2.1.1植物细胞工程的基本技术 课件 2025—2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

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。 原理和方法 操作水平 目的 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 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 动物细胞工程和植物细胞工程 第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程（1） 问题探讨 手培兰蕊两三栽，日暖风和次第天。 坐久不知香在室，推窗时有蝶飞来。 ——元·余同麓《咏兰》 中国人历来把兰花看做是高洁典雅的象征，并与“梅、竹、菊”并列，合称“四君子”。通常以“兰章”喻诗文之美，以“兰交”喻友谊之真。造就很多文人才子都喜爱养兰。 但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。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？ 植物细胞工程 理论基础——植物细胞的全能性 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。 表现为： 细胞→完整个体或其他各种细胞 原因： 生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质 ①利用胡萝卜的韧皮部细胞培养获得胡萝卜幼苗； ②受精卵发育成个体； ③通过花药离体培养，获得单倍体幼苗； 哺乳动物成熟的红细胞、植物成熟的筛管细胞不具有全能性，种子发育成植株没体现细胞的全能性。 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 植物细胞表现出全能性的条件 全能性大小比较： （1）分化程度低的 分化程度高的 （2）细胞分裂能力强的 细胞分裂能力弱 ＞ ＞ （3）受精卵 胚胎干细胞 生殖细胞 体细胞 植物细胞 动物细胞 ＞ ＞ ＞ ＞ 不是，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。 那么高度分化的植物组织的细胞，能不能在适宜的条件下变现出全能性呢？ 思考：在生物的生长发育过程中，所有细胞都能表现出全能性吗？ （在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性表达） 植物组织培养技术 1 植物组织培养技术 【自主学习】阅读教材P35，思考下列问题： 1.植物组织培养的概念及原理？ 2.阅读教材“图2-1”，写出植物组织培养的基本流程。 3.什么是外植体？外植体的选择和制备需要注意什么？ 4.脱分化、再分化和愈伤组织的定义？ 植物组织培养技术 1.概念： 指离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为完整植株的技术。 外植体 无性生殖 2.原理： 植物细胞的全能性 3.基本过程： 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 外植体： 离体的植物器官、组织或细胞 外植体的选择：一般选择植物的花和幼嫩的组织。（脱分化相对容易） 外植体的制备：首先要消毒，其次要选择有形成层的部分。（形成层细胞易脱分化） 脱分化： 已经分化的细胞，失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，形成愈伤组织的过程。 注意： 1.脱分化过程中一般不需要光照； 2.只涉及到细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化； 3.脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。 结果： 形成愈伤组织 愈伤组织： 不定形的薄壁组织团块 愈伤组织 再分化： 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官的过程 注意： 1.需要给予适当强度的光照，诱导叶绿素合成； 2.既涉及了细胞增殖（有丝分裂），又涉及到细胞分化； 3.外植体的遗传特征和取材的位置、培养基的成分和物理性质对器官 的形成都对再分化有一定的影响。 基因的选择性表达 实质： 菊花的组织培养 探究•实践 一、实验原理： 1.植物细胞一般具有全能性，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。 2.植物激素的作用：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。 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 简记为：“高”根，“低”芽，“中”愈伤 二、实验目的： 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 三、实验材料： （1）外植体： 幼嫩的菊花茎段 (细胞分裂能力强，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 （5）培养基 （植物组织培养常用的培养基配方P116-参见本书附录1） 名称： 物理性质： 碳源： P116附录1 MS培养基 固体培养基 有机碳源（蔗糖） 拓展延伸 提供能量，调节渗透压 植物组织培养实验常用的培养基配方 诱导菊花愈伤组织的培养基：在MS培养基中加入BA(苄基腺嘌呤)和NAA(萘乙酸),质量浓度均为0.5mg/L。 诱导菊花生芽的培养基：在MS培养基中加入BA和NAA,质量浓度分别为2～3 mg/L和0.02～0.3 mg/L。 诱导菊花生根的培养基：将上述MS培养基中NH4NO3、KNO3、KH2PO₄MgSO4·7H2O和CaCl2·2H2O的用量减半，并添加NAA或IAA(吲哚乙酸),质量浓度均为0.1 mg/L。 四、实验步骤： 1.工作环境消毒 用酒精擦拭双手和超净工作台面。 2.外植体消毒 ①流水冲洗外植体(幼嫩的茎段) ②酒精消毒30s立即用无菌水清洗2-3次 ③再用次氯酸钠溶液处理30min立即用无菌水清洗2-3次 3.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。 无菌操作 4.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。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。 ①插入时应将形态学下端朝下；②培养基中生长素≈细胞分裂素 5.诱导脱分化 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。 避光培养 （有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织） 6.诱导再分化 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，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。 ①注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根；（诱导生芽的培养基：生长素<细胞分裂素，诱导生根的培养基: 生长素>细胞分裂素） ②该过程每日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） 7.试管苗移栽 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。 五、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。 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？ （1）外植体消毒不彻底； （2）培养基、接种工具灭菌不彻底； （3）操作过程不符合无菌操作要求等。 2周左右 不能 炼苗：移栽试管苗前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。 移栽：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。 植物组织培养的两种途径 器官发生途径： 胚状体途径： 胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但经过胚胎发育过程形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。 探究•实践 1.下图为蓝莓组织培养过程的流程图，相关叙述错误的是（　　） A．蓝莓幼茎用酒精和次氯酸钠溶液进行消毒处理 B．过程①、过程②分别称为脱分化、再分化 C．过程①、过程②所用培养基中含有的植物激素比例不同 D．过程①、过程②用封口膜封盖培养瓶的瓶口以隔绝空气 蓝莓幼茎 愈伤组织 生芽、生根 幼苗 ① ② D 封口膜的作用是防止微生物污染，但需允许气体交换（如氧气进入、二氧化碳排出），而非隔绝空气 课 堂 检 测 2.胚挽救技术就是在胚发育早期，将胚从植物母体中取出，置于人工培养基上进行培养，模拟胚在母体内的发育环境，提供其生长所需的营养物质和激素等，使胚能够继续发育成完整的植株。主要用于克服植物远缘杂交障碍、挽救杂种胚的发育。下列相关叙述正确的是（　　） A．胚在培养基上发育成完整个体，体现了植物细胞的全能性 B．胚早期发育不需要光照，因为光照会影响愈伤组织的生长 C．胚挽救技术需要在无菌环境中进行，胚也要先灭菌再培养 D．在胚的人工培养过程中，细胞只进行有丝分裂，不进行减数分裂 D 胚发育为植株属于正常的生长发育过程，胚挽救过程是直接诱导胚发育为植株 课 堂 检 测 3.（2025·江苏·高考真题）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 C 如细胞分裂素和生长素的浓度不同 课 堂 检 测 【详解】A、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； B、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； C、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； D、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。 故选C。 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”。 如果利用传统有性杂交方法能实现这个目标吗？为什么？ 不能。因为不同种物种之间存在着生殖隔离 那么怎么样才可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？ 利用植物体细胞杂交技术 问题探讨 2 植物体细胞杂交技术 【自主学习】阅读教材P36-38，思考下列问题： 1.什么是植物体细胞杂交技术？ 2.想要让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？如何解决？ 3.杂交过程中的关键是什么？需要借助哪些技术手段实现？ 4.描述植物体细胞杂交技术的基本流程。 1.概念： 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。 植物细胞融合 植物组织培养 植物体细胞杂交技术 思考：想要让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？如何解决？ 细胞壁 去除细胞壁 ——主要成分：纤维素和果胶 ——用纤维素酶和果胶酶水解细胞壁 方法： 原理： 酶解法（用纤维素酶和果胶酶） 利用酶的专一性 原生质体 区分原生质体和原生质层： 结果： 获得原生质体 原生质体：指的是脱去细胞壁的细胞，包括细胞膜、细胞质、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。 思考：杂交过程中的关键是什么？需要借助哪些技术手段实现？ 原生质体间的融合（诱导融合） 方法： 化学方法——①聚乙二醇(PEG)融合法 ②高Ca2+-高pH融合法 物理方法——①电融合法②离心法等 诱导融合 正在融合的原生质体 原理: 细胞膜具有流动性 融合成功标志: 再生出细胞壁 形成杂种细胞 结果： 杂种细胞 诱导融合后获得的所有细胞一定是需要的杂交细胞吗？ 不一定 培养基细胞的类型：AA、BB、AB、A、B 染色体数目的变异 与高尔基体密切相关 下一步如何将杂种细胞培育成杂种植株？ 杂种细胞 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株 移栽 再分化 脱分化 植物组织培养 植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植株 原理: 植物细胞的全能性 2.植物体细胞杂交技术的基本流程： 细胞A 细胞B ① 原生质层A 原生质层B ② 杂种细胞 ③ 愈伤组织 ④ 杂种植株 移栽 移栽后的植株 ①去除细胞壁②诱导融合③脱分化④再分化 植物细胞融合 植物组织培养 原理：植物细胞的全能性 原理：细胞膜的流动性 白菜 甘蓝 3.意义： 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等。 4.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。 5.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。 6.变异类型： 染色体数目变异 7.生殖方式： 无性繁殖（育种过程中不遵循孟德尔定律） 概念 植物细胞融合 原生质体制备 过程 变异类型 植物组织培养 原生质体融合 原理 育种类型 原理 过程 花药离体培养 细胞全能性 操作步骤 脱分化 再分化 外植体 根、芽、胚状体 愈伤组织 外植体消毒 接种 切块 形成愈伤组织 诱导生芽生根 植物体细胞杂交 植物组织培养 植物细胞工程 优缺点 课堂总结 4.为培育耐盐碱的枸杞新品种，科研人员将宁夏枸杞（耐盐性弱）和黑果枸杞（耐盐性强）的原生质体进行融合，获得了兼具两种优良性状的杂种植株，过程如下图所示。下列相关叙述正确的是（     ） A．①过程中用纤维素酶和胰蛋白酶处理两 种枸杞细胞，可获得有活性的原生质体 B．②过程可用PEG诱导原生质体融合，融 合完成的标志是杂种细胞再生出细胞壁 C．③过程获得细胞需直接接种到生根培养基上，诱导形成完整植株 D．⑤过程获得的杂种植株与亲本相比，染色体数目不变，仍可正常减数分裂 B 课 堂 检 测 5.不对称体细胞杂交是指利用射线破坏供体细胞的染色体，与未经射线照射的受体细胞融合，所得融合细胞含受体全部遗传物质及供体部分遗传物质。科学家为解决马铃薯因患青枯病导致的产量下降问题，利用马铃薯和茄子(具有抗青枯病性状)进行体细胞杂交培育抗青枯病的植株，过程如图所示。下列相关叙述错误的是（　　） A．处理体细胞的混合酶液中应含有胰 蛋白酶、胶原蛋白酶 B．①过程中可将原生质体经 PEG处理，以提高融合效率 C．②过程获得的杂种细胞并非都具有抗青枯病性状D．③过程中使用等比例的生长素和细胞分裂素更有利于杂种植株的形成 AD 课 堂 检 测 6.（2025·四川·高考真题）研究人员用花椰菜（BB，2n=18）根与黑芥（CC，2n=16）叶片分别制备原生质体，经PEG诱导融合形成杂种细胞，进一步培养获得再生植株，其中的植株N经鉴定有33条染色体。下列叙述正确的是（     ） A．两个原生质体融合形成的细胞即为杂种细胞 B．再生植株N的形成证明杂种细胞仍具有全能性 C．花椰菜和黑芥的原生质体能融合，证明两种植物间不存在生殖隔离 D．植株N的B组和C组染色体不能正常联会配对，无法产生可育配子 B 课 堂 检 测 7.细胞工程的研究从未中断，在科研人员的不断努力下，细胞工程领域成果迭出，方兴未艾,如图为“番茄—马铃薯”的培育过程示意图，请据图回答下列问题： 1)在利用番茄、马铃薯细胞培育杂种植株的 过程中，诱导原生质体融合的方法有多种， 常用的化学方法除聚乙二醇融合法外，还有 _______________法，与过程③密切相关的具有单层膜结构的细胞器为__________。 2)已知番茄、马铃薯分别为四倍体、二倍体，则“番茄—马铃薯”属于______倍体植株。 3)柴油树种子含有的柴油是植物细胞的次生代谢物，可用植物细胞培养技术来实现柴油的工业化生产。若利用此技术，将柴油树细胞培养至_______________（填字母编号）阶段即可。 高Ca2+-高pH融合法 高尔基体 六 e 课 堂 检 测 $