2017 2018高中生物21细胞工程概述课件苏教版选修3

1、第二章第二章 细胞工程细胞工程 第一节 细胞工程概述 情境导入情境导入 组培试管藕 世界首例“ 试管藕” 在武汉市蔬菜科学研究所诞生,在此基础上,科研人员近年来又成功研制出一种新的莲藕繁殖技术“莲藕组培快繁技术” 。如今微型藕种已出口到美国、新加坡、印度及东南亚,武汉市蔬菜科学研究所成为名副其实的 “ 世界藕种繁殖基地” 。 课程目标课程目标 1 .识记细胞工程的概念。 2 .说明细胞的全能性。 3 .说明植物组织培养的过程。 4 .简述细胞融合和细胞核移植技术。 5 .说明植物体细胞杂交的过程。 一 二 三 四 五 一、细胞工程的发展 1.1907年,美国科学家哈里森培养蛙胚神经组织,观察到

2、细胞生长现象,开创了动物细胞培养的先河。 2.1937年,法国科学家高特里特等人几乎同时离体培养了胡萝卜组织,并使细胞增殖。这是首次成功进行的植物组织培养。 3.1972年,美国科学家卡尔逊等人用硝酸钠作为促融合因子,成功地将2个不同种的烟草细胞原生质体进行融合,获得了世界上第一个体细胞杂交植株。 4.1996年,英国科学家韦尔穆特等人利用成年芬兰白面母羊体细胞细胞核与苏格兰黑面母羊去核卵细胞首次克隆出绵羊“ 多莉” 。 一 二 三 四 五 二、细胞工程的基本技术 1.细胞工程的概念 应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法,通过细胞或细胞器水平上的操作,按照人的意愿去改变细胞内的遗传物质或获得

3、细胞产品的综合性科学技术。 2.细胞工程的分类 (1)根据研究对象的不同分类:植物细胞工程和动物细胞工程等。 (2)根据所使用技术的不同分类:植物组织培养技术、细胞融合技术、细胞核移植技术。 3.从理论上说,应用细胞工程技术不仅可以在不同的植物之间、动物之间、 微生物之间进行物种间的杂交,甚至可以在植物、 动物和微生物之间进行物种间的杂交,以形成前所未有的新物种。 一 二 三 四 五 三、植物组织培养技术 1.细胞全能性 生物体的细胞在形态、 结构和功能上存在很大的差异,但是几乎每一个细胞内都具有发育成为完整个体所必需的全套遗传物质,因此,这些含有该物种全套遗传物质的细胞都具有发育成为一个新的

4、生物个体的潜能,细胞的这种特性称为细胞全能性。 2.植物组织培养 (1)概念:依据细胞全能性原理,在无菌条件下,分离植物的器官、组织、细胞或原生质体(称为外植体),并在培养基上培养,在适宜的条件下使其发育成部分或完整植株的技术。 (2)常用培养材料:所选材料细胞要有分裂能力,如植株的茎尖、根尖、叶片和花药等。 一 二 三 四 五 (3)过程。 外植体(分离的植物器官、 组织、 细胞或原生质体)(无菌,适宜的培养基) 愈伤组织(一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的薄壁细胞) 胚状体或根和芽 完整植物体 用消毒剂除去外植体表面的微生物 (4)条件无菌条件 适宜的培养基 一 二 三 四 五 (

5、5)培养基的成分:通常包括水分、无机盐、碳源、氮源、维生素等。 (6)植物细胞的脱分化(或去分化):由已经分化的植物细胞形成愈伤组织的过程。 (7)再分化:愈伤组织继续培养,重新诱导分化形成胚状体或根和芽等的过程。 (8)愈伤组织:一团无特定形态、结构和功能,处于旺盛分裂状态的薄壁细胞。 (9)胚状体(也称体细胞胚):类似胚的结构,具有胚芽和胚根,在合适条件下可发育成新的植株。 (10)培养基中生长素和细胞分裂素的相对浓度影响愈伤组织分化。生长素含量高于细胞分裂素时,主要诱导根原基形成;细胞分裂素含量高于生长素时,主要诱导芽原基形成。 一 二 三 四 五 四、细胞融合技术 1.概念:采用自发或

6、人工的方法使两个或多个细胞融合为一个细胞的技术。 2.细胞融合过程:细胞膜融合细胞质融合细胞核融合。 3.促融方法:生物法、物理法、化学法。 4.植物体细胞杂交技术 (1)概念。 植物体细胞杂交就是在一定条件下把不同种植物的体细胞融合成 杂种细胞,并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。 一 二 三 四 五 (2)过程。 去除细胞壁:利用果胶酶和纤维素酶去除细胞壁,获得原生质体。 人工诱导原生质体融合:常用的促融合方法有生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)等。植物细胞融合前还需要用纤维素酶等去除细胞壁。 杂种细胞再生出细胞壁后,通过植物组织培养技术

7、获得杂种植株。 (3)意义。 克服不同生物远缘杂交的障碍。 一 二 三 四 五 五、细胞核移植技术 1.动物细胞核移植技术的概念:把一个动物细胞的细胞核移入一个已经去除细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育为一个新胚胎,最终发育为一个动物个体的技术。 2.核移植技术最早是利用显微操作的方法将卵母细胞的细胞核取出,再注入其他细胞的细胞核。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 细胞工程技术 问题导引 “ 番茄马铃薯” 杂交株同时具有番茄和马铃薯的一些形态特征,但是没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。为什么 “ 番茄马铃薯” 没有如科学家们所想象的那样:地上长番茄、地下结马铃薯? 提示:生

8、物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” 杂交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,不能像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序地表达。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 名师精讲 细胞工程基本技术的比较 植物细 胞与组 织培养 技术 概念 在无菌条件下分离植物细胞或组织,将其放在适当培养基上,给予必要的生长条件,使其在体外继续生长、增殖与分化,形成新的组织、器官和个体的技术 条件或操作手段 无菌、离体、适当的培养基、必要的生长条件 结果 形成新的 组织、器 官和个体 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 细胞融 合技术

9、 是采用自然或人工的方法,使两个或多个不同细胞融合为一个细胞的技术 是将一个细胞的细胞核转移到另一个去除细胞核的细胞中,使受体细胞获得新的遗传信息,产生新的生命现象的技术 促融合因子、植物细胞融合前需用纤维素酶等去除细胞壁 显微操作仪 形成杂 种细胞 细胞核 移植 技术 重组形成 新细胞 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 规律总结细胞工程中常用的诱导细胞融合方法的比较 诱导剂 常区 用 别 方法 优点 联系 生物法 灭活的仙台病毒、疱疹病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等 化学法 聚乙二醇、 高浓度的钙离子、 溶血卵磷脂 物理法 电场 灭活的仙台病毒诱导 聚乙二醇诱导 电场诱导 易培养、 融合率

10、高,对各融合率高,对细胞无使用方便,诱导融种动物细胞都适合,诱毒害、操作简便、合率高 导剂易培养 重复性好 融合的目的相同,都是要获得融合的细胞;融合的结构基础相同,都依据细胞膜的流动性 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 【例题 1】下列生物工程技术的应用中不属于细胞工程的是( ) A.通过试管动物大量繁殖优良动物 B.通过体细胞克隆技术培育出克隆牛 C.利用含有人胰岛素基因的大肠杆菌生产胰岛素 D.将某人的肝癌细胞在实验室中繁殖为一个细胞系 解析:含有人胰岛素基因的大肠杆菌是转基因生物,属基因工程的成果。而试管动物、 克隆技术、 细胞培养都是在细胞水平上操作的生物工程技术。 答案:C

11、探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 细胞的全能性和植物组织培养技术 问题导引 普陀耳枥是我国特有的一种乔木,现今仅有一棵,长在舟山群岛普陀寺后面的一座山峰上。虽然它是雌雄同株,具有用种子繁殖后代的潜力,但是由于受海风的影响,始终没有繁殖。因此,该树种面临着灭绝的危险。你能不能想个办法对其进行挽救? 提示:取普陀耳枥的茎尖、根尖等幼嫩组织,诱导其脱分化形成愈伤组织,在一定条件下将愈伤组织诱导为胚状体。然后,在胚状体外面包裹上人工胚乳和人工种皮制成“ 人工种子” 。 最后,将大量的“ 人工种子” 接种到适宜的培养基上,培育出大量普陀耳枥种苗,并在合适的时机把种苗种植在适宜的土地上,让其发育为普

12、陀耳枥植株。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 名师精讲 1 .细胞全能性的内涵和原因 (1)内涵:高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。 (2)原因:具有该物种的全部遗传信息。 2 .实现全能性的条件 材料 离体的植物细胞、组织或器官 培养基 种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素 外界条件 无菌操作、光照 3 .细胞全能性的标志:由细胞发育成完整的个体。 4 .不同细胞的全能性比较 (1)受精卵(全能性最高)卵细胞(具有较高的潜在全能性)体细胞(全能性较低)。 (2)未分化或分化程度低的细胞分化程度高的体细胞。 (3)植物细胞动物细胞;增殖细胞不增殖的细胞。 (4)随着细胞

13、分化的程度不断提高,细胞的全能性逐渐减小。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 5.植物细胞表达全能性的条件 (1)具有完整细胞结构,处于离体状态。 (2)在一定的营养物质、植物激素(主要是生长素、细胞分裂素等)和其他外界条件的作用下,就可能表现出全能性,发育成完整的植株。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 特别提醒在植物体内,细胞没有表现出全能性,而是分化成为不同的组织和器官,这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。但它们的遗传潜力并没有丧失,全部的遗传信息仍然被保存在DNA的序列中,一旦脱离原来组织和器官的束缚成为游离状态的细胞,在一定的营养条件下,并在植物激素的诱导下

14、,就能表现出全能性,发育成完整的植株。 细胞全能性的针对对象是多细胞生物的细胞,而非单细胞生物的细胞。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 6.植物组织培养的过程分析 (1)愈伤组织:细胞排列疏松而无规则,是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。 (2)脱分化:由离体的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程。 (3)再分化:从愈伤组织分化出具有分生能力的根和芽的过程。 (4)影响脱分化、再分化的因素。 细胞分裂素浓度与生长素浓度相当时:生成愈伤 植物 组织 激素 细胞分裂素浓度生长素浓度:促进发芽 细胞分裂素浓度生长素浓度:促进生根探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 特别提醒 培养基

15、中的 主要激素 生长素或2,4D(生长素类似物) 生长素与细胞分裂素 自身产生的各种植物激素 光照 条件 避光 需光 需光 名称 过程 形成体特点 脱分化 再分化 营养生长、 生殖生长 由外植体成为愈伤组织 由愈伤组织成为幼苗或胚状体 发育成完整的植物体 排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团 有根、芽或有生根发芽的能力 由根、茎、叶、花、果实、种子组成 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 【例题 2】下列对细胞全能性的表述,正确的是( ) A.离体的植物细胞均能表现出全能性 B.肝脏细胞是高度分化的动物细胞,没有全能性 C.花粉可培育成单倍体植株是细胞全能性的表现 D.植物体内细胞由于分化,全

16、能性不能表达 解析:离体的植物细胞要表现出全能性还需营养物质、 植物激素和其他适宜外界条件。肝脏细胞是高度分化的动物细胞,全能性受到限制,但其细胞核仍具有全能性。 分化的植物细胞具有全能性,但细胞要表达全能性必须要在一定条件下离体培养。 答案:C 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 变式训练 1下列关于植物组织培养的叙述,错误的是( ) A.培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压 B.培养基中的生长素和细胞分裂素的比例会影响愈伤组织的生长和分化 C.离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织 D.同一株绿色开花植物不同部位的细胞经组织培养获得的愈伤组织的基因型相同 解析:同

17、一株绿色开花植物的体细胞与生殖细胞经组织培养获得的愈伤组织的基因型不同。 答案:D 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 植物体细胞杂交技术 问题导引 以不同种植物为材料培养新品种,杂交育种技术能否达到育种目的?如果答案是否定的,请尝试列举能达到该目的的育种新技术。 提示:杂交育种技术不能达到育种目的。 能达到该目的的育种新技术包括基因工程技术、植物体细胞杂交技术等。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 名师精讲 1 .原理:细胞膜的流动性和细胞的全能性。 2 .基础:植物组织培养。 3 .操作过程 步骤 原生质体的获得 杂种细胞的形成 杂种植株的产生 方法 酶解法(纤维素酶、果胶酶)去

18、除细胞壁,得到原生质体 通过一定的技术手段(电激、聚乙二醇诱导等)进行人工诱导实现原生质体的融合 对杂种细胞用植物组织培养的方法进行培育 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 4.体细胞融合成功以后,既有AB型杂种细胞,也能形成AA型和BB型两种融合细胞,但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所需要的杂种细胞,因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。 5.细胞融合完成的标志是产生新的细胞壁。 6.植物体细胞杂交完成的标志是获得杂种植株而不是获得杂种细胞。 7.优点:克服了植物远缘杂交不亲和的障碍,在培育作物新品种方面具有广阔的应用前景,如科学家已经培育出了白菜甘蓝、 烟草海岛烟草等种间杂种。 探究

19、点一 探究点二 探究点三 探究点四 特别提醒杂种细胞产生的标志是新细胞壁的形成。植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程,结果是产生新的植株。 从生殖类型上看,植物体细胞杂交技术没有有性生殖细胞的形成和结合,应属于无性生殖;从变异类型上看,应是染色体数目变异。假设用于体细胞杂交的双方细胞都有2个染色体组,则杂种细胞及由杂种细胞发育而来的杂种植株有4个染色体组,被称为四倍体。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 8.植物组织培养与植物体细胞杂交的比较 植物组织培养 原理 细胞的全能性 植物体细胞杂交 细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性 过程 探究点一 探究点二 探究点三 探

20、究点四 续表 注意事项 植物组织培养 选材:选取根尖、茎尖、形成层部位,最容易诱导脱分化 光照:脱分化过程不需光照,再分化过程一定要有光 植物体细胞杂交 去细胞壁的方法:酶解法,所用的酶是纤维素酶和果胶酶 人工诱导融合的方法: 物理法:电场诱导融合法 化学法:聚乙二醇诱导融合法 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 特别提醒(1)植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合,属于无性生殖。(2)从杂种植物的染色体组成看,染色体数目增加,属于染色体数目的变异。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 【例题 3】下图是植物体细胞杂交过程示意图,据图分析回答问题。 (1)图中过程是 ,目前最常用的方

21、法是 。 (2)过程的发生,必须进行 ,其方法有 法和 法,原生质体融合的关键是 的融合,其结构基础是 。 (3)融合后的原生质体会再生出细胞器,新的细胞壁的产生与细胞内 (细胞器)有关。 (4)在过程中,细胞分裂的主要方式是 。 (5)植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株,使 能够在新的植物体上有所表现,其根本原因是 。 (6)若远缘杂交亲本A和B都是二倍体,则杂种植株为 倍体。 (7)从理论上讲,杂种植株的育性为 ,运用传统有性杂交方法能否实现? 。试说明理由: 。 (8)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种的过程中,遗传物质的传递是否遵循孟德尔遗传定律?为什么? 探究点一 探究点二

22、探究点三 探究点四 解析:植物体细胞杂交的障碍是细胞壁,其主要成分是纤维素和果胶,通常采用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁,此方法称为酶解法。 获得原生质体后需要人工诱导细胞融合,采用的方法有物理法和化学法。细胞原生质体融合的关键是细胞膜的融合,利用的是细胞膜的流动性,融合成功后原生质体能重新形成新的细胞壁,此时与细胞壁形成有关的高尔基体的活动较为活跃。图中过程细胞数目增多的方式为有丝分裂。 植物体细胞杂交的目的是使具有不同遗传组成的两种植物细胞融合,获得具有两种植物遗传物质的杂种植株。 若两种植物细胞中各有两个染色体组,则形成的杂种细胞中染色体组数为4,从理论上讲杂种植株是可育的。由于两种植物间存

23、在着生殖隔离,因此欲获得如上所述遗传组成的杂种植株不能通过有性杂交实现。 两种植物体细胞融合的过程虽然使不同的遗传物质集中到了杂种植株体内,但整个过程属于无性繁殖,故不遵循孟德尔遗传定律。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 答案:(1)去除细胞壁 酶解法(用纤维素酶和果胶酶处理) (2)人工诱导 物理 化学 细胞膜 细胞膜具有一定的流动性 (3)高尔基体 (4)有丝分裂 (5)两种植物的性状 杂种细胞中具有两种植物的遗传物质 (6)四 (7)可育 不能 因为两种植物之间存在生殖隔离 (8)不遵循。整个过程不是有性生殖过程。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 变式训练 2植物体细胞杂

24、交育种具有比一般杂交育种更为突出的优点,如用此方法培育普通小麦,会使育种过程简单且时间大大缩短。这个优点( ) A.使杂种细胞的全能性大大提高 B.使育种周期明显缩短,减少了盲目性 C.克服了远缘杂交不亲和的障碍 D.能保持杂种优势 解析:普通杂交育种一般只能在同种生物的不同基因型个体之间进行。由于不同种生物之间存在生殖隔离,所以通过种间杂交育种很难实现。 而植物体细胞杂交育种突破了种间生殖隔离的限制,克服了远缘杂交不亲和的障碍,能产生出自然界中没有的新品种。 答案:C 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 基因工程与细胞工程的比较 问题导引 基因工程育种、细胞工程育种各自的优点是什么? 提

25、示:基因工程育种打破了物种界限,能定向地改造生物遗传性状;细胞工程育种可克服远缘杂交不亲和的障碍,扩大了用于杂交的亲本的范围,部分细胞工程能定向改变生物的遗传性状。 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 名师精讲 基因工程和细胞工程都是为了定向改造生物,但是它们也存在着明显的不同,总结如下表。 操作水平 应用 基因工程 分子水平(基因水平) 培育转基因生物或获得目的基因的产物 细胞工程 细胞水平 (细胞器水平) 改良生物、创造新品种、快速繁育生物、获得细胞代谢产物 特别提醒基因工程育种主要体现在一种生物的基因控制的性状,在另一种生物体中得到了表达;细胞工程育种却是两种生物的性状都得到了表达。

26、 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 【例题 4】下列有关细胞工程与其他生物工程的关系的叙述,错误的是( ) A.细胞工程利用基因工程中转基因技术实现转基因植物和动物培养 B.细胞工程获得的新细胞株可用于蛋白质工程生产药物或酶制剂 C.细胞工程为发酵过程提供稳定的培养对象,完成生物制品的规模化生产 D.细胞工程与基因工程都属于分子水平上的操作 解析:细胞工程和基因工程分别属于细胞水平上的操作和分子水平上的操作。 答案:D 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 判断正误(正确的画“”,错误的画“”)。 1.基因工程和细胞工程操作水平都是分子水平。( ) 提示: 细胞工程操作水平是细胞水平(

27、细胞器水平)。 2.理论上,每个正常活细胞都具有全能性。( ) 提示: 3.植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出全能性。( ) 提示: 植物细胞表现出全能性需在植物体外。 4.愈伤组织是外植体脱分化和再分化后形成的。( ) 提示: 愈伤组织是外植体脱分化后形成的。 5.在植物组织培养的过程中,脱分化阶段不需要光照,再分化阶段需要给予光照的条件。( ) 提示: 探究点一 探究点二 探究点三 探究点四 6.灭活的病毒可用于诱导植物原生质体融合。( ) 提示: 灭活的病毒不能用于诱导植物原生质体融合。 7.获得了杂种细胞就标志着植物体细胞杂交技术的成功。( ) 提示: 获得了杂种植株标志着植物体细胞杂交技术的成功。 8.细胞膜具有流动性是植物体细胞杂交技术的主要原理。( ) 提示: 9.植物体细胞杂交技术是独立于