细胞工程-植物细胞工程的基本技术课件（第一课时） 高二下学期生物人教版（2019）选择性必修三

第2章细胞工程第1节

植物细胞工程

照片中两只可爱的小猴，分别叫“中中”和“华华”，它们诞生于2017年，一出生就轰动了全世界，这是我国科学家的研究成果。你知道它们是如何培育出来的吗？

在这之前，科学家培育了胚胎细胞克降猴，你知道两者有什么不同吗？其实，自1996年首个体细胞克隆动物多莉羊（Dolly）诞生以来，人类已经成功克隆了马、牛和猪等大型家畜，但为什么体细胞克隆猴的诞生能轰动世界呢？第2章细胞工程1902年，哈伯兰特，提出细胞全能性的理论。1958年，斯图尔德，发现胡萝卜的体细胞可分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。1960年，科金，用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体。1964年，古哈，在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉粒发育而来的胚。1971年，卡尔森，诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。1974年，土壤农杆菌的Ti质粒发现。之后，该质粒应用于植物分子生物学领域，促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。【科技探索之路

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植物细胞工程的发展历程】1975年，米尔斯坦和科勒，创立单克隆抗体技术1890年，希普，世界上首例胚胎移植成功1907年，哈里森，首创了动物组织体外培养法1951年，张明觉，发现哺乳动物精子获能现象1958年，格登，体细胞核移植成功1959年，试管家兔诞生1978年，胚胎分割移植工程1981年，埃文斯，分离和培养小鼠胚胎干细胞1996年，克隆羊诞生2006年，山中伸弥，获得诱导多能干细胞2014年，单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿诞生2017年，我国科学家首次培育了体细胞克隆猴【科技探索之路·动物细胞工程的发展历程】

“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（dài）夫开也，凝情瀼（ráng）露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非入兰室乎！岂非有国香乎”这是我国历史上第一部兰谱——《金漳兰谱》（宋·赵时庚）中对兰花的一段描述。

从古至今，我国人民都把兰花看作高洁、典雅的象征，很多人喜欢养兰花。但是，兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低；传统分株繁殖的方法又存在繁殖周期长、繁殖率低等问题，如果靠自然繁殖，兰花的价格可想而知了。如何能让名贵的兰花大量、快速地繁殖，从而走入寻常百姓家呢？从社会中来利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。第1课时

植物细胞工程的基本技术一、细胞工程与细胞全能性的概念1.细胞工程的概念：是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。动物细胞工程植物细胞工程植物组织培养植物体细胞杂交细胞工程2.细胞全能性（1）概念：细胞经过分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整植株受精卵发育成个体（动植物）蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株韧皮部细胞细胞团块根或芽幼苗胡萝卜植株叶子花粉花瓣细胞2.细胞全能性（2）体现细胞全能性的原因：生物体的每个细胞中都含有发育成为完整个体所需的全部遗传物质。（3）生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性①不体现全能性的实例：②不体现全能性的原因：基因在特定时间、空间条件下选择性表达芽原基的细胞只能发育为芽叶原基的细胞只能发育为叶生长点叶原基芽轴芽原基枝芽结构示意图叶原基的细胞只能发育为叶芽原基的细胞只能发育为芽在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性表达（4）植物细胞表现出全能性的条件①离体②一定的营养物质、植物激素③适宜的温度、pH、光照、无菌等外界条件（3）生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性分化程度低的＞分化程度高的分裂能力强的＞分裂能力弱的受精卵＞生殖细胞＞体细胞受精卵＞干细胞＞体细胞植物细胞＞动物细胞（5）细胞全能性大小比较：④不同生物细胞的全能性：①体细胞全能性与细胞分化程度：②体细胞全能性与细胞分裂能力：③不同类型细胞的全能性:2.细胞全能性二、植物组织培养技术1.植物组织培养（1）概念：是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。（2）生殖方式：无性生殖（3）分裂方式：有丝分裂1958年，美国科学家斯图尔德（F.C.Steward）将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行培养获得了完整的胡萝卜新植株。二、植物组织培养技术2.原理：植物细胞一般具有全能性3.过程：外植体脱分化愈伤组织再分化芽、根试管苗移栽完整植株接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根脱分化再分化移栽成活（2）脱分化：在一定的激素和营养条件的诱导下，使已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为未分化的细胞。（1）外植体：离体培养的植物器官、组织或细胞。接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根移栽成活脱分化再分化再分化3.过程：（3）愈伤组织：通过脱分化后的细胞，形成不定形的薄壁组织团块。接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根移栽成活脱分化再分化再分化3.过程：接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根移栽成活脱分化再分化再分化3.过程：（4）再分化：愈伤组织在培养过程中重新分化成芽、根等器官的过程。4.探究·实践：菊花的组织培养（1）实验原理①植物细胞一般具有

；全能性②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株；外植体脱分化愈伤组织再分化根、芽等试管苗完整植株移栽胚状体胚状体（体细胞胚）：离体培养条件下，体细胞培养或生殖细胞培养，没有经过受精过程，但是形成与经过受精后胚胎发育过程所形成的胚胎类似的胚状类似物结构。植物组织培养的两种途径直接途径间接途径外植体胚状体幼苗外植体胚状体幼苗愈伤组织胡萝卜根韧皮部的细胞愈伤组织胚状体幼苗胡萝卜胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。胚状体途径4.探究·实践：菊花的组织培养细胞分裂素生长素芽分化愈伤组织根分化生长分裂定方向高根低芽中愈伤（1）实验原理③植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素，它们的浓度、比例等都会影响植物细胞的发育方向。适中：利于愈伤组织的形成低：利于芽的分化高：利于根的分化生长素细胞分裂素①了解植物组织培养的基本原理。②了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量的比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响。③尝试进行植物组织培养。（2）实验目的4.探究·实践：菊花的组织培养（3）材料用具①外植体：幼嫩的菊花茎段（容易诱导形成愈伤组织）②体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒④无菌水：清洗外植体⑤培养基（参见本书116页附录1）包括无机营养成分（水和无机盐）、有机营养成分（蔗糖、氨基酸、维生素等）、特定浓度和比例的激素（主要是生长素和细胞分裂素）蔗糖的作用：提供能量，调节渗透压灭菌方法为：湿热灭菌法4.探究·实践：菊花的组织培养①培养基名称：

；②物理性质：

；③碳源：

。植物组织培养常用的培养基配方（P116）

MS培养基

固体培养基有机碳源（蔗糖）（4）方法步骤Ⅰ.用酒精擦拭双手和超净工作台台面Ⅱ.外植体的消毒4.探究·实践：菊花的组织培养①消毒流水冲洗

→酒精消毒30s

→无菌水清洗2～3次

→次氯酸钠溶液处理30min

→无菌水清洗2～3次将消过毒的外植体置于无菌培养皿中→用无菌滤纸吸去表面的水分→用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。（4）方法步骤4.探究·实践：菊花的组织培养②外植体的切段防止杂菌生长：①杂菌与培养物竞争（种间竞争）营养；②产生有害物质危害培养物。

在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插。

（形态学上端朝上，下端朝下）③接种外植体（4）方法步骤4.探究·实践：菊花的组织培养注意：该过程一般不需要光照。

有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。④诱导愈伤组织

将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18～22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。（脱分化）（4）方法步骤4.探究·实践：菊花的组织培养

培养15～20d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。

（再分化）注意：每日需要给予适当时间和强度的光照。

（光照培养，促进叶绿素合成）（4）方法步骤4.探究·实践：菊花的组织培养⑤诱导生芽生根适中高低生长素细胞分裂素愈伤组织再分化芽根外植体脱分化再分化

移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。⑥移栽（4）方法步骤4.探究·实践：菊花的组织培养（5）注意事项①实验中使用的培养基和所有器械都要灭菌，接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。②接种时注意外植体的方向（形态学上下端），不要倒插。③诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。4.探究·实践：菊花的组织培养1.A、B过程分别为

。A过程一般

光照，该过程细胞分裂方式是

，B过程细胞分裂方式是

，同时也进行

，该过程

光照，因为

。C是

。2.影响A、B过程的关键因素是

，主要是

和

，二者添加的

会影响A过程和B过程。3.植物组织培养是一个

（无性繁殖或有性繁殖）过程。有丝分裂细胞分化植物激素细胞分裂素生长素无性繁殖有丝分裂浓度和比例【即时练习】下列是植物组织培养流程图，请回答：植物体根、芽或胚状体外植体ABC脱分化、再分化愈伤组织不需要叶绿素的合成需要光照需要欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么妙招？【思考·讨论】×土豆西红柿1.通过有性杂交能实现吗？为什么？不能，不同物种之间存在生殖隔离。植物体细胞杂交技术。2.有没有方法可以打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，获得“番茄-马铃薯杂种植株”呢？【思考·讨论】1.概念：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。三、植物体细胞杂交技术2.技术流程去除细胞壁去除细胞壁脱分化再分化A细胞B细胞杂种细胞AB脱分化再分化杂种植株愈伤组织A原生质体B原生质体再生细胞壁2.技术流程AB原生质体原生质体融合去除细胞壁三、植物体细胞杂交技术原生质体：脱去细胞壁的细胞植物细胞=细胞壁+原生质体④酶解法原理：植物细胞的细胞壁主要由纤维素和果胶构成；酶具有专一性（1）去除细胞壁①去壁原因：细胞壁阻碍着细胞间的杂交（阻碍了原生质体间的融合）②方法：酶解法③相关酶：纤维素酶和果胶酶2.技术流程原生质体细胞壁细胞膜细胞质液泡细胞核概念辨析：原生质体和原生质层原生质体：脱去细胞壁的细胞，包括细胞膜、细胞质、细胞核。原生质层：成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质。【注意】质壁分离的“质”指的是原生质层。原生质层2.技术流程②方法：物理法：电融合法、离心法等化学法：聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法等①原理：细胞膜具有一定的的流动性

（2）原生质体间的融合注意：去除细胞壁和诱导原生质体融合时，不能在低渗溶液中进行。将细胞放在等渗或略大于的溶液中，防止原生质体吸水而涨破，保持原生质体正常。刚刚开始融合（上）和已经融合（下）的原生质体除去了细胞壁的植物（烟草）原生质体烟草不同物种之间的体细胞杂交（3）杂种细胞培育成杂种植株2.技术流程①技术：植物组织培养技术②原理：植物细胞的全能性③根据植株性状对杂种植株进行筛选2.技术流程②植物体细胞杂交完成的标志：（4）两个标志①植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁，形成杂种细胞（在此过程中高尔基体参与、线粒体供能）培育出杂种植株（5）体细胞融合成功后，培养基中主要有5种类型的细胞（A、B、AA、BB、AB），其中两两融合细胞类型有3种（AA、BB、AB），而真正符合要求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。AB2.技术流程AAAA番茄BBBB马铃薯ABABAAAABBB（6）杂种细胞中染色体数、染色体组数，都采用直接相加的方法。A细胞基因型为Aabb，B细胞基因型为ccDd2.技术流程①假设用于体细胞杂交的双方细胞都有2个染色体组，则杂种细胞有4个染色体组，由杂种细胞发育而来的杂种植株被称为异源四倍体。该杂种植株联会正常，表现为可育。1.杂种细胞AB染色体数为？2.杂种细胞AB染色体组数为？8条染色体4个染色体组（异源四倍体）3.杂种细胞AB基因型为？AabbccDd3.变异类型：染色体数目变异打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种。5.意义：三、植物体细胞杂交技术属于无性生殖，不遵循孟德尔遗传定律4.生殖方式：6.植物体细胞杂交技术的实例①培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种植株。②在木本植物的体细胞杂交方面，培育出了多种柑橘属不同种间的杂种植株。白菜甘蓝白菜—甘蓝×为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？