2.1+植物细胞工程（第一课时）-2025-2026学年高二生物同步课堂（人教版2019选择性必修3）

2.1.1 植物细胞工程的基本技术 本节聚焦： 1.植物细胞工程的理论基础是什么？ 2.什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？ 3.怎样进行菊花的组织培养？ 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。 细胞工程的概述和发展历程 1.细胞工程的概述 动物细胞工程 植物细胞工程 植物体细胞杂交 植物组织培养 目的 原理 操作水平 01 细胞的全能性 02 植物组织培养技术 目录 03 植物体细胞杂交技术 04 练习与应用 植物细胞工程的基本技术 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。 ①兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低； ②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？ 问题探讨 1500万/株 叶子 花瓣 花粉 细胞 新的植物体 细胞的全能性 播种 扦插 一般情况下： 一定条件下： 新的植物体 人工栽培植物的方法 细胞的全能性 01 探究新知 如：芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶 细胞经过分裂和分化后，仍然具有产生 或分化成 的潜能。 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的 。 细胞→完整个体或其他各种细胞 1.定义： 2.原因： 3.体现全能性的标志 ： 4.不体现全能性的原因： 基因在特定时间、空间条件下 。 完整生物体 其他各种细胞 全套遗传物质 选择性表达 一、植物组织培养技术 细胞全能性 具有全能性≠表现出全能性 ——如何才能让细胞表现出全能性？ 4.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 一、细胞的全能性 思考： 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。 （均无细胞核，无遗传物质） 种子发育成植株体现了全能性了吗？ 没有，植物种子种的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体 （已经是一个幼小的完整个体），没有体现出细胞具有发育成完整植株的潜能。 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 （动物细胞具有全能性，但目前只有细胞核能体现全能性） 细胞的全能性 一、细胞的全能性 细胞全能性的大小 幼嫩的细胞＞衰老的细胞 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 ①不同细胞的全能性： 受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞（卵细胞＞精子）＞体细胞 ②不同生物的细胞全能性： 植物细胞＞动物细胞 ③体细胞的全能性： 植物组织培养技术 02 探究新知 1.概念：指将 植物器官、组织或细胞等，培养在 的 培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成 的技术。 3.大致过程： 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 根、芽 完整植株 2.理论基础： 植物细胞的全能性 外植体 离体的 人工配制 完整植株 一、植物组织培养技术 植物组织培养技术 3.生殖方式: 无性生殖 有丝分裂 二、植物组织培养技术 5.植物组织培养的流程 脱分化 ①实质： 再分化 一、植物组织培养技术 植物组织培养技术 脱分化 再分化 再分化 先芽后根 已分化细胞，失去其特有结构和功能而转变成未分化的细胞的过程。 ②结果： 。 ③光照条件：_______________ 形成愈伤组织 *愈伤组织的特点： 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、不定形的薄壁组织团块 一般不需要光照 注 过程只有有丝分裂，没有细胞分化 ①概念： ②实质： ③光照条件： 能重新_____成 的过程； 愈伤组织 分化 芽、根等器官 基因的选择性表达 需要，诱导叶绿素合成，使试管苗能够进行光合作用。 既有有丝分裂，又有细胞分化 二、植物组织培养 3.脱分化与再分化的比较： 脱分化 再分化 过程 外植体→愈伤组织 愈伤组织→幼苗 分裂、分化 有分裂，无分化 有分裂，无分化 结果 形成愈伤组织 形成根、芽 需要条件 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 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。） 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。 二、植物组织培养 学习讲义p33 4.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 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 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 巧记：高根低芽中愈伤 生长素 细胞分裂素 结果 a、比值高 b、比值低 c、比值适中 二、植物组织培养技术 探究•实践 菊花的组织培养 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脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 （3）植物激素中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、比例等都会影响植物细胞的发育方向。 a b c 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 ☞巧记：高根低芽中愈伤 菊花的组织培养 探究.实践 1.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： (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 3.MS培养基： 水（去离子水）、无机营养（大量元素、微量元素）、有机营养（蔗糖、维生素、氨基酸）、天然附加物、植物激素（生长素、细胞分裂素等） 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： 。 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： 作为碳源，提供能量，调节渗透压 MS 固体 蔗糖 一、植物组织培养技术 植物组织培养技术 问题1：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？ 通常植物体本身进行光合作用产生糖类，不需要外部供给糖，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。 问题2：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。 与微生物的培养不同，MS培养基则需提供大量无机营养，含有植物生长必需的大量元素和微量元素，还需要添加植物激素。 5 植物组织培养常用的培养基配方 二、植物组织培养技术 探究•实践 菊花的组织培养 ①外植体消毒 ②外植体切段 ④诱导脱分化 ⑤诱导再分化 ⑥移栽培养 ③接种外植体 二、植物组织培养技术 探究•实践 菊花的组织培养 3.方法步骤 a.双手和超净工作台台面: 。 b.外植体: → 充分冲洗； → 消毒30s； →立即用 清洗2～3次； → 处理30min； →立即用 清洗2～3次。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 用酒精擦拭 流水 酒精 无菌水 次氯酸钠溶液 无菌水 ①消毒工作 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ②外植体切段 消毒过的外植体置于 . 吸去外植体表面水分 用解剖刀切成 长的小段 无菌培养皿 无菌滤纸 0.5~1cm 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ③外植体接种 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 （生长素/细胞分裂素比值 ） 封口膜封盖瓶口，并做好标记 无菌区域 形态学下端 适中 注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！ 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ④诱导脱分化 将外植体置于 的培养箱中培养 定期观察和记录愈伤组织的生长情况 18~22℃ 注：脱分化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。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑤诱导再分化 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。 （生长素/细胞分裂素比值 ） 形成试管苗 长出芽后， 再将其转接到诱导生根的培养基上。 （生长素/细胞分裂素比值 ） 低 高 注意：再分化过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照(诱导叶绿素的合成)！ 先生芽，再生根。 原因：若先生根，后面不易生芽。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑥移栽试管苗 打开封口膜或瓶盖, 让试管苗在培养箱内生长几日 每天观察并记录生长情况 用流水清洗掉根部的培养基后， 将幼苗移植到 等 环境中，待其长壮后再移栽入土 消毒的蛭石或珍珠岩 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 方法步骤 ⑥移栽试管苗 珍珠岩 【资料】蛭石 具有良好的保温性能和透气性，吸水能力强。 【资料】珍珠岩 透气性强，具有很好的排水性。 植物组织培养技术 01 菊花的组织培养 探究·实践 培育的试管苗能直接移栽到露地吗？应如何操作？ 思考 既要充分清洗根系表面的培养基，又不能伤及根系 炼苗 无土栽培 提示：不能， 在移栽前一般需要 ,目的是提高组培苗对外界环境条件的适应性。 新移栽的试管苗要在温室过渡几天，待其长壮后再移植到大田或盆中。 另外要注意移栽技术的关键是： , 一般使用 的办法。 二、植物组织培养技术 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，试分析它们被污染的可能原因。 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需经历多少天？ 2周左右 （3）为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？ （4）杂菌和植物细胞之间有哪些关系？ 原因是避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物生长。 竞争或寄生。 被污染的培养基 二、植物组织培养技术 探究•实践 菊花的组织培养 5.进一步探究 探究生长素与细胞分裂素比例对植物组织培养的影响，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。 细胞分裂素 生长素 芽分化 愈伤组织 根分化 课堂小结 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。 1.A、B过程分别为 。C是 。 A过程细胞分裂方式是 ， B过程细胞分裂方式是 ,同时也进行 。 A过程一般 光照；B过程需要光照，因为 。 2.影响A、B过程的关键因素是 ，主要是 和 ， 二者添加的 会影响脱分化和再分化过程。 3.植物组织培养是一个 过程。（填“无性繁殖”、“有性繁 殖”） 植物体 根、芽或胚状体 外植体 有丝分裂 细胞分化 植物激素 细胞分裂素 生长素 无性繁殖 A 有丝分裂 浓度及比例 C 脱分化、再分化 愈伤组织 不需要 叶绿素的合成需要光照 B 巩固练习 植物体细胞杂交技术 03 探究新知 植物体细胞杂交技术 欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么妙招？ 利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？ 不能。因为不同种物种之间存在着生殖隔离。 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？ 马铃薯 番茄 三、植物体细胞杂交技术 1.概念 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 植物细胞融合 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 02 要想将植物体细胞进行融合，首要解决的是什么问题呢？ 思考 有效去除植物细胞的细胞壁(主要成分：纤维素和果胶)。 纤维素酶 果胶酶 酶解法 原生质体：除去细胞壁后植物细胞剩余部分。 细胞壁 ＝ — 注：原生质体≠原生质层 一、植物体细胞杂交技术 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。动物细胞也可看做是原生质体。 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 区分原生质体与原生质层 【注意】质壁分离的“质”指的是原生质层 2.诱导融合： B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 正在融合的原生质体 融合 是杂交过程中的一个关键环节 （1）物理方法： ①电融合法 ②离心法等 （2）化学方法： ①聚乙二醇(PEG)融合法 ②高Ca2+—高pH融合法 方法 原理: 细胞膜具有流动性 一、植物体细胞杂交技术 （二）过程： 3.再生细胞壁： B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 正在融合的原生质体 融合 再生出细胞壁 杂种细胞 (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 问题:细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？ 一、植物体细胞杂交技术 （二）过程： 3.再生细胞壁： 一、植物体细胞杂交技术 （二）过程： 问题:细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？ 若只考虑两两融合 有三类： ①未融合的细胞 ②两两融合的细胞 ③多细胞融合体 AA AB BB 筛选 AB 植物体细胞杂交技术 02 3.过程： ③脱分化 ④再分化 ⑤移栽 植物细胞融合 植物组织培养 原理 标志 过程 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 再生出新的细胞壁 培育出杂种植株 意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种,培育植物新品种。 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 A为2a=20 B为2b=30 50 4 1. 杂种细胞染色体数为？ 2.杂种细胞染色体组数为？ 3.从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？ 染色体数目变异 染色体数、染色体组数、基因型都采用直接相加的方法。 二.植物体细胞杂交技术 拓展： 1.植物体细胞杂交： 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。 子细胞：AabbccDd 36 （异源）四 2.不同物种的有性杂交： 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。 子细胞：AbcD （异源）二 18 基因重组 染色体数目变异 同源染色体， 正常联会， 育 同源染色体， 正常联会， 育 拓展：有性杂交与植物体细胞杂交的比较 变异类型： 变异类型： 植物体细胞杂交 杂交育种 含有 能 可 不含 不能 不可 看减数分裂联会、配对能否正常进行！ 杂种植株　 再生出新的细胞壁　 　无性 无性　 染色体变异　 01 02 03 04 易错提醒 二.植物体细胞杂交技术 植物体细胞杂交的结果不是形成杂种细胞，而是要经过组织培养形成____________。 植物细胞融合成功的标志是__________________，植物体细胞杂交成功的标志是________________。 植物体细胞杂交过程中没有有性生殖细胞的结合，因此应为________生殖。 获得杂种植株的变异类型属于______________。杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，杂种植株属于异源多倍体。 形成杂种植株　 白菜 甘蓝 三、植物体细胞杂交技术 意义 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等。 缺点 有可能杂交不成功，即使杂交成功也可能不产生人们想要的性状。 实例 + 白菜-甘蓝 = 分析：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。该植株 （可育/不可育）。 36 （异源）四 可育 该植株为异源四倍体，含有同源染色体，能正常联会。 变异类型 染色体数目变异 生殖方式 无性繁殖（育种过程中不遵循孟德尔定律） 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 根、芽或胚状体 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 课堂小结 植物组织培养与植物体细胞杂交技术的比较 练习与应用 04 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 教材P38 练习与应用 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？ 纤维素酶和果胶酶。 三、植物体细胞杂交技术 讨论 “番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么？ 生物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，不能像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。 P38拓展应用 Lavf57.25.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $