21植物细胞工程

1、 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？细胞工程细胞工程 指应用指应用细胞生物学和分子生物学细胞生物学和分子生物学的原理和的原理和方法，通过某种工程学手段，在方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平细胞整体水平或或细胞器水平细胞器水平上，按照人们的意愿来上，按照人们的意愿来改变细胞改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学的一门综合科学技术。技术。 细细胞胞工工程程应用的原理和方法应用的原理和方法研

2、究的水平研究的水平研究的目的研究的目的细胞生物学和细胞生物学和分子生物学分子生物学细胞整体水平细胞整体水平或细胞器水平或细胞器水平按照人们的意愿来按照人们的意愿来改变细胞内的遗传改变细胞内的遗传物质或获得细胞产物质或获得细胞产品品概念概念分类分类植物细胞工程植物细胞工程动物细胞工程动物细胞工程理论基础理论基础细胞的细胞的全能性全能性主主要要技技术术植物组织培养植物组织培养植物体细胞杂交植物体细胞杂交动物细胞培养动物细胞培养动物细胞融合动物细胞融合单克隆抗体技术单克隆抗体技术胚胎移植胚胎移植核移植核移植植物植物细胞细胞工程工程技术技术动物动物细胞细胞工程工程技术技术所采用技术的理论基础 植物细胞

3、工程通常采用的技 术 手 段 植物组织培养植物组织培养 植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物细胞的全能性植物细胞的全能性（一）（一） 细胞的全能性细胞的全能性1、定义、定义： 生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能的特性。体的潜能的特性。 2、原理：、原理： 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特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，有的全套遗传物质，都有发育成为完整个都有发育成为完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个体的每一个活细胞活细胞都应该具有全能性。都应该具有全能性。 3、差异：、差异

4、： （1 1） 受精卵的全能性受精卵的全能性最高最高 （2 2） 受精卵分化后的细胞中，体细胞受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的的全能性比生殖细胞的低。低。 植物细胞的全能性植物细胞的全能性受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞4、大小、大小干细胞干细胞植物细胞植物细胞动物细胞动物细胞 5.细胞表现出全能性的条件细胞表现出全能性的条件（1）离体状态）离体状态（2）有一定营养物质、激素和其他外界条件）有一定营养物质、激素和其他外界条件 思考讨论：为什么体内细胞没有表现出思考讨论：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？全能性，而是分化成为不同的组织、器官？

5、基因在特定空间和时间条件下基因在特定空间和时间条件下选择性表达选择性表达的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同的结果。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。质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。 schwann schwann在在1839 1839 年明确的指出：年明确的指出：“如果具如果具有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可以独立生活和发展以独立生活和发展”。 德国著名植物学家德国著名植物学家g.haberlandtg.haberl

6、andt在细胞学在细胞学说的基础上于说的基础上于19021902年提出了细胞全能性学说。年提出了细胞全能性学说。他认为，高等植物的组织、器官可以不断分割，他认为，高等植物的组织、器官可以不断分割，直到单个细胞。如果每个细胞都有植物个体一直到单个细胞。如果每个细胞都有植物个体一样的性质和能力，那么，可以通过植物细胞培样的性质和能力，那么，可以通过植物细胞培养使单个细胞发育成为一个新个体。养使单个细胞发育成为一个新个体。植物组织培养的发展简史 探索阶段探索阶段（1919世纪初世纪初3030年代中）年代中） 德国植物生理学家德国植物生理学家haherlandthaherlandt首次进行了植物细胞首

7、次进行了植物细胞培养实验培养实验 奠基阶段奠基阶段（30305050年代）年代） 19341934年，年，whitewhite培养番茄离体根尖成功培养番茄离体根尖成功 19391939年，年，gautheretgautheret连续培养胡萝卜根形成层首次连续培养胡萝卜根形成层首次成功成功 white:white:烟草种间杂种的瘤组织进行组培烟草种间杂种的瘤组织进行组培 nobecourtnobecourt：胡萝卜进行组培：胡萝卜进行组培 以上三人是植物组织培养的奠基人以上三人是植物组织培养的奠基人 迅速发展阶段迅速发展阶段（6060年代后）年代后）原生质体，花药，快繁技术迅速发展原生质体，花药

8、，快繁技术迅速发展 科学研究表明，处于离体状态的植物活科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。植物组织培养。 1958 1958年年stewardsteward和和reinertreinert用胡萝卜根的用胡萝卜根的愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了完整植株。完整植株。 植物组织培养的发展简史离体的植物离体的

9、植物器官、组织器官、组织或细胞或细胞愈愈伤伤组组织织根根芽芽植植物物体体脱分化脱分化再分化再分化让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程的结构和功能而转变成未分化细胞的过程脱分化产生的愈伤组织在一定条件下进行培养脱分化产生的愈伤组织在一定条件下进行培养又可以重新分化成幼根或芽等器官的过程。又可以重新分化成幼根或芽等器官的过程。避光避光愈伤组织：愈伤组织：离体的植物器官、组织或细胞，在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成一种高度液泡化、无定形状态薄壁细胞、具有分裂分化能力，具有发育成一个完整植株的潜力。植物组织培养关键词：关

10、键词：外植体、脱分化、再分化、愈伤组织外植体、脱分化、再分化、愈伤组织（1）离体、）离体、（2）一定的营养物质、激）一定的营养物质、激素和其他外界条件素和其他外界条件必要条件：必要条件：植物组织培养外植体：外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官织或器官1）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）2）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上3）切取所需的外植体4）将外植体接种于培养容器的培养基上整个试验在整个试验在超净工作台上超净工作台上进行，进行，保持无菌保持无菌！外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成外植体经过一段时间在培养基上生长后，会

11、形成愈伤组织愈伤组织培养基中的植物调节剂（1）脱分化：）脱分化： 生长素生长素细胞分裂素，主要诱导植物组织脱分化细胞分裂素，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成。和根原基的形成。（2）再分化：）再分化： 细胞分裂素细胞分裂素生长素，主要诱导植物组织再分生长素，主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。化和芽原基的形成。(3)比例适中，易诱导脱分化产生愈伤组织。比例适中，易诱导脱分化产生愈伤组织。植物组织培养的植物组织培养的培养基培养基定义：定义：含有一定营养成分含有一定营养成分，供组织培养植物生长的基质，供组织培养植物生长的基质无机营养成分：无机营养成分：c c，h h，o o大量元素及部分微量元

12、素大量元素及部分微量元素有机营养成分有机营养成分 含含n n物质：包括维生素和氨基酸物质：包括维生素和氨基酸 碳源：碳源：2%5%2%5%的蔗糖的蔗糖 琼脂：起支持作用琼脂：起支持作用 激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素phph值：值：5.05.06.06.0试管苗大规模培养过程过程离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织愈伤组织根、芽根、芽植物体植物体外植体外植体脱分化脱分化植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素再分化再分化植物组织培养植物组织培养条件植物组织培养条件： 含有全部营养成分的含有全部营养成分的培养基、一定的温度

13、、空培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的气、无菌环境、适合的phph、适时光照等。适时光照等。 1972 1972年卡尔森等通过两个烟草品种之间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。原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。19781978年梅尔彻斯年梅尔彻斯(melchers)(melchers)等首次获得等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种“potamatopotamato”。 目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培目前，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、大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、

14、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代，获得了有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。价值的新品系或育种上有用的新材料。 （三）（三） 植物体细胞杂交植物体细胞杂交1 1、定义：、定义： 用两个来自不同植物的体细胞融合成用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。新的植物体的方法。 3 3、优势：、优势：（与有性杂交与有性杂交方法比较）方法比较） 打破了不同种生物间的打破了不同种生物间的生殖隔离限制生殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。围。植

15、物植物体细胞体细胞杂交杂交2 2、原理：、原理： 细胞膜的流动性细胞膜的流动性植物细胞的全能性植物细胞的全能性去壁去壁去壁去壁纤维素酶纤维素酶果胶酶果胶酶原原生生质质体体植物细胞植物细胞原生质体融合原生质体融合离心、离心、振动、振动、电刺激、电刺激、聚乙二聚乙二醇醇再生细胞壁再生细胞壁杂种细胞杂种细胞去去分分化化愈伤组织愈伤组织杂种植株杂种植株激素激素筛选筛选等量等量激素激素再分再分化化植物体细胞杂交植物体细胞杂交融合过程：融合过程：先膜融先膜融 核融核融 杂种细胞杂种细胞杂种细胞形杂种细胞形成的标志：成的标志：细胞壁的再生细胞壁的再生最终目的：最终目的：培育成新植株体，而不是形成杂种细胞培育

16、成新植株体，而不是形成杂种细胞缺点：缺点：未按照人们的意愿表达未按照人们的意愿表达植物植物a a细胞细胞植物植物b b细胞细胞去壁去壁原生质体原生质体a a原生质体原生质体b b原生质体融合原生质体融合融合体融合体再生壁再生壁杂种细胞杂种细胞细胞分裂细胞分裂愈伤组织愈伤组织杂种植株杂种植株去壁的常用方法：去壁的常用方法：酶解法酶解法（纤维素酶、果胶酶等）（纤维素酶、果胶酶等） 原生质体融合方法原生质体融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇（化学法：聚乙二醇（pegpeg） 植物体细胞杂交植物体细胞杂交制备原生质体制备原生质体：酶解法去掉细胞壁 诱导融会 新的原生质体新的原生质体 生出新细胞壁（植物细胞融合完成的标志植物细胞融合完成的标志） 杂种细胞杂种细胞 组织培养 杂种植株（杂种植株（植物体细胞杂交完成的标志植物体细胞杂交完成的标志）意义：克服远缘杂交不亲和的障碍、培育新品种意义：克服远缘杂交不亲和的障碍、培育新品种 体细胞杂交所获植株的染色体数、染色体组数=两细胞相关数值直接相加。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. (2)特点: 保持优良品种的遗传特性; 高效快