2.1植物细胞工程课件2020-2021学年高二生物人教版选修三

专题2细胞工程细胞工程应用的原理和方法研究的水平研究的目的细胞生物学和分子生物学细胞水平或细胞器水平按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品概念分类植物细胞工程动物细胞工程思考:克隆多莉羊技术是

水平上的技术，培育抗虫棉是

水平上的技术。细胞分子2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术基本技术植物组织培养植物体细胞杂交理论基础植物细胞的全能性一、细胞的全能性1．什么是细胞的全能性？2．为什么细胞具有全能性？3．菊花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？4.所有细胞的全能性都一样吗？1、细胞的全能性是指生物体的细胞具有发育形成完整个体的潜能。（概念）2、是生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质及发育为完整个体所必需的全部基因。（原因）3、在生物的个体发育中，由于基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官。因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。

当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处于离体状态时，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，发育成完整的植株。（本质）4、受精卵的全能性最高＞生殖细胞（尤其是卵细胞）＞体细胞。植物细胞＞动物细胞5、细胞分化原因？所有细胞含全套基因但表达的基因不同------分化的根本原因使转录的mRNA不同翻译成的蛋白质不同------分化的直接原因导致细胞的形态、结构、功能不同探究（原理）：1、为什么已分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体？植物细胞具有全能性。2、什么是细胞的全能性？具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。4、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？3、已分化的细胞为什么具有发育成完整个体的潜能？6.细胞表现全能性的条件有哪些？

离体、营养物质、激素及其它适宜条件。5、大小：

受精卵生殖细胞体细胞＞＞2）

植物细胞＞动物细胞

3）

1）受精卵的全能性最高

4）分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞一细胞的全能性1、概念：生物体的细胞具有发育成完整个体的潜能的特性。2、原因：生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。3

、在生物体内，由于基因的选择性表达，细胞不能表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官。1）受精卵生殖细胞体细胞＞＞*4、全能性的比较2）植物细胞全能性一般比动物细胞强1、有关全能性的表述中，不正确的是Ａ．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Ｂ．生物体内细胞由于分化，全能性不能表达Ｃ．卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性很高Ｄ．在一定条件下，植物细胞离体培养能表现出全能性趁热打铁：√二、植物组织培养技术离体的植物器官、组织或细胞脱分化（又叫去分化）形成排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞）愈伤组织再分化根或芽等器官植物体已经分化的细胞，在无菌和人工控制的营养和激素条件下经过诱导，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞外植体愈伤组织根、芽植物体脱分化再分化（离体的,已分化组织或细胞）（未分化）（分化）幼芽或幼根？条件？优点？特点？繁殖速度快不受季节限制工厂化生产幼苗无毒保持优良性状①适宜温度、光照、pH和无菌环境。②无机物、有机物和植物激素（生长素，细胞分裂素等）无定形状态薄壁细胞高度液泡化排列疏松、无规则无叶绿体,不进行光合作用分化程度低去分化较易植物组织培养技术离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根芽植物体脱分化再分化脱分化已经分化的细胞，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（愈伤组织）的过程再分化脱分化产生的愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程植物组织培养过程外植体愈伤组织长芽生根幼苗/胚状体CTK/IAA比例适合CTK/IAA比例增大CTK/IAA比例减小去分化再分化激活潜在的全能性(1)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？防止杂菌污染因为杂菌生长快，会和培养物争夺营养。杂菌生长过程中会产生有害的物质，导致培养物迅速死亡。阅读教材P34讨论(2)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），是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。（3）为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？脱分化避光，再分化需光植物组织培养技术

植物组织培养理论基础：

培养材料：培养结果：培养条件：离体无菌培养基成分：无机营养，有机营养，激素环境条件:脱分化避光，再分化需光,适宜的PH值，充足的氧气细胞的全能性

植物的组织、器官、原生质体或细胞—外植体新植株影响植物细胞脱分化和再分化的一个重要因素是什么？细胞分裂素/生长素基本相等时：维持愈伤组织的生长细胞分裂素/生长素维持在高水平时：诱导芽的形成细胞分裂素/生长素的比例低时：诱导根的形成植物组织培养的培养基无机营养成分：水和无机盐有机营养成分①含N物质：包括维生素和氨基酸②碳源：2%—5%的蔗糖③琼脂：起支持作用（固体培养基）④相关激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素PH值：5.0－6.0强调几个概念：（1）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组成的排列疏松无规则的组织。（2）植物细胞的脱分化：

让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程。（3）脱分化的实质和结果分别是什么？实质:恢复细胞的全能性过程结果:形成愈伤组织（4）植物细胞的再分化：

脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。1.2植物组培的用途：1、快速繁殖、培育无病毒植株。2、大规模生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂。3、还可以生产人工种子，进行繁殖。反馈练习1.下列属于组织培养的是：A.花粉培养成单倍体植株B.芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区D.未受精的卵发育成雄蜂A2.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，下列哪一项条件是不需要的（）A.消毒灭菌B.适宜的温度C.充足的光照D.适宜的养料和激素C3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（）A.具有完整细胞核的细胞B.离体状态C.导入外源基因D.一定的营养物质和激素C4、若用“①②③④”表示植物组织培养的过程。请回答：

（1）①表示

，能被培养成为④的根本原因是（2）②表示脱分化再分化离体的植物器官、组织或细胞植物细胞具有全能性愈伤组织番茄与马铃薯属于茄科植物，但不是同属植物。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。这个可能实现吗？番茄—马铃薯植物体细胞杂交1、概念：将不同种植物的体细胞，在一定条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。不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的杂种植株融合的原生质体AB再生出细胞壁脱分化愈伤组织再分化2、过程植物细胞的融合植物组织培养植物细胞A原生质体B原生质体A杂种细胞AB去壁去壁人工诱导方法？促进融合的方法？融合完成的标志植物细胞B植物细胞A植物细胞B原生质体A原生质体B原生质体融合正在融合的原生质体再生出细胞壁杂种细胞愈伤组织杂种植株去细胞壁纤维素酶果胶酶物理方法化学方法：离心振动电刺激聚乙二醇细胞分裂植物组织培养植物细胞融合酶解法人工诱导方法2、过程通过如上过程获得的杂种植物就一定是我们想要的植株吗？植物体细胞杂交过程原生质体制备（酶解法去细胞壁）原生质体融合（人工诱导）

杂种细胞的筛选和培养（形成愈伤组织）杂种植株的再生与鉴定二、植物体细胞杂交过程萝卜细胞(AA)甘蓝细胞(BB)萝卜原生质体(AA)甘蓝原生质体(BB)原生质体融合植物细胞融合植物组织培养萝卜－甘蓝植株(AABB)去细胞壁去细胞壁萝卜－甘蓝原生质体(AABB)萝卜－甘蓝杂种细胞(AABB)再生出细胞壁

1972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。背景资料1978年梅尔彻斯(Melchers)等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种——“马铃薯番茄”。

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、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。白菜甘蓝白菜－甘蓝同普通白菜相比，具有生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。3、意义(优点）在克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍上，取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交的亲本组合。4.未能解决的问题：

未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状。5、原理：

植物细胞的全能性和细胞膜的流动性问题为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？主要原因是：生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，所以马铃薯—番茄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受到相互影响，不能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、地下结马铃薯就是很自然的了。异想天开问题自然界中有一种含有叶绿体的原生动物──眼虫，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？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。

判断正误

(1)细胞工程是通过分子水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。 (

) (2)理论上并不是每个活细胞都具有全能性。 (

) (3)细胞全能性的大小依次是：受精卵>生殖细胞>体细胞。 (

)

答案(1)×

(2)√

(3)√(4)×

(5)√

(6)√ (4)植物组织培养的理论基础是基因的选择性表达。 (

) (5)植物体细胞杂交的理论基础是细胞膜的流动性和细胞的全能性。 (

) (6)人工诱导原生质体融合的方法有物理法(离心、振动、电激)和化学法(聚乙二醇处理)。 (

)

判断正误

(1)植物体的细胞发育成完整个体才体现了全能性。 (

) (2)高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性 (

) (3)植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同 (

) (4)紫色糯性玉米种子培育成植株，这反映植物种子具有全能性 (

)

答案(1)√

(2)√

(3)×

(4)×

(1)植物体细胞杂交的最大优点是可以克服远缘杂交不亲和的障碍。 (

) (2)杂种细胞经过④和⑤过程可以培育成杂种植株说明杂种细胞具有全能性。 (

) (3)尽管愈伤组织可以进行光合作用，但其培养基中仍需要糖类、氨基酸等有机营养。 (

) (4)若A的基因型为Rr，B的基因型为Yy，则最终形成的杂种植株的基因型为RrYy。 (

) (5)杂种细胞形成的标志是杂种细胞再生出细胞壁，在此过程中活跃的细胞器是核糖体。 (

)

答案(1)√

(2)√

(3)×

(4)√

(5)×三、植物细胞工程的实际应用1、繁殖植物的新途径微型繁殖作物脱毒人工种子2、作物新品种的培育单倍体育种突变体的利用3、细胞产物的工厂化生产药物，香料，蛋白质等1.1植物繁殖新途径：微型繁殖

实际问题：经济苗木、名贵花卉、珍稀植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持……微型繁殖技术是快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫快速繁殖技术，属于无性繁殖讨论：该技术与传统繁殖技术相比，有何特点？——愈伤组织可以传代培养，获得大量愈伤组织，所以繁殖快速；（繁殖速度快）——全过程中细胞进行有丝分裂，不涉及减数分裂和受精作用，可以保持亲本优良特性；（高保真-无性繁殖）——在室内生产，不受自然环境条件限制。①繁殖速度快；②“高保真”（因为是无性繁殖）；③不受自然生长季节的限制（因为在具有一定人工设施的室内生产）。正文中讨论题1.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的哪些特点？

植物“微型”繁殖技术具有高效性和可以保持种苗的优良遗传特性的优势。工厂化大规模育苗生产正是利用了植物“微型”繁殖技术的这两方面优势。利用植物“微型”繁殖技术我们可以在短时间中获得大量的优质种苗。总结1.概念:快速繁殖优良品种的植物组织培养技术2.特点:1）保持优良品种的遗传特性2）高效快速地实现种苗的大量繁殖1.2作物脱毒作物脱毒的原因:

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，作物脱毒材料:分生区的细胞作物脱毒方法:进行组织培养结果:脱毒苗

生姜是药食两用的经济作物，具有栽培容易、产量高、价格高等特点，近年在各地发展很快。但是生姜在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%～50%。

病毒容易沿植物体的维管组织传播，而分生组织区中缺乏维管系统，因此不含病毒。用做组织培养的植物材料可以是植物体任何类型的组织细胞。怎样利用植物组织培养技术解决？1.2作物脱毒1.原因:2.材料:3.方法:4.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植物的分生区一般不会感染病毒，用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗。

甘薯种植多年后易积累病毒而导致品种退化。目前生产上采用茎尖分生组织离体培养的方法快速繁殖脱毒的种苗，以保证该品种的品质和产量水平。这种通过分生组织离体培养获得种苗的过程不涉及细胞的（）

A.有丝分裂 B.分化

C.减数分裂 D.全能性常规种子植物生产的不足

不少植物需要生长数年才能结出种子优良杂种的后代因发生性状分离而丧失其优良特性种子的生产受季节、气候和地域的限制制种需要占用大量土地微型繁殖试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。问：能否找到天然种子的替代品？人工种子结构：人工薄膜+胚状体（不定芽、顶芽、腋芽）优点：不受气候、季节、地域的限制保留优良性状时间短，占地少技术：组织培养原理：细胞全能性1.3人工种子通过植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。（1）人工种子概念（2）人工种子组成胚状体（或不定芽、顶芽和腋芽）+人工种皮

(1）由已脱分化的外植体直接产生；（2）由愈伤组织产生；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1.3人工种子（3）技术：组织培养。（4）特性：在适宜条件下可以萌发长成幼苗。（5）优点后代无性状分离，保持优良特性不受季节、气候和地域的限制易于储藏和运输（6）意义1、解决了有些种子繁殖力差、结籽困难或发芽率低等问题。2、可以工业化生产，提高农业的自动化程度。3、可在胚乳中添加各种附加成分。如：固氮菌、防病虫农药、除草剂等。4、用人工种子播种可节约粮食。人工种子自然种子胚状体人工种皮人工胚乳胚种皮胚乳下图为一人工种子。下列与人工种子培育过程的有关叙述中不正确的是（）A．人工种子一般是用离体的植物细胞通过组织培养技术获得B．胚状体是由愈伤组织分化而成，离体细胞只有形成愈伤组织才能表现出全能性C．同一批次人工种子可以保证具有相同的基因型D．胚状体是由未分化的，具有分裂能力细胞构成提示：诱导植物愈伤组织↓体细胞胚的诱导↓体细胞胚的成熟↓体细胞胚的机械化包裹↓贮藏或种植2.请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，设计出制备技术的主要流程图。2.1单倍体育种1单倍体的概念:

是指由配子发育成的个体举例:蜜蜂中的雄蜂是由未受精的卵发育来的单倍体.多数植物都可通过花药或花粉来获得单倍体2.1单倍体育种2方法：花药离体培养3技术：组织培养获得单倍体秋水素处理单倍体的幼苗，使染色体加倍4优点：明显缩短了育种年限后代稳定遗传(花药离体培养)

过程:3.请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织培养和染色体加倍的实验流程。花药

花粉细胞培养

愈伤组织

正分化出小植物单倍体植株正常植株2.2突变体的利用在植物组织培养的过程中，由于培养的细胞一直处于不断的分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。产生的突变属于什么？为什么不断分生的细胞容易突变？利用：筛选对人们有利突变体,进而培育新品种3细胞产物的工厂化生产红豆杉与紫杉醇人参皂甘的生产

高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”为题，与同学展开讨论，说出植物组织培养技术在节约资源、保护环境方面的重要意义。

3.细胞产物的工厂化生产(1)种类:蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱等.(2)技术:植物的组织培养.提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。现在国内外的科学家们正在研究利用植物细胞培养技术来大量培育红豆杉细胞，希望利用这种方法来大量生产紫杉醇。国内外许多实验室开展了用组织培养法生产紫杉醇的研究，红豆杉属的11种植物现都在进行组织培养。ESCAgenetics公司宣布他们用细胞培养法所得紫杉醇的含量是树皮的2～5倍。国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作，摸索了外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响。现在工艺条件已基本摸清，正研究反应的放大技术等，有望实现通过细胞培养进行工业化生产紫杉醇的目标。思考与探究

1.通过查阅资料，请你再列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用。提示：

a.拯救濒危植物；

b.提供食品制作的原料；

c.利用愈伤组织进行转基因操作。1．下列属于组织培养的是()A．花粉培育成单倍体植株B．芽发育成枝条C．根尖分生区发育成成熟区D．未受精的卵细胞发育成个体

A2.植物体细胞杂交的过程实质是（）A、细胞质融合的过程B、细胞核融合的过程C、细胞膜融合的过程D、细胞原生质体融合的过程D3.在植物细胞工程中，当原生质体融合成一个细胞后，需要诱导产生细胞壁，参与这一过程的细胞器（）A、叶绿体、高尔基体B、线粒体、高尔基体C、叶绿体、线粒体D、线粒体、内质网B4.用杂合种子尽快获得纯合子植株的方法是（）A、种植→F1→选出不分离者→纯合子B、种植→秋水仙素处理→纯合子C、种植→生长素处理→纯合子D、种植→花药离体培养→单倍体幼苗→秋水仙素处理→纯合子D5.下面关于植物细胞工程的叙述，正确的是(多选)()A．叶肉细胞脱分化后可形成具有分裂能力的薄壁细胞B．叶肉细胞经再分化过程可形成愈伤组织C．融合植物叶肉细胞时，应先去掉细胞膜D．叶肉细胞离体培养时，可以表现出全能性AD

6.下图为植物体细胞杂交过程示意图，据图回答：

⑴步骤①是去掉

，使植物细胞成为

，最常用的方法是

。⑵步骤②一般常用的化学试剂是

，目的是

。⑶在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是

，其中步骤④相当于

，步骤⑤相当于

。细胞壁