1、植物细胞工程 Plant Cell Engineering,主讲人：吴晓霞 扬州大学生物科学与技术学院 生科系 2010.9,本课程的学习内容及成绩评定,课程内容安排(课程总时数32=16+16):理论部分共十三章，分为植物细胞工程研究历史、消毒灭菌技术、培养基的配制方法 、植物体细胞胚胎发生、植物细胞培养、原生质体培养、体细胞杂交、单倍体育种、植物遗传转化等。实验部分主要是植物组织与细胞培养的基础实验。,成绩评定,70%,30%,参考书目录,谢从华等，植物细胞工程。高等教育出版社，2004 杨淑慎，细胞工程。科学出版社，2009 朱至清，植物细胞工程，化学工业出版社，2002 周维燕，植物细
2、胞工程原理与技术，中国农业大学出版社，2001。,绪论 植物细胞工程的概念及发展历史,本节教学重点,了解生物技术及细胞工程的含义 能理解植物细胞全能性的含义 掌握植物细胞全能性、细胞分化、脱分化、再分化、愈伤组织等关键概念 通过对植物细胞工程发展简史的学习，了解植物细胞工程的主要研究内容、研究方法及对社会、经济发展的意义,各位同学能否用已学过的知识试述一下，什么是“生物技术” ？,Biotechnology,传统的生物技术产品,一、生物技术 Biotechnology,1986年，原国家科委制订中国生物技术政策纲要:以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先
3、的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需新产品或达到某种目的。,基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程,动物、植物、微生物品系,粮食、医药、食品、能源、化工原料等,疾病预防、诊断与治疗，环境污染物监测、治理与修复,二、细胞工程 Cell engineering,细胞工程：以应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的实验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的科学。,三、植物细胞工程,植物细胞工程：以植物组织细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖或人为的精细操作，使细胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从
4、而改良品种或创造新品种，或加速繁殖植物个体，或获得有用物质的过程。,四、植物细胞工程的理论基础,植物细胞的全能性,内容: 一个生活细胞所具有的产生完整生物个体的潜在能力 1902年, 德国著名植物学家Haberlandt在细胞学说的基础上于提出的植物细胞的全能性假说。 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。细胞全能性是植物组织培养的理论基础,1、细胞全能性 Totipotentiality,植物细胞全能性 一个植物细胞所具有的产生完整植物个体的潜在能力。,2、细胞的全能性的实现,Plan
5、t,Tissue Removed,Plantlet,Medium,细胞分化（differentiation）：导致细胞形成不同结构、引起功能改变或潜在发育方式改变的过程。,细胞分裂 细胞生长 细胞分化,1）“生理脱离”效应,植物细胞或组织从完整的有机体上分离下来，脱离母体（离体）的影响，在适宜的条件下（培养），有利于激发植物细胞全能性的表达。,2）培养条件下的细胞脱分化,脱分化（dedifferentiation):培养条件下使已分化的细胞 回复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程。,Tissue; organ,dedifferentiation,？,愈伤组织（callus),愈伤组织由外植体
6、组织增生的细胞产生的一 团不定型的疏散排列的薄壁细胞。,愈伤组织原是指生物在受伤以后于伤口表面形成的一团薄壁细胞。,细胞再分化（redifferentiation):离体条件下，脱分化后具有分生能力的细胞，再经过细胞分化，重新形成各类组织和器官、形成 0为新个体的过程。,2）培养条件下的细胞再分化,组织,分裂,生长分化,分生组织细胞,分裂,已分化组织细胞,脱分化,分裂生长,再分化,器官,植株,愈伤组织,离体条件下,活体条件下,离体培养条件下，细胞全能性的表达是通过细胞脱分化和再分化实现的。,五、植物细胞工程的研究历史,（一）探索阶段（1902-1929） Haberlandt：提出了植物细胞全
7、能性的假说；首次进行了植物细胞的离体培养实验；,(Haberlandt,1902) The father of plant tissue culture,Haberlandt 对高等植物的叶肉细胞、髓细胞、腺毛细胞、气孔保卫细胞、表皮细胞等材料进行了离体无菌培养，虽然某些细胞存活了很长时间，但始终没能发生细胞分裂和增殖，大家推测一下他失败的可能原因是什么？,植物细胞全能性的差异 根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织 居间分生组织 侧生分生组织 薄壁组织(基本组织) 厚角组织 输导组织 厚壁组织。,1904年：Hanning培养萝卜和辣根菜的胚，得到幼苗。,1922年：Kotte和R
8、obbins根培养,1925年：Laibach亚麻种间杂交幼胚培养得到杂种,其它研究,1922年：Knudson采用胚培养法获得兰花幼苗，克服其种子发芽困难的问题。,（White）,五、植物细胞工程的研究历史,（二）培养技术与理论的建立与发展阶段 （1930-1959） White: 美国植物生理学家 1934年，建立了第一个活跃生长的无性繁殖系建立了第一个人工合成培养基 1937年，研配了综合培养基（White培养基）发现了B族维生素和生长素对离体培养的促进作用。,同期(1934-1938)，法国学者Gautheret和Nobecourt在山毛柳、黑杨等植物的培养中成功地获得了的愈伤组织，在
9、培养基生存可以达到18个月，并且可以进行多次继代,同时也发现了B族维生素和生长素对形成层组织生长的显著促进作用.,(Gautheret),1939年：Gautherete培养胡萝卜根外植体成功,1939年：White培养烟草种间杂种幼茎切段原形成层成功,1939年：Nobecourt培养胡萝卜根块茎薄壁组织成功,20世纪40-50年代： 1944-1948年，Skoog、崔澂等发现嘌呤类物质能诱导芽的形成。 1952年，Morel 和Martin成功培养兰花和大丽菊脱毒苗。 1954年，Muir单细胞培养获得成功。 1957-58年，Miller 和Skoog发现激动素；提出有关植物激素控制器
10、官形成理论。 1959, Reinert Steward Shantz分别报道,在胡萝卜愈组组织培养中形成了体细胞胚.,培养条件和培养 基成分的广泛研究,MS培养基(MS Media), 1962 Murashige and Skoog 发表了MS培养基配方, 包括了无机化合物类、维生素类、氨基酸类、有机碳源、（激素）及培养材料的支持物等部分。提供了离体植物材料正常生长发育所需的营养物质。,Murashige,五、植物细胞工程的研究历史,（三）快速发展和实践应用阶段(1960年以后) 1、原生质体培养取得重大突破 1960年：Cocking酶解法分离原生质体获得成功。为植物体细胞杂交奠定了基础
11、。 1971年，Takebe等人在烟草上首次由原生质体培养获得植株。 到20世纪90年代，全世界约有180种植物原生质体培养获得再生植株。,五、植物细胞工程的研究历史,（三）快速发展和实践应用阶段(1960年以后) 1、原生质体培养取得重大突破 1972年：Carlson利用甘露醇和硝酸盐诱诱获得两种不同烟草的原生质融合体。 1978年，Melchers进行了马铃薯和番茄的融合实验，获得了第一个体细胞杂种植株。 到目前为止，已诱导了不同种间、属间甚至科间的细胞融合，获得了一些具有优良性状或抗性的种间或属间杂种。体细胞杂交技术已作为重要的育种途径在多种作用中应用。,五、植物细胞工程的研究历史,2
12、、花药培养技术 1964年：Guha和 Maheshwari（印）离体培养毛叶曼陀罗的花药，获得了世界上第一株花粉单倍体植株。 花粉植株的研究主要集中于烟草、水稻和小麦的育种研究上，对其它植物也有研究；目前世界上已有300多种植物成功地获得花粉植物。,五、植物细胞工程的研究历史,3、植物脱毒和快繁技术 1960年：Morel用兰花茎尖离体培养，既脱除了兰花的病毒，又建立了兰花的快速繁殖体系。这种技术被迅速运用到兰花工厂化生产，实现了试管苗产业化，取得了巨大的经济与社会效益。 目前，已广泛应用于观赏植物和经济植物的脱毒繁育和工厂化生产，走向了组培苗市场的国际化。,五、植物细胞工程的研究历史,4、
13、次生代谢产物的生产 1967年：Kaul和Staba采用发酵罐从对小阿米的细胞培养中首次获得了药用物质呋喃色酮。 1983年：日本三进石油公司首次利用培养的紫草生产出紫草宁。 目前，世界上已对近千种植物进行了细胞培养研究，实现了如紫草宁、人参皂苷、黄连素、紫杉醇等药物的工厂化生产。,六、植物细胞工程的应用,1、在植物育种上的应用 2、种苗脱毒与快速繁殖 3、细胞培养生产次生代谢产物 4、在细胞生物学和发育生物学研究中的应用 5、在植物遗传、生理生化及植物病理等基础研究中的应用,快速获得特殊倍性材料;克服远缘杂交不亲和;克服杂种胚早期夭折;导入外源基因;突变体的筛选;种质资源保存,七、植物细胞工程的研究内容,细胞工程新产品,思考题,1、简述植物细胞工程的概念、研究范畴。 2、如何理解“植物细胞全能性”的概念？ 3、概念辨析：细胞分化；细胞脱分化；细胞再分化 思考题：为什么植物培养技术能实现大规模的植物繁育？与传统繁殖途径相比优点何在？,1、培养条件可以人为加以控制，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响。,2、培养周期短,繁殖系数大，能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。,3、管理方便，有利于实现工厂化生产和自动化控制,orchid ovary cut lengthwise,Tissue Culture Systems,
