211植物细胞工程的基本技术

12番茄与马铃薯都是茄科植物，但是不同属的植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜。3细胞工程指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，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。4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分类植物细胞工程动物细胞工程理论基础细胞的全能性5前者是细胞水平或细胞器水平上生物技术,后者是分子水平上的生物技术。细胞工程与基因工程相比：主要技术植物组织培养技术植物体细胞杂交动物细胞培养动物细胞融合单克隆抗体技术植物细胞工程技术动物细胞工程技术动物体细胞核移植技术6所采用技术的理论基础植物细胞工程通常采用的技术手段植物组织培养技术植物体细胞杂交植物细胞的全能性71、定义：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。2、原理：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该具有全能性。3、差异：（1）受精卵的全能性最高（2）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的低。植物细胞的全能性受精卵生殖细胞体细胞＞＞4、大小8蜜蜂（2N=32）减数分裂卵细胞(N=16)发育雄蜂(N=16)卵细胞可以直接发育成为一个新个体例：9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。10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B、生物体内的任何一个细胞可以完成该个体的全部功能C、生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体的潜能D、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C11Schwann在1839年明确的指出：“如果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”。德国著名植物学家G.Haberlandt在细胞学说的基础上于1902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为一个新个体。12植物组织培养的发展简史•①探索阶段（19世纪初－30年代中）德国植物生理学家HaHerlandt首次进行了植物细胞培养实验②奠基阶段（30－50年代）1934年，White培养番茄离体根尖成功1939年，Gautheret连续培养胡萝卜根形成层首次成功White:烟草种间杂种的瘤组织进行组培Nobecourt：胡萝卜进行组培以上三人是植物组织培养的奠基人•③迅速发展阶段（60年代后）•原生质体，花药，快繁技术迅速发展13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。1958年Steward和Reinert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。植物组织培养的发展简史14植物组织培养关键词：外植体、脱分化、再分化、愈伤组织细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件必要条件：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形成15植物组织培养的培养基•定义：含有一定营养成分，供组织培养植物生长的基质•无机营养成分：C，H，O大量元素及部分微量元素•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④激素：生长素，细胞分裂素•PH值：5.0－6.0培养基中必须含有植物生长发育所需要的全部营养物质，其中生长素和细胞分裂素用量的比例对器官的发生起决定作用。16植物组织培养•外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官•1）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）•2）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上•3）切取所需的外植体•4）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！•外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织17几个概念：•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团。18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，称为植物细胞的脱分化。再分化脱分化产生的愈伤组织继续进行培养又可以重新分化成根或芽等器官，这一过程称为植物细胞的再分化。分化：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定性差异的过程。19比较脱分化再分化这两个过程脱分化再分化是否有光结果不需光、有分裂无分化有、有分裂有分化形成愈伤组织形成根、芽20试管苗大规模培养21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：离体，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。22正文中讨论题•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？•提示：植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。•造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范，避免带入杂菌。232.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？提示：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。24（二）、植物体细胞杂交技术25（1）过程细胞壁的阻碍要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到的第一个障碍是什么？2有,用酶纤维素酶和果胶酶去除细胞壁26过程2诱导原生质体融合•是关键环节•根据的原理是:细胞膜的流动性•方法:物理•离心.振动.电激•化学:•聚乙二醇(PEG)作诱导剂•成功标志是:•杂种细胞产生了新的细胞壁27植物A细胞植物B细胞去壁原生质体A原生质体B原生质体融合融合体再生壁杂种细胞脱分化愈伤组织杂种植株去壁的常用方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）原生质体融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等化学法：聚乙二醇（PEG）植物体细胞杂交过程示意图再分化28（一）思考与探究•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？•提示：1978年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞杂种。他们将培育的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合，所产生的杂交株被称为“马铃薯番茄”。像大多数杂种一样，杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，但是没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯—番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益，但是其研究价值不可忽视。•至于马铃薯—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，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。29（2）植物体细胞杂交技术的意义•克服远源杂交不亲和的障碍，培育出自然界中没有的、具有优良品质的新品种。•成果301、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，下列有可能使其表现出全能性，发育成完整的植株的是（）A、细胞分裂素B、生长素C、一定的营养物质D、以上三者均是2、细胞工程是一门综合科学技术。下列哪项技术不属于细胞工程（）A、有性杂交B、体细胞杂交C、组织培养D、细胞核移植巩固练习DA313、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、基因的选择性表达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4、植物体细胞杂交尚未解决的问题是（）A、去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体B、让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状C、将杂种细胞培育成植株D、尚未培育出属间杂种植物BB326、不能人工诱导原生质体融合的方法是（）A、振动B、电激C、PEG试剂D、重压D5、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D33植物体细胞杂交技术流程图进行总结，重点理解以下内容。•①流程图中为了简化，仅画了一个马铃薯的原生质体与一个番茄的原生质体之间的融合，可真正在实际操作过程中，是把许多马铃薯的原生质体和许多番茄的原生质体放在一起，让它们自由融合，再从中筛选出所需的杂种细胞。•②由于不同种的细胞其细胞膜的特点不一样，如不作任何处理，把它们放在一起，让它们自然融合是不可能的，所以原生质体间的融合必须要人工诱导。34•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。35提示：根据眼虫的特点，动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。具体的实验方案可以设计如下：361、关于愈伤组织形成过程的正确叙述是（）A、愈伤组织的形成是离体植物细胞分化的结果B、愈伤组织的形成是离体植物细胞分裂的结果C、愈伤组织的形成是离体动物细胞分化的结果D、愈伤组织的形成是离体植物细胞脱分化的结果2、植物细胞融合完成的标志的是（）A、产生新的细胞壁B、细胞膜发生融合C、细胞质发生融合D、细胞核发生融合DA373、若用“①②③④”表示植物组织培养的过程。请回答：（1）①表示，被培养成为④的根本原因是（2）②表示，其细胞特点是。脱分化脱分化离体的植物组织器官、组织或细胞植物细胞具有全能性具有分生能力的薄壁细胞愈伤组织38•复习题：4．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.导入其他植物细胞的基因C.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件D.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内5．细胞具有全能性的原因是（）A.生物体细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能B.生物体的每一个细胞都具有全能性C.生物体的每一个细胞都含有个体发育的全部基因D.生物体的每一个细胞都是由受精卵发育来的6.下列植物细胞全能性最高的是（）A.形成层细胞B.韧皮部细胞C.木质部细胞D.叶肉细胞CCA397．植物组织培养过程中的脱分化是指（）A.植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞B.未成熟的种子经过处理培育出幼苗的过程C.植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程D.取植物的枝芽培育成一株新植物的过程8．植物组织培养是指（）A．离体的植物器官或细胞培育成愈伤组织B．愈伤组织培育成植株C．离体的植物器官、组织或细胞培养成完整植物体D．愈伤组织形成高度液泡化组织CC40CD9．植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是（）A.植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁B.细胞壁使原生质体失去活力C.细胞壁阻碍了原生质体的融合D.细胞壁不是原生质的组成部分10．植物体细胞杂交的目的中错误的是（）A.把两个植物体