植物细胞工程的基本技术

1、 19961996年年7 7月月5 5日日, ,世界上第一只体细胞克隆世界上第一只体细胞克隆动物动物-克隆羊克隆羊多利多利诞生于英国。诞生于英国。这样的生物技术属于何种生物工程？这样的生物技术属于何种生物工程？细胞工程细胞工程 细胞工程是指应用细胞生物学和分子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，通过生物学的原理和方法，通过细胞水平细胞水平或或细细胞器水平胞器水平上的操作，按照人们的意愿来上的操作，按照人们的意愿来改改变变细胞内的细胞内的遗传物质遗传物质或或获得细胞产品获得细胞产品的一的一门综合科学技术。门综合科学技术。什么叫细胞工程？包括哪两什么叫细胞工程？包括哪两大领域？大领

2、域？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改按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质变细胞内的遗传物质或获得细胞产品或获得细胞产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2.1植物细胞工程植物细胞工程2

3、.1.1植物细胞工程的基本技术植物细胞工程的基本技术植物组织培养植物组织培养利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花12345再分化再分化(愈伤组织愈伤组织)植植物物组组织织培培养养6脱分化脱分化愈伤组织：愈伤组织：离体的植物器官、离体的植物器官、组织或细胞，在培养一段时组织或细胞，在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形间以后，通过细胞分裂，形成一种高度成一种高度液泡化液泡化，由，由无定无定形状态薄壁细胞形状态薄壁细胞组成的排列组成的排列疏松无规则的组织。疏松无规则的组织。植物细胞的植物细胞的脱分化脱分化：由高度分化的植物器：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程

4、，又官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，又称称去分化去分化。脱分化的实质和结果分别是什么？脱分化的实质和结果分别是什么？实质是恢复细胞的全能性过程。实质是恢复细胞的全能性过程。结果是形成愈伤组织。结果是形成愈伤组织。植物细胞的植物细胞的再分化再分化：脱分化产生的愈伤组织在：脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化成根或芽等器官的过程。培养过程中重新分化成根或芽等器官的过程。探究：探究：1 1、为什么植物的一个花瓣就可以培、为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢？育出完整的植株呢？植物细胞具有全能性。植物细胞具有全能性。2 2、什么是细胞的全能性？、什么是细胞的全能性？1 1、定义：、定义：

5、 生物体的细胞具有使后代细胞发育成完整生物体的细胞具有使后代细胞发育成完整个体的潜能的特性。个体的潜能的特性。 2 2、原因：、原因： 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有的全套遗传物质全套遗传物质，都有发育成为完整个，都有发育成为完整个体所必需的体所必需的全部基因全部基因3 3、差异：、差异： （1 1）受精卵的全能性）受精卵的全能性最高最高 （3 3）受精卵分化后的细胞中，体细胞的）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞全能性比生殖细胞低低 受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞4 4、大小：、大小：一、细胞的全能性一、细胞的全能性植物细

6、胞动物细胞植物细胞动物细胞 （2 2）生殖细胞的全能性）生殖细胞的全能性较高较高 分化程度低的细胞分化程度高的细胞分化程度低的细胞分化程度高的细胞探究：探究：1 1、克隆羊、克隆羊“多利多利”的诞生说明了什么？的诞生说明了什么？2 2、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？化成不同的组织器官？表现全能性的条件有哪些？表现全能性的条件有哪些？离体、提供营养物质、激素及其它适宜条件。离体、提供营养物质、激素及其它适宜条件。细胞核中含有保持物种遗传性所需的全套基因，并没有因细胞核中含有保持物种遗传性所需的全套基因，并没有因为细胞

7、分化而丢失基因，高度分化的细胞的细胞核仍具有为细胞分化而丢失基因，高度分化的细胞的细胞核仍具有全能性。全能性。在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。的结果。1 1、有关全能性的表述中，不正确的是、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，全卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性一样高能性一样高 植物细胞离体培养在一定条件下能表现

8、植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性出全能性C练习：练习：2.2.在生物体内，细胞没有表现出全能性，在生物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，是因为而是分化为不同的组织、器官，是因为 （ ） A A、细胞的基因丧失了全能性、细胞的基因丧失了全能性 B B、基因在特定时间和空间条件下选择、基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果性表达的结果 C C、不同的细胞内基因不完全相同、不同的细胞内基因不完全相同 D D、在个体发育的不同时期，细胞内的、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化基因发生了变化 B 要把一块组织通过培养得到要把一块组织通过培养得到一株完整植株一

9、株完整植株, , 应该如何操作应该如何操作呢呢? ?请同学们阅读请同学们阅读P34实实验完成验完成P35讨论题。讨论题。切取接种培养室愈伤组织的形成试管苗移栽切取切取形成层形成层无菌无菌接种接种诱导愈伤组织诱导愈伤组织的形成的形成试管苗的形成试管苗的形成培养室培养室移栽移栽脱分化脱分化再分化再分化(1)(1)在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？菌和实验人员的无菌操作？ 植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以分，有利于培养物的生长，然

10、而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物不但会和培养物争夺营养争夺营养，而且这些杂菌生长的过程，而且这些杂菌生长的过程中会中会生成大量对培养物有害的物质生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速，导致培养物迅速死亡。死亡。 造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织

11、培养实验中用到的植物材料作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范，避免带入杂菌。要规范，避免带入杂菌。(2)(2)在本实验中，切取胡萝卜块根时强调在本实验中，切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。请思考一下，容易诱导形成愈伤组织。请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），是否也能培养成小植株，你能用实验的是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？方法进行验证吗？胡萝卜的其他部

12、分（如茎、叶、花）胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。愈伤组织比较困难。(3)(3)请根据上面的实验过程，概括出植物组请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。织培养技术的流程简图。 植物组织培养就是在植物组织培养就是在无菌无菌和和人工控制人工控制条件下，将条件下，将离体离体的植物器官、组织、细的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予胞，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、适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。丛芽，最终形成完整的植株。

13、二、植物组织培养二、植物组织培养1 1、概念、概念离体的植物器官、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2、过程、过程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、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。遮光遮光光照光照细胞分化细胞分化程度与细程度与细胞分裂能胞分裂能力呈负相力呈负相关。关。 1 1、为什么诱导愈伤组织的过程中应避、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光

14、培养？光培养？在有光时，往往容易形成维管组在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。织，而不易形成愈伤组织。能力提高能力提高2 2、决定植物脱分化、再分化的关键因、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？素是什么？植物激素的种类植物激素的种类和浓度配比和浓度配比知识拓展知识拓展 当当细胞分裂素细胞分裂素和和生长素生长素共同使用时，共同使用时，能刺激愈伤组织的形成，而通过调节能刺激愈伤组织的形成，而通过调节二者的浓度比，就可以调控植物细胞二者的浓度比，就可以调控植物细胞培养过程中芽和根的形成，称为培养过程中芽和根的形成，称为“激激素杠杆素杠杆”。 具体内容详见具体内容详见P42P42拓

15、展视野拓展视野反馈练习反馈练习1.1.下列属于组织培养的是（下列属于组织培养的是（ ）A.A.花粉培养成单倍体植株花粉培养成单倍体植株B.B.芽发育成枝条芽发育成枝条C.C.根尖分生区发育成成熟区根尖分生区发育成成熟区D.D. 受精卵发育成植株受精卵发育成植株A2.2.在离体的植物器官、组织或细胞脱在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的（哪一项条件是不需要的（ ）A.A.消毒灭菌消毒灭菌B.B.适宜的温度适宜的温度C.C.充足的光照充足的光照D.D.适宜的养料和激素适宜的养料和激素C3.3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完要将

16、胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（整植株，不需要（ ）A.A.具有完整细胞核的细胞具有完整细胞核的细胞B.B.离体状态离体状态C.C.导入外源基因导入外源基因D.D.一定的营养物质和激素一定的营养物质和激素C4 4、植物组织培养形成的愈伤、植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，组织进行培养， 又可以分又可以分化形成根、芽等器官，这一化形成根、芽等器官，这一过程称为：过程称为： A A、脱分化、脱分化 B B、去分化、去分化 C C、再分化、再分化 D D、脱分化或去分化、脱分化或去分化5 5、下列不能作为植物组织培养、下列不能作为植物组织培养的材料是的材料是A A、秋海棠的叶、秋海棠的叶

17、B B、马铃薯的块茎、马铃薯的块茎C C、成熟的花粉、成熟的花粉 D D、木质部中的导管细胞、木质部中的导管细胞D这幅番这幅番茄茄马马铃薯图铃薯图利用传利用传统有性统有性杂交方杂交方法能实法能实现吗？现吗？为什么？为什么？因为不同种生物之间存因为不同种生物之间存在着在着生殖隔离生殖隔离，所以用，所以用传统的有性杂交方法是传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。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，来实现这一美妙的设想。细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。三、植物体细胞杂交技术三、植物体细胞杂交技术 19721972年卡尔森等通

18、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、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、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及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用

19、的新材料。种上有用的新材料。 1 1、概念、概念 将不同种的植物体细胞，在一定条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。育成新的植物体的技术。2 2、优势和未解决的问题、优势和未解决的问题 优势优势（与有性杂交方法比较）与有性杂交方法比较） ：打破了不同种：打破了不同种生物间的生殖隔离障碍，大大扩展了可用生物间的生殖隔离障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。于杂交的亲本组合范围。未解决的问题：未解决的问题：未能让杂种植物按照人们未能让杂种植物按照人们 的需要表现出亲代的优良。的需要表现出亲代的优良。植物体细胞杂

20、交技术植物体细胞杂交技术为什么为什么“番茄番茄马铃薯马铃薯”超级杂种植株没有超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？结马铃薯？ 马铃薯马铃薯番茄没有像人们预想的那样地番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：生生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互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，调控、相互影响的，所以马铃薯所以马铃薯番茄杂交番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，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受到相互干扰，不能但这

21、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再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。马铃薯就是很自然的了。 1 1你认为两个来自不同植物的体细胞完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？成融合，遇到的第一个障碍是什么？ 2 2有没有一种温和的去壁方法呢？有没有一种温和的去壁方法呢？ 3 3为什么两个原生质体能发生融合，这为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？与细胞膜的什么特性有关？ 4 4如果两个来源不同的原生质体发生了如果两个来

22、源不同的原生质体发生了融合，下一步该做何处理？融合，下一步该做何处理？ 5 5如何将杂种细胞培育成杂种植株？如何将杂种细胞培育成杂种植株？请思考：请思考：杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化3 3、过程、过程植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A A原生质体原生质体B B原生质体原生质体A A杂种杂种细胞细胞AB去去 壁壁去去 壁壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融合的方法？的方法？融合融合完成完成的的标志标志植物细胞植物细胞B B细胞融合的基础：细胞融合的基础： 细胞膜的流

23、动性细胞膜的流动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2.2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物自然界中有一种含有叶绿体的原生动物眼虫，眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？请探讨：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。如果理论上可行，请设计出具体实验方案。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小结小结：1、植物体细胞杂交尚未解决的问题有：、植物体细胞杂交尚未解决的问题有：A A、去掉细胞壁、去掉细胞壁, ,分离出有活力的原生质分离出有活力的原生质体体B B、将杂