21植物细胞工程 211植物细胞工程的基本技术

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。(原理和方法研究的水平研究的目的)2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术科学家利用菊花的花瓣培养出的菊花。为什么植物一个的花瓣就可以培育成一株完整植株的呢？细胞的全能性及分化2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术细胞的全能性及分化在个体发育中，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，叫做细胞分化。1、细胞分化的概念2、细胞分化的特点1、持久性：分化了的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡；(细胞分化发生在生物体的整个生命进程中，但在胚胎时期达到最大程度；)2、普遍性：细胞分化是生物界中普遍存在的生命现象，是生物个体发育的基础。3、细胞分化的意义1、对于多细胞的生物来说，没有细胞的分化就没有个体发育；2、细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。4、细胞分化后遗传物质是否发生了变化？遗传物质没有变化，不同组织的细胞都是来源于受精卵，经有丝分裂产生。细胞分化的实质是基因选择性表达的结果。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术细胞的全能性及分化2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术细胞的全能性及分化1、细胞的全能性概念：2、细胞的全能性原因：细胞内具有发育成个体的全部遗传物质。已经分化的细胞，仍然具有发育成完整个体的潜能；细胞全能性比较权威的定义是1984年国际组织培养协会做出的：“细胞全能性为细胞的某种特征，有这种能力的细胞保留形成有机体所有细胞类型的能力”。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术细胞的全能性及分化3、细胞的全能性大小：4、细胞的全能性表现：受精卵卵细胞体细胞分化程度高的细胞分化程度低的细胞不表现全能性表现全能性体内，基因的选择性表达体外，诱导因素的存在一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的薄壁细胞，排列疏松，无规则，高度液泡化2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术科学家利用菊花的花瓣培养出的菊花。那么，植物的花瓣是怎样培育成一株完整植株的呢？植物的花瓣属于_________的组织，利用它来培育出新的植株，首先要通过细胞的________过程，培养出_____组织，然后再从愈伤组织________形成小植株。高度分化脱分化愈伤分化细胞脱分化就是让已经______的细胞，经过诱导后，失去其特有的___________而转变成_______细胞的过程。在植物中，一些分化的细胞，经过______的诱导，可以_______为其有分生能力的薄壁细胞，进而形成植物的愈伤组织。愈伤组织在一定的培养条件下，又可以________出幼根和芽，形成完整的小植株。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术分化结构和功能未分化激素脱分化再分化为什么植物的一瓣花辫就可以培育出完整的植株呢？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。在理论上，生物的任何一个细胞都具有发育成完整株的潜力。但是，在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性，而是分化成__________和器官。这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有____________表达出各种蛋自质，从而构成生物体的不同____________。各种组织选择性地组织和器官2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术试管苗大规模培养2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术P35讨论1、2、32.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术P35讨论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？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。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术P35讨论1.2.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。可以参考利用胡萝卜根进行组织培养的实验，尝试设计出利用胡萝卜的茎、叶、花进行组织培养的实验流程。植物材料消毒接种到诱导培养基诱导出愈伤组织直接诱导分化愈伤组织接种到分化培养基上分化出幼苗完整植株幼苗接种到生根培养基上移栽到大田愈伤组织转接到继代培养基上得到大量的愈伤组织2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术P35讨论1.3.请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。植物组织培养就是在___________控制条件下，将______的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的_______上，给予____________条件，______其产生_________组织、丛芽最终形成完整的植株。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术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胚状体植物体脱分化再分化无菌和人工离体培养基适宜的培养诱导愈伤组织一定的营养物质、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。植物激素：细胞分裂素、生长素外植体高度分化培养基上培养产生愈伤组织需要两个条件创伤和外源激素本质还不清楚诱导阶段往往要暗培养有利于细胞的脱分化产生愈伤组织2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养技术2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术问:用传统的有性杂交方法不可能得到二者的杂种后代为什么?问:科学家们采用什么方法？终于得到了‘番茄---马铃薯”杂种植株。生殖隔离20世纪60年代，一些科学家提出这样一个设想：让番茄与马铃薯杂交，培育出地上结番茄果实，地下结马铃薯块茎的植物。植物体细胞杂交技术2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术思考:1）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）有没有一种温和的去细胞壁的方法？3）如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步该对此细胞做何种处理？4）如何将杂种细胞培育成杂种植株？讨论---图解---总结---表达2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术问1：如何去除这层细胞壁？得到的结构物质是什么？问2：如何融合的方法是哪两类分别是什么？2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术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。植物细胞外而有一层细胞壁，这层细胞阻碍着细胞间的杂交。因此，在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶和果胶酶去除这层细胞壁，获得其有活力的原生质体。杂交过程中的另一个关键环节，是原生质体间的融合。进行原生质体间的融合，必须要借助一定的技术手段进行人工诱导。人工诱导的方法基本可以分为两大类一物理法和化学法。物理法包括离心、振动、电激等；化学法一般是用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂来诱导细胞融合。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。虽然科学家们历尽艰辛，终于实现了两个物种间的杂交，可惜这株同时具有两个物种遗传物质的超级植物，并没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯。尽管如此，这项研究还是在克服不同生物远缘杂交的障碍上，取得了巨大的突破。在此基础上，科学家们利用植物体细胞杂交技术，又相继培育出了烟草---海岛烟草、胡萝卜---羊角芹、白菜---甘蓝等种间或属间杂种，在生产上有较高的的应用价值。例如，“白菜---甘蓝”同普通白菜相比，且有生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术的意义?以及植物体细胞杂交已取得的进展和尚未解决的问题，认同科学是一个不断发展的过程,激发探索生命科学奥秘的兴趣及勇于质疑的科学精神。1原生质体的制备2原生质的融合3杂种细胞筛选与培养3杂种植株再生与鉴定??方法膜---只能诱导膜的融合了核---第一次有丝分裂时进行??过程融合完成的标志植物细胞的融合植物组织培养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去壁去壁融合完成的标志植物细胞B2.1植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物体细胞杂交技术P38思考与探究P38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？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。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右：P38思考与探究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。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生长激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素PH值:5.0－6.0植物组织培养的培养基(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交过程示意图