的基因型为YYEe，则融合后形成的杂种植株基因型是 。 去除细胞壁 酶解法 聚乙二醇（PEG） 诱导植物原生质体融合 脱分化 再分化 远缘杂交亲本的遗传特征 杂种植株获得双亲的遗传物质 细胞的全能性 AaBbYYEe 34 【典例4】（6）从理论上讲，杂种植株的育性　　。若运用传统有性杂交方法能否实现？　　　；原因是　　　 。 因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于　　　　　　　　　　　 。 （7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？ 　　 。 可育 不能 不同种生物之间存在生殖隔离 不遵循； 因为孟德尔遗传规律发生在有性生殖减数分裂产生配子时，而植物体细胞杂交育种属于无性生殖。 克服了远缘杂交不亲和的障碍 思考：(P38拓展) 杂种植株包含两个物种的全部遗传物质，各种基因都包含在内，却未按照人们的要求表现出亲本所有的性状，例如“番茄-马铃薯”并没有地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？ 1978年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的体细胞杂种，所产生的杂交株被称为“马铃薯-番茄”。像大多数杂种一样，杂交植株同时具有马铃薯和番茄的形态特征，但是并没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯—番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益。 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，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，它们不能像在原植株细胞内实现有序表达，因此不能按照人们的要求；表现出亲本所有的性状 思考：据报道，某男子培育出一株奇怪的植株，实现了“地上长番 茄、地下结马铃薯”，你认为该男子可能是利用什么方法获 得的该植株？ 分析：__________________________________________。 接穗 砧木 嫁接。以土豆植株为砧木，以番茄植株为接穗 练习与应用 一、A 纤维素酶和果胶酶 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.53(gap_fixed:False) $$