2.1植物细胞工程

1、,专题2 细胞工程,吉林省实验中学 baiyh,1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆动物-克隆羊多利诞生于英国, 标志着一种新的生物技术-动物体细胞克隆技术面世, 也揭开细胞工程更深层次发展的序幕!,植物组织培养,植物体细胞杂交,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，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，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的一门综合科学技术。,什么叫细胞工程？包括哪两大领域？,？,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,细胞整体水平或细胞器水平,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,植物细胞

2、工程 动物细胞工程,理论基础,细胞的全能性,分类,细胞工程和基因工程在操作水平上有什么不同？,前者是细胞水平或细胞器水平上的生物 技术 后者是DNA分子水平上的生物技术,2.1 植物细胞工程,2.1.1 植物细胞工程的基本技术,所采用技术的理论基础,植物细胞工程,植物组织培养 植物体细胞杂交,植物细胞的全能性,通常采用的技术手段,细胞的全能性,1、定义: 2、原理: 3、差异: 4、大小： 5、潜在全能性的原因:,生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能的特性。,生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应

3、该具有全能性。,受精卵的全能性最高 受精卵分化后的细胞中，体细胞的全 能性比生殖细胞的低。,基因的选择性表达,受精卵生殖细胞干细胞 体细胞 植物细胞动物细胞,思考讨论：为什么体内细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织、器官？,基因在特定空间和时间条件下选择性表达的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同部位的细胞表达的基因是不同的，合成的蛋白质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。,植物组织培养,关键词： 外植体、脱分化、再分化、愈伤组织,在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配置的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。,外植

4、体灭菌消毒,接种于培养基上,避光诱导愈伤组织的形成,在分化培养基上诱导植物体的形成,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 化细胞的过程。,再分化：脱分化的细胞，在一定的条件下， 又重新分化成各种特异性的组织细胞 的过程。,外植体：离体的植物器官、组织或细胞。,愈伤组织：细胞排列疏松、无规则、高度 液泡化的无定形的薄壁细胞。,切取 形成层,无菌接种,诱导愈伤组织 的形成,试管苗的形成,培养室,移栽,脱分化,再分化,方法步骤：,1.植物细胞表现出全能性的条件有哪些？ 2.在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？ 3.为什么诱导愈

5、伤组织的过程中应避光培养？ 4.请根据书上实验过程，讨论并概括出植物组织培养技术的流程简图。,思考和讨论：,1.植物细胞表现出全能性的条件有哪些？,植物组织培养培养基,定义：含有一定营养成分，供组织培养植物生长的基质 矿质元素：大量元素及微量元素 有机营养成分 含N物质：包括维生素和某些有机添加物 碳源：蔗糖 琼脂：起支持作用 植物激素：生长素、细胞分裂素等,生长素/细胞分裂素比例低时：,诱导脱分化和根的形成,诱导再分化和芽的形成,生长素/细胞分裂素维持在高水平时：,2.在植物组培过程中，为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？,避免杂菌在上面迅速生长消耗营养，且有些杂菌会危害培养物

6、的生长。,在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。,3.为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？,4.请根据书上实验过程，讨论并概括出植物组织培养技术的流程简图。,避光,光,切取,接种,愈伤组织的形成,植物组织培养（试管苗的形成）,培养室,试管苗大规模培养,移栽,经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培,过程,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,脱分化,植物激素： 细胞分裂素、生长素,再分化,植物组织培养,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,请同学们讨论如何实现?,于是，这些科学家试图用

7、这两种植物的体细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。,二、植物体细胞杂交技术,这幅番茄马铃薯图利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？ 因为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。,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。 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“Potamato”。 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。,背景资料,1、定义： 用两个来自不同植物的

8、体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。 2、优势（与有性杂交方法比较） ： 打破了不同种生物间的生殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。,植物体细胞杂交,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,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,植物组织培养,植物细胞融合,3、过程,4、成果和尚未解决的问题： 成 果：克服不同生物远缘杂交的障碍， 出现自然界没有的新品种。 未解决问题：尚未让杂种植物按照人们的需要 表现出亲代的优良性状,杂种植株,融合的原生质体AB,再生出细胞壁,脱

9、分化,愈伤组织,再分化,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？,诱导融合的方法？,融合完成的 标志,植物细胞B,植物体细胞杂交过程,白菜,甘蓝,白菜甘蓝,1.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？ 马铃薯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：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干扰，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

10、株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。,2.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。,1.对细胞全能性的表述正确的是 A.非离体植物细胞能够表现出全能性 B.动物细胞融合标志着动物细胞全能性的实现 C.单克隆抗体的制备原理依据是细胞的全能性 D.花粉培育成单倍体是细胞全能性的体现 2.植物细胞表现出全能性的必要条件是 A.给予适宜的营养和外界条件 B.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件 C.导入其他植物细胞的基因 D.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内

11、,3.在生物体的所有细胞中，全能性最高的是 A卵细胞 B 植物花粉 C体细胞 D.受精卵 4.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： A.细胞丧失了全能性 B.基因的表达有选择性 C.不同的细胞内基因不完全相同 D.在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化,5.植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是 细胞的全能性 离体植物器官，组织或细胞 根，芽生长素和细胞分裂素 生长素和乙烯 愈伤组织再分化 脱分化 植物体 A和 B和 C和 D和,6.植物组织培养可以形成愈伤组织，下列有关愈伤组织的叙述错误的是 A.愈伤组织是离体细胞经过脱分化形成的

12、 B.形成愈伤组织的培养基不需含有机分子 C.愈伤组织可以形成具有生根能力的胚状结构 D.愈伤组织细胞的线粒体和核糖体可能发生碱基互补配对 7.能刺激愈伤组织形成的诱导剂是 A.细胞分裂素和生长素 B.赤霉素 C.生长素和赤霉素 D.细胞分裂素和乙烯,8.将胡萝卜韧皮部细胞培养成幼苗时，下列条件中不需要的是 A、具有完整细胞核的细胞 B、一定的营养物质和植物激素 C、离体状态 D、导入指定基因 9.（多选）植物体细胞的组织培养常被用于保留杂种优势。因为植物组织培养的过程 A.不可能发生基因突变 B.生殖方式属于无性生殖 C.子代不发生性状分离 D.体细胞内不存在等位基因,10.植物体细胞杂交的

13、目的是 A.用酶解法去掉细胞壁分离出有活力的原生质体 B.以人工诱导法使两个不同植物的原生质体融合 C.用植物组织培养法培养融合的原生质体得到杂种植株 D.通过以上三者来完成 11.在细胞工程 原生质体融合育种技术中，、其技术的重要一环是将营养细胞的细胞壁除心去，通常是采用纤维素酶的酶解破壁法处理。如将去掉了细胞壁的成熟植物细胞置于清水中，细胞最终将 A.皱缩 B.胀破 C.呈球形 D.保持原状,12.(多选)有关原生质体的下列叙述中，正确的是 A.组成原生质体的主要生命物质是蛋白质和核酸 B.原生质体包括细胞膜、液泡膜及两者之间的原生质 C.被脱掉细胞壁的植物裸露细胞是原生质体 D.原生质体

14、只能用于植物细胞工程,13.2006年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试（北京卷）以下不能说明细胞全能性的实验是 A.胡萝卜韧皮部细胞培育出植株 B.紫色糯性王米种子培育出植株 C.转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株 D.番茄与马铃薯体细胞杂交后培育出植株,植物细胞工程的实际应用,繁殖植物的新途径 微型育种 作物脱毒 人工种子 育种新方法 单倍体育种 诱导突变体 细胞产物的工厂化生产,概念：应用组织培养技术，快速繁殖植物（也叫快速繁殖技术） 原理：植物细胞的全能性 优点：繁殖率高，可大批量生产 取材少 培养周期短 保持优良性状,微型繁殖,作物脱毒,病毒在作物体内逐年积累，会导致作物产量

15、降低，品质变差 分生区附近（茎尖、根尖）的病毒极少，甚至没有 采用茎尖进行组织培养 无性繁殖的植物,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,胚 由受精卵发育形成。发育完全的胚由胚芽、胚轴、子叶和胚根组成。,胚乳、子叶储有大量营养物质，供胚发育。,种皮 具保护胚与胚乳的功能。,人工种皮成分 养分、无机盐、有机碳源、农药、抗生素、有益菌 生长调节剂,作物的新品种培育, 传统方法杂 交 原理:基因的自由组合定律,单倍体育种,突变体的利用,组织培养技术的应用,杂交育种,杂交结果:

16、通过基因重组，把两亲本的优良性状组合在同一后代中 缺点: 要不断进行(多年)纯化和选择，才得到一种符合理想要求的新品种,（1）单倍体定义 体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体。体细胞染色体数目比正常个体减少了一半。 （2）单倍体形成： 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。 （3）单倍体植株的特点： 长得弱小，而且高度不育。,单倍体育种,(5)优点： I、后代稳定遗传,都是纯合体; II、明显缩短育种年限.,（4）方法：,（6）单倍体育种的实验流程。,突变体的利用,产生: 植物组织培养过程中，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。,利用: 筛选对人们有利突变体,进而培育新品种,成就： 20世纪70年代以来，各国的科学家用这种方法已经筛选到抗病、抗盐、含高蛋白，以及高产的突变体，有的已用于生产。,1.细胞产物种类：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.（增殖快、含量高的细胞）,人参皂甘的生产,红豆杉与紫杉醇,细胞产物的工厂化