细胞分化和植物细胞全能性

1、第第5 5章章 细胞分裂和分化细胞分裂和分化第第4 4节节 细胞分化和植物细胞全能性细胞分化和植物细胞全能性 细胞是如何分化的？细胞是如何分化的？组织、器组织、器官、系统官、系统个体个体1.肌细胞、神经细胞、口腔上皮细胞等细胞的来源怎样？肌细胞、神经细胞、口腔上皮细胞等细胞的来源怎样？2.这些细胞有什么不同之处？这些细胞有什么不同之处？ 多细胞个体的发育是通过细胞分裂和细多细胞个体的发育是通过细胞分裂和细胞分化来实现的胞分化来实现的 细胞分化对个体发育有什么意义？细胞分细胞分化对个体发育有什么意义？细胞分化是不是人类所特有的呢？细胞分化的结果是化是不是人类所特有的呢？细胞分化的结果是什么？什么

2、？讨论2.2.意义：意义：细胞分化是个体发育的基础；是生物界中普细胞分化是个体发育的基础；是生物界中普遍存在的生命现象；细胞分化使多细胞生物体中的细遍存在的生命现象；细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。细胞分化产生了细胞的多样化。胞分化产生了细胞的多样化。一一 细胞分化及其意义细胞分化及其意义1.1.概念：概念：同一来源的细胞逐渐发生形态结构、生理功同一来源的细胞逐渐发生形态结构、生理功能和合成蛋白质上的差异能和合成蛋白质上的差异, ,这个过程称为细胞分化。这个过程称为细胞分化。现象现象2.2.黑色素细胞在体外培

3、养黑色素细胞在体外培养3030多代后仍能合成黑色多代后仍能合成黑色素；离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而素；离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。不会变成其他类型的细胞。 现象现象3.3.造血干细胞造血干细胞 原红细胞原红细胞 早幼红细胞早幼红细胞 中幼红细胞中幼红细胞 晚幼红细胞晚幼红细胞 成熟红细胞成熟红细胞 死亡死亡细胞分化的特点：细胞分化的特点：现象现象1.1.细胞分化发生在整个生命进程中。细胞分化发生在整个生命进程中。3.3.细胞分化特点细胞分化特点a.a.持久性持久性b.b.稳定性稳定性c.c.不可逆性不可逆性问：就一个个体来说，各种细胞具有相同

4、的遗传信息，问：就一个个体来说，各种细胞具有相同的遗传信息，为什么形态、结构和功能却有很大的差异呢？为什么形态、结构和功能却有很大的差异呢？资料：资料：在红细胞中，与血红蛋白合成有关的基因处于在红细胞中，与血红蛋白合成有关的基因处于活动状态，与肌动蛋白（肌细胞中的一种蛋白质）合活动状态，与肌动蛋白（肌细胞中的一种蛋白质）合成有关的基因则处于关闭状态；在肌细胞中则相反。成有关的基因则处于关闭状态；在肌细胞中则相反。分析：分析：1.1.红细胞和肌细胞等体细胞的遗传信息相同吗？红细胞和肌细胞等体细胞的遗传信息相同吗？2.2.红细胞红细胞血红蛋白基因开启血红蛋白基因开启合成血红蛋白合成血红蛋白肌细胞肌

5、细胞肌动蛋白基因开启肌动蛋白基因开启合成肌动蛋白合成肌动蛋白4.4.细胞分化实质：细胞分化实质：细胞分化是不同细胞中遗传信息的执细胞分化是不同细胞中遗传信息的执行情况不同导致行情况不同导致 （基因的选择性表达）。（基因的选择性表达）。相同。相同。分别是什么生命现象？两者有何分别是什么生命现象？两者有何区别和联系呢？区别和联系呢？例题例题细胞分裂细胞分裂细胞分化细胞分化不不同同点点细胞细胞数量数量形态形态结构结构功能功能相相同同点点联联系系增加增加相同相同不变不变差异差异遗传信息都不变遗传信息都不变共同完成生物个体发育过程共同完成生物个体发育过程总结：细胞分化总结：细胞分化u1.1.概念：概念：

6、在个体发育中，由一个或一种细胞增殖在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。定性差异的过程。u2.2.意义：意义：细胞分化是个体发育的基础；是生物界细胞分化是个体发育的基础；是生物界中普遍存在的生命现象。使多细胞生物体中的细中普遍存在的生命现象。使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。u3.3.特点：特点：u4.4.实质：实质：a. a. 持久性持久性b.b.稳定性，不可逆性稳定性，不可逆性c.c.遗传物质没有改变遗传物质没有改变不同细

7、胞中遗传信息的执行情况不同导致不同细胞中遗传信息的执行情况不同导致 （基因的选择性表达）。（基因的选择性表达）。二、二、全能性全能性（一）全能性（一）全能性(totipotency)(totipotency)的细胞的细胞 细胞全能性：单个细胞分裂、分化后仍具有发育成完整细胞全能性：单个细胞分裂、分化后仍具有发育成完整个体的能力。个体的能力。 植物植物 、哺乳动物和人、哺乳动物和人受精卵受精卵 8-Cells8-Cells前的细胞是全能性细胞。前的细胞是全能性细胞。细胞的多能性（细胞的多能性（pluripotency):pluripotency):细胞具有分化为有限细胞细胞具有分化为有限细胞类型

8、的能力。类型的能力。单能性（单能性（unipotency)unipotency)：形态上特化、功能上专一的终末形态上特化、功能上专一的终末 分化细胞。分化细胞。细胞分化的规律：细胞分化的规律： 全能全能多能多能单能单能施沃恩施沃恩SchwannSchwann在在1839 1839 年明确的指出：年明确的指出：“如果如果具有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该具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可以独立生活和发展”。 德国著名植物学家德国著名植物学家哈伯兰特哈伯兰特 G.Haberlandt G.Haberlandt 在细在细胞学说的基础上于胞学说的基础上于19021902

9、年提出了细胞全能性学说。他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，直到单认为，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样的性质和能个细胞。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养使单个细胞发育成力，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。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培首次进行了植物细胞培养实验养实验 奠基阶段（奠基阶段（3030

10、5050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成功连续培养胡萝卜根形成层首次成功 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，快繁技术迅速发展科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞

11、，在一定科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。的这一过程，就是植物组织培养。19581958年年StewardSteward和和ReinertReinert用胡萝卜根的愈伤组织诱导用胡萝卜根的愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了完整植株。成了体细胞胚，并进而获得了完整植株。 植物组织培养的发展简史19641964年印度古哈和马赫施瓦里在离体培养毛叶曼陀罗年印度古哈和马赫施瓦

12、里在离体培养毛叶曼陀罗花药时，首次培育出单倍体的植株。花药时，首次培育出单倍体的植株。 我国科学家在组织培养技术、单倍体育种方面，培育我国科学家在组织培养技术、单倍体育种方面，培育出许多优质高产的小麦、水稻新品种，在国际上处于出许多优质高产的小麦、水稻新品种，在国际上处于优先地位。优先地位。 植物组织培养植物组织培养关键词：关键词：外植体、脱分化、再分化、愈伤组织外植体、脱分化、再分化、愈伤组织无菌、细胞离体、一定的营无菌、细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条养物质、激素和其他外界条件件必要条件：必要条件：植物组织培养 外植体：从活植物体上切下进行培养的那部外植体：从活植物体上切下进行培

13、养的那部分组织或器官分组织或器官 1 1）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）种子、花粉等） 2 2）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上 3 3）切取所需的外植体）切取所需的外植体 4 4）将外植体接种于培养容器的培养基上）将外植体接种于培养容器的培养基上 整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！ 外植体经过一段时间在培养基上生长后，会外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织形成愈伤组织1.1.植物组织培养的过程植物组织培养的过程韧皮部细胞韧皮部细胞植物激素、无

14、机盐和糖类等植物激素、无机盐和糖类等细胞团细胞团愈伤组织愈伤组织胚状体胚状体有根、茎、有根、茎、叶的试管苗叶的试管苗问题问题脱分化脱分化再分化再分化由胡萝卜的韧皮部细胞培养成完整的胡萝卜植株体现出植物细胞的什么特性？由胡萝卜的韧皮部细胞培养成完整的胡萝卜植株体现出植物细胞的什么特性？高度分化的植物细胞有发育成完整个体的潜能。高度分化的植物细胞有发育成完整个体的潜能。全能性全能性1.1.细胞分化具有稳定性、不可逆性，是不是细胞一旦分化细胞分化具有稳定性、不可逆性，是不是细胞一旦分化就不再具有分裂分化能力了呢？就不再具有分裂分化能力了呢？2.2.能否让这些高度分化的细胞再具有分裂分化能力呢？能否让

15、这些高度分化的细胞再具有分裂分化能力呢？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先芽、后根先芽、后根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培养基、含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适一定的温度、空气、无菌环境、适合的合的PHPH、适时光照等。、适时光照等。1.1.植物组织培养过程植物组织培养过程 高度分化的细胞含有保持物种发育所高度分化的细胞含有保持物种发育所需要的全套基因需要的全套基因思考思考为什么已经分化

16、的细胞具有全能性呢？为什么已经分化的细胞具有全能性呢？试管苗大规模培养2、植物组织培养的应用：植物组织培养的应用： （1）试管苗的快速繁殖）试管苗的快速繁殖（2）无病毒植物的培育）无病毒植物的培育（3）提取原料）提取原料（4）人工种子）人工种子（5）转基因植物的培育）转基因植物的培育现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉花、玉米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种花、玉米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应用子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。于生产。 生长素细胞分裂素，长根趋势； 生长素=细胞分裂素，愈伤组织； 生长

17、素细胞分裂素，分化出芽。例题辨析：例题辨析：下列有关细胞全能性的含义，正确的是：下列有关细胞全能性的含义，正确的是：A、每个生物体内的所有细胞都具有相同的功能、每个生物体内的所有细胞都具有相同的功能 B、生物体内的任何一个细胞可以完成该个体的全、生物体内的任何一个细胞可以完成该个体的全部功能部功能C、生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体、生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体的潜能的潜能D、生物体的每个细胞都经过产生、分裂、分化、生物体的每个细胞都经过产生、分裂、分化、生长、衰老、死亡的全过程生长、衰老、死亡的全过程在生物体内，细胞没有表现出全能性，而在生物体内，细胞没有表现出全能性，而

18、是分化为不同的组织、器官，是因为：是分化为不同的组织、器官，是因为：A、细胞丧失了全能性、细胞丧失了全能性 B、基因的表达有选择性、基因的表达有选择性 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、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化了变化植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，又可又可以分化形成根、芽等器官，这一过程称为：以分化形成根、芽等器官，这一过程称为：A、脱分化、脱分化B、去分化、去分化C、再分化、再分化D、脱分化或去分化、脱分化或去分化下列不能作为植物组织培养的材料是：下列不能作为植物组

19、织培养的材料是：A、秋海棠的叶、秋海棠的叶B、马铃薯的块茎、马铃薯的块茎C、成熟的花粉、成熟的花粉D、木质部中的导管细胞、木质部中的导管细胞多利是怎么诞生的？多利是怎么诞生的？思考思考这个试验说明了已经分化的细胞核这个试验说明了已经分化的细胞核具有什么特性？具有什么特性？高度分化的动物体细胞的细胞高度分化的动物体细胞的细胞核有发育成完整个体的潜能核有发育成完整个体的潜能2.2.克隆羊的诞生克隆羊的诞生已经分化的细胞，仍然具有发育成已经分化的细胞，仍然具有发育成完整个体的潜能。完整个体的潜能。细胞全能性细胞全能性 植物组织培养技术植物组织培养技术 克隆个体的产生克隆个体的产生思考思考为什么已经分

20、化的细胞具有全能性呢？为什么已经分化的细胞具有全能性呢？高度分化的细胞含有保持物种发育所需要的全套基因高度分化的细胞含有保持物种发育所需要的全套基因除受精卵外，生物体内有没有具有分裂分化能力的细胞？除受精卵外，生物体内有没有具有分裂分化能力的细胞？植物体内植物体内分生组织细胞（如根尖分生区细胞）分生组织细胞（如根尖分生区细胞）动物体内动物体内干细胞干细胞（动物和人体内少数具有分裂和（动物和人体内少数具有分裂和分化能力的细胞）分化能力的细胞）资料：资料：干细胞是还没有分化发育的细胞，干细胞是还没有分化发育的细胞，它能生成各种组织器官的起源细胞。科学它能生成各种组织器官的起源细胞。科学家把干细胞大

21、致分为家把干细胞大致分为3 3种类型：全能干细种类型：全能干细胞（胚胎干细胞），多能干细胞（组织干胞（胚胎干细胞），多能干细胞（组织干细胞），和专能干细胞。全能干细胞的一细胞），和专能干细胞。全能干细胞的一大特点是具有发育的全能性，可以参与整大特点是具有发育的全能性，可以参与整个生物体的发育，构成人体的各种组织和个生物体的发育，构成人体的各种组织和器官。受精卵便是一个最初始的全能干细器官。受精卵便是一个最初始的全能干细胞。多能干细胞具有分化出多种细胞组织胞。多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但不能发育成完整的个体，如血的潜能，但不能发育成完整的个体，如血液组织干细胞、神经组织干细胞和皮肤组液组织干细胞、神经组织干细胞和皮肤组织干细胞等。多能干细胞进一步分化，可织干细胞等。多能干细胞进一步分化，可形成专能干细胞。专能干细胞只能分化成形成专能干细胞。