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

第1节 植物细胞工程 第2章 细胞工程 第1课时 植物细胞工程的基本技术 知识链接 细胞工程是指应用_______________ ___________________和 的原理和方法，通过______________、_________________上的操作，有目的的获得特定的___________________的一门综合性生物工程。 按操作对象分 植物细胞工程 动物细胞工程 原理方法 研究目的 细胞生物学 分子生物学 细胞或组织水平 细胞器水平 细胞、组织、器官、个体或其产品 发育生物学 研究水平 情境导入 鬼兰（幽灵兰） 市场价格： 1500万每株！ 思考：高洁、典雅的兰花颇受人喜欢。但其繁殖率低，价格不菲，如何让它大量、快速地繁殖呢？ 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。 利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。 一、植物组织培养技术 一、植物组织培养技术 1.植物组织培养的基本原理 为什么植物组织或细胞能培养成完整植物体？ 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，即细胞的全能性。 植物组织培养的基本原理 回忆：细胞的全能性 细胞具有全能性的原因 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因。从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。 生物体内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地表达。 细胞分化的实质：基因的选择性表达 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等外界条件 ④无菌环境 同一个个体的所有体细胞，DNA 基因基本都一样，但在不同时间、不同位置，细胞只 “打开” 一部分基因，关闭其他基因，从而变成形态、功能各不相同的细胞 在上述条件下，绝大多数可以表现出全能性 一、植物组织培养技术 2.植物组织培养的概念 指 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 的技术。 离体 完整植株 外植体 植物的茎尖、幼嫩的叶片、花药是常用的外植体。 原理： 生殖方式： 分裂方式： 无性生殖 植物细胞的全能性 有丝分裂 一、植物组织培养技术 3.植物组织培养的过程 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 脱分化 再分化 再分化 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 分化状态 未分化状态 相关概念 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。 脱分化 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。 愈伤组织 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。 离体、无菌条件、种类和比例适宜的营养物质、植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）的诱导和调节、适宜的外界条件（温度、pH、光照等）。 适宜的培养条件： 脱分化过程一般不需要光照、再分化过程需要光照。 植物体细胞增殖只有有丝分裂 一、植物组织培养技术 4.注意事项 外植体 愈伤组织 胚状体 芽 根 再生植株 愈伤组织的形成和生长需要避光培养 脱分化 再分化 两个过程细胞进行的是有丝分裂 需要光照 目的：诱导叶绿素的形成，使其能够进行光合作用。 植物组织培养≠细胞培养 关键激素 生长素和细胞分裂素 结果★ 比值≈1 比值＜1 比值＞1 促进芽的分化 促进根的分化 促进愈伤组织的形成 口诀：生根分芽 P35探究·实践:菊花的组织培养 1.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 2.材料： 离体的茎尖、根尖、叶片、花药等（外植体）。 3.MS培养基（P116）： 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） 4.方法步骤 ①制备外植体 消毒： 切割：无菌操作 酒精 30s 无菌水 2-3次 次氯酸钠溶液 30min 材料： 幼嫩的菊花茎段 2-3次 无菌水洗 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。 P35探究·实践:菊花的组织培养 外植体是活的植物组织，必须在消毒后尽快解除酒精环境，才能保持细胞活性 次氯酸钠具有强氧化性，会持续杀灭微生物，也会持续损伤植物细胞。 立即用无菌水冲洗，能快速稀释、去除残留消毒剂，停止其作用。 ②接种到诱导愈伤组织培养基 脱分化（避光） 产生愈伤组织 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？ 超级工作台无菌操作 4.方法步骤 P35探究·实践:菊花的组织培养 接种外植体时，不要倒插！ （将“形态学上端”朝上） 有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 维管组织是植物体内特有的、负责物质长途运输与机械支持的复合组织，也是高等植物适应陆地环境的关键结构之一。 4.方法步骤 P35探究·实践:菊花的组织培养 ③接种到诱导生芽、生根培养基 再分化 ②长出芽后，接种到诱导生根培养基 ①培养15〜20 d后，接种到诱导生芽培养基 ③进一步诱导形成试管苗 注意：★ ①注意顺序，先诱导生芽，再诱导生根。若先生根后面就不易生芽 ②该过程每日需要给予适当时间和强度的光照（芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照）。 4.方法步骤 P35探究·实践:菊花的组织培养 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。 ④试管苗移栽 生殖方式：无性生殖 分裂方式：有丝分裂 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。 胚状体 途径 器官发生途径 外植体 脱分化 愈伤组织 再分化 生芽生根 或胚状体 生长发育 试管苗 （移栽到大田） 拓展：植物组织培养的两种途径 5.结果分析和评价 P35探究·实践:菊花的组织培养 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周左右 （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？ 思考：为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？ 思考： 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。 P35探究·实践:菊花的组织培养 1.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 再分化过程是形成根和芽等营养器官，芽的形成需要光照的参与，才能形成叶绿素，再分化过程需要光照 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 随堂演练 2.兰州百合栽培过程中易受病毒侵染，造成品质退化。某研究小组尝试通过组织培养技术获得脱毒苗，操作流程如下图。下列叙述正确的是(　　) A．①为脱分化过程，1号培养基中的愈伤组织是排列规则的薄壁组织团块 B．②为再分化过程，愈伤组织细胞分化时可能会发生基因突变或基因重组 C．3号培养基用于诱导生根，其细胞分裂素浓度与生长素浓度的比值大于1 D．百合分生区附近的病毒极少，甚至无病毒，可以作为该研究中的外植体 排列不规则 不会发生 比值小于1 随堂演练 基因重组是有性生殖特有的 思考:如图所示的番茄—马铃薯利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？ 不能，不同种物种间存在生殖隔离 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？ 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。 番茄-马铃薯（想象图） 植物体细胞杂交技术 二、植物体细胞杂交技术 二、植物体细胞杂交技术 1.去除细胞壁： B细胞 A原生质体 B原生质体 去壁 去壁 A细胞 （1）两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？ 思考：上述酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇而不是清水，试分析原因？ 将细胞放在等渗或略大于的溶液中，防止原生质体吸水而涨破，保持原生质体正常。 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★： （2）用什么方法可以温和地去除细胞壁而不伤害原生质体？ 用纤维素酶和果胶酶水解 获得原生质体 二、植物体细胞杂交技术 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 关键环节 原理: 物理法 化学法 电融合法 离心法 聚乙二醇（PEG） 高Ca2+-高pH 细胞膜具有流动性 （3）把原生质体放在一起能自然融合吗？诱导原生质体融合的方法有哪些？ 与细胞膜的什么特性有关？ 二、植物体细胞杂交技术 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 二、植物体细胞杂交技术 思考：获得的所有细胞一定是需要的杂交细胞吗？ 细胞融合后，共有几种细胞类型？符合要求的是哪种？ 不一定，诱导融合后的产物有三类： ①未融合的细胞 ②两两融合的细胞 ③多细胞融合体 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？ 若只考虑两两融合 AA AB BB 筛选 AB 二、植物体细胞杂交技术 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 愈伤组织 杂种植株 脱分化 再分化 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 4.植物组织培养： 细胞杂交完成的标志★: 培育成新植物体 知识梳理 植物体细胞杂交技术 概念：将不同来源的植物细胞，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。 意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。 局限性（尚未解决的问题）杂种植株无法按照人们的需要表现出亲代的优良性状。 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 课堂小结 脱分化 再分化 原理 过程 菊花的组织培养 细胞全能性 操作步骤 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 植物组织培养 植物细胞工程 植物体细胞杂交 变异类型 原理 育种类型 概念 植物细胞融合 原生质体制备 过程 植物组织培养 原生质体融合 优缺点 课后习题P38 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 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 课后习题P38 "番茄—马铃薯"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，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，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。 1978年，梅尔彻斯（G. Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的体细胞杂种植株。他们将培育的二倍体马铃薯和番茄的叶片细胞原生质体进行融合，产生了杂种植株——“番茄—马铃薯”，它同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，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“番茄—马铃薯”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。 无法像马铃薯块茎那样驻藏大量淀粉，不能作为繁殖材料或食用 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $