细胞工程专题复习

细胞工程专题复习撰稿教师：李文强责编：陈莉章节概述本专题包括《植物细胞工程》、《动物细胞工程》。本专题的内容和必修一的知识联系密切，需要学生提高对于知识的综合运用能力。细胞工程是生物工程的重要内容，将有关的学科知识置于细胞工程科研成果的背景材料中，来考察学生分析综合问题的能力，如克隆、动物细胞的培养、单克隆抗体的制备、植物组织培养等知识点要高度重视。目标认知学习目标：植物的组织培养；动物的细胞培养与体细胞克隆；细胞融合与单克隆抗体重点：动物细胞培养与体细胞克隆；植物的组织培养难点：单克隆抗体的制备知识要点梳理知识网络图：知识链接：植物细胞工程介绍植物细胞工程的基本原理和技术，并通过一些实例让学生了解它的实际应用动物细胞工程本节内容包括动物细胞的培养、动物体细胞核移植及克隆动物、细胞融合和单克隆抗体四部分内容知识结构梳理：细胞的全能性细胞全能性是指已经分化的细胞，仍然具有发育的潜能，大量科学实验证明，高度分化的植物细胞仍然有发育为完整植株的能力。例如，1958年曾有美国科学家将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行培养，而最终发育成完整的新植物，体现了细胞的全能性。细胞全能性的原因是，由于体细胞一般是通过有丝分裂繁殖而来的，一般已分化的细胞都有一整套和受精卵相同的染色体，携带有本物种相同的DNA分子。因此，分化的细胞具有发育成完整新个体的潜能。在合适的条件下，有些分化的细胞具有恢复分裂、重新分化发育成完整新个体的能力。高度特化的动物细胞，从整个细胞来说，它的细胞全能性受到限制，主要是细胞质内的遗传物质有所变化，但是它的细胞核仍然保持着全能性，这是因为细胞核内含有保持物种遗传性所需要的全套遗传物质。可以说，任何一个具有完整结构的体细胞都可以在一定条件下发育成一个完整的生物体的能力。现代克隆技术的理论基础就是细胞的全能性。植物体细胞杂交近年来研究正热的细胞杂交技术是对细胞全能性更高层次的利用，植物细胞融合技术在植物育种上有重大的应用价值，它不仅打破了常规有性杂交育种的不亲和性障碍，而且为实现“超远缘杂交”提供了可能。植物体细胞杂交的过程包括原生质体的制备，原生质体融合的诱导，杂种细胞的筛选和培养，以及杂种植株的再生与鉴定等环节。下面以烟草和大豆的体细胞杂交为例，简要介绍植物体细胞杂交的过程。①原生质体制备选取烟草植株上的幼嫩叶片和培养好的大豆细胞，用酶解法制备原生质体。烟草的原生质呈绿色，大豆为无色，在显微镜下很容易区别开来。②原生质体融合取等量的烟草和大豆的原生质体混合后，加入聚乙二醇溶液。在显微镜下观察，可以看到原生质体相互粘集在一起。隔一段时间后，加入高钙、高pH的溶液，这时原生质体才开始融合。原生质体融合包括膜融合和核融合两个过程。诱导融合只能诱导细胞膜的融合，两个核的融合是在杂种细胞第一次有丝分裂时进行的。③杂种细胞的筛选和培养。烟草与大豆的原生质体融合后，将原生质体转移到适当的培养基上培养，使原生质体再生出细胞壁。这时，在细胞混合物中，不仅有烟草——大豆杂种细胞，还有烟草细胞、大豆细胞、烟草——烟草细胞、大豆——大豆细胞。杂种细胞的筛选，可以用机械方法，也可以用生理学或遗传学的方法。以机械方法为例，根据两种亲本细胞在形态、色泽上的差异，将细胞分别接种在带有小格的培养皿中，每个小格中约放1～3个细胞。在显微镜下找出杂种细胞，并且标定位置。等杂种细胞分裂成细胞团时，转移到培养皿中，培养成愈伤组织。④杂种植物的再生与鉴定。杂种植株的再生是指从愈伤组织培养出杂种植株的过程。由于烟草和大豆分属于茄科和豆科，二者的原生质体融合后，只能长成杂种愈伤组织，还不能分化，因此谈不上杂种植株的再生和鉴定。对于能够再生出杂种植株的，如烟草——海岛烟草、白菜——甘蓝、胡萝卜——羊角芹等，长出的植株究竟是不是杂种，还需要经过鉴定才能确定下来。杂种植株的鉴定方法有形态学方法、生化方法(如电泳)、细胞学方法(如染色体组型分析)、分子生物学方法(如分子杂交)等。人工种子人工种子是指通过植物组织培养的方法获得的具有正常发育能力的材料，外面包被着特定的物质，在适宜的条件下可以发芽成苗的植物幼体。人工种子的概念中包含的“具有正常发育能力的材料”通常是指胚状体（目前国外有使用不定芽、顶芽和腋芽的），它可以由三种途径产生：（1）由已脱分化的外植体直接产生；（2）由愈伤组织产生；（3）由悬浮细胞培养产生。对胚状体的基本要求是：①播种后能快速出苗；②根和芽几乎同时生长，不产生愈伤组织；③同步化程度高；④活力强；⑤形成的幼苗的形态与生长要正常。“外面包被着特定的物质”是指人工种皮，制作人工种皮的材料有海藻酸钠、明胶、树脂、琼脂糖、淀粉等。对人工种皮的要求是：能保持胚状体的活力，有利于贮藏运输和萌发。选取的材料要有韧性，耐压，对胚状体无毒害，含有胚状体发芽所需要的营养成分或植物激素，还应含有杀菌剂，以防播种后微生物的侵害。人工种子目前还存在不少问题。例如，现有重要经济价值的植物产生胚状体能力弱，难以形成同步化的有强活力的胚状体；成本较高；运输贮藏以及机械化播种问题也未解决。因此，现在很少有人以生产为目的进行人工种子的研制。试管动物与克隆动物试管动物（婴儿）:通过体外受精和胚胎移植技术而产生的动物或婴儿。在这一技术过程中，精子和卵子从动物（人）体内取出来，在人工提供的生活条件下（通常是在试管中）进行受精，并让体外受精的受精卵在试管中发育，再把发育到一定阶段的胚胎移植到“代理母亲”动物（人）的子宫内继续发育直到诞生。试管婴儿主要是在夫妻间进行的，其目的是解决不育问题。克隆动物：一般是指通过无性繁殖形成动物后代。1997年，英国生物学家首次用羊的体细胞成功地克隆了一只小母羊，即多利绵羊。克隆是指无性繁殖系，具体地说，是指从一个共同的祖先，通过无性繁殖的方法产生出来的一群遗传特性相同的DNA分子、细胞或个体。克隆也可指无性繁殖的过程。多利绵羊的培育过程是：将一只母羊(A羊)卵细胞的细胞核中所有的染色体吸出，得到不含遗传物质的卵细胞。然后将实验室里培养的另一只母羊（B羊）的乳腺上皮细胞的细胞核注入到无细胞核的卵细胞中，并进行电激融合，这样就形成了一个含有新的遗传物质的卵细胞。融合后的卵细胞开始卵裂，形成早期的胚胎。然后，把这个胚胎移植到第三只母（C羊）的子宫内，让它继续发育。胚胎发育成熟后，C羊就产下了小母羊多利。如图14-2所示。这只小母羊的遗传性状与B羊的完全相同，简直就是B羊的复制品。在这之前，我国生物学家曾用胚胎细胞作为供核细胞，培育出了克隆牛和克隆兔。但是，多利羊在技术上的突破之处在于供核细胞是体细胞。这说明高度分化的动物体细胞的细胞核，仍然具有全能性，在合适的条件下，就可能发育成新的个体。克隆技术在繁育优良品种、治疗人类遗传病、抢救濒危物种和保护生物多样性等方面有广阔的应用前景。动物细胞融合与植物细胞杂交的比较动物细胞融合与植物体细胞杂交之间既有共性又有差异，如下表所示：项目细胞融合原理融合方法诱导手段用途植物体细胞杂交细胞膜的流动性去除细胞壁后诱导原生质体融合离心、电刺激、振动、聚乙二醇诱导克服远缘杂交不亲和的障碍，获得杂种植株动物细胞融合细胞膜的流动性使细胞分散后诱导细胞融合同上，再加上灭活的病毒诱导制备单克隆抗体的技术之一花药离体培养与植物组织培养花药离体培养主要在无菌条件下，取出花药或从花药中取出花粉粒，置于人工培养基上进行培养，形成花粉胚或花粉愈伤组织，通过再分化长出根茎叶，最后长成花粉植株。由于这种植株所含的染色体数目只有正常植株的一半，故又称为单倍体植株。因此花药离体培养属于植物组织培养。只不过是利用成熟的生殖细胞进行离体培养，因此这个过程应该属于特殊的有性生殖过程。规律方法指导单克隆抗体与常规抗体的比较项目分泌特点生产单克隆抗体杂交瘤细胞特异性强、灵敏度高产量高，易纯化分离常规抗体各淋巴B细胞特异性差、灵敏度低产量低，分离困难动物细胞培养、植物细胞培养比较：动物细胞培养植物细胞培养原理细胞的增殖细胞的全能性细胞来源胚胎或幼龄动物组织或器官离体植物器官、组织或细胞培养基状态液体固体成分天然培养基合成培养基组成葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、有机添加物器皿培养瓶锥形瓶过程原代生长，传代生长更换培养基，细胞增殖分化生长特点贴壁生长，细胞增殖不分化诱导形成愈伤组织，细胞增殖分化细胞进行异养需氧代谢接种前处理灭菌、用胰蛋白酶使组织分散成单个细胞培养条件恒温、无菌、无需光照常温、无菌、光照条件培养目的1.生产蛋白质生物制品2.获取大量细胞3.检测有毒物质1.快速繁育无病毒植株2.生产药物、食品添加剂、香料、色素、杀虫剂等培养结果细胞株→细胞系愈伤组织→植株经典例题透析1要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，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解析植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。植物细胞只有在脱离了植物体，在一定的外部因素的作用下，经细胞分裂形成愈伤组织，才能表现出全能性，由愈伤组织细胞发育、分化形成新的植物体。答案B2将小鼠骨髓瘤细胞与一种B淋巴细胞融合，可使融合的细胞经培养产生单克隆抗体，其依据是（）A．B淋巴细胞可以产生抗体，但不能无限增殖B．B淋巴细胞只有与骨髓瘤细胞融合后才能产生抗体C．骨髓瘤细胞可以无限增殖，但不能产生抗体D．骨髓瘤细胞可以产生抗体，但不能无限增殖解析在体外培养条件下，B淋巴细胞不能无限繁殖，可产生抗体；骨髓瘤细胞则能在体外大量繁殖，却不能产生抗体。将二者融合后，形成杂交瘤细胞同时具备了双亲的遗传特性，既可产生抗体，又能大量繁殖。答案AC3下列关于动物细胞培养的叙述，正确的是（）A．培养中的人效应T细胞能产生单克隆抗体B．培养中的人B细胞能够无限地增殖C．人的成熟红细胞经过培养能形成细胞株D．用胰蛋白酶处理肝组织可获得单个肝细胞解析本题考察了以动物细胞培养为基础的单克隆抗体、动物细胞培养等内容。单克隆抗体的获得需要培养杂交瘤细胞，正常情况下B细胞无法无限增殖。人的成熟红细胞没有细胞核，因此不能再进行分裂，也就无法形成细胞株。答案D