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

利用植物细胞工程培育新植株 第2章 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。 第1节 1 科金 （E. C. Cocking, 1931-2023） 哈伯兰特 （G. Haberlandt, 1854-1945） 植物细胞工程的发展历程 1902年 哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。 1958年 1960年 斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。 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。 斯图尔德 （F. C. Steward, 1904-1993） 2 古哈 （S. Guha, 1938-2007） 植物细胞工程的发展历程 1964年 1971年 1974年 古哈等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。 卡尔森（P. S. Carlson, 1944-2017）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。 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。 土壤农杆菌的Ti质粒被发现 3 希普 （W. Heape, 1855-1929） 动物细胞工程（含胚胎工程）的发展历程 1890年 希普将安哥拉兔的胚胎移入比利时兔的输卵管内，得到了两只安哥拉兔，这是世界上胚胎移植成功的首例。 1907年 1960年 哈里森滴淋巴液成功培养了蝌蚪的神经元，首创了动物组织体外培养法。 张明觉等发现了动物精子的获能现象 哈里森 （R. G. Harrison, 1870-1959） 张明觉 （1908-1991） 4 格登 （J. Gurdon, 1933- ） 米尔斯坦 （C. Milstein, 1927-2002） 科勒 （G. Köhler, 1946-1995） 1958年 1959年 1975年 格登用非洲爪蟾进行体细胞核移植实验，成功培育出性成熟个体。同一时期，我国科学家童第周(1902-1979)等开展了鱼类细胞核移植工作结合。 试管家兔诞生。 之后，多种试管动物相继出生。 米尔斯坦和科勒等创立 了单克隆抗体技术 动物细胞工程（含胚胎工程）的发展历程 5 山中伸弥 （S. Yamanaka, 1962- ） 埃文斯 （M. J. Evans, 1941- ） 动物细胞工程（含胚胎工程）的发展历程 1978年 小鼠的桑葚胚被成功分割。次年，科学家分割绵羊胚胎获得了同卵羔羊。 1981年 2006年 埃文斯等分离和培养了小鼠的胚胎干细胞 山中伸弥等获得了诱导多能干细胞。我国科学家用这种细胞培育出了小鼠。 6 北京大学第三医院 2014年 2017年 世界上第一个用单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿在我国诞生 我国科学家首次培育了体细胞克隆猴 动物细胞工程（含胚胎工程）的发展历程 7 从社会中来 其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨夫开也，凝情瀼露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非真兰室乎！岂非有国香乎！ 这是我国历史上第一部兰谱 —《金漳兰谱》的跋文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，很多人喜欢养兰花。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？ 8 知识回顾 植物组织培养技术 1 细胞全能性的概念 2 细胞具有全能性的原因 3 细胞体现全能性的标志 4 为什么不是所有的细胞都表现出全能性？ 9 ▲ 经组织培养得到的微型观赏植株 ▲胡萝卜经组织培养产生完整植株示意图 植物组织培养技术 细胞的全能性（totipotency） 细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。 10 ★ 细胞全能性的实例： 植物组织培养技术 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。 细胞具有全能性的标志 细胞 → 完整个体或其他各种细胞 为什么不是所有的细胞都表现出全能性？ 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。 胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株 受精卵发育成个体(动植物) 蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰 用一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株 高度分化的植物组织的细胞，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？科学家是如何做到的呢？ 11 ▲ 植物组织培养流程图 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 植物组织培养（plant tissue culture） 指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。 用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。 外植体： 12 植物组织培养技术 愈伤组织 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，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，这称为愈伤组织。 愈伤组织能重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。 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。 将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上，就可以诱导其再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。 13 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 14 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 目的要求 （1）材料：幼嫩的菊花茎段、培养基、体积分数为70%的酒精、质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液和无菌水等。各种培养基的配制参见本书附录1（教材P116） （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、用量的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 材料用具 （2）用具： 50 mL锥形瓶（或植物组织培养瓶）、烧杯、酒精灯、超净工作台（或接种箱）、高压蒸汽灭菌锅、培养箱、封口膜、滤纸、标签、消毒用酒精棉球、培养皿、解剖刀和镊子等。 15 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 方法步骤 ➊ 准备外植体 ➋ 外植体切断 ➌ 接种外植体 16 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 方法步骤 ➍ 诱导脱分化 ➎ 诱导再分化 ➏ 移栽试管苗 17 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 用酒精擦拭双手和超净工作台面 外植体的消毒： 酒精消毒 （30s） 无菌水清洗 （2~3次） 流水 冲洗 无菌水清洗 （2~3次） 次氯酸钙溶液处理 （30min） （幼嫩的茎段） ★ 防止杂菌生长：(1)与培养物竞争营养；(2)产生有害物质危害培养物 18 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 消毒过的外植体置于无菌培养皿 无菌滤纸吸去 外植体表面水分 用解剖刀切成 0.5~1cm长的小段 19 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 在酒精灯火焰旁，将外植体的 1/3~1/2（形态学下端）插入诱导愈伤组织的培养基中 封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上做好标记 20 ▲脱分化过程中受污染的培养基 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 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 置于黑暗中 有光时，容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。 21 再分化过程中受污染的培养基 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 15~20d后，将生长良好的愈伤组织转接到生芽培养基上 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 置于光照环境中 芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 22 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 准备外植体 外植体切段 接种外植体 诱导脱分化 诱导再分化 移栽试管苗 炼苗 移栽 观察 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。 23 探究·实践：菊花的组织培养 相关资料 珍珠岩：珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却而成的玻璃质岩石，有弧形或圆形裂隙，如珍珠的结构，所以被命名为珍珠岩 。 蛭石：一种天然、无毒的矿物质，在高温作用下会膨胀的矿物。它是一种比较少见的矿物，属于硅酸盐。 24 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 几点注意 1、无菌技术是组织培养成功的关键因素 植物组织培养所利用的植物材料体积小，抗性差，所以对培养条件要求高。MS培养基同样适合于某些微生物生长，因此要进行严格的无菌操作。 无菌技术包括对培养基、器械和植物材料（外植体）的灭菌或消毒。实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。对培养材料表面消毒时要考虑药剂的消毒效果和材料的耐受性。 培养基可能会出现细菌污染或真菌污染。妥善处理被污染的培养物，一旦发现培养材料污染，一定要先灭菌再打开清洗。 25 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 几点注意 2、试管苗培养过程中应注意的问题 接种时注意外植体的方向，不要倒插。 培养一株完整的试管苗，必须先进行生芽培养，然后进行生根培养，如果顺序颠倒，就不容易诱导生芽。 诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。 试管苗一般在高湿、弱光、恒温下生长，移出瓶后一定要保温、保湿。 试管苗光合作用能力低，在移栽前应给予较强光照且进行闭瓶炼苗，以促进小苗向自养转化。 26 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 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，有多少能正常生长，并分析它们被污染的原因。 用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此，要进行严格的无菌操作。 导致外植体被污染的原因可能有：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。 27 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 结果分析与评价 2、你培养出愈伤组织了吗？如果培养出来了，从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？这些愈伤组织进一步分化出芽和根了吗？ 观察实验结果，看看是否培养出了愈伤组织，记录多长时间长出了愈伤组织。从刚接种的外植体到长出愈伤组织一般需要2周左右的时间。 统计更换培养基后愈伤组织进一步分化成芽和根的比例和时间。 28 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 结果分析与评价 3、观察外植体的分化情况，填好结果记录表，并及时分析结果。 做好统计和对照，填好结果记录表，培养严谨的科学态度。 从实验的第一步开始就要做好实验记录，可以分组配制不同的培养基，如诱导愈伤组织的培养基、诱导生芽的培养基等，还可以进行不同配方的比较。 29 探究·实践：菊花的组织培养 植物组织培养技术 结果分析与评价 4、你培育的幼苗移栽到露地后，能够正常生长吗？ 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。一般使用无土栽培的办法。 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。 可以在课后统计移栽的成活率，看看移栽是否合格。 30 植物组织培养技术 趁热 打铁 植物体 根、芽或胚状体 外植体 C A B 下列是植物组织培养流程图，请回答： （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 （需要/不需要）光照，B过程 （需要/不需要）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 （“无性繁殖”/“有性繁殖”）过程。 脱分化、再分化 有丝分裂 细胞分化 有丝分裂 愈伤组织 不需要 需要 叶绿素的合成需要光照 植物激素 细胞分裂素 生长素 无性繁殖 浓度及比例 31 ▲番茄-马铃薯（想象图） 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”（如左图）。 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。 科学家是怎样得到杂种植株的呢？ 32 植物体细胞杂交技术 ▲ 植物体细胞杂交技术流程图 33 植物体细胞杂交技术 思考讨论1：在不损伤细胞膜的前提下，如何去除植物细胞的细胞壁？ 利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得原生质体。 上述酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，使溶液有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破。 34 植物体细胞杂交技术 思考讨论2：如何诱导不同的原生质体融合？ 人工诱导原生质体融合的方法基本可以分为两大类：物理法和化学法。物理法包括___________、_________等；化学法包括___________________________、_____________________等。 ▲光学显微镜下的烟草叶肉细胞原生质体 电融合法 离心法 聚乙二醇（PEG）融合法 高Ca2+-高pH融合法 35 融合体系中有多个原生质体A和多个原生质体B，由于融合是随机的，所以除了会出现融合原生质体AB，也会出现___________________和___________________；又由于融合的成功率不是百分之百，所以除了出现融合细胞，也会有_______________。因此诱导融合之后要对原生质体进行筛选。 植物体细胞杂交技术 思考讨论3：诱导融合之后为什么要对原生质体进行筛选？ 融合原生质体AA 融合原生质体BB 未融合细胞 36 ▲ 番茄-马铃薯（想象图） 植物体细胞杂交技术 “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？ 拓展 应用 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。 “番茄-马铃薯”没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，主要原因是：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。近年来，有报道称利用嫁接技术培育出了地上结番茄、地下长马铃薯的植株。 37 植物体细胞杂交技术 植物体细胞杂交（plant somatic hybridization） 指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。 实例 + = 白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 38 植物体细胞杂交技术 1、图中过程： ➊为 ； ➋为 ； ➌为 ； ➍为 ； ➎为 。 ➊ ➊ ➋ ➌ ➍ ➎ 2、细胞融合成功的标志是 ，植物体细胞杂交技术成功的标志是 。 再生出新的细胞壁 形成杂种植株 3、植物体细胞杂交技术的原理是 。 细胞膜的流动性和植物细胞的全能性 去除细胞壁 诱导细胞融合 再生出新的细胞壁 脱分化 再分化 4、植物体细胞杂交技术的意义是 。 打破生殖隔离，实现远缘杂交 39 小试牛刀 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苗 D．进行d选择时要将植株种在高盐环境中 A 40 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？ 小试牛刀 纤维素酶和果胶酶 3、下列关于菊花的组织培养实验的叙述，正确的是（ ） A．菊花茎段用酒精和次氯酸钠处理后，立刻用自来水冲洗 B．实验中使用的培养基和所有的器械都需要灭菌 C．培养过程中需更换培养基以满足不同阶段细胞的营养所需 D．试管苗移栽时，根部带有培养基可使其快速适应外界环境 B 【第3题解析】菊花茎段用体积分数为70%的酒精消毒30 s，立即再用无菌水清洗2～3次后，再置于质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液中处理30 min，立即用无菌水清洗2～3次，A错误；植物组织培养应注意无菌操作，故实验中使用的培养基和所有的器械都需要灭菌，B正确；菊花组织培养过程中需更换培养基，以满足不同阶段对植物激素的需求，C错误；试管苗移栽时，应将根部的培养基洗掉，D错误。 41 4、两种远缘植物的细胞融合后会导致一方的染色体被排出。若其中一个细胞的染色体在融合前由于某种原因断裂，形成的染色体片段在细胞融合后可能不会被全部排出，未排出的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上而留存在杂种细胞中。依据该原理，将普通小麦与耐盐性强的中间偃麦草进行体细胞杂交获得了耐盐小麦新品种，过程如下图所示。下列说法错误的是（ ） 小试牛刀 A．过程①需使用纤维素酶和果胶酶处理细胞 B．过程②的目的是使中间偃麦草的染色体断裂 C．过程③中常用灭活的病毒诱导原生质体融合 D．耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的染色体片段 C 【解析】纤维素酶和果胶酶可以去除植物细胞壁得到原生质体，A正确；结合题意可知，过程②使用紫外线照射可以导致染色体断裂，B正确；动物细胞融合特有的方式是灭活病毒诱导，植物细胞融合常用聚乙二醇诱导，C错误；由题意知，断裂的染色体片段可以整合到另一个细胞的染色体上，普通小麦不抗盐，经体细胞杂交获得的耐盐小麦的染色体上整合了中间偃麦草的部分染色体片段，D正确。 42 5、青枯病是马铃薯的常见病害之一，少数马铃薯野生种对青枯病有抗性，但野生种难以与马铃薯栽培种直接杂交繁育。为获得抗青枯病的马铃薯栽培种，研究人员进行了植物体细胞杂交的实验研究，过程如下图所示。下列分析正确的是（ ） 小试牛刀 A．图中两细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁 B．过程①包括人工诱导原生质体融合，可采用物理法或化学法 C．细胞C含有A和B的遗传物质，因此培育的杂种植株一定有抗性 D．过程③经历了脱分化和再分化，其本质是基因的选择性表达 B 【解析】杂种细胞形成的标志是再生出新的细胞壁，A错误；诱导原生质体融合可采用物理法，也可以采用化学法，B正确；虽然细胞C含有A和B的遗传物质，但是并不一定会把A、B两种植株的优良性状都表达出来，C错误；过程③表示从愈伤组织到胚状体，只是经过再分化过程，没有脱分化，D错误。 43 第2章 第1节 下节课继续学习《选择性必修3》 （2）植物细胞工程的应用 44 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $