高中生物选修三专题二-2.1-植物细胞工程

专题2细胞工程番茄与马铃薯都是茄科植物，但不是同属的植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜。马铃薯的块茎生长在土壤中。人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地上部分结番茄，地下部分长土豆。这个幻想可能实现吗？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.这样的生物技术属于何种生物工程？细胞工程一、细胞工程的概念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。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植物细胞的全能性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。克隆多莉羊技术是水平上的技术，培育抗虫棉是水平上的技术。细胞工程与基因工程相比：细胞（细胞器）分子思考:主要技术植物组织培养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胚胎移植核移植植物细胞工程技术动物细胞工程技术理论基础植物细胞工程植物组织培养（最基本）植物体细胞杂交植物细胞的全能性基本技术2.1植物细胞工程2.1植物细胞工程§2.1.1植物细胞工程的基本技术1、为什么运用植物组织培养技术能把植物离体器官、组织或细胞培养成完整植物体？细胞的全能性1.概念:已高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。2.原因：生物体细胞含有本物种所特有的全套遗传信息。一、细胞的全能性具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有生长分化成为一个完整生物体的潜能。植物细胞全能性是细胞分化的理论基础和植物组织培养技术的理论依据。3.全能性高低：①受精卵＞胚胎干细胞＞生殖细胞（卵细胞＞精子）＞体细胞②植物细胞＞动物细胞③分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞④具有持续分裂能力的细胞＞不分裂的细胞注意：受精卵全能性最高为什么植物的花瓣在植物体内没有能发育成完整的植株，而是分化成不同的组织器官？Ａ．细胞失去了全能性Ｂ．细胞中的基因部分丢失Ｃ．细胞中的基因进行选择性表达Ｄ．细胞中的基因变异不同4、生物体内细胞并没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官的原因：细胞中的基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。1、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C2.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3．下列细胞全能性最高的是（）A．植物的卵细胞B．植物的精子细胞C．被子植物的受精卵D．被子植物的的叶肉细胞AC细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件（无菌环境、适宜的温度和PH、光照的控制等）必要条件：5、植物细胞表现出全能性的条件：要把一块组织通过培养得到一株完整植株,应该如何操作呢?二、植物组织培养技术——（无性繁殖）Schwann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。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。胡萝卜的组织培养试验1、实验原理植物的根、茎、叶细胞一般都具有全能性，在一定的营养和激素等条件下，可以脱分化形成愈伤组织。将愈伤组织转接到含有不同激素成分的培养基上，就可以诱导其再分化形成胚状体或丛芽，进而发育成完整的小植株。植物组织培养的全过程，证明了分化的植物细胞，仍具有形成完整植株所需要的全部基因。2、实验目的1、尝试进行植物的组织培养2、了解植物组织培养的基本原理3、材料用具略4、方法步骤①、将胡萝卜根用自来水充分洗净，削去外皮，并切成段。用酒精棉球擦手消毒。②、在超净工作台（或接种箱）上将胡萝卜段用酒精溶液消毒30秒后，立即用无菌水清洗2~3次，再用次氯酸钠溶液处理30分钟后，立即用无菌水清洗2~3次。(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？（1）防止各种杂菌感染和培养物争夺营养；（2）杂菌生长过程中所产生的对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。（2）在实验中，“消毒”是如何进行的？酒精、次氯酸钠③用无菌滤纸吸取胡萝卜段表面的水分，然后，在消毒的瓷砖上，用无菌解剖刀将胡萝卜段切成1厘米厚的横切片，在选取有形成层的部位，切去1立方厘米的小块。④将胡萝卜组织块接种到培养基上，用锡箔纸封盖瓶口，并用橡皮筋扎紧。然后，在培养瓶上贴上标签，写明材料名称、接种日期、小组编号。（2）、为什么切取胡萝卜根的形成层，其他部分（如茎、叶、花）也能培养成小植株吗？胡萝卜根形成层容易诱导成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。⑤将接种后的胡萝卜组织块，放在23~26摄氏度恒温避光条件下培养。4天后检查培养材料的污染情况；14天后，观察愈伤组织的生长状况。然后，在恒温箱中继续避光培养。在培养过程中，注意定期观察和记录愈伤组织的生长情况。⑥培养一段时间后，将生长良好的愈伤组织转接到分化培养基上，培养一段时间后，胡萝卜的愈伤组织就可以诱导出试管苗。然后将试管苗移栽到大田，培养成正常植株。(4)、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。离体的植物器官、组织或细胞脱分化愈伤组织再分化芽、根植物体植物组织培养的过程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注意事项：组织消毒，器械灭菌，环境无菌此操作过程使用的固体培养基含有哪些成分？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生长激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素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。试管苗大规模培养获得大量的愈伤组织愈伤组织接种到分化培养基上植物材料消毒接种到诱导培养基诱导出愈伤组织愈伤组织转接到继代培养基上可以不继代培养直接诱导分化完整植株幼苗接种到生根培养基上分化出幼苗移栽到大田若诱导出幼苗的同时也同时实现生根,可以省略生根培养1.概念：植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，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。二、植物组织培养2.原理：植物体细胞具有全能性3、植物组织培养的过程离体的植物器官、组织或细胞（外植体）脱分化（由高度分化的植物器官、组织或细胞，失去特有结构和功能转变成未分化细胞的过程。)愈伤组织（排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的有分生能力的薄壁细胞）根或芽等器官（胚状体或丛芽）植物体植物组织培养的条件：适宜的养料和激素，适宜的温度和无菌条件再分化（愈伤组织继续进行培养又可以重新分化成根或芽等器官。）无光有光具有分裂能力的器官、组织、细胞愈伤组织根、芽(胚状体)(试管苗)植物体离体的植物器官、组织或细胞(高度分化)脱分化营养物质激素其他外界条件光照、营养物质、激素等植物组织培养表现出全能性水,无机盐,小分子有机物(蔗糖)等细胞分裂素和生长素无菌、温度、氧气、适宜的PH值、无需光照。还需要有机营养吗？为什么？再分化丛芽：是指一些丛生状的芽，没有根，丛芽还需要诱导生根才能发育成完整植株。胚状体：在离体培养条件下，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，此现象无论在体细胞培养还是在生殖细胞培养中均可以看到，因而统称为体细胞胚或胚状体。即在离体植物细胞、组织或器官培养过程中，由一个或一些体细胞，经过胚胎发生和发育过程，形成与合子胚相类似的结构。简单地说：胚状体是指愈伤组再分化形成的类似胚的结构，它有根和芽，胚状体经过生长发育就可以发育成完整植株。植物组织培养需要用植物激素诱导，最重要的是细胞分裂素和生长素，这两种激素的作用是不同的激素杠杆（协同作用）内源激素外源激素生长素﹥细胞分裂素脱分化、根原基生长素﹤细胞分裂素再分化、芽原基植物组织培养（1）外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分细胞、组织或器官•（2）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，形成一种由高度液泡化的，无定形状态的薄壁细胞组成的排列疏松而无规则的组织。愈伤组织的细胞分裂速度快、结构疏松、颜色浅而透明。蔗糖供能，代谢类型为异养需氧型，进行有丝分裂。（3）植物细胞的脱分化：（4）植物细胞的再分化：就是让已分化的细胞，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，又称去分化。实质是提高细胞的全能性过程，结果是形成愈伤组织脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化形成胚状体或丛芽的过程。（避光）（需光，自养需氧型）（5）决定植物脱分化、再分化关键因素是什么？植物激素的种类和比例。生长素用量细胞分裂素用量①适中：诱导愈伤组织②高：利于根的分化、抑制芽的形成（胚状体）③低：利于芽的分化、抑制根的形成（丛芽）比较内容脱分化再分化过程外植体愈伤组织愈伤组织幼苗形成体特点排列疏松、高度液泡化的簿壁细胞有根、芽需要条件a.离体、无菌操作；b.适宜的营养；c.生长素/细胞分裂素比例适中d.避光a.离体、无菌操作；b.适宜的营养c.生长素/细胞分裂素比例或主或低诱导生根或生芽d.光照（6）两个阶段：脱分化和再分化4、植物细胞表现出全能性的条件：离体（前提）一定的营养物质有机物（蔗糖等）和无机物（水和无机盐等）、植物激素（细胞分裂素、生长素）。适宜的温度、pH、无菌、光照的控制等外界条件外植体愈伤组织胚状体或丛芽试管苗脱分化再分化植物组织培养的过程幼芽或幼根？（形成层）条件？优点？特点？繁殖速度快不受季节限制工厂化生产幼苗无毒保持优良性状①适宜温度、pH、避光、无菌环境。②适宜的营养和植物激素高度液泡化、排列疏松、无规则的薄壁细胞。无叶绿体。分化程度低去分化较易植物激素：生长素、细胞分裂素小结：理论基础：细胞的全能性条件:需光1、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DAD4、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、用植物组织培养技术，可以培育或生产出A、作物新品种B、无病毒植物C、人工种子D、A、B、C均是BD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