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1、科学家利用菊花花瓣培养的菊花,专题2 细胞工程,1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆动物-克隆羊多利诞生于英国,标志着一种新的生物技术-动物体细胞克隆技术面世,也揭开细胞工程更深层次发展的序幕!,细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。,什么叫细胞工程？,细胞工程,应用的原理和方法,细胞生物学和分子生物学,细胞整体水平或细胞器水平,按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品,概念,分类,植物细胞工程,研究的目的,研究的水平,动物细胞工程,前者是细胞水平或细胞器水平上
2、生物技术,后者是分子水平上的生物技术。,克隆多利羊技术是 水平上的技术，培育抗虫棉是 水平上的技术。,细胞,分子,举例,细胞工程和基因工程对比：,2.1.植物细胞工程,2.1.1.植物细胞工程的基本技术,植物组织培养技术植物体细胞杂交技术,一、植物组织培养技术,理论基础是什么？具体做法怎样？,实例：非洲紫罗兰的组织培养,植物组织培养技术的理论基础是什么？,植物细胞具有全能性。,细胞的全能性概念,具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，即每个细胞都具有全能性。,为什么细胞具有全能性呢？每个细胞具有发育成完整个体所需的 全部遗传信息（基因）。,为什么每个细胞都具有发育
3、成完整个体的全部遗传信息呢？生物体每一个体细胞都是一个受精卵经有丝分裂产生的。你认为生物的哪种细胞最容易发育成生物体（全能性最高）？,受精卵,细胞全能性的高低,1、受精卵生殖细胞体细胞2、植物细胞动物细胞3、分化程度低分化程度高4、增殖细胞不增殖细胞,判断：同一个体的不同组织细胞中DNA；RNA、蛋白质呢？,不同,相同,思考讨论 为什么体内细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织、器官？,基因在特定空间和时间条件下选择性表达的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同部位的细胞表达的基因是不同的，合成的蛋白质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,
4、植物体,脱分化,再分化,植物组织培养过程,愈伤组织：,植物一些分化的细胞，经过激素的诱导，可以脱分化成为一团排列疏松而无规则，高度液泡化的、无定形状态的具有分生能力的薄壁细胞。,脱分化：,已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而变成未分化的细胞。,再分化：,脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根或芽等器官的过程。这样经过脱分化和再分化，离体的植物细胞、组织或器官就形成了一个新的植株。,怎样才能由一块组织通过培养得到一株完整植株,应该如何操作?,胡萝卜的组织培养,1.植物细胞表现出全能性的条件有哪些？,细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件。你认为培养基中应当有哪
5、些营养条件？蔗糖（糖类）、维生素、水、无机盐等；应添加的激素是什么？生长素、细胞分裂素等；外界条件是什么？适宜的温度、PH值以及适时光照等。,2.在植物组培过程中，为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？,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的生长。你认为杂菌和植物细胞之间有哪些关系？竞争、寄生。操作中有哪些措施可防止杂菌的污染？,胡萝卜根形成层容易诱导成愈伤组织（此处细胞具有分生能力）；其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。你能设计实验来验证吗？,3、为什么切取胡萝卜根的形成层，其他部分也能培养成小植株吗？,4、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？,
6、在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。注意：在诱导愈伤组织再分化成芽，特别是形成叶时，有在光照的条件下进行。你知道为什么吗？,切取形成层,无菌接种,诱导愈伤组织的形成,试管苗的形成,培养室,移栽,脱分化,再分化,5、植物组织培养技术的流程图,胡萝卜的组织培养流程,获得大量的愈伤组织,愈伤组织接种到分化培养基上,可以不继代培养直接诱导分化,若诱导出幼苗的同时也同时实现生根,可以省略生根培养,根据上述过程，请同学们讨论归纳出组织培养的概念。,植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最
7、终形成完整的植株。,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,脱分化（避光）,植物激素：细胞分裂素、生长素,再分化,植物组织培养过程,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,你知道吗？目前在植物组织培养中应用的培养基一般含有五类成分。请阅读以下相关材料，看看分别属于培养基的哪一成分：,材料1 一般用蒸馏水或去离子水配制培养基，煮沸过的自来水也可利用。,植物原生质体的组成成分，一切代谢过程的介质和溶剂,水,材料2 培养基中包括大量元素和微量元素。大量元素有N、P、K、S、Ca、Mg、Na等，微量元素有Mn、Zn、Cu
8、、B、Mo、Fe等。,细胞内一些重要物质的组成成分，影响生物体的生命活动,无机营养物,材料3 培养基中含有糖、维生素和氨基酸。糖为培养基提供所需要的碳源，并有调节渗透压的作用。常用的是质量分数为24的蔗糖，有时也加入葡萄糖和果糖等。一般来说，以蔗糖为碳源时，离体的双子叶植物的根长得较好；而以葡萄糖为碳源时，单子叶植物的根长得较好。植物能够利用的其他形式的碳源有麦芽糖、半乳糖、甘露糖和乳糖，有的还能利用淀粉。维生素和氨基酸类主要有硫胺素（维生素B1）、吡哆素（维生素B6）、烟酸（维生素B3）、泛酸（维生素B5）以及甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺等。,糖类作为主要能源物质，维生素对生长分化有很好的促进
9、作用,有机营养,材料4 有时加一些天然的有机物，如椰子乳、酵母提取物、玉米胚乳、麦芽浸出物或番茄汁等。它们对愈伤组织的诱导和分化往往是有益的。,对愈伤组织的诱导、分化往往有益,有机添加物,材料5 常用生长素和细胞分裂素，如2，4D、萘乙酸、吲哚乙酸、吲哚丁酸等用于诱导细胞的分裂和根的分化。吲哚乙酸易被光和酶氧化分解，所以加入的浓度较高，常为130mg/L，萘乙酸、2，4D的浓度则以0.12mg/L为宜。激动素、6苄基腺嘌呤、异戊烯基腺嘌呤、玉米素等可以促进细胞分裂和诱导愈伤组织或器官分化不定芽，它们常用的浓度为0.011mg/L。在原代培养中，一般都需加入激素类物质，但随着继代培养次数的增加，
10、加入量可逐代减少。离体培养物的根芽分化取决于激素间的比例。此外，赤霉素等对刺激培养细胞的伸长也具有一定的作用。,如促进细胞分裂，诱导愈伤组织或器官分化,生长调节剂,组织培养基的成分,水无机营养物（大量元素、微量元素）有机营养（碳源、氮源、维生素）有机添加物生长调节剂（生长素、细胞分裂素等）,固体培养基：添加琼脂,脱分化和再分化的培养条件完全一样吗？,不完全一样,脱分化的过程不需要光照、脱分化和再分化的过程中所用的激素种类和比例也可能有所不同等,1、下列属于组织培养的是（）A.花药离体培养成单倍体植株B.芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区D.利用桑枝条扦插大田并发育成完整植株,自我评价,2、
11、有关全能性的表述中，不正确的是（）受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完 整个体，因此全能性最高 生物体内细胞由于分化全能性不能表达 卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能 性很高 植物细胞离体培养在一定条件下能表现出 全能性,C,自我评价,番茄与马铃薯同属茄科植物，但不是同属的植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜。马铃薯的块茎生长在土壤中。人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地上部分结番茄，地下部分长土豆。这个幻想可能实现吗？,一个梦想?,因为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。,于是，这些科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交，来实现这一美妙
12、的设想。,二、植物体细胞杂交技术,这幅番茄马铃薯图利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？,1972年卡尔森等通过两个烟草品种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。,背景资料,1978年梅尔彻斯(Melchers)等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种“Potamato”。,目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。,1你认为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？2有没有一种温和的去壁方法呢？3两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？4、促进两个原生
13、质体融合的方法有哪些？5、可能出现几种原生质体融合的结果？6如果两个来源不同的原生质体发生了融合，融合完成的标志是什么？7如何将杂种细胞培育成杂种植株？,请思考：,植物体细胞杂交过程图,植物体细胞杂交过程示意图,杂种植株,融合的原生质体AB,再生出细胞壁,脱分化,愈伤组织,再分化,1、过程,植物细胞的融合,植物组织培养,植物细胞A,原生质体B,原生质体A,杂种细胞AB,酶解去 壁,酶解去 壁,人工诱导,方法？,促进融合的方法？,融合完成的标志,植物细胞B,筛选,倍性增加,细胞壁：酶解法：纤维素酶、果胶酶诱导融合方法：物理法：离心、振动、电激等 化学法：聚乙二醇(PEG)等,细胞膜的流动性,细胞
14、的全能性,2、概念,将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。,3、成果和未解决的问题,成果：克服不同生物远缘杂交的障碍，出现自然界 没有的新品种。,未解决的问题：未能让杂种植物按照人们的需要 表现出亲代的优良性状。,白菜,甘蓝,白菜甘蓝,同普通的白菜比,白菜甘蓝杂种植株具有生长周期短、耐热性强和易于贮藏等优点。又相继培育出了：烟草海岛烟草；胡萝卜羊角芹等种间、属间杂种植株。,为什么“番茄马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？,生物基因的表达不是孤立的，他们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯番茄杂交植株的细胞中虽
15、然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达。,动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。,1、不能人工诱导原生质体融合的方法是（）,A、振动 B、电激C、PEG试剂 D、重压,2、植物细胞融合完成的标志的是（）A、产生新的细胞壁 B、细胞膜发生融合C、细胞质发生融合 D、细胞核发生融合,A,D,自我评价,所采用技术的理论基础,植物细胞工程,通常采用的技术手段,植物组织培养,植物体细胞杂交,植物细胞的全能性,小结,2.1.2植物细胞工程的实际应用,（1）什么叫植物的微型繁殖技术？有什么优点？（2）
16、人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，利用了该技术的哪些优点？（3）为何利用植物的组织培养可获得脱毒苗？（4）为什么要生产人工种子？什么叫人工种子？（5）人工种子有哪些天然种子没有的优点？（6）人工种皮中应该具有的有效成分是什么？还可以加入什么物质促进胚状体发育？,一、植物繁殖的新途径,1.微型繁殖(1)微型繁殖技术：快速繁殖优良品种的 植物组织培养技术。因此，也叫做快速繁殖技术。(2)特点:保持优良品种的遗传特性;高效快速地实现种苗的大量繁殖.,2.作物脱毒（1）材料：无病毒的茎尖；（2）脱毒苗：切取茎尖进行组织培养获得。,自然界有些具有重要经济价值的植物产生种子的过程非常困难，能
17、否利用植物组织培养的原理获得具有正常发育能力的“人工种子”？,(1)人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。,3.神奇的人工种子,（2）优点：不受季节限制，不会造成性状改变，方便运输和储藏。,人造种皮,胚状体或不定芽或顶芽或腋芽.,人工胚乳或子叶,（3）人工种子的结构,人工种皮中应该具有的有效成分是什么？还可以加入什么物质促进胚状体发育？,有效成分：养分、无机盐、有机碳源、以及农药、抗生素、有益菌等，还可以加入一些植物生长调节剂。,制备人工种皮的材料：海藻酸钠、明胶、树脂、琼脂糖、淀粉等，使种皮有韧性，耐压易于运输和储存，对胚状体无害。,人
18、工种子制备的流程图,二、作物新品种的培育,1.单倍体育种,（1）方法,花药离体培养；染色体加倍。,（2）优点,后代稳定遗传,都是纯合子;明显缩短育种年限。,花药离体培养和染色体加倍的实验流程,2.突变体的利用（1）突变体的产生 在植物组织培养的过程中，由于培养的细胞一直处于不断的分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。产生的突变属于什么？为什么不断分生的细胞容易突变？（2）利用：筛选对人们有利突变体,进而培育新品种,三、细胞产物的工厂化生产,1.产物的种类：蛋白质，脂肪，糖类，药物，香料，生物碱等。2.技术：植物的组织培养。紫草素是一种名贵的香料，用植物组织培养的方法可以大量生产紫草素，你认为紫草素是从什么中提取出来的？,愈伤组织,小结：植物细胞工程的实际应用：（1）植物繁殖的新途径：微型繁殖、作物脱毒、人工种子（2）作物新品种的培育：单倍体育种、突变体的利用（3）细胞产物的工厂化生产：蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等,
