2.1植物细胞工程课件-2025-2026学年高二下学期生物苏教版选择性必修3

第一节 植物细胞工程 第二章 细胞工程 学习目标 1.了解细胞工程的含义 2.简述植物组织培养和植物体细胞杂交的原理和过程 3.尝试设计植物组织培养技术的流程简图 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。 原理 操作水平 目的 动物细胞工程 植物细胞工程 植物组织培养 植物体细胞杂交 植物细胞工程发展历程 1902年，哈伯兰特，提出细胞全能性的理论 1958年，斯图尔德，发现胡萝卜的体细胞可分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持 1960年，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 1964年，古哈，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 1971年，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 1974年，土壤农杆菌的Ti质粒发现。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 目录 1.植物组织培养技术 2.天竺葵的组织培养 3.植物体细胞杂交技术 积极思维：从科学家证实植物细胞全能性的史实中能学到什么？ 事实1 1902年，奥地利植物学家哈伯兰特预言，离体的植物细胞具有全能性，在合适的条件下能够发育成为完整的植物体。随后，许多科学家为此开展了相关的研究 事实2 1937年，有科学家用胡萝卜根的小块组织，在人工培养条件下成功地诱导出分化程度低、具有分裂能力的愈伤组织。但他们仍然未能从愈伤组织中诱导出芽和根 积极思维：从科学家证实植物细胞全能性的史实中能学到什么？ 事实3 1958年，美国植物学家斯蒂瓦特等人用胡萝卜韧皮部的组织块培养出完整植株，这一植株能够开花结果。至此，科学家终于证实了哈伯兰特50多年前的预言 事实4 科学研究是人类探索未知、揭示真理的过程。实证是科学研究的重要方法，是一个提问、假设、对假设进行验证的过程。如果验证与假设相符了，这种假设就可能得到认可；反之，就需要重新验证或者提出新的假设，并进一步验证 植物组织培养技术 1.植物组织培养 在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成部分或完整植株的技术 2.理论基础 细胞具有全能性 （1）什么是细胞的全能性？ （2）细胞具有全能性的原因是什么？ （3）为什么生物体内细胞并没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官？ 植物组织培养技术 【知识回顾】——细胞的全能性 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，即细胞具有全能性 细胞具有全能性的原因 胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 高度分化的细胞仍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。 植物组织培养技术 植物细胞表现出全能性的条件 ① 离体 ② 一定的营养物质、植物激素 ③ 适宜的温度、pH、光照、无菌等外界条件 不体现全能性的实例 芽原基的细胞只能发育为芽、叶原基的细胞只能发育为叶 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 植物组织培养技术 3.植物组织培养的基本流程 外植体：离体的植物器官、组织、细胞或原生质体被称为外植体 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 植物组织培养技术 接种外植体 移栽成活 诱导愈伤组织 脱分化 诱导生芽 再分化 诱导生根 再分化 外植体 愈伤组织 芽、根 试管苗 完整植株 脱分化 再分化 移栽 对分化形成的幼小植株需要进行炼苗，使之逐渐适应自然环境，以保证幼苗移植到大田能顺利成活。炼苗成功后，可以将植株移栽到大田，用于生产。 植物组织培养技术 （1）脱分化 让已经分化的细胞，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的过程 （2）愈伤组织 排列疏松且无规则，是一种高度液泡化的，呈无定形状的薄壁细胞 （3）再分化 愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程 在适当的培养条件下，愈伤组织再分化后可发育为新植株，也可诱导形成胚状体（类似种子中胚的结构） 植物组织培养技术 （4）胚状体 离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体 直接途径 间接途径 外植体 胚状体 幼苗 外植体 胚状体 幼苗 愈伤组织 胚状体途径 走进实验室：天竺葵的组织培养 【实验目的】 （1）学会配制植物组织培养的培养基（如 MS 培养基），学会外植体的制备、消毒、灭菌、接种等多项技术 （2）掌握植物激素在愈伤组织再分化等过程中的作用，学会合理使用植物激素 （3）尝试进行植物组织培养，关注植物组织培养技术在生产中的应用 【实验原理】 （1）植物体的每个体细胞都携带了来自受精卵的完整的基因组。当植物细胞脱离了原来植物体的组织、器官而处于离体状态时，经过适当处理后，它们在适宜的培养基上，经过脱分化、再分化，可发育成完整的植株 走进实验室：天竺葵的组织培养 （2）组织培养得到的试管苗是非常幼嫩的植株。它们生长在试管或培养瓶内，在恒温、高湿、弱光、无菌和有完全营养供给的条件下，植物表面蜡质和角质层等保护组织不发达，气孔数目少，有叶绿体但光合作用能力差。这样的试管苗一般要经过炼苗，以逐渐适应自然环境下的生长条件 【实验器材和试剂】 （1）天竺葵（如香叶天竺葵、马蹄纹天竺葵）幼嫩叶片 （2）高压蒸汽灭菌锅、超净工作台、光照培养箱、冰箱、烘箱、摇床、显微镜、镊子、剪刀、解剖刀、酒精灯、定时器、温度控制器、培养架、锥形瓶、天平、酸度计、电炉等 （3） MS 母液、酒精、氯化汞、氢氧化钠、吲哚丁酸、萘乙酸和 6-苄氨基嘌呤等 走进实验室：天竺葵的组织培养 【实验步骤】 1.培养基的配制与灭菌 2.外植体的选择与制备 植物组织培养的各项操作均需要在无菌室中或超净工作台上进行 ①外植体的选择：选用天竺葵的幼嫩叶片作为外植体 ②外植体的制备：取天竺葵幼嫩的叶，流水冲净后，用体积分数为 70% 的酒精浸泡10 s（时间过长会伤害植物细胞），再用无菌水冲洗 2～3 次后，用无菌滤纸吸干表面水分，浸没在质量分数为 0.1% 的氯化汞溶液中约 5 min 走进实验室：天竺葵的组织培养 消毒 流水冲洗 外植体的切段 防止杂菌污染 接种外植体 做好标记 走进实验室：天竺葵的组织培养 4.诱导脱分化与再分化 （1）脱分化：将接种了天竺葵叶组织块的锥形瓶置于培养箱或培养室中，在 15～25℃等条件下培养 （2）再分化诱导生芽生根：培养15~20 d 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 【注意】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！ 注意：该过程一般不需要光照 走进实验室：天竺葵的组织培养 高细胞分裂素/低生长素 产生不定芽 细胞分裂素与 生长素比例适宜 产生愈伤组织 高生长素/低细胞分裂素 产生不定根 走进实验室：天竺葵的组织培养 5.炼苗与移植 分阶段揭开锥形瓶的瓶盖，再培养几天后，用流水清洗试管苗，除去根部的培养基，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中生活一段时间后，再移栽到大田土壤中 注意：不伤及根部 植物体细胞杂交技术 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”。 但是，两种生物之间存在着天然的生殖隔离，用传统的有性杂交的方法很难得到杂种后代。 经过长期实验，科学家采用体细胞杂交的方法得到了“番茄—马铃薯”杂种植株，但这种植株并没有在地上结番茄、地下长马铃薯。 【思考】科学家是怎样得到杂种植株的呢？ 植物体细胞杂交技术 1.植物体细胞杂交 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 2.过程 植物细胞融合 + 植物组织培养 【思考】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？ 植物体细胞杂交技术 3.植物细胞融合 （1）去除细胞壁 去壁原因：细胞壁阻碍着细胞间的杂交（阻碍了原生质体间的融合） 方法：酶解法（纤维素酶和果胶酶） 酶解法原理：植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶构成；酶具有专一性 原生质体 植物体细胞杂交技术 （2）原生质体间的融合 原理：细胞膜具有一定的流动性 方法 物理法：电融合法、离心法等 化学法：聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法等 【注意】去除细胞壁和诱导原生质体融合时，不能在低渗溶液中进行。将细胞放在等渗或略大于细胞液的溶液中，防止原生质体吸水而涨破，保持原生质体正常 植物体细胞杂交技术 4.植物组织培养 植物体细胞杂交完成的标志 再分化 杂种植株 移栽 移栽后的植株 脱分化 愈伤组织 杂种细胞 原生质体融合成功的标志 再生出细胞壁 植物体细胞杂交技术 马铃薯细胞 植物体细胞杂交完成的标志 原理：植物细胞的全能性 马铃薯原生质体 再分化 杂种植株 移栽 移栽后的植株 脱分化 愈伤组织 植物组织培养 番茄细胞 番茄原生质体 杂种细胞 原生质体融合成功的标志 再生出细胞壁 植物细胞融合 原理：细胞膜的流动性 筛选 正在融合的原生质体 人工诱融 酶解法去壁 植物体细胞杂交技术 项目 体细胞杂交 P1: 2n（AaBb） 与 P2: 2m（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（2n+2m） 两亲本染色体组数之和（2+2） 两亲本基因型之和（AaBbCcDd） （异源四倍体） 意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 【注意】杂种植株是不同于亲本的新物种（与亲本之间均存在生殖隔离） 植物体细胞杂交技术 在此基础上，科学家们利用植物体细胞杂交技术，又相继培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种。我国科学家还在木本植物的体细胞杂交方面培育出了多种柑橘属不同种间的杂种植株。 + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 植物体细胞杂交技术 植物组织培养和植物体细胞杂交的异同点 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 生殖方式 原理 步骤 意义 联系 无性繁殖 无性繁殖 细胞全能性 细胞膜具有一定的流动性、植物细胞的全能性 ①脱分化 ②再分化 ①去除细胞壁②融合形成杂种细胞③组织培养（脱分化、再分化） 保持优良性状，繁殖速度快 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种 植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程，植物组织培养是植物体细胞杂交的一个环节，融合的体细胞只有通过植物组织培养才能发育成完整的个体。 课堂小结 随堂小测 1.图示一种植物组织培养周期，①~③表示相应过程。下列相关叙述错误的是( ) A.过程①发生了细胞的脱分化和有丝分裂 B.过程②经细胞的再分化形成不同种类的细胞 C.过程②③所用培养基的成分、浓度相同 D.培养基中糖类既能作为碳源，又与维持渗透压有关 解析：过程①形成了愈伤组织,发生了细胞的脱分化,此时细胞还进行有丝分裂，A正确;过程②是愈伤组织经再分化形成胚状体的过程，故经过再分化形成不同种类的细胞，B正确;过程②③所有培养基的成分、浓度不完全相同，如细胞分裂素和生长素的浓度不同,C错误;培养基中常加入蔗糖,既能作为碳源,又与维持渗透压有关,D正确。 C 随堂小测 2.人参皂苷是人参的主要活性成分。科研人员分别诱导人参根与胡萝卜根产生愈伤组织并进行细胞融合，以提高人参皂苷的产率。下列叙述错误的是( ) A.细胞融合前应去除细胞壁 B.高Ca2+—高pH溶液可促进细胞融合 C.融合的细胞即为杂交细胞 D.杂交细胞可能具有生长快速的优势 解析：A.植物细胞融合前需去除细胞壁，获得原生质体，避免细胞壁阻碍细胞融合，A正确。B.高Ca2+—高pH溶液可改变原生质体膜的通透性，促进原生质体融合，是植物细胞融合的常用诱导条件之一，B正确。C.融合的细胞可能是同种细胞融合(如人参根细胞自身融合、胡萝卜根细胞自身融合)或异种细胞融合，只有异种细胞融合形成的细胞才是杂交细胞，C错误。D.杂交细胞可能结合了人参根细胞(产人参皂苷)和胡萝卜根细胞(生长快速)的优势，具有生长快速的特点，D正确。故选C。 C 随堂小测 3.植物甲抗旱、抗病性强，植物乙分蘖能力强、结实性好。科研人员通过植物体细胞杂交技术培育出兼有甲、乙优良性状的植物丙，过程如图所示。下列叙述错误的是( ) A.过程①用纤维素酶和果胶酶处理时间的差异，可能与两亲本细胞壁结构差异有关 B.过程②用PEG诱导原生质体融合和细胞壁再生，杂种细胞含有亲本的2个细胞核 C.过程④一般不需要光照，脱分化形成的愈伤组织是不定形的薄壁组织团块 D.过程④和⑤的培养基中添加生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例有差异 B 随堂小测 解析：据图可知,过程①表示用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体,该过程中甲、乙叶片酶处理的时间不同,可能与两亲本的细胞壁结构存在差异有关,A正确;过程②表示人工诱导原生质体融合,常用诱导方法有PEG融合法、高Ca2+一高pH融合法等,过程③表示再生出新细胞壁,杂种细胞只有一个细胞核,B错误;过程④表示脱分化形成愈伤组织,愈伤组织是未分化的细胞形成的不定形的薄壁组织团块,不能进行光合作用,过程④一般不需要光照,C正确;过程④表示脱分化形成愈伤组织,过程⑤表示再分化形成植株,脱分化和再分化过程所用的培养基中均需要添加生长素和细胞分裂素,但添加生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例有差异,D正确。 THANKS 谢谢观看 3、把原生质体放在一起能自然融合吗？ 问题导学 酶解法去壁 原生质 体融合 再生 细胞壁 诱导原生质体融合的方法： ①物理法： 。 ②化学法：用 诱导。 离心、振动、电激 聚乙二醇 (3) (2) $