2.1.1植物细胞工程的基本技术课件-2026-2027学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件聚焦植物细胞工程，涵盖植物组织培养和体细胞杂交技术，通过兰花繁殖难题、番茄马铃薯杂交等问题导入，从细胞全能性理论出发，逐步展开技术流程、实验操作及检测总结，构建完整学习支架。 其亮点在于以问题驱动培养科学思维，结合菊花组织培养实验的对照设计与杂种细胞筛选实践，落实探究实践和生命观念。学生能提升实验能力与理性思维，教师可依托系统内容高效开展理论与实践教学。

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 植物细胞工程和动物细胞工程 第二章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 一、植物细胞工程的基本技术 01 植物组织培养技术 问题探讨 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”。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？ 鬼兰（幽灵兰） 市场价格： 1500万每株！ 植物通常是通过播种或扦插实现繁殖的 植物细胞工程 理论基础—— 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： 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。 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无全能性；种子发育成植株不能体现细胞的全能性。 植物细胞的全能性 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表现出全能性呢？ 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。 外植体 3.原理： 植物细胞的全能性 4.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 脱分化 再分化 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 芽、根等 生长 发育 2.生殖方式： 无性生殖 分裂方式： 有丝分裂 分化状态 未分化状态 外植体： 离体的植物器官、组织或细胞 外植体的选择： 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.脱分化过程中一般避光培养； 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 一般选择幼嫩的组织。（脱分化相对容易） 有光会形成维管组织，不利愈伤组织形成 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： 结果： 形成根、芽 脱分化与再分化比较 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 结果 需要条件 有分裂，无分化 有分裂，有分化 形成愈伤组织 形成根、芽 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） 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） 次氯酸钠是84消毒液和漂白剂成分 名称： 物理性质： 碳源： 灭菌方法： 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 植物组织培养常用培养基配方 高压蒸汽灭菌 （湿热灭菌） 主要成分： 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 葡萄糖和果糖在与蔗糖提供相同数量碳源的前提下，其造成的渗透压可能过高。蔗糖同样可以作为植物细胞的碳源和能源物质。配制相同质量分数的培养基，蔗糖形成的渗透压要明显低于葡萄糖，若采用葡萄糖作为碳源，易使植物细胞脱水而生长不良。同时，植物细胞吸收蔗糖的速率要明显慢于吸收葡萄糖的速率，所以蔗糖形成的渗透压可较长时间地保持相对稳定。此外，微生物生长所需的最适合的碳源是葡萄糖，因此，采用蔗糖作为培养基的碳源，可在一定程度上减少微生物污染。 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接种时注意外植体方向，不要倒插，即应将形态学下端朝下； ②培养基中生长素≈细胞分裂素 防止杂菌生长。一方面避免与培养物竞争营养；另一方面避免产生有害物质危害培养物。 (1)注意酒精和次氯酸钠消毒的时间和浓度。 对外植体的消毒既要达到消毒的效果，又不能杀死外植体。 (2)用无菌水清洗是为了防治消毒液残留，消毒过度杀伤外植体。 与生长素的极性运输有关;生长素含量多的部分容易生出不定根，含量少的部分生出不定芽，一般而言，容易长不定芽的是形态学上端，容易长不定根的是形态学下端，因此应该将形态学上端朝上，下端朝下，若倒插，外植体不易存活。 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。 若先生根后面就不易生芽 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。 4、探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响。 对照实验 A组：空白对照，不加任何激素 B组：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1 C组：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1 D组：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1 使用顺序 实验结果 先使用生长素， 后使用细胞分裂素 有利于细胞分裂，但细胞不分化 先使用细胞分裂素， 后使用生长素 细胞既分裂也分化 同时使用 分化频率提高 先“生”分裂不分化，后“生”分裂又分化，同“使”分化频率高 五、结果分析与评价： 植物组织培养的两种途径 探究•实践 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） 课堂检测 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 课堂检测 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 课堂检测 1.A、B过程分别为 。C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”） 细胞分化 植物激素 细胞分裂素 生长素 无性繁殖 有丝分裂 浓度及比例 脱分化、再分化 愈伤组织 不需要 叶绿素的合成需要光照 植物体 根、芽或胚状体 外植体 A B C 下列是植物组织培养流程图，请回答： 02 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 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 结果： 获得原生质体 思考：去除细胞壁的植物细胞是否需要保证渗透压稳定，试分析原因？ 需要，可加入山梨醇或甘露醇稳定渗透压，防止原细胞吸水涨破或失水皱缩。 等渗或略高渗溶液中进行 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 与高尔基体密切相关 验证新壁生成：质壁分离实验 30 方法1：互补选择法 第一次培养在适合A不适合B的条件下 第二次培养在适合B不适合A的条件下 淘汰BB型的细胞 淘汰AA型的细胞 选出AB型细胞 方法2：融合前两个亲本有可分辨的明显标记 亲本1：来自愈伤组织 亲本2：来自叶肉细胞(含叶绿体) 细胞壁薄且含有叶绿体的细胞 选择 方法3：利用抗性互补 亲本1：对放线菌素D有抗性，但在MS培养基不能超过50个世代 亲本2：对放线菌素D敏感，但能在MS培养基上连续生长。 将细胞放在含有放线菌素D的MS培养基上连续培养，得到对放线菌素D有抗性且能在MS培养基上连续生长的杂种细胞。 筛选杂种细胞AB的方法 验证新壁生成：质壁分离实验 31 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：得到杂种植株 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 原生质体A 原生质体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） 8.结果： 得到杂种植株 有性杂交与植物体细胞杂交技术比较 植物A体细胞染色体数20条 植物B体细胞染色体数40条 有性杂交 后代体细胞中染色体数 条 植物体细胞杂交 后代体细胞中染色体数 条 植物A为二倍体植物B为四倍体 有性杂交 后代为 倍体 植物体细胞杂交 后代为 倍体 30 60 三 六 体细胞杂交 杂交育种 1.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。 36 （异源）四 2.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。 （异源）二 18 课堂检测 利用植物体细胞杂交技术培育出了番茄—马铃薯杂种植株，过程如图，其中①～⑤表示过程，英文字母表示细胞、组织或植株。回答问题： (1)在植物体细胞杂交技术中，过程①中常用　　 　　　处理植物细胞以除去　　 　　，得到　　　　　　。 (2)过程②表示　　　　 　　。依据的生物学原理是 　 ，常用的化学试剂是　　 　。 (3)与过程③密切相关的具有单层膜结构的细胞器是　　　　　　。 (4)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中，依据的原理是　　　　　　　　　　，其中过程④表示　 　　　过程，过程⑤涉及的细胞分裂方式为　　　 　　　。 (5)若番茄细胞内含m条染色体，马铃薯细胞内含n条染色体，则番茄—马铃薯杂种植株的体细胞内含　　 　　条染色体；若由杂种细胞培育成的番茄—马铃薯植株为四倍体，则此杂种植株的花粉经离体培养得到的植株为　 　　倍体。 纤维素酶和果胶酶 细胞壁 原生质体 诱导原生质体融合 细胞膜具有一定的流动性 聚乙二醇 高尔基体 植物细胞的全能性 脱分化 有丝分裂 m+n 单 李振声院士利用小麦与偃麦草远缘杂交并育成了小偃麦系列品种 胡含，祖籍湖南湘潭 1924年4月3日出生于北京 圆满的完成了小麦与黑麦（6X）和偃麦草（8X）杂交授粉后精细胞（核）授粉至受精过程中雌雄核融合前雄核的变化，雌雄核融合过 程，幼胚与胚乳核发育三部分的研究工作，并在前苏联的《细胞学》期刊上发表了研究论文《小麦、黑麦及其杂种受精过程中细胞胚胎学及细胞化学研究》。 生活中还有哪些植物也可以通过植物体细胞杂交技术进行品种上的改良？ 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 Lavf57.25.100 $