2.1.1《植物细胞工程的基本技术》课件(新人教版-选修3)

专题2细胞工程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。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：细胞分子思考:利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花如何把某种植物的一块组织通过培养得到一株完整植株?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。植物的组织培养探究：1、为什么已分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体？植物细胞具有全能性。2、什么是细胞的全能性？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。在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。4、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？3、已分化的细胞为什么具有发育成完整个体的潜能？6.细胞表现全能性的条件有哪些？离体、营养物质、激素及其它适宜条件。5、大小：受精卵生殖细胞体细胞＞＞2）植物细胞＞动物细胞3）1）受精卵的全能性最高4）分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞(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？防止杂菌污染，因为杂菌生长快，会和培养物争夺营养。杂菌生长过程中会产生有害的物质，导致培养物迅速死亡。(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。(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。植物材料（消毒）脱分化无菌接种、诱导愈伤组织再分化诱导试管苗移栽到大田,培养成正常植株强调几个概念：（1）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组成的排列疏松无规则的组织。（2）植物细胞的脱分化：是让已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程。（3）脱分化的实质和结果分别是什么？实质:恢复细胞的全能性过程结果:形成愈伤组织（4）植物细胞的再分化：脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。植物组织培养的培养基•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相关激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素•PH值：5.0－6.0外植体愈伤组织根、芽植物体脱分化再分化一、植物组织培养的过程（离体的,已分化组织或细胞）（未分化）（分化）幼芽或幼根？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、光照、pH和无菌环境。②无机物、有机物和植物激素（生长素，细胞分裂素等）无定形状态薄壁细胞高度液泡化排列疏松、无规则无叶绿体,不进行光合作用分化程度低去分化较易理论基础：细胞的全能性番茄与马铃薯同属茄科植物，但不是同属植物。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？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。于是，科学家试图用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？理想图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——“马铃薯番茄”。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。白菜甘蓝白菜－甘蓝“白菜－甘蓝”同普通白菜相比，具有生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。•1．你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？•2．有没有一种温和的去壁方法呢？•3．为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？•4．如果两个来源不同的原生质体发生了融合，下一步该做何处理？•5．如何将杂种细胞培育成杂种植株？请思考：利用电激法将野生马铃薯与栽培马铃薯进行细胞融合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1、过程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？促进融合的方法？融合完成的标志植物细胞B二、植物体细胞杂交技术去壁去壁纤维素酶果胶酶原生质体植物细胞原生质体融合离心、振动、电刺激、聚乙二醇再生细胞壁杂种细胞去分化愈伤组织杂种植株激素筛选等量激素再分化植物体细胞杂交过程示意图2、概念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。3、意义在克服不同种生物远缘杂交的障碍上，取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交的亲本组合。4.未能解决的问题：未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状。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？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，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，所以杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯。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。比较植物组织培养植物体细胞杂交技术所属范畴原理步骤意义联系无性繁殖细胞全能性①脱分化②再分化保持优良性状繁殖速度快、大规模生产提高经济效益杂交技术应用了组织培养克服不同种生物远源杂交的障碍①去除细胞壁②融合形成杂种细胞③组织培养膜流动性细胞全能性染色体变异、基因重组生姜是药食两用的经济作物，具有栽培容易、产量高、价格高等特点，近年在各地发展很快。但是生姜在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%～50%。设计无毒生姜幼苗的培育方案。请你设计案例一如何培育出上结大豆、下结花生的新品种？请你们讨论后设计案例二2.1.2植物细胞工程的实际应用•回忆植物组织培养技术的基本原理和过程？•思考利用这项技术能做哪些工作？（一）植物繁殖新途径：属于无性繁殖实际问题：经济苗木、名贵花卉、珍稀植物等自然繁殖速度缓慢，繁殖效率低下或优良性状不易保持……概念:是快速高效实现种苗繁植培育优良植物品种的植物组织培养技术讨论：该技术与传统繁殖技术相比，有何特点？——愈伤组织可以传代培养，获得大量愈伤组织，所以繁殖快速；（繁殖速度快）——全过程中细胞进行有丝分裂，不涉及减数分裂和受精作用，可以保持亲本优良特性；（高保真-无性繁殖）——在室内生产，不受自然环境条件限制。①繁殖速度快；②“高保真”（因为是无性繁殖）；③不受自然生长季节的限制（因为在具有一定人工设施的室内生产）。生姜是药食两用的经济作物，具有栽培容易、产量高、价格高等特点，近年在各地发展很快。但是生姜在生产上长期采用无性繁殖，容易感染多种病毒病，使生姜品质变差，叶子皱缩，生长缓慢，一般减产30%～50%。病毒容易沿植物体的维管组织传播，而分生组织区中缺乏维管系统，因此不含病毒。用做组织培养的植物材料可以是植物体任何类型的组织细胞。怎样利用植物组织培养技术解决？2作物脱毒作物脱毒的原因:长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致产量降低，品质变差，而植物的分生区一般不会感染病毒，用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗。•作物脱毒材料:分生区的细胞•作物脱毒方法:进行组织培养•结果:脱毒苗实际问题：但是微型繁殖试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变；天然种子在生产上受季节等自然环境条件限制，一般每年只繁殖1～2次，有些甚至十几年才繁殖一次。能否找到天然种子的替代品？种子的结构自然种子胚种皮胚乳常规种子植物生产的不足不少植物需要生长数年才能结出种子优良杂种的后代因发生性状分离而丧失其优良特性种子的生产受季节、气候和地域的限制制种需要占用大量土地3、人工种子通过植物组织培养的方法获得的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等材料外面包被着人工薄膜，在适宜的条件下可以发芽成幼苗的种子。技术：组织培养。特性：在适宜条件下可以萌发长成幼苗。优点•后代无性状分离，保持优良特性•不受季节、气候和地域的限制•易于储藏和运输人工种子的结构产生途径：(1）由已脱分化的外植体直接产生；（2）由愈伤组织产生；外植体愈伤组织长芽生根幼苗/胚状体去分化再分化激活潜在的全能性人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，请探讨人工种皮中应该具有的有效成分是什么？为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？问题针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂。二.作物的新品种培育复习:1传统方法(杂交)杂交育种依据的原理是:基因的自由组合定律，优良的基因自由组合。PAARRaarr有芒抗病　无芒不抗病配子　AR　arF1AaRr有芒抗病F2A_R_:A_rr:aaR_:aarr有抗:有不抗:无抗:无不抗9:3:3:1自交并　选育多代aaRR×结果: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.单倍体育种复习1单倍体的概念:是指由配子发育成的个体单倍体的例子:蜜蜂中的雄蜂是由未受精的卵发育来的单倍体.多数植物都可通过花药或花粉来获得单倍体(花药离体培养)过程:1、单倍体育种选择亲本有性杂交F1代花粉离体培养单倍体植株诱变染色体加倍可育纯合子选择所需类型过程优点•后代都是纯合子，能稳定遗传•明显缩短育种年限，加速育种进程2.突变体的利用（1）突变体的产生在植物组织培养的过程中，由于培养的细胞一直处于不断的分生状态，因此容易受到培养条件和外界压力（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。产生的突变属于什么？为什么不断分生的细胞容易突变？（2）利用：筛选对人们有利突变体,进而培育新品种比较：单倍体育种：突变体的利用：植物体细胞杂交育种优点：育种原理：优点：育种原理：优点：育种原理：明显缩短育种年限染色体变异能够产生新性状基因突变克服远缘杂交不亲和障碍染色体变异3.细胞产物的工厂化生产(1)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.高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”为题，与同学展开讨论，说出植物组织培养技术在节约资源、保护环境方面的重要意义。提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。现在国内外的科