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

照片中两只可爱的小孩，分别叫“中中”和“华华”，它们于2017年诞生于中国，是世界首例体细胞克隆猴，轰动全世界！ 1 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，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。 目的 原理 操作水平 你好，还记得我吗？ 克隆羊“多莉” 按操作对象分 植物细胞工程 动物细胞工程 按操作技术分： 植物组织培养、细胞融合、动物细胞核移植技术等 细胞工程 哈伯兰特提出细胞全能性的理论，但相关实验尝试没有成功。 斯图尔德等发现胡萝卜体细胞可分化为胚，为细胞全能性理论提供强有力支持。 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 细胞工程的概述和发展历程 第1节 植物细胞工程 第2章 细胞工程 （一）植物细胞工程的基本技术 植物细胞工程的理论基础是什么？ 什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？ 本节聚焦 1 2 3 怎样进行菊花的组织培养？ 从社会中来 “其茅葺，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。 I have a dream! 其繁殖率低，价格不菲，如何让它大量、快速地繁殖呢？ 鬼兰（幽灵兰）市场价格：1500万每株！ 植物组织培养技术 世上最贵的兰花,没有之一! 播种 扦插 一般情况下： 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 为什么多肉叶片能发育成植株？需具备哪些条件？ 从社会中来 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？ 植物组织培养技术 （无性繁殖） 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 叶子 花瓣 花粉 细胞 植物体 植物细胞工程理论基础是什么? 细胞的全能性 一定条件下： 知识回顾： 必修一第6章第2节 一、植物细胞工程的基本技术 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。（ ) 芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶。（ ） 一、植物细胞工程的基本技术 1.细胞的全能性 (1)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。 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质。 (2)原因： (3)体现标志： 细胞→完整个体或其他各种细胞 × √ √ √ × 哺乳动物成熟红细胞、高等植物成熟筛管细胞没有（无细胞核，无遗传物质） (4)全能性大小比较： 受精卵>胚胎干细胞>生殖细胞>体细胞 植物细胞>动物细胞 （动物细胞目前只有细胞核能体现全能性） 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 生物体内所有细胞都能表现出全能性吗？ 芽原基发育为芽，叶原基发育为叶，没有体现全能性，因为叶原基的细胞只能发育为叶，未发育成完整植株或其他各种细胞。 (5)细胞没有体现全能性的原因： 注意：具有全能性≠表现出全能性 基因在特定时间和空间条件下会选择性地表达。 一、植物细胞工程的基本技术 1.细胞的全能性 (6)植物细胞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。 培养条件： ① 无菌操作； 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 生长素等； ⑤离体状态。 未经受精过程，但经过胚胎发育所形成的胚状类似物，统称为体细胞胚或胚状体。 植物组织培养技术 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 一、植物细胞工程的基本技术 (1)理论基础： 植物细胞的全能性 (2)一般过程： 移栽成活 一、植物细胞工程的基本技术 2.植物组织培养技术 移栽成活 在一定的激素和营养等条件的诱导下，已分化的细胞可经过脱分化即失去其特有结构和功能，转变为未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，称为愈伤组织。愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程称为再分化。 菊花的组织培养 植物组织培养常用的培养基配方(P116) ⑴培养基名称： ； ⑵物理性质： ； ⑶碳源： 。 蔗糖的作用： 作为碳源，提供能量，调节渗透压 固体 蔗糖 MS 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。 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 巧记：高根低芽中愈伤 生长素用量 / 细胞分裂素用量 结果 比值≈1 比值＞1 比值＜1 促进根的分化 促进芽的分化 促进愈伤组织的形成 菊花的组织培养 制备外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 流水冲洗 →酒精消毒30s →无菌水清洗2～3次 →次氯酸钠溶液处理30min →无菌水清洗2～3次。 外植体的消毒 外植体的切段 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。 防止杂菌生长： 一方面与培养物竞争营养； 另一方面产生有害物质危害培养物。 菊花的组织培养 制备外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 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。 接种外植体时，不要倒插！ （将“形态学上端”朝上） 菊花的组织培养 制备外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 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。 置于黑暗 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 激素比例1：1 菊花的组织培养 制备外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 培养15-20天后，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。 置于光照！ 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 若先生根后面就不易生芽 诱导生根 诱导生芽 菊花的组织培养 制备外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 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。 炼苗！ 移栽！ 观察！ 菊花的组织培养 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 。 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。 固体基质型，含水量高、 蓄水性强、透性好，适合栽培 23 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，可向培养基质喷洒质量分数5%的高锰酸钾，并用塑料薄膜覆盖12h，掀开薄膜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。 菊花的组织培养 1.接种3-4d后，检查外植体生长情况，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？ 菊花的组织培养 通常植物体本身进行光合作用产生糖类，不需外部供给糖，但植物组织培养利用的是离体组织或细胞，在其脱分化过程中不能进行光合作用合成糖类，因此必须在培养基中添加糖类，作为碳源和能源物质，同时维持细胞的渗透压。 5.同微生物培养基的配方相比，MS培养基的配方有哪些明显的不同？ 微生物培养基以有机营养为主。与微生物培养不同，MS培养基则需提供大量无机营养，含植物生长必需的大量元素和微量元素，还需添加植物激素。 4.植物是自养生物，为什么用于植物组织培养的MS培养基中需要加入有机物作为碳源？ 若想探究生长素与细胞分裂素使用比例对植物组织培养影响，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 5.进一步探究 二、植物体细胞杂交技术 1.通过有性杂交能实现吗？为什么？ 西红柿 土豆 × 不能，不同种物种间存在生殖隔离 植物体细胞杂交技术 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？ 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？ 二、植物体细胞杂交技术 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 二、植物体细胞杂交技术 将___________的植物体细胞，在一定条件下融合成____________，并把____________培育成____________的技术。 不同来源 杂种细胞 新植物体 杂种细胞 ①细胞膜的流动性 ②植物细胞的全能性 生长期短， 耐热、易贮藏 普通小麦-长穗偃[yǎn]麦草 1. 概念: 2. 融合实例: 原理: 二、植物体细胞杂交技术 成熟植物细胞细胞膜、液泡膜和介于两层膜之间的细胞质 ①去壁原因: 。 ②方法: 。 ③相关酶: 。 *为什么用上述酶？___________________________________ *酶解法利用原理？_________ *纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度无机盐离子和甘露醇，原因？ 细胞壁阻碍着细胞间杂交（原生质体间融合） 酶解法 纤维素酶和果胶酶 植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶构成 酶的专一性 使溶液具有一定渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体正常 (1)去除细胞壁 3. 过程: 原生质层 细胞膜、细胞质、细胞核 二、植物体细胞杂交技术 物理方法：电融合法、离心法 化学方法：聚乙二醇（PEG）融合法、 高Ca2+-高pH融合法 细胞膜具有流动性 3. 过程: (2)原生质体间的融合 ❊融合完成的标志： 再生出新的细胞壁 质壁分离和复原实验 验证再生出新壁实验： 1、参与此过程中的主要细胞器是？ 2、杂种细胞的染色体数是多少？ 3、杂种细胞染色体组数是多少？ 4、融合后，培养基中有几种类型的细胞？ 高尔基体和线粒体 两亲本染色体数之和 两亲本染色体组数之和 ①未融合的细胞： A、B ②两两融合的细胞：AA、BB、AB ③多细胞融合体 需进一步筛选 A为2a=20 B为2b=30 50 4 杂种细胞染色体数为？ 杂种细胞染色体组数为？ 从杂种植株染色体组成上看属于何种变异？ 染色体数目变异 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 ①技术复杂、操作繁琐、工作量大②不一定按人们需要表达优良性状 二、植物体细胞杂交技术 植物细胞具有全能性 3. 过程: (3)植物组织培养 培育成新植物体 ❊植物体细胞杂交完成的标志： (4)意义: (5)缺点: (6)成果: 我国科学家还在木本植物体细胞杂交方面培育出多种柑橘属不同种间杂种植株。 名称 植物组织培养 植物体细胞杂交 原理 选材 技术操作 意义 关系 植物细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性 选取根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化 不同植物细胞融合后形成的杂种细胞 脱分化、再分化等 杂种细胞形成、植物组织培养 植物组织培养是植物体细胞杂交的基础，植物体细胞杂交所用的技术更复杂 保持优良性状，繁殖速度快，可大规模生产 克服远源杂交不亲和的障碍 植物组织培养技术 植物体细胞杂交技术 植物细胞工程基本技术 细胞的全能 脱分化、再分化 细胞膜的流动性、细胞的全能性 获得原生质体、原生质体的融合、植物组织培养 课堂小结 原理 主要过程 原理 主要过程 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 √ 一、概念检测 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? 纤维素酶和果胶酶 二、拓展应用 "番茄—马铃薯"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? 生物体内基因表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，"番茄—马铃薯"杂种植株细胞中虽具备两物种遗传物质，但这些遗传物质表达相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中遗传物质一样有序表达，自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。 Lavf57.25.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.53(gap_fixed:False) Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.51.100 $$