2.1 植物细胞工程（第1课时）-【爱上生物课】2024-2025学年高二生物备课通关优质课件（人教版2019选择性必修3）

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。 1902年 1958年 1960年 1964年 1971年 1974年 植物细胞工程的发展历程 第1节植物细胞工程 第二章细胞工程 植物细胞工程的基本技术 1975年，米尔斯坦和科勒，创立单克隆抗体技术 1890年，希普，世界上首例胚胎移植成功 1907年，哈里森， 首创了动物组织体外培养法 1951年，张明觉， 发现哺乳动物精子获能现象 1958年，格登，体细胞核移植成功 1959年，试管家兔诞生 1978年，胚胎分割移植工程 1981年，埃文斯， 分离和培养小鼠胚胎干细胞 1996年，克隆羊诞生 2006年，山中伸弥， 获得诱导多能干细胞 2014年，单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿诞生 2017年，我国科学家首次培育了体细胞克隆猴 科技探索之路 从社会中来 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? 植物组织培养。 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，即细胞具有全能性。 （2）体现全能性的标志： 种子发育成植株，体现了植物种子的全能性。（ ） 胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株。（ ） 受精卵发育成个体。（ ） 胚胎干细胞分化成其他种类的细胞。（ ) × √ √ √ 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体现了基因的选择性表达 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 注意：具有全能性≠表现出全能性。 细胞的全能性 (4)植物细胞具有全能性的原因： 一般来说，生物体的每一个细胞都含有该物种所持有的 全套遗传信息。 (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 不同种生物细胞: 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 ＞ （动物细胞具有全能性，但目前只有细胞核能体现全能性） ＞ 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 ＞ ＞ 不是每个活细胞都有全能性， 高等植物成熟的筛管细胞、哺乳动物成熟的红细胞因失去了核遗传物质，所以不具备全能性。 细胞的全能性 (6)表现出全能性的条件： 潜能 表现出全能性 怎么才能表现出来呢？ 1958年Steward利用胡萝卜韧皮部诱导分化产生了胚状体，这是人类第一次获得了人工胚状体，并获得个体植株。 （必修一 P118-121） ① 离体 ② 一定的营养物质、植物激素 ③ 适宜的温度、pH等外界条件 ④ 无菌环境 移栽成活 一、植物组织培养 1.什么是植物组织培养？其基本原理是什么？ 2.什么是外植体？脱分化?再分化?愈伤组织？ 3.愈伤组织有什么特点？ 合作探究：请同学们自主阅读教材P35-36，小组合作思考讨论完成问题。 一、植物组织培养 1.植物组织培养技术 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 (1)概念： (2)生殖方式： (3)分裂方式： 无性生殖 有丝分裂 (4)原理： 植物细胞的全能性 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 一、植物组织培养 2.植物组织培养流程 接种外植体 离体培养的植物器官、组织或细胞。 脱分化 诱导愈伤组织 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、无叶绿体、不定形的薄壁组织团块。 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。 诱导生芽 再分化 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官。 诱导生根 移栽成活 该实验具体如何操作呢？ 愈伤组织 既有细胞增殖，又有细胞分化。 一、植物组织培养 3.决定植物脱分化、再分化的关键因素： 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 关键激素 生长素和细胞分裂素 结果 比值≈1 比值＜1 比值＞1 促进芽的分化 促进根的分化 促进愈伤组织的形成 生长素用量 细胞分裂素用量 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 生长素作用：用于诱导细胞的 和 的分化； 细胞分裂素作用：促进组织细胞的分裂或促进 的分化。 伸长生长 根 芽 巧记：生根分芽中愈伤 一、植物组织培养 脱分化 再分化 过程 分裂、分化 结果 需要条件 有分裂，无分化 有分裂，有分化 形成愈伤组织 形成根、芽 a.离体、适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素的比例适中 d.一般不需光（有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织） a.离体、适宜的营养 c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽 d.光照（诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用） 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗 4.脱分化与再分化的比较 探究 · 实践：菊花的组织培养 1.实验目的 （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.材料用具 (1)外植体： 幼嫩的菊花茎段 (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 (4)无菌水: 清洗外植体 植物组织培养瓶 探究 · 实践：菊花的组织培养 拓展：植物组织培养常用的培养基配方 P116 （1）培养基名称： ； （2）物理性质： ； （3）碳源： 。 MS培养基 固体培养基 蔗糖 作为碳源，提供能量。 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) 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 ①双手和超净工作台台面: 用酒精擦拭 ②外植体: 酒精 30S 无菌水洗 2-3次 次氯酸钠溶液 30min 2-3次 无菌水洗 防止杂菌生长：①杂菌与培养物竞争（种间竞争）营养； ②产生有害物质危害培养物。 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 切割 将消过毒的外植体置于无菌培养皿中 →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。 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 接种到诱导愈伤组织培养基形成愈伤组织 培养温度：18-220C、避光 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？ 接种外植体时，不要倒插！ （将“形态学上端”朝上） 脱分化 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 ②接种到诱导生根培养基 ①培养15〜20 d后，接种到诱导生芽培养基 ③进一步诱导形成试管苗 注意： ①注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根。 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）。 若先生根后就不易生芽！ 探究 · 实践：菊花的组织培养 愈伤组织 再分化 芽 根 外植体 脱分化 适中 高 低 生长素 细胞分裂素 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 探究 · 实践：菊花的组织培养 3.方法步骤 外植体的消毒 外植体的切段 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 炼苗、移栽 每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。 炼苗！ 移栽！ 观察！ 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。 生殖方式：无性生殖 分裂方式：有丝分裂 探究 · 实践：菊花的组织培养 固体基质型，含水量高、 蓄水性强、透性好，适合栽培 珍珠岩 ,珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩 。 蛭石是一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。 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 探究 · 实践：菊花的组织培养 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，有多少能正常生长，并分析它们被污染的原因。 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)从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？ 一般需要2周左右的时间。 探究 · 实践：菊花的组织培养 4.结果分析与评价 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。可以在课后统计移裁的成活率，看看移栽是否合格。 (3)培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？ 及时训练 1.番茄根尖经过植物组织培养可以形成完整的番茄植株。下列有关叙述错误的是(　　) 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 2.在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，需要的条件是(　　) ①消毒和灭菌　②一定浓度的植物激素　③适宜的温度 ④充足的光照　⑤充足的养料 A.①③④⑤ B.②③④⑤ C.①②③④ D.①②③⑤ D 小结 根、芽 胚状体 脱分化 再分化 培养条件： ①无菌 ②营养物质 ③适宜环境条件（温度、PH、光等） ④植物激素： 细胞分裂素 生长素 遮光 一定的光照 愈伤组织 离体的植物器官、组织或细胞（外植体） 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 试管苗 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 试管苗一般在高湿、弱光、恒温等条件下培养生长 试管苗的光合作用能力弱，在移栽前应给予较强光照闭瓶炼苗，以促进幼苗向自养苗转化。 问题探讨 西红柿 土豆 番茄-马铃薯（想象图） [思考2]“番茄—马铃薯”，通过什么技术能够获得呢？ [思考1]地上结番茄，地下长土豆的超级作物通过传统的有性生殖可以产生吗？ 植物体细胞杂交技术。 不能，因为不同种生物之间存在着生殖隔离。 二、植物体细胞杂交技术 参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？ 二、植物体细胞杂交技术 合作探究：请同学们自主阅读教材P36-38，小组合作思考讨论完成问题。 1.不同植物的体细胞发生融合，遇到的第一个障碍是什么？用什么方法可以温和地去除这个障碍而不伤害原生质体？（什么是原生质体？） 2.为什么用上述酶可以去除细胞壁？利用了什么原理？ 3.诱导原生质体融合的方法有哪些？两个原生质体能融合的原理是什么？ 4.从结果上看，杂种细胞遗传物质有什么特点？ 5.如何将杂种细胞培养成杂种植株？ 6.植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？ 二、植物体细胞杂交技术 3．两个细胞能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？ 去细胞壁(去掉细胞壁的剩下部分称为原生质体） 酶解法（纤维素酶和果胶酶） 流动性 植物组织培养技术 1．不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？应该怎么处理？（什么是原生质体？） 2．有没有一种温和的去壁方法呢？利用了什么原理？ 4.如何将杂种细胞培育成杂种植株？ 酶的专一性 光学显微镜下的烟草细胞原生质体 二、植物体细胞杂交技术 B细胞 A细胞 B原生质体 去壁 A原生质体 去壁 （一）过程： 1.去除细胞壁 ①去壁原因： 。 。 ②方法： 。 ③相关酶溶液： 。 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 纤维素酶和果胶酶溶液 （1）为什么要去除细胞壁？用什么方法可以去除细胞壁？ （2）为什么用上述酶可以去除细胞壁？利用了什么原理？ 植物细胞壁主要由纤维素和果胶构成 酶的专一性 （3）上述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？ 使溶液有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破。 二、植物体细胞杂交技术 原生质体和原生质层的区别： 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 二、植物体细胞杂交技术 B原生质体 A原生质体 正在融合的原生质体 融合 （一）过程： 2.原生质体间的融合 ①理论基础： 诱导原生质体融合的原理是什么？方法有哪些？ 细胞膜具有流动性 ②方法： 物理方法： 化学方法： 电融合法、离心法 聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法 对细胞无毒害作用，操作简便，可重复性好 使用方便，融合频率高 缺点：有一定的毒性，某些细胞不适用（如卵细胞） 二、植物体细胞杂交技术 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 杂种细胞 （一）过程： 3.再生细胞壁 (1)植物细胞融合完成的标志: 融合的原生质体重新产生细胞壁，形成杂种细胞。 (2)直接参与细胞器: 高尔基体 质壁分离和质壁分离复原实验 (3)验证再生出新壁的实验： 间接参与：线粒体提供能量 植物细胞融合完成的标志 二、植物体细胞杂交技术 [ 拓 展 ]融合细胞类型的分析 思考： 若只考虑原生质体的两两融合，A种原生质体与B种原生质体融合后，有哪几种类型？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？ 番茄细胞原生质体 马铃薯细胞原生质体 PEG 未融合的细胞 杂种细胞 自身融合的细胞 等量混合 因此要对融合后的原生质体进行筛选。 二、植物体细胞杂交技术 B细胞 A细胞 B原生质体 去壁 A原生质体 去壁 正在融合的原生质体 融合 再生出细胞壁 杂种细胞 愈伤组织 脱分化 再分化 杂种植株 移栽 （一）过程： 4.植物组织培养 植物组织培养 原生质体融合 植物体细胞杂交 （完成标志：形成杂种植株） 二、植物体细胞杂交技术 （二）：植物体细胞杂交的概念 将不同来源的植物细胞，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。 （三）：优势 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 利用这项技术，科学家培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种植株。 + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 二、植物体细胞杂交技术 为什么“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？（拓展应用P38） 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。 二、植物体细胞杂交技术 思考：A植物的染色体数目为2n，基因型为AaBb。B植物的染色体数目为2m，基因型为CcDd。根据植物体细胞杂交技术的相关原理，小组合作思考讨论完成表格。 AaBb CcDd 生殖类型 变异类型 染色体数 染色体组数 基因组成 无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律 染色体数目变异 两亲本染色体数之和:2a+2b 两亲本染色体组数之和:2+2 两亲本基因型之和:AaBbCcDd 通过植物体细胞杂交技术得到的杂种植株，理论上是可育的， 原因是： 杂种植株含有两整套遗传物质，减数分裂时同源染色体能正常联会，形成正常配子。 染色体数目变异 属于可遗传变异中的哪种类型？ 二、植物体细胞杂交技术 [ 拓 展 ]有性杂交与植物体细胞杂交的比较 植物A体细胞染色体数20条 植物B体细胞染色体数40条 有性杂交 后代体细胞中染色体数_____条 植物体细胞杂交 后代体细胞中染色体数_____条 植物A为二倍体 植物B为四倍体 有性杂交 后代为_____倍体 植物体细胞杂交 后代为_____倍体 (1)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。 (2)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。 30 60 六 三 36 (异源)四 18 (异源)二 植物组织培养和植物体细胞杂交技术的比较 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 原理 过程 意义 联系 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 植物细胞的全能性 离体的植物器官、组织或细胞 愈伤组织 脱分化 再分化 芽、根或胚状体 植物体 生长发育 植物细胞A 植物细胞B 原生质体A 去壁 原生质体B 去壁 人工诱导 融合的原生质体AB 杂种细胞AB 愈伤组织 脱分化 再生细胞壁 杂种植株 再分化 保持优良性状,繁殖速度快、大规模生产提高经济效益 植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术 克服不同种生物远缘杂交的障碍 及时训练 1.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，获得原生质体 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 及时训练 （1）图中过程：①为 ，②为 ， ③为 ，④为 ，⑤为 。 （2）细胞融合成功的标志是 ， 植物体细胞杂交技术成功的标志是 。 （3）植物体细胞杂交技术的原理是 。 （4）植物体细胞杂交技术的意义是 。 去除细胞壁 诱导细胞融合 再生出新的细胞壁 脱分化 再分化 再生出新的细胞壁 形成杂种植株 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 打破生殖隔离，实现远缘杂交 小结 植物体细胞的杂交技术 植物细胞工程的基本技术 去除细胞壁 再生细胞壁 纤维素酶果胶酶 植物细A、B 原生质体A、B 融合的原生质体 杂种细胞 原理：植物细胞的全能性 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 (根、芽) 完整植株 物理法： 化学法： 电融合法、离心法等 聚乙二醇（PEG）融合法等 菊花的组织培养技术 愈伤组织 脱分化 杂种植株 再分化 植物组织培养技术 流程 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 练习与应用 一、概念检测 纤维素酶和果胶酶 A 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？ 感谢观看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$