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（2019）选择性必修3

第2章　细胞工程 第1节 植物细胞工程 第1课时　植物细胞工程的基本技术 导学聚焦 1.生命观念——基于对植物组织培养原理的理解，阐明植物生命发生、发展的过程。 2.科学思维——运用模型与建模、归纳与概括的方法，掌握植物组织培养和植物体细胞杂交的流程。 3.科学探究——能依据实验步骤，制订实验方案，完成菊花的组织培养操作。 目录 细胞工程 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。 目录 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 目录 问题探讨 “其茅葺，其叶青青，犹如绿衣女郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫开也，凝情瀼露，万态千妍，熏风自来，四坐芬郁，岂非如兰室乎！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；传统的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，从而走向寻常百姓家呢？ 讨论：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？ 提示：利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。 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% 目录 一、植物细胞工程的基本技术 1.植物组织培养技术 2.植物体细胞杂交技术 包括 理论基础：细胞的全能性 目录 （一）细胞的全能性 1.概念 细胞经______和______，仍然具有_________________或_____________________的______，即细胞具有_________。 2.细胞具有全能性的原因（物质基础）* 一般来说，生物体的细胞中都含有___________________________， 都有_____________________________________； 3.生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因 （不离体的细胞无法表现出全能性的原因）* __________________________________________________________ __________________________________________________________ 分裂 分化 产生完整生物体 分化成其他各种细胞 潜能 全能性 该物种的全套遗传物质 发育成为完整个体所需的全部遗传信息 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（从而形成生物体的不同组织和器官） 目录 4.全能性大小比较 （1）受精卵、体细胞、生殖细胞 ________________________________________________ （2）分化程度高的细胞、分化程度低的细胞 ________________________________________________ （3）分裂能力强的细胞、分裂能力弱的细胞 ________________________________________________ （4）植物细胞、动物细胞 ________________________________________________ （5）幼嫩的细胞、衰老的细胞 ________________________________________________ 受精卵＞生殖细胞＞体细胞 分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞 分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞 植物细胞＞动物细胞 幼嫩的细胞＞衰老的细胞 目录 5.实例 （1）表现出全能性的例子 ①利用菊花茎段培养获得试管苗； ②利用胡萝卜的韧皮部细胞培养获得胡萝卜幼苗； ③受精卵发育成个体； ④蜜蜂的孤雌生殖中，卵细胞直接发育成雄蜂； ⑤通过花药离体培养，获得单倍体幼苗； ⑥胚胎干细胞可分化发育成为各种组织器官的细胞； 目录 5.实例 （2）未表现出全能性的例子 ①芽原基的细胞只能发育为芽，叶原基的细胞只能发育为叶； ②神经干细胞分化形成各类神经细胞； ③造血干细胞可分化形成多种血细胞； *多利羊的诞生只表现了动物细胞核的全能性，没有表现出动物细胞的全能性 目录 思考 （1）是不是所有的活细胞都具有全能性？ 不是； 例如哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞（没有细胞核） （2）种子发育成植株体现了全能性了吗？ 没有； 植物种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能； （3）细胞具有的全能性一定能表现出来吗？ 不一定； 例如动物的体细胞 目录 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呢？ 目录 （二）植物组织培养技术 1.概念 植物组织培养是指将______的植物______、______或______（称为________）等，培养在人工配制的_______上，给予_____________，诱导其形成__________的技术； 2.原理：____________________ 3.生殖方式：__________ 4.分裂方式：__________ 离体 器官 组织 细胞 外植体 培养基 适宜的培养条件 完整植株 植物细胞的全能性 无性生殖 有丝分裂 目录 5.过程 外植体 愈伤组织 脱分化 胚状体 再分化 完整植株 诱导生芽、生根 外植体：离体培养的植物器官、组织或细胞 目录 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。 5.过程 离体的植物器官、组织或细胞（外植体） 脱分化 愈伤组织 如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药…… 排列不规则，高度液泡化，呈不定形的薄壁组织团块 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 目录 5.过程 外植体 脱分化 愈伤组织 ②结果：__________________________________ ③光照条件：______________________________ ④过程中涉及的生命活动： __________________________________________ 形成愈伤组织（不定形的薄壁组织团块） 一般不需要光照 只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化 （遮光） 目录 5.过程 外植体 脱分化 愈伤组织 （遮光） 再分化 胚状体 诱导生芽 诱导生根 植株 移栽成活 （2）再分化 ①概念 ___________能重新_______成_______________的过程。 ②实质 ___________________________________________ ③光照条件： ___________________________________________ 为什么？ ___________________________________________ ④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 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 （照光） 既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化 目录 思考： 若培养物取自植物的幼茎、叶片等含有叶绿体的部位，愈伤组织中是否会含有叶绿体？为什么？ 提示：愈伤组织中不含有叶绿体； 培养物经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞，因此，愈伤组织中不含有叶绿体。 目录 6.植物组织培养中细胞表现出全能性的条件 （1）离体（最关键） *若细胞不离体，细胞中的基因会选择性地表达，从而形成生物体不同组织和器官，不能表现出全能性； （2）严格的无菌条件 ①对操作环境、双手、外植体进行消毒； ②对培养基和器械进行灭菌； ③接种操作必须在酒精灯火焰旁进行； （3）一定的营养条件 *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； 目录 6.植物组织培养中细胞表现出全能性的条件 （4）适宜的培养条件 ①温度（例如菊花植物组织培养应为18-22℃）； ②光照（例如脱分化需避光，再分化需照光）； （5）适宜浓度和比例的激素 *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 生长素/细胞分裂素的比值 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 目录 7.实例——菊花的组织培养 （1）原理 ①植物细胞一般具有_______； ②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化出的细胞可以经过_________和_________，形成________，长出________，进而发育成____________； 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； 全能性 脱分化 再分化 胚状体 芽和根 完整的植株 生长素 细胞分裂素 细胞分裂 脱分化 再分化 浓度 比例 目录 7.实例——菊花的组织培养 （2）材料用具 ①外植体：______________ *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； 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 *对外植体进行消毒 ④无菌水 *清洗外植体 幼嫩的菊花茎段 目录 7.实例——菊花的组织培养 （2）材料用具 ⑤培养基（参见本书附录1） *包括无机营养成分（水和无机盐）、有机营养成分（蔗糖、氨基酸、维生素等）、特定浓度和比例的激素（主要是生长素和细胞分裂素）； *蔗糖的作用：提供能量，调节渗透压 *培养基灭菌方法为：___________ 湿热灭菌法 目录 思考： 组培过程中较易染杂菌，因此应在实验前应确定培养基灭菌彻底，如何确定？ 提示：将1-3瓶培养基放置于恒温培养箱，预培养3d左右，若无污染，则培养基灭菌彻底，可使用。 *制备好的培养基应尽量在2周内使用，含植物激素的培养基建议在4℃保存。 目录 7.实例——菊花的组织培养 （3）方法步骤 ①消毒 用酒精擦拭双手和超净工作台台面 流水冲洗 酒精消毒 立即无菌水清洗 次氯酸钠溶液处理 立即无菌水清洗 30s 2-3次 30min 2-3次 目录 思考： 若想缩短消毒时间，可以怎么做？ 适当提高次氯酸钠溶液的浓度 ②外植体切段 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 目录 ③接种 在酒精灯火焰旁，将外植体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，并在瓶盖上作好标记； *接种操作应在酒精灯火焰旁进行，但注意塑料的瓶口不可灼烧； *接种时，注意外植体的方向，不要倒插（应使形态学下端接触培养基） 目录 思考： 1.为什么整个过程要保证无菌操作？ 提示：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。 2.为什么外植体不能倒插？（了解） 提示：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。 目录 ④脱分化 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； *该过程一般不需要光照； *有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织； 目录 ⑤再分化 *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； 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 将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗 目录 ⑥移栽培养 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。 目录 思考： 整个过程中使用的培养基中，生长素/细胞分裂素的比值大小是如何变化的？ 提示：比值适中→比值低→比值高。 目录 （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： 提示：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需经历多少天？ 提示：③2周左右。 目录 （4）结果分析与评价 ③培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？ 提示：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。 目录 （4）结果分析与评价 ④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？ 提示：空白对照：不加任何激素 实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1； 实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1； 实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1； 目录 问题探讨 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。 讨论： 用传统的有性杂交方法能得到杂种后代吗？为什么？ 提示：不能； 因为两种生物之间存在着生殖隔离； 有没有一种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？ 目录 （三）植物体细胞杂交技术 1.概念 植物体细胞杂交是指将__________的____________，在__________下______成__________，并把__________培育成_________的技术； 2.原理：_____________________________________________ 3.生殖方式：___________ 4.分裂方式：_________________ 5.可遗传变异类型：__________________ 6.实例：白菜-甘蓝、普通小麦-长穗偃麦草 7.意义*：_______________________________________________ 不同来源 植物体细胞 一定条件 融合 杂种细胞 杂种细胞 新植物体 植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性 无性生殖 有丝分裂 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 目录 植物体细胞杂交过程 植物细胞融合 植物组织培养 细胞膜的流动性 细胞的全能性 目录 （1）去除细胞壁 ①去壁原因： ___________________________________________________________ ②方法：________________ ③所用酶：_______________________________ *为什么用上述酶？__________________________________________ *酶解法利用了原理？________________________________________ *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 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 目录 （2）原生质体间的融合 原理： 细胞膜的流动性 物理法 化学法 方法 离心法 高Ca2+-高pH融合法 电融合法 聚乙二醇（PEG）融合法 目录 原生质体与原生质层 原生质体 指的是脱去细胞壁的细胞，动物细胞也可看作是原生质体 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。 区别： 原生质层不包括细胞液和细胞核 目录 （3）再生出新的细胞壁 ①细胞融合完成的标志*： __________________________________ ②相关的细胞器： __________________________________ 再生出新的细胞壁 高尔基体和线粒体 目录 （4）植物组织培养——脱分化、再分化 ①原理： __________________________________ ②植物体细胞杂交完成的标志*： __________________________________ 植物细胞的全能性 培育出杂种植株 目录 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 目录 思考： 若只考虑两两融合，原生质体A和原生质体B可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？ AA BB AB 筛选 AB 目录 思考： 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 X+Y DdYyRr 4 四 *异源四倍体 目录 思考： 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： 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？ _________________________________________________________ 可育，有同源染色体，同源染色体能联会，可形成配子 不是，因为存在生殖隔离（无法产生可育后代） 目录 思考： 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形状，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？ 提示：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。 目录 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 所属范畴 原理 步骤 意义 联系 无性繁殖 无性繁殖 细胞的全能性 细胞膜的流动性 细胞的全能性 ①脱分化 ②再分化 ①植物细胞融合 ②植物组织培养 保持优良性状 繁殖速度快 大规模生产 提高经济效益 克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍 杂交技术应用了组织培养 目录 谢谢观看 目录 50 $$