1、专题2 细胞工程 细细胞工程是指应胞工程是指应用用细胞生物学细胞生物学和和分子生物学分子生物学的的原理和方法，通原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上过细胞水平或细胞器水平上的的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质操作，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。或获得细胞产品的一门综合科学技术。什么叫细胞工程？什么叫细胞工程？原理操作水平 目的植植物细胞工程物细胞工程动物动物细胞工程细胞工程类型类型2.1 植物细胞工程2.1.12.1.1植植物细胞工程的基本技术物细胞工程的基本技术教学目标：教学目标：1 1、简述植物组织培养的原理和过程、简述植物组织培养的原理
2、和过程2 2、掌握植物体细胞杂交的原理和过程、掌握植物体细胞杂交的原理和过程 据奥委会透露，北京奥运会期间总共耗费据奥委会透露，北京奥运会期间总共耗费65006500万株各类花卉、植物万株各类花卉、植物如何在短时间里制如何在短时间里制造这么多的鲜花？单靠花农以传统的种植方式能造这么多的鲜花？单靠花农以传统的种植方式能不能满足？如何在短时间内获得大量的鲜花？该不能满足？如何在短时间内获得大量的鲜花？该如何操作？如何操作？19581958年，科学家斯图尔特（年，科学家斯图尔特（StewardSteward）将胡萝卜韧皮部）将胡萝卜韧皮部分分生组织生组织的一些细胞进行培养获得了完整的胡萝卜新植株；的
3、一些细胞进行培养获得了完整的胡萝卜新植株；这个新植株的基因型和原先那个这个新植株的基因型和原先那个分生组织分生组织细胞的一样。细胞的一样。植物组织培养植物组织培养花药离体培养花药离体培养二倍体植物二倍体植物雄蕊中雄蕊中取花粉取花粉培养培养细胞具有细胞具有全能型，全能型，花粉长成花粉长成个体个体单倍体单倍体植株植株利用菊花花利用菊花花瓣繁瓣繁殖培养的菊花殖培养的菊花一、植物组织培养一、植物组织培养阅读阅读P33P36P33P36快速解决下列问题：快速解决下列问题：1 1、什么是植物组织培养？、什么是植物组织培养？2 2、植物组织培养的原理是什么？、植物组织培养的原理是什么？1、植物组、植物组织培
4、织培养的概念养的概念 植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将将离体的离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养制的培养基上，给予适宜的培养条件条件，诱导其产，诱导其产生愈伤组织，最终形成生愈伤组织，最终形成完整的植株完整的植株。原理：原理：细胞全能性细胞全能性1 1、定义：、定义：生物体的细胞具有使后代发生物体的细胞具有使后代发育成育成完整个体完整个体的潜的潜能。能。2 2、原因：原因：生物体的每一个细胞（包括体细胞和生殖生物体的每一个细胞（包括体细胞和生殖细胞）都包含有该物种所特有的全套遗
5、传细胞）都包含有该物种所特有的全套遗传物质。物质。3 3、差异：、差异：（1 1）受精卵的全能性最高）受精卵的全能性最高 （3 3）体细胞的全能性比生殖细胞低）体细胞的全能性比生殖细胞低 受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞4 4、大小：、大小：2、细胞的全能细胞的全能性（回顾）性（回顾）植物细胞动物细胞植物细胞动物细胞（2 2）生殖细胞的全能性生殖细胞的全能性较高较高 切取切取形成层形成层无菌无菌接种接种诱导愈伤组织诱导愈伤组织的形成的形成试管苗的形成试管苗的形成培养室培养室移栽移栽脱分化脱分化再分化再分化离体细胞：细胞原本是长在母体上的，若把离体细胞：细胞原本是长在母体上的，若把细胞从
6、母体上切除，放在试管中进行体外培细胞从母体上切除，放在试管中进行体外培养，那么这样的细胞就是离体细胞。养，那么这样的细胞就是离体细胞。(如果如果是离体的组织就称为外植体是离体的组织就称为外植体)愈伤组织：愈伤组织：“愈愈”就是愈合、恢复的意思，就是愈合、恢复的意思，该组织是由高度分化的植物组织脱分化产生该组织是由高度分化的植物组织脱分化产生的，其细胞壁很薄、含有许多液泡，更重要的，其细胞壁很薄、含有许多液泡，更重要的是它的分化增生能力很强，可以再分化形的是它的分化增生能力很强，可以再分化形成胚状体。成胚状体。胚状体：胚状体：“胚胚”是由精子、卵子结形成的受精是由精子、卵子结形成的受精卵发育来的
7、，是有性生殖的范畴；而愈伤组织卵发育来的，是有性生殖的范畴；而愈伤组织再分化形成的胚状体虽属于无性生殖，但却和再分化形成的胚状体虽属于无性生殖，但却和有性生殖产生的胚一样具有发育成完整个体的有性生殖产生的胚一样具有发育成完整个体的全能性，所以顾称为胚状体，也就是说它全能性，所以顾称为胚状体，也就是说它不是不是真正的胚真正的胚，但，但具有胚的功能。具有胚的功能。高度分高度分 化的组化的组 织（如织（如外植体）外植体）分化程度分化程度很低的组很低的组织（如愈织（如愈伤组织）伤组织）另一种分另一种分化程度很化程度很高的组织高的组织（如胚状（如胚状体）体）脱分化脱分化再分化再分化外植体外植体愈伤组织愈
8、伤组织胚状体胚状体植物体植物体脱分化脱分化再分化再分化植物组织培养的过程植物组织培养的过程离体的组织离体的组织或器官）或器官）（未分化）（未分化）（分化）（分化）幼芽或幼根幼芽或幼根条件？条件？核心关键：核心关键：特点？特点？适宜温度、适宜温度、pH和无菌环境。和无菌环境。无机物、有机物无机物、有机物和植物激素和植物激素无定形状态无定形状态薄壁细胞薄壁细胞高度液泡化高度液泡化排列疏松、无规则排列疏松、无规则无叶绿体无叶绿体,不光合作不光合作用用分化程度低分化程度低去分化较易去分化较易理论基础：理论基础：细胞的全能性细胞的全能性脱分化和再分化脱分化和再分化不需要光，不能进行光合作用需要光，光能需
9、要光，光能促进分化。能促进分化。能进行光合作用进行光合作用3、植物组织培养植物组织培养的基本步骤的基本步骤离体的植物器官、离体的植物器官、组织或细胞组织或细胞脱分化脱分化愈伤组愈伤组织织再分化再分化 胚状体胚状体试管苗试管苗遮遮光光植物组织培养植物组织培养的条的条件件：细胞离体、一定的营养物质、激素和细胞离体、一定的营养物质、激素和一些其他外界条件一些其他外界条件(如光照、温度等如光照、温度等)类似胚的结构，具有胚根和胚芽类似胚的结构，具有胚根和胚芽分化程度很低，但分化潜力巨大分化程度很低，但分化潜力巨大植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素完整植株完整植株实质是实质是恢复细
10、胞的全能性过程。恢复细胞的全能性过程。结果是结果是形成愈伤组织。形成愈伤组织。让已经分化的细胞经过诱导后，让已经分化的细胞经过诱导后，失去其原失去其原有的结构和功能有的结构和功能而而变成未分化细胞变成未分化细胞的过程的过程脱分化产生的愈伤组织在培养过程中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。重新分化根或芽等器官的过程。移栽移栽培养培养1、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化形成了不同的组织、器官？细胞中的基因在特定时间、空间选择性表达。转录出不同的mRNA和不同的蛋白质，所以产生不同的性状。离体的植物细胞在一定浓度的激素（如生长素或细胞分裂素）诱导下，可以激发体
11、内基因的选择性表达，就有可能表现出全能性。想一想：想一想：例题：在例题：在离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列脱分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的（哪一项条件是不需要的（）A.消毒灭菌消毒灭菌B.适宜的温度适宜的温度C.充足的光照充足的光照D.适宜的养料和激素适宜的养料和激素C植物组织培养的原理是（植物组织培养的原理是（），其过），其过程是取植物组织作为（程是取植物组织作为（），至于特定激素），至于特定激素的培养基上，诱导其（的培养基上，诱导其（），成为愈伤组织，），成为愈伤组织，愈伤组织又通过（愈伤组织又通过（）形成胚状体后形成
12、一）形成胚状体后形成一个完整的幼苗。植物组织培养的繁殖方式是个完整的幼苗。植物组织培养的繁殖方式是（）繁殖）繁殖,其细胞的分裂方式为（其细胞的分裂方式为（）分）分裂裂。愈伤组织的特点是（。愈伤组织的特点是（）很低，但）很低，但（）巨大。）巨大。植物组织培养的培养基是（植物组织培养的培养基是（）体，其能量物质是添加了（体，其能量物质是添加了（）糖。）糖。细胞的全能性细胞的全能性外植体外植体脱分化脱分化再分化再分化无性无性分化程度分化程度分化潜力分化潜力有丝有丝植物组织的培养基是植物组织的培养基是固体固体的的小问题：植物组织培养需要人为施加营养物小问题：植物组织培养需要人为施加营养物质吗？质吗？蔗
13、糖；因为离体细胞无法从母体中获蔗糖；因为离体细胞无法从母体中获得营养物质，所以必须人为施加。得营养物质，所以必须人为施加。选用蔗糖的原因是蔗糖可以有效控制植物细选用蔗糖的原因是蔗糖可以有效控制植物细胞的渗透压，其次是绝大多数细菌不能直接胞的渗透压，其次是绝大多数细菌不能直接利用蔗糖，而植物可以，这样就可以在一定利用蔗糖，而植物可以，这样就可以在一定程度上避免细菌污染！程度上避免细菌污染！番茄番茄(tomato)(tomato)与马铃薯与马铃薯(potato)(potato)是不是不同种同种植植物，物，番番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜菜。人人
14、们曾经有这样一个幻想：让一株植株地上部分们曾经有这样一个幻想：让一株植株地上部分结番茄，地下部分长土豆结番茄，地下部分长土豆。不能。因不能。因为不同种生物之间存在为不同种生物之间存在着着生殖隔离生殖隔离，所以用传统的有性杂交，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。方法是不可能做到这一点的。于于是，科学家试图用这两种植物的是，科学家试图用这两种植物的体细胞进行体细胞进行杂交杂交，来实现这一美妙的设想。，来实现这一美妙的设想。二、二、植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术这幅番茄这幅番茄马铃薯马铃薯（potamatopotamato）图利用传统有性杂交方法能实现图利用传统有性杂交方法能实现吗
15、？为什么？吗？为什么？理想图理想图1 1你认为两个来自不同植物的体细胞完你认为两个来自不同植物的体细胞完成杂交融成杂交融合，遇合，遇到的第一个障碍是什么到的第一个障碍是什么？2 2有没有一种温和的去壁方法呢有没有一种温和的去壁方法呢？3 3原生质体如何融合？融合的基础是什么？原生质体如何融合？融合的基础是什么？4 4如果两个来源不同的原生质如果两个来源不同的原生质体融合成杂种细胞，如何体融合成杂种细胞，如何将将杂种细胞培育成杂种植株？杂种细胞培育成杂种植株？阅读阅读P36-P37思思考：考：将将不同种的植物体细胞，在一定条件下不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞融合成杂种细胞，并把杂
16、种细胞并把杂种细胞培育成新的植物体培育成新的植物体的技术。的技术。植物体细胞杂交的概念：植物体细胞杂交的概念：细胞壁细胞壁酶解法（纤维素酶和果胶酶）酶解法（纤维素酶和果胶酶）人工诱导（物理法、化学法）人工诱导（物理法、化学法）细胞膜的流动性细胞膜的流动性植物组织培养植物组织培养杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化1 1、过程、过程植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A原生质体原生质体B原生质体原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去去 壁壁去去 壁壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融
17、合的方法？的方法？融合融合完成完成的的标志标志植物细胞植物细胞B二、植物体细胞杂交技术二、植物体细胞杂交技术如果两两融如果两两融合只有这一合只有这一种细胞吗种细胞吗？杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化1 1、基本过程（融合、基本过程（融合+培育）培育）植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A原生质体原生质体B原生质体原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去去 壁壁去去 壁壁人人工工诱诱导导植物细胞植物细胞B四、植物体细胞杂交技术四、植物体细胞杂交技术胚胚状状体体去壁去壁去壁去壁纤维素酶纤维素
18、酶果胶酶果胶酶原原生生质质体体植物细胞植物细胞原生质体融合原生质体融合离心离心、振振动动、电电刺激刺激、聚聚乙二醇乙二醇再生细胞壁再生细胞壁杂种细胞杂种细胞去去分分化化愈伤组织愈伤组织杂种植株杂种植株激素激素筛选筛选等量等量激素激素再分再分化化植物体细胞杂交植物体细胞杂交3 3、成果和未解决的问题、成果和未解决的问题 成成果意义：果意义：克服不同生物间生殖隔离的障碍，克服不同生物间生殖隔离的障碍，出现出现自然界没有的新品种自然界没有的新品种。未解决的问题：未解决的问题：未能让杂种植物按照未能让杂种植物按照人们的需要人们的需要表现出亲代的优良性状。表现出亲代的优良性状。四、植物体细胞杂交技术四、
19、植物体细胞杂交技术2 2、杂交技术的原、杂交技术的原理：理：植物细胞的融合植物细胞的融合：植物组织培养植物组织培养：膜的流动性细胞全能性形似白菜形似白菜味近甘蓝味近甘蓝生长期短生长期短耐热性强耐热性强易于储易于储存存植物组织培养植物组织培养植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术所属所属范畴范畴原理原理步骤步骤意义意义联系联系无性繁殖无性繁殖细胞全能性细胞全能性脱分化脱分化再分化再分化保持优良性状保持优良性状繁殖速度快、大规模生产繁殖速度快、大规模生产提高经济效益提高经济效益杂交技术应用了组织培养杂交技术应用了组织培养克服不同种生物远源杂交克服不同种生物远源杂交的障碍的障碍去除细胞壁、获得原生质体
20、去除细胞壁、获得原生质体融合形成杂种细胞融合形成杂种细胞植物组织培养植物组织培养膜流动性膜流动性细胞全能性细胞全能性染色体变异、基因重组染色体变异、基因重组植物细胞杂交利用的原理是植物细胞杂交利用的原理是（），但是在杂交前还要），但是在杂交前还要去除细胞壁，细胞壁是由（去除细胞壁，细胞壁是由（）和）和（）组成，去除细胞壁利用）组成，去除细胞壁利用（）法。去除细胞壁的植物细胞我）法。去除细胞壁的植物细胞我们称为（们称为（），为了促进其融合，），为了促进其融合，我们可利用离心，振动，电激或（我们可利用离心，振动，电激或（）处理。处理。细胞膜的流动性细胞膜的流动性纤维素纤维素果胶果胶酶解酶解原生质体
21、原生质体PEG得到新的杂合的原生质体我们还需要得到新的杂合的原生质体我们还需要（）才标志着新的细胞产生。新）才标志着新的细胞产生。新的杂合细胞是已经高度分化的，所以还需诱导的杂合细胞是已经高度分化的，所以还需诱导其（其（）形成（）形成（）组织，然后再）组织，然后再分化形成一个新的植物个体，这一过程称为分化形成一个新的植物个体，这一过程称为（），它利用了细胞的（），它利用了细胞的（）性。性。诱导其产生新的细胞壁诱导其产生新的细胞壁脱分化脱分化愈伤愈伤植物组织培养植物组织培养全能全能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 植物组织培养植物组织培养 植物体细胞杂交植物体细胞杂交植
22、物细胞的全能性植物细胞的全能性小结小结杂种细胞杂种细胞杂种植株杂种植株甲种细胞甲种细胞乙种细胞乙种细胞原生质体原生质体愈伤组织愈伤组织去壁去壁融合融合重新长出壁重新长出壁脱分化脱分化再分化再分化情人节情人节Valentines Day蓝色妖姬蓝色妖姬普通玫瑰花是红色的，基因型为普通玫瑰花是红色的，基因型为dddd；在；在自然界中，如果红花受到紫外线过度照自然界中，如果红花受到紫外线过度照射会发生（射会发生（），即基因型变成），即基因型变成（），颜色为蓝黑色，就是我们常说），颜色为蓝黑色，就是我们常说的的“蓝色妖姬蓝色妖姬”。基因突变基因突变DdDd但是基因突变发生的频率很（但是基因突变发生的频
23、率很（），一般来），一般来说说1010万株红色玫瑰中才有一株发生突变，所万株红色玫瑰中才有一株发生突变，所以蓝色妖姬在市面上很稀缺，然而以蓝色妖姬在市面上很稀缺，然而低低物以稀为贵，物以稀为贵，20012001年蓝色妖姬刚问世的时年蓝色妖姬刚问世的时候，差不多一枝要候，差不多一枝要105105元，所以情人节有元，所以情人节有时成了情人时成了情人“劫劫”如果你是科学家你该怎样做？能不能培育如果你是科学家你该怎样做？能不能培育出一种产量大、性质稳定的蓝色妖姬？出一种产量大、性质稳定的蓝色妖姬？20042004年，日本科学家得到一株突变的玫瑰年，日本科学家得到一株突变的玫瑰花花DdDd，也就是蓝色妖
24、姬（注：玫瑰和豌豆，也就是蓝色妖姬（注：玫瑰和豌豆一样是雌雄同体）一样是雌雄同体）自交自交有性生殖有性生殖性状分离，即会有红色性状表现出性状分离，即会有红色性状表现出植物组织培养的原理是（植物组织培养的原理是（），其过），其过程是取植物组织作为（程是取植物组织作为（），至于特定激素），至于特定激素的培养基上，诱导其（的培养基上，诱导其（），成为愈伤组织，），成为愈伤组织，愈伤组织又通过（愈伤组织又通过（）形成胚状体后形成一）形成胚状体后形成一个完整的幼苗。植物组织培养的繁殖方式是个完整的幼苗。植物组织培养的繁殖方式是（）繁殖）繁殖,其细胞的分裂方式为（其细胞的分裂方式为（）分）分裂裂。愈伤组织
25、的特点是（。愈伤组织的特点是（）很低，但）很低，但（）巨大。）巨大。植物组织培养的培养基是（植物组织培养的培养基是（）体，其能量物质是添加了（体，其能量物质是添加了（）糖。）糖。细胞的全能性细胞的全能性外植体外植体脱分化脱分化再分化再分化无性无性分化程度分化程度分化潜力分化潜力有丝有丝将这株蓝色妖姬将这株蓝色妖姬(Dd)(Dd)的花瓣切成很多小块，的花瓣切成很多小块，制成（制成（）体，放在含有（）体，放在含有（）和（和（）糖的固体培养基上，使其发生）糖的固体培养基上，使其发生（）分化和（）分化和（）分化，最终变成许许）分化，最终变成许许多多的蓝色妖姬。多多的蓝色妖姬。外植外植植物激素植物激素蔗蔗脱脱再再这些蓝色妖姬的基因型都是（这些蓝色妖姬的基因型都是（），它），它们的表现性都和原先那个突变的个体一样，们的表现性都和原先那个突变的个体一样，这样的繁殖方式称为（这样的繁殖方式称为（）繁殖，相）繁殖，相关的细胞分裂发生为（关的细胞分裂发生为（）分裂。）分裂。DdDd无性无性有丝有丝这种繁殖植物的方式的优势：速度很这种繁殖植物的方式的优势：速度很（）、产量很（）、产量很（），不仅如此，性），不仅如此，性状很稳定，其后代基因型都是状很稳定，其后代基因型都是DdDd，今天蓝，今天蓝色妖姬的价格大幅下降。这种繁殖方式称色妖姬的价格大幅下降。这种繁殖方式称为（为（）快快大大微型繁殖微型繁殖
