1、细胞工程,学习目标,1.明确细胞工程的概念 2.细胞工程的分类、植物细胞工程的主要内容 3.植物组织培养技术的基本操作、原理、条件 4.植物体细胞杂交技术的基本操作、原理,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,理论基础,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。 蛋白质工程是 水平上的技术。,细胞工程与基因工程相比：,细胞,分子,思考:,分子
2、,细胞工程,所采用技术的理论基础,植物细胞工程,通常采用的技术手段,植物组织培养,植物体细胞杂交,植物细胞的全能性,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。,生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。,基因选择性表达的结果,一、植物细胞工程的理论基础-细胞全能性,4、全能性表达的条件（植物组织培养的条件）： 内因：离体细胞、组织或器官（为什么要离体？） 外因：1）适宜的外界环境条件，例如无菌、适宜的温度、湿度、光照等 2）培养基（一定的营养物质，激素）,5、全能性的高
3、低：,受精卵生殖细胞（精、卵）体细胞,体细胞：植物细胞动物细胞,分化程度低的细胞分化程度高的细胞, 分裂能力强的细胞分裂能力弱的细胞,二、植物组织培养,2、理论基础：,植物细胞的全能性,1、植物组织培养的概念,下列属于植物组织培养的是（ ） A.花粉培养成单倍体植株 B.芽发育成枝条 C.根尖分生区发育成成熟区 D.未受精的卵发育成植株,即时应用,A,切取,接种,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 含N物质：包括维生素和氨基酸 碳源：2%5%的蔗糖 琼脂：起支持作用 生长激素：生长素，细胞分裂素和
4、赤霉素 PH值：5.06.0,愈伤组织的形成,愈伤组织：在人工培养基上由外植体长出来的一团无序生长的薄壁细胞（细胞排列疏松、无规则）。,愈伤组织的形成,植物组织培养（试管苗的形成）,培养室,试管苗大规模培养,移栽,经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培,植物组织培养,外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官 1） 外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、 花粉等） 2） 用消毒过的器械将外植体置于培养皿上 3） 切取所需的外植体 4） 将外植体接种于培养容器的培养基上整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织,植物组织培养的过程,胡
5、萝卜,外植体,单个细胞,愈伤组织,脱分化,胚状体,再分化,试管植物,条件：离体 一定的营养物质和激素(生长素、 细胞分裂素)适宜的条件（无菌、适宜的温度、pH、光照等）,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,A、脱分化,B、再分化,植物组织培养过程,1、A过程进行有丝分裂,2、B过程进行有丝分裂同时也进行分化,3、A不需光照，而B需光照，叶绿素的合成需光照,生长素用量比细胞分裂素用量， 比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成； 比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成； 比值适中时，促进愈伤组织的生长。,2、植物组织培养的应用：,现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉花、玉
6、米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。,人工种子,用人工种皮包被体细胞胚，可以制造人工种子 人工种皮：藻酸钠 解决有些植物结子困难、发芽率低、繁殖困难等问题,人工种子,结构： 人工薄膜+胚状体（不定芽、顶芽、腋芽） 优点： 不受气候、季节、地域的限制 保留优良性状 时间短，占地少 技术： 组织培养 原理： 细胞全能性,在植物组织培养的过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？ 植物组织培养所利用的植物材料体积小、抗性差，对培养条件的要求较高。 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
7、面迅速生长。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，实验前功尽弃。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。,二、植物体细胞杂交,1 概念：,不同种植物的体细胞融合成一个杂种细胞，杂种细胞发育成新的植物体的方法,2 理论基础：,细胞膜的流动性和植物细胞的全能性,3 过程：,植物细胞A,植物细胞B,植物细
8、胞A,植物细胞B,去壁,(酶解法:纤维素酶和果胶酶),去壁,原生质体：植物细胞去掉细胞壁的部分,原生质体A,原生质体B,原生质体B,诱导融合,原生质体A,诱导融合：物理法（离心、振动、电激）化学法（PEG,聚乙二醇）,融合的原生质体,融合的原生质体,物化法,再生壁,杂种细胞,脱分化,愈伤组织,脱分化,再生壁,再分化,杂种植株,再分化,（无性生殖）,植物体细胞杂交过程示意图,4 意义：,克服了远源杂交不亲和性的障碍,扩展了用于杂交 的亲本范围,5 未解决的问题：还不能让杂种植物按照人们的要求表现出亲代性状,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
9、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,回顾、植物体细胞杂交基本过程,酶解法（纤维素酶、果胶酶等）,物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇（PEG）,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。,背景资料,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“Potamato”。但还未得到地上结番茄地下结马铃薯。,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
10、，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。,问题,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，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。,白菜,甘蓝,白菜甘蓝,即时应用,1、在下列选项中，不需要采用植物组织培养技术的是( ) A利用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗，获得多倍体植株 B利用花药离体培养得到单倍体植株 C利用基因工程培养抗棉
11、铃虫的棉花植株 D利用细胞工程培养“番茄马铃薯”杂种植株,A,问题,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。,异想天开,1、细胞全能性的概念、全能性大小的比较2、植物组织培养的概念、原理、过程。3、植物组织培养实验所需的条件：离体、无菌、培养基、 环境条件。4、植物体细胞杂交的概念、原理、过程。,本节课内容小结,【解析】 只有将离体植物细胞或组织培养成具有生根发芽能力的胚状结构，再包上人造种皮，才能得到人工种子，而是未分化的愈伤组织，不具有生根发芽能力，只有在分化培
12、养基上培养后，才能用于制造人工种子。【答案】 D,2(2011苏北四市调研)下图为白菜与甘蓝体细胞杂交育成白菜甘蓝杂种植株的示意图。请据此回答：(1)图中过程用到的酶是_，作用的结果是获得_。 (2)在过程中，常用的化学诱导剂是_，若在容器中放置若干a、b，诱导完成且假设所有细胞发生了融合(只考虑细胞两两融合)，然后经过程，形成的d细胞的类型有_种，从中选出_进行培养。 (3)图中过程是_，过程合称_技术。,【答案】 (1)纤维素酶和果胶酶 (具有活力)原生质体 (2)聚乙二醇(PEG) 3 杂种细胞 (3)脱分化 植物组织培养,(2011泰州模拟)我国植物学家将名贵兰花的茎尖细胞放在培养基中
13、进行培养，最终发育成完整的新植株。下图是细胞培养形成兰花植株示意图，请据图分析回答：,(1)过程和分别表示_和_。 (2)在培养过程中，除了提供水分、无机盐、糖类、维生素及氨基酸外，还需要在培养基中加入_。同时，在培养过程中，除必需的温度、光照和氧气等外界条件外，成功的另一个关键是操作过程必须保证_。 (3)从育种的角度看，植物组织培养与有性生殖相比，优势主要有(列举2条)：_。 (4)植物组织培养的过程中，可以对_进行化学或物理的诱变处理，促使其发生突变，再通过诱导分化形成植株，从中选育出优良品种。 (5)若将兰花的茎尖细胞换成兰花的花粉粒经组织培养形成植株，这种育种方法称为_，其优点是_。
14、,【答案】 (1)脱分化 再分化 (2)植物激素(或植物激素类似物) 无菌 (3)能保持亲本的优良性状；培养周期短，繁殖效率高；能培育无病毒植株 (4)愈伤组织 (5)单倍体育种 缩短育种年限，培育的品种一定是纯种,【答案】 (1)脱分化 再分化 (2)植物激素(或植物激素类似物) 无菌 (3)能保持亲本的优良性状；培养周期短，繁殖效率高；能培育无病毒植株 (4)愈伤组织 (5)单倍体育种 缩短育种年限，培育的品种一定是纯种,(1)微型繁殖，实际上是一种无性繁殖，能保持亲本的一切优良性状，这项技术只运用了植物组织培养，因此该过程只涉及有丝分裂，不涉及减数分裂。 (2)微型繁殖具有选材少，培养周
15、期短，繁殖率高，便于自动化管理等优点，有利于进行工厂化培养。 (3)作物脱毒，人工种子中的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽的获得采用的技术还是微型繁殖。,(2011扬州模拟)如图为植物体细胞杂交流程图，请回答下列问题：,(1)制备原生质体时，常用的酶是_。 (2)诱导原生质体融合常用的化学诱导剂是_。 (3)杂种细胞再生出细胞壁，此过程与细胞内_(细胞器)有密切关系。在对杂种细胞进行植物组织培养时，通常还需要加入的两种植物激素是_。通过该技术得到的杂种植株在形态上表现为_，其根本原因是_。 (4)通常情况下，马铃薯和番茄杂交是不成功的，原因是_。该项研究解决了育种过程_的问题。 (5)通过细胞工程获得的杂种植株是否可育，为什么？ _。 6)若马铃薯是四倍体，番茄是二倍体，则杂种植株是_倍体。,【答案(1)纤维素酶、果胶酶(2)PEG(聚乙二醇) (3)高尔基体 细胞分裂素和生长素 同时具有两个亲本的特性 具有双亲细胞的全部遗传物质 (4)存在生殖隔离 远缘杂交不亲和 (5)可育，因为马铃薯和番茄这两种植物各自都是可育的，杂种植株也可正常进行减数分裂，产生配子并能受精形成种子 (6)六,植物原生质体融合所用的促融剂为聚乙二醇，不能用灭活的病毒。,
