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

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。 1.原理方法:_ 2.操作水平:_ 3.目的:_ 4.分类:_ 细胞生物学、分子生物学和发育生物学 细胞器、细胞或组织水平 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 植物细胞工程、动物细胞工程 细胞工程 1 2.1 植物细胞工程 2.2 动物细胞工程 2.3 胚胎工程 第二章 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 第二章 细胞工程 第一节 植物细胞工程 2.1.1植物细胞工程的基本技术 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: 为什么多肉叶片能发育成植株? 1.概念: 经分裂和分化后,仍然具有 或 的潜能。 细胞全能性的原因: 一、植物细胞的全能性 分化成其他各种细胞 产生完整生物体 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全部遗传信息。 细胞 2.体现全能性的标志: 细胞 完整个体或其他各种细胞 实例: 受精卵发育成个体 蜜蜂卵细胞发育成雄峰 通过花药离体培养,获得单倍体幼苗 胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 胚胎干细胞可分化发育成为各种组织器官的细胞 说明种子形成一个完整的植株没有体现细胞的全能性 6 一、植物细胞的全能性 4.各种细胞全能性大小的比较: 受精卵>干细胞>体细胞 受精卵>生殖细胞>体细胞 植物细胞>动物细胞 分裂能力越强,全能性越强 分化程度越高,全能性越低 3.生长发育过程中细胞没有表现全能性的原因 在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会 。 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。 选择性地表达 高度分化的植物组织细胞,如叶片和花瓣的细胞还能不能在适宜的条件下表现出全能性? 高度分化的植物组织细胞,如叶片和花瓣的细胞还能不能在适宜的条件下表现出全能性?植物组织培养技术可以实现这个目标。 7 二、植物组织培养技术 1.概念: 指将离体的植物器官、组织或细胞(称为外植体)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。 2.原理: 植物细胞的全能性。 3.过程: 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 移栽成活 (1)脱分化 ①概念 在一定的_和_等条件的_下,_的细胞_,转变成_的过程; ②实质 _ ③结果:_ *愈伤组织的特点: ④光照条件:_ ⑤过程中涉及的生命活动 _ 激素 营养 诱导 已经分化 失去其特有的结构和功能 未分化的细胞 已经分化的细胞失去其特有的结构和功能,转变为未分化的细胞 形成愈伤组织 不定形的薄壁组织团块(无叶绿体) 一般不需要光照 只有细胞增殖(有丝分裂),没有细胞分化 (2)再分化: ①概念 _能重新_成_的过程; ②实质 _ ③结果 _ ④光照条件:_ 为什么?_ ⑤过程中涉及的生命活动 _ 愈伤组织 分化 芽、根等器官 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 4.适宜的培养条件:(细胞表现全能性的条件) (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) 二、植物组织培养技术 蔗糖:提供能量、调节渗透压 *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 1.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 生长素/细胞分裂素 结果 比值高(>1) 比值低(<1) 比值适中(=1) 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 流水充分冲洗 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 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽生根 移栽 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。 2.实验步骤 菊花的组织培养 无菌操作目的: 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。 13 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 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。 注意: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) 接种外植体 2.实验步骤 菊花的组织培养 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 移栽 诱导愈伤组织 培养基及培养条件: 生长素与细胞分裂素比例为1:1 置于黑暗 提供有机碳源(蔗糖) 温度18 -22 2.实验步骤 菊花的组织培养 有光时,往往容易形成维管组织,而不易形成愈伤组织。 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 移栽 诱导生芽生根 注意:先诱导生芽,再诱导生根!若先生根后面就不易生芽 1.生芽过程: 2.生根过程: 生长素比例少、有机营养 生长素比例多、无机营养 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。 2.实验步骤 菊花的组织培养 试管苗 16 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 促进愈伤组织生长 3.进一步探究 菊花的组织培养 4. 特殊的植物组织培养——花药离体培养 生殖方式为特殊的有性生殖 花药 试管苗 脱分化 再分化 愈伤组织 单倍体: 植株矮小、高度不育 秋水仙素 诱导 纯合品种 生殖方式为特殊的有性生殖,培养过程中只涉及有丝分裂 配子中至少含有一个染色体组,所以配子也具有全能性。 18 思考: 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? 利用传统有性杂交方法能实现吗?为什么? 不能。因为不同种生物之间存在着生殖隔离 1.过程 A细胞 B细胞 纤维素酶 果胶酶 1.去壁: 酶解法 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 2.诱融 物理法: 化学法: 电融合法、离心法 聚乙二醇(PEG)融合法、 高Ca2+ —高PH融合法等 脱分化 再分化 移栽 植物细胞融合 植物组织培养 杂种植株 愈伤组织 A原生质体 B原生质体 移栽后的植株 二、植物体细胞杂交技术 (高尔基体) 2.植物体细胞杂交的概念: 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。 3.原理: 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 4.两个标志 (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 5.实例: 白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等。 6.意义: 打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育新品种。 二、植物体细胞杂交技术 思考:(P28拓展题) 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 22 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 相关思考: 原生质体 原生质层 原生质体 细胞壁 细胞膜 细胞质 液泡 细胞核 原生质层 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 1.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? 使溶液具有一定的渗透压, 防止原生质体吸水过多而涨破,保持原生质体正常 3.杂种细胞的染色体数是多少? 4.杂种细胞染色体组数是多少? 5.融合后,培养基中有几种类型的细胞? 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 2.如何验证已经再生出新细胞壁? 质壁分离和质壁分离复原实验 24 植物体细胞杂交和有性杂交的辨析: 例.若植株A和植株B细胞结构如图所示,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? _ 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 植物体细胞杂交和有性杂交的辨析: 例.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: ⑥得到的杂种植株与植株A和植株B还是同一物种吗? _ 不是,因为存在生殖隔离(无法产生可育后代) 植物体细胞杂交和有性杂交的辨析: 有关植物体细胞杂交的三个易错点: 【检测】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,分离原生质体 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 29 (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 【课堂小结】 植物细胞工程的基本技术 所采用技术的理论基础 植物细胞的全能性 通常采用的 技术手段 植物组织培养技术 植物体细胞杂交技术 (1)高度分化的细胞,只有发育成一个完整的生物个体,才能体现出细胞的全能性。( ) 解析:高度分化的细胞,只要是能发育成完整生物个体,或者分化形成其他各种细胞,都认为是表现出了全能性。 (2)植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。( ) (3)植物激素中的生长素和赤霉素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。( ) 解析:植物激素中的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。 (4)试管苗在诱导形成后,就可以直接移栽到土壤中,不过还需要适时浇水、施肥。( ) 解析:试管苗在诱导形成后,要先经过壮苗等过程才可以移栽到土壤中。 √ 【基础过关】 (5)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞。( ) (6)植物体细胞杂交利用了植物组织培养技术。( ) (7)植物体细胞杂交就是利用一定的方法将去除细胞壁的不同来源的植物细胞融合为杂种细胞的过程。( ) 解析:植物体细胞杂交包括原生质体制备、原生质体融合和植物组织培养等过程。 (8)若原生质体均为两两融合,则融合后的细胞有3种类型。( ) √ √ 【典例】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 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。 34 【检测】关于植物组织培养的再分化过程,说法错误的是( ) A.再分化过程中,不同细胞内合成了功能不同的特异性蛋白质 B.脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同 C.再分化过程在实验室或植物组织培养车间进行,需要避光处理 D.再分化过程中,核遗传物质没有发生改变,但mRNA有变化 C 解析 再分化的本质就是细胞分化,分化的实质是细胞内的基因选择性表达,不同细胞内转录出不同的mRNA,合成了功能不同的特异性蛋白质,A、D正确;决定植物脱分化和再分化的关键因素是植物激素的浓度和用量比例,因此脱分化与再分化过程所使用的培养基主要是激素浓度及用量比例的不同,B正确;诱导愈伤组织期间一般不需要光照,但再分化过程将形成根和芽等营养器官,芽的形成需要一定的光照,同时叶绿素的形成过程也离不开光照,所以再分化过程需要光照,C错误。 35 1.图是“番茄—马铃薯”杂种植株的培育过程,其中①~⑤表示过程,字母表示细胞、组织或植株。下列相关叙述正确的是( ) C A.过程①表示在低渗溶液中用酶解法处理植物细胞获得原生质体 B.过程②诱导原生质体融合依据的原理是细胞膜具有选择透过性 C.可以根据是否发生质壁分离现象鉴别杂种细胞的细胞壁是否再生 D.植物有性杂交和体细胞杂交都能克服远缘杂交不亲和的障碍 【课堂检测】 解析 获得植物原生质体的操作一般在等渗溶液中进行,若在低渗溶液中进行,则去掉细胞壁的原生质体会因吸水而涨破,A错误;过程②为诱导原生质体融合,主要依据的原理是细胞膜具有流动性,B错误;具有细胞壁是植物细胞可以发生质壁分离的条件之一,故可根据是否发生质壁分离现象鉴定细胞壁是否再生,C正确;植物有性杂交不能打破物种间的生殖隔离,无法克服远缘杂交不亲和的障碍,D错误。 36 C 2.如图为通过矮牵牛原生质体形成再生植株的过程,有关叙述错误的是( ) A.过程①用纤维素酶和果胶酶获得原生质体 B.过程②是基因选择性表达的结果 C.过程③需用秋水仙素处理诱导细胞壁再生 D.原生质体无细胞壁但仍保持细胞的全能性 解析 过程①用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体,A正确;过程②是脱分化过程,存在基因选择性表达,B正确;过程③再生细胞壁不需要秋水仙素诱导,C错误;原生质体无细胞壁但仍具有该生物全套的遗传物质,因此仍保持细胞的全能性,D正确。 37 B 3.植物组织培养可以形成愈伤组织,下列有关愈伤组织的叙述错误的是( ) A.愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的 B.形成愈伤组织的培养基不含有机分子 C.愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 D.愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对 4.植物体细胞杂交尚未解决的问题是( ) A.去除细胞壁,分离出有活力的原生质体 B.将杂种细胞培育成植株 C.让杂种植物按照人们的需要表现亲代的优良性状 D.尚未培育出属间杂种植物 C 解析 愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的,A正确;形成愈伤组织的培养基含有机分子,B错误;愈伤组织经过再分化可以形成具有生根发芽能力的胚状结构,C正确;线粒体中可进行DNA复制、转录和翻译,核糖体中可进行翻译,故愈伤组织细胞的线粒体和核糖体中可能发生碱基互补配对,D正确。 38 39 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.53(gap_fixed:False) $$