细胞工程应用

1、番茄马铃薯有性杂交和细胞工程多利羊是有成年要体细胞克隆出的第一个生命个体通过植物组织培养选用优良品种细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。核心技术 核心技术：细胞培养与繁殖 目的：获得新性状、新个体、新物质或产品细胞工程微生物细胞工程植物细胞工程动物细胞工程 一一 微生物细胞工程微生物细胞工程 微生物微生物是一个相当笼统的概念，既包括细菌、放是一个相

2、当笼统的概念，既包括细菌、放线菌这样微小的原核生物，又涵盖菇类、霉菌等线菌这样微小的原核生物，又涵盖菇类、霉菌等真核生物。真核生物。 由于微生物细胞由于微生物细胞结构简单，生长迅速，实验操作结构简单，生长迅速，实验操作方便方便，有些微生物的遗传背景已经研究得相当深，有些微生物的遗传背景已经研究得相当深入。入。 现已在国民经济的不少领域，如现已在国民经济的不少领域，如抗生素以及其他抗生素以及其他发酵工业、污染防治与环境保护、灭虫害与农林发酵工业、污染防治与环境保护、灭虫害与农林发展、深开采与贫矿利用、资源保护与能源再生发展、深开采与贫矿利用、资源保护与能源再生、种菇蕈造福大众等方面发挥了非常重要

3、的作用。种菇蕈造福大众等方面发挥了非常重要的作用。 微生物细胞工程微生物细胞工程是指应用微生物细胞进行细胞水是指应用微生物细胞进行细胞水平的研究和生产。平的研究和生产。 具体具体内容包括内容包括各种微生物细胞的培养、遗传性状各种微生物细胞的培养、遗传性状的改变、微生物细胞的直接利用以及获得微生物的改变、微生物细胞的直接利用以及获得微生物细胞代谢产物等。细胞代谢产物等。真菌的原生质体融合真菌的原生质体融合微生物细胞工程微生物细胞工程微生物细胞融合微生物细胞融合原核细胞的原生质体融合原核细胞的原生质体融合 1.1 微生物细胞融合微生物细胞融合 早在早在19581958年，年，冈田善雄冈田善雄发现，

4、用紫外线灭活的仙发现，用紫外线灭活的仙台病毒可以诱发艾氏腹水瘤细胞融合产生多核体。台病毒可以诱发艾氏腹水瘤细胞融合产生多核体。 19721972年，匈牙利年，匈牙利FerernczyFerernczy等首先报道在微生物中等首先报道在微生物中的原生质体融合，他们采用原生质体融合技术使的原生质体融合，他们采用原生质体融合技术使白地霉营养缺陷型形成强制性异核体。白地霉营养缺陷型形成强制性异核体。 19761976年巨大芽抱杆菌、枯草杆菌、裂殖酵母等原年巨大芽抱杆菌、枯草杆菌、裂殖酵母等原生质体融合取得成功，构巢曲霉和烟曲霉、娄地生质体融合取得成功，构巢曲霉和烟曲霉、娄地青霉和产黄青霉等真菌种间原生质

5、体融合也获得青霉和产黄青霉等真菌种间原生质体融合也获得成功。成功。1.1.1 微生物细胞融合过程微生物细胞融合过程 菌种选择菌种选择扩大培养扩大培养大量菌体细胞大量菌体细胞高渗溶液高渗溶液1.2 原核细胞的原生质体融合原核细胞的原生质体融合 细菌是最典型的原核单细胞生物，细胞外有一层成分不同、细菌是最典型的原核单细胞生物，细胞外有一层成分不同、结构相异的坚韧细胞壁，形成抵抗不良环境因素的天然屏结构相异的坚韧细胞壁，形成抵抗不良环境因素的天然屏障。障。 根据细胞壁成分的差异将细菌分成根据细胞壁成分的差异将细菌分成革兰氏阳性细菌和革兰革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性氏阴性细菌两大类。细菌两大类。 前者前

6、者肽聚糖肽聚糖约占细胞壁成分的约占细胞壁成分的9090，而后者的细胞壁上除，而后者的细胞壁上除了部分了部分肽聚糖肽聚糖外还有大量的外还有大量的脂多糖脂多糖等有机大分子。由此决等有机大分子。由此决定了它们对溶菌酶的敏感性有很大差异。定了它们对溶菌酶的敏感性有很大差异。 溶菌酶溶菌酶广泛存在于动植物、微生物细胞及其分泌广泛存在于动植物、微生物细胞及其分泌物中。它能物中。它能特异地切开肽聚糖中特异地切开肽聚糖中N-N-乙酰胞壁酸与乙酰胞壁酸与N-N-乙酰葡萄糖胺之间的乙酰葡萄糖胺之间的-1-1，4 4糖苷键糖苷键，从而使革，从而使革兰氏兰氏阳性菌阳性菌细胞壁溶解。细胞壁溶解。 由于革兰氏由于革兰氏阴

7、性细菌阴性细菌细胞壁组成成分的差异，处细胞壁组成成分的差异，处理革兰氏阴性菌时，除了理革兰氏阴性菌时，除了溶菌酶溶菌酶外，一般还要添外，一般还要添加适量的加适量的EDTAEDTA( (乙二胺四乙酸乙二胺四乙酸) )，才能除去它们的，才能除去它们的细胞壁，制得原生质体或原生质球。细胞壁，制得原生质体或原生质球。1.2.1 原核细胞的原生质体融合过程图解原核细胞的原生质体融合过程图解 1.3 真菌的原生质体融合真菌的原生质体融合 真菌是一类真核生物。最常见的真菌是各类蕈类，另外真菌也包括霉菌和酵母。 应真菌的细胞壁与原核细胞的细胞壁成分不同，所以在前处理的时候所用的酶有所不同，在真菌的细胞壁中含有

8、纤维素、几丁质、糖类等所用道的酶有纤维素酶、几丁质酶、新酶等。纤维素酶、几丁质酶、新酶等。 除此之外其他的步骤和原核细胞的原生质体融合过程相似。1.4 应用 为发酵中提供新菌种 为科研提供良好的菌体 提高食用菌和药用菌的产量二 植物细胞工程 植物细胞工程：植物细胞工程：以植物细胞为基本单位，应用细胞生物学、分子生物学等理论和技术，在离体条件下进行培养、繁殖或人为的精细操作，使细胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而改良品种、制造新品种、加速繁育植物个体或获得有用物质的一门科学或技术。植物细胞工程的主要研究内容：植物细胞全能型的本质、细胞分化机制、代谢途径的调控、培养细胞中的生理和遗传的变

9、异、体细胞杂交和有性杂交的比较、不亲和的机制、细胞大规模培养的动力学参数的建立等、细胞和组织培养方法的改进、细胞器的分离和引入、原生质体诱导融合和杂种的培养筛选和鉴定、花粉和花药培养、培养细胞中有用成分的鉴别及分离方法的建立、试管苗的大规模繁殖和生产等。植物细胞工程分类植物细胞工程植物组织培养植物组织培养植物体细胞杂植物体细胞杂交交 植物组织培养植物组织培养 原理：细胞的全能性细胞的全能性1. 概念概念: : 已高度分化的细胞仍具有发育成完整个体已高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能的潜能。 2. 原因：原因： 生物体细胞含有本物种所特有的全套遗传生物体细胞含有本物种所特有的全套遗传信息。

10、信息。3. 全能性高低全能性高低： 受精卵胚胎干细胞生殖细胞体细胞植物细胞动物细胞动物细胞1 1、回忆植物组织培养技术的基本原理和过程？、回忆植物组织培养技术的基本原理和过程？ 再分化再分化脱分化脱分化愈伤组织愈伤组织外植体外植体试管苗试管苗植株植株 资料资料1 1 科学家应用多倍体育种的方法，科学家应用多倍体育种的方法，培育出的三倍体无子西瓜，具有无子、培育出的三倍体无子西瓜，具有无子、含糖高、口感好等特点。含糖高、口感好等特点。 但因其不结种子，但因其不结种子，每年必须用四倍体和每年必须用四倍体和二倍体西瓜杂交培育二倍体西瓜杂交培育种子，不仅增加了生种子，不仅增加了生产成本，也给无籽西产成

11、本，也给无籽西瓜的普及带来困难。瓜的普及带来困难。 资料资料2 2 病毒引起的植物病害有病毒引起的植物病害有500500多种。多种。受害的植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉，受害的植物包括粮食作物、蔬菜、果树和花卉，如水稻、小麦、棉花、马铃薯、油菜、大蒜、如水稻、小麦、棉花、马铃薯、油菜、大蒜、苹果、枣、唐菖蒲、兰花等。而且没有有效的苹果、枣、唐菖蒲、兰花等。而且没有有效的防治办法，只能拔除病株，造成很大的经济损防治办法，只能拔除病株，造成很大的经济损失。失。 病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼病毒多集中在种子、老叶等器官中，在幼嫩的器官和未成熟的组织中较少，在分生区几嫩的器官和未成熟的组织

12、中较少，在分生区几乎不含病毒。乎不含病毒。 资料资料3 3 兰花因高雅美丽而深受人们喜爱。兰花因高雅美丽而深受人们喜爱。兰花常用分根法和种子进行繁殖。在兰花的兰花常用分根法和种子进行繁殖。在兰花的常规繁殖中，遇到的常规繁殖中，遇到的难题是：用分根法繁难题是：用分根法繁殖速度缓慢，不利于殖速度缓慢，不利于新品种的推广新品种的推广; ;用种子用种子繁殖又很困难，因为繁殖又很困难，因为兰花的种子十分微小，兰花的种子十分微小，胚很纤弱，种子几乎胚很纤弱，种子几乎没有储藏营养物质，没有储藏营养物质，在发芽过程中很容易夭折。在发芽过程中很容易夭折。（一）微型繁殖技术（也称快速繁殖技术）（一）微型繁殖技术（

13、也称快速繁殖技术）一 植物繁殖的新途径 植植物物细细胞胞工工程程的的实实际际应应用用（一）（一）、植物繁殖的新途径植物繁殖的新途径（二）（二）、作物新品种的培育作物新品种的培育（三）（三）、细胞产物的工厂化生产细胞产物的工厂化生产1.单倍体育种2.突变体的利用药物，香料，蛋白质等药物，香料，蛋白质等1.微型繁殖技术微型繁殖技术2.2.作物脱毒作物脱毒3.3.神奇的人工种子神奇的人工种子（一）微型繁殖技术（也称快速繁殖技术）（一）微型繁殖技术（也称快速繁殖技术）一 植物繁殖的新途径 一 植物繁殖的新途径 （二）（二）作物脱毒作物脱毒1.作物脱毒的原因作物脱毒的原因:2.作物脱毒的材料作物脱毒的材

14、料:3.作物作物4.作物脱毒的结果作物脱毒的结果:长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致产量降低，品质变差分生区（如茎尖）的细胞进行组织培养获得脱毒苗5.成就成就:（三）神奇的人工种子（三）神奇的人工种子一 植物繁殖的新途径 1 1）培育周期长）培育周期长 2 2）优良杂种的后代会发生性状分离而丧失其优）优良杂种的后代会发生性状分离而丧失其优良特性良特性 3 3）生产会受到季节、气候和地域的限制，并且）生产会受到季节、气候和地域的限制，并且需要占用大量的土地实现制种需要占用大量的土地实现制种（三）神奇的人工种子（三）神奇的人工种子一 植物繁殖的新途径 胚状体（三）神奇的人工种子（三）神

15、奇的人工种子一 植物繁殖的新途径 通过植物组织培养得到的通过植物组织培养得到的胚状体、不定芽、胚状体、不定芽、顶芽和腋芽顶芽和腋芽等为材料，经过等为材料，经过人工薄膜人工薄膜包装包装得到的种子。得到的种子。（三）神奇的人工种子（三）神奇的人工种子一 植物繁殖的新途径 诱导植物愈伤组织诱导植物愈伤组织 体细胞胚的诱导体细胞胚的诱导 体细胞胚的成熟体细胞胚的成熟 体细胞胚的机械化包裹体细胞胚的机械化包裹 贮藏或种植贮藏或种植设计人工种子制备技术的主要流程图设计人工种子制备技术的主要流程图（三）神奇的人工种子（三）神奇的人工种子一 植物繁殖的新途径 培植周期短 后代无性状分离不受气候,季节和地域限制

16、可以很方便地贮藏和运输 加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌、植物生长调节剂等（一）单倍体育种（一）单倍体育种二 作物新品种的培育 体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体由配子不经过受精作用而直接发育成的个体。例：蜜蜂中的雄蜂长得弱小，而且高度不育（一）单倍体育种（一）单倍体育种二 作物新品种的培育 回顾单倍体育种的一般过程并设计出一种通过回顾单倍体育种的一般过程并设计出一种通过植物花药组织培养生成正常植株的实验流程。植物花药组织培养生成正常植株的实验流程。（一）单倍体育种（一）单倍体育种二 作物新品种的培育 （二）（二）突变体的利用突变体的利用二 作物新品种的培育 植物组

17、织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断的分生状态，易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变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植物体细胞杂交应用研究植物体细胞杂交应用研究 1 1、定义：、定义： 将两个来自不同植物的体细胞融合成将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过程。新的植物体的过程。 2 2、优势：、优势：（与有性杂交与有性杂交方法比较）方法比较） 克服了远缘杂交不亲和的障碍克服了远缘杂交不亲和的障碍，拓展，拓展了可用于杂交的亲本组合范围了可用于杂交的亲本组合范围。植物体细胞杂交植物体细胞杂交(

18、1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交植物体细胞杂交标志标志去壁去壁植物植物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： 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细胞融合的基础：细胞融合的基础： 细胞膜的流动性细胞膜的流动性 动物细胞工程动物细胞培养技术动物细胞融合技术

19、单克隆抗体技术核移植技术动物细胞工程常用技术是其他动物细胞工程技术的基础3.1 动物细胞培养和核移植技术一、动物细胞培养从动物机体中取出相关组织，将它们分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖1 0 代 以后的细胞增殖缓慢，可能发生突变细胞悬浮液10代细胞原代培养传代培养50代细胞细胞系单个细胞加培养液过程过程接触抑制细胞贴壁动物细胞培养能不能最终培养成一个完整的生物体？胰蛋白酶将组织分散成单个细胞进行的初次培养将原代细胞用胰蛋白酶处理后进行的分瓶继续培养动物胚胎或幼龄动物的组织、器官动物胚胎或幼龄动物的组织、器官胰蛋白酶动物胚胎或幼龄动物的组织、器官剪碎继续培养动物细胞的

20、培养过程 幼龄动物取动物器官和组织剪碎组织胰蛋白酶处理细胞培养单个细胞动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础1.无菌、无毒环境2.全面的营养物质3.适宜的温度和PH4.气体环境(加抗生素，定期更换培养液)葡萄糖、氨基酸、激素、无机盐、微量元素等严格配置成的合成培养基，再加上血清、血浆等36.50.5 O2和CO2（95%空气和5%CO2）CO2的作用主要是维持PH 7.27.4有关概念 原代培养：从机体取出后立即培养的细胞为原代细胞。培养的第1代细胞与传10代以内的细胞称为原代细胞培养。 传代培养：将原代细胞从培养瓶中取出，配制成细胞悬浮液，分装到两个或两个以上的培养瓶中继续培养，称为传

21、代培养。应用应用二、动物体细胞核移植技术和克隆动物概念将动物的一个细胞的细胞核移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育为动物个体（克隆动物）细胞核的全能性核移植技术1.克隆羊培育过程黑面绵羊去核卵细胞白面绵羊乳腺细胞核细胞核移植重组细胞电脉冲刺激早期胚胎胚胎移植另一头绵羊的子宫妊娠、出生克隆羊多利去核胚胎移植在畜牧业、医药卫生，以及其他领域有着广在畜牧业、医药卫生，以及其他领域有着广泛的应用前景泛的应用前景在医药卫生领域，转基因克隆动物可作为生物反应器，转基因克隆动物细胞、组织、器官可作为异种移植的供体有了体细胞核移植技术，就可以随时生产每个人自己

22、的器官。如果这样，我们人是否可以像汽车那样坏了零件换一个，换掉生病的器官，从而使人长生不老呢？材料一：克隆羊“多莉”的摇篮英国罗斯林研究所曾进行过约例羊细胞克隆移植实验。结果除“多莉”以外，其余克隆羊或胎死腹中，或以畸形问世，而且后者发生几率高达。目前的体细胞动物克隆实验成功率都非常低，据哈里格里芬所长称，小羊“多莉”是两百多个克隆胚胎中惟一的成功者。他说，在公开发表的研究里，克隆胚胎最终成活率大概是，实际成功率很可能比这还要低得多。许多动物在即将出生或出生后不久即死去，肺、肾、心血管系统等重要器官出现问题的风险很高。材料二：1996年7月5日，苏格兰罗斯林研究所和英国PPL公司共同培育的克隆

23、羊“多莉”问世，1997年2月23日公布于众，引起各界的普遍关注。 2003年2月14日，罗斯林研究所证实“多莉”已死亡。“多莉”的尸体已解剖并制成标本，现存放于苏格兰国家博物馆。“多莉”的死亡再次引起世界的关注。 据介绍，绵羊通常能活到1112年。但2002年1月科学家发现“多莉”羊的左右腿患上了关节炎这种典型的“高龄病症”，以后又得了老年羊常得的肺部感染疾病。研究人员不得不对其实施了“安乐死”。“多莉”羊的“英年早逝”，震惊了世界，引起了人们对克隆动物健康的关注，以及对克隆技术的发展前景的再思考。3.2 动物细胞融合和单克隆抗体动物细胞融合和单克隆抗体细胞融合是正常的生命活动正在融合的两个细胞 受精作用一、动物细胞融合两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程用灭活的病毒诱导动物细胞融合过程融合含不同含不同DNADNA的的两个细胞两个细胞灭活的病毒，如灭活的仙台病毒等有丝分裂杂交细胞杂交细胞细胞膜的流动性细胞A细胞B杂种细胞灭活的病毒物理法化学法仙台病毒疱疹病毒新城鸡瘟病毒用灭活的病毒诱导动物细胞融合过程细胞核病毒颗粒