1、第二章 细胞工程第第1 1节节植物细胞工程植物细胞工程生物（苏教版）高中生物 选择性必修31.概述植物组织培养的原理和过程概述植物组织培养的原理和过程。2.概述植物体细胞杂交的原理和过程。概述植物体细胞杂交的原理和过程。学习目标1.生命观念：从生命的物质性的角度理解生命观念：从生命的物质性的角度理解植物组织培养植物组织培养 需要需要人工提供适宜的营养基质人工提供适宜的营养基质。2.科学思维：结合具体实例，构建植物组织培养流程简科学思维：结合具体实例，构建植物组织培养流程简图图。3.科学探究：根据实验的原理和步骤，完成天竺葵的科学探究：根据实验的原理和步骤，完成天竺葵的组组 织织培养。培养。素养
2、要求1.概念：细胞工程细胞工程是指应用是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生细胞生物学、分子生物学和发育生物学物学等多学科的原理和方法，通过等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平细胞器、细胞或组织水平上上的操作，有目的地的操作，有目的地获得细胞、组织、器官、个体或其产品获得细胞、组织、器官、个体或其产品的一的一门综合性的生物工程门综合性的生物工程2.类型：植物细胞工程和动物细胞工程植物细胞工程和动物细胞工程3.主要技术：植物组织培养、植物体细胞杂交；植物组织培养、植物体细胞杂交；动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合 和单克隆抗体等。和单
3、克隆抗体等。细胞工程细胞工程发展历程1907年哈里森用一滴淋巴液成功培养了蝌蚪的神经元，首创了动物组织体外培养法1958年斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。1998年汤姆森和吉尔哈特获得可体外培养的人胚胎干细胞2006年山中伸弥获得诱导多能干细胞1975年米尔斯坦和科勒获得能稳定遗传的单克隆抗体的杂交瘤细胞株。1971年卡森诱导烟草原生质体融合，培育出第一株体细胞杂交植物1960年科金用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体。1996年世界上第一只体细胞克隆羊多莉诞生，随后多种克隆动物相继问世。2017年我国科学家首次培育了体细胞克隆猴
4、。一、植物组织培养技术 植物组织培养技术是植物组织培养技术是利用利用细胞全能性细胞全能性，在，在无菌无菌条件下，将条件下，将离体的离体的植物的器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，植物的器官、组织、细胞或原生质体等，在培养基上培养，使其发育成使其发育成部分或完整植株部分或完整植株的技术。的技术。细胞全能性细胞全能性离体离体无菌无菌完整植株完整植株定义：细胞细胞经分裂和分化后经分裂和分化后，仍然具有，仍然具有产生完整生物体产生完整生物体或或分分化成其他各种细胞化成其他各种细胞的潜能。的潜能。细胞的全能性原因：生物体的任何一个细胞都具有该物种所特有的生物体的任何一个细胞都具有该物种所特有的
5、全套遗全套遗传物质传物质（具有发育成为完整个体所必需的具有发育成为完整个体所必需的全部基因全部基因）。）。细胞全能性表达的前提：生物体内全能性不表达的原因：离体离体 在在特定的时间和空间条件下特定的时间和空间条件下细胞内的细胞内的基因选择性表达基因选择性表达出各出各种蛋白质种蛋白质,从而形成不同的组织和器官。从而形成不同的组织和器官。全能性表达的条件：离体；无菌；一定的营养物质、激素和适离体；无菌；一定的营养物质、激素和适宜的环境条件等宜的环境条件等表达的容易程度（即全能性大小）：受精卵受精卵 生殖细胞生殖细胞 体细胞；体细胞；植物细胞植物细胞 动物细胞；动物细胞；幼嫩的细胞衰老的细胞幼嫩的细
6、胞衰老的细胞 分化程度低的细胞分化程度低的细胞 分化程度高的细胞；分化程度高的细胞；细胞分裂能力强的细胞细胞分裂能力强的细胞 细胞分裂能力弱的细胞细胞分裂能力弱的细胞细胞的全能性植物组织培养一般流程植物组织培养的注意事项1.取材：应选择含应选择含形成层形成层或或分生区分生区的部分，容易诱导形成愈伤组的部分，容易诱导形成愈伤组织。织。常用的培养材料有常用的培养材料有胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、植株的茎胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、植株的茎尖、根尖、幼嫩的叶片、花药（花粉）尖、根尖、幼嫩的叶片、花药（花粉）等。等。2.植物组织培养的条件（1）培养基成分：水、无机营养（大量元素和微量元素）、水、无机营
7、养（大量元素和微量元素）、有机营养（有机营养（糖糖、氨基酸、维生素等）、氨基酸、维生素等）、生长调节剂（生长素和细胞分裂素）等。生长调节剂（生长素和细胞分裂素）等。（2）适宜的外界条件：如如无菌无菌、光照光照、适宜的温度和、适宜的温度和PHPH等等常用蔗糖为培养物提供所需要的的碳源，并有调节渗透压的作用。常用蔗糖为培养物提供所需要的的碳源，并有调节渗透压的作用。5.诱导脱分化时，通常要诱导脱分化时，通常要避光避光（有利于形成愈伤组织）（有利于形成愈伤组织）培养；诱培养；诱导再分化时，通常要导再分化时，通常要给予适宜的光照给予适宜的光照（原因：（原因：叶绿素的合成需要叶绿素的合成需要光照；植物光
8、合作用合成有机物光照；植物光合作用合成有机物）。）。4.诱导再分化时，诱导再分化时，植物激素的比例不同，实验结果就会不同植物激素的比例不同，实验结果就会不同。生长素生长素/细胞分裂素适中细胞分裂素适中促进愈伤组织的形成。促进愈伤组织的形成。生长素生长素 细胞分裂素细胞分裂素利于根的分化利于根的分化3.再分化属于细胞的分化过程，脱分化不属于细胞分化的过程，再分化属于细胞的分化过程，脱分化不属于细胞分化的过程，而是摆脱分化恢复未分化状态。而是摆脱分化恢复未分化状态。6.脱分化结果是形成愈伤组织。脱分化结果是形成愈伤组织。愈伤组织一团没有特定的形态、一团没有特定的形态、结构和功能，并处于结构和功能，
9、并处于旺盛分裂状态旺盛分裂状态的的薄壁细胞薄壁细胞。（特点：排列疏排列疏松而无规则、高度液泡化、无定形状态的薄壁细胞）松而无规则、高度液泡化、无定形状态的薄壁细胞）7.再分化的结果是形成再分化的结果是形成完整植株或完整植株或胚状体（根、芽）。胚状体（根、芽）。胚状体：类似胚的结构，类似胚的结构，具有胚芽和胚根，在适合的条件下具有胚芽和胚根，在适合的条件下可发育成为新可发育成为新植株植株。愈伤组织胚状体母液母液瓶口瓶口或瓶壁上或瓶壁上高压蒸汽灭菌锅高压蒸汽灭菌锅彻底灭菌彻底灭菌实例：天竺葵的组织培养幼嫩幼嫩70%氯化汞氯化汞叶脉叶脉外植体外植体68灼烧灼烧交叉污染交叉污染生芽生芽生根生根蛭石蛭石
10、或珍或珍珠岩珠岩(1)脱分化和再分化是植物组织培养的重要脱分化和再分化是植物组织培养的重要过程过程()(2)植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出植物体的任何细胞都具有全能性，也都能表现出全能性全能性()(3)诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全诱导生芽的培养基和诱导生根的培养基完全一样一样()(4)脱分化过程一般不需要光照，再分化过程需要脱分化过程一般不需要光照，再分化过程需要光照光照()判断正误3.以下是植物组织培养的过程，试回答相关问题：以下是植物组织培养的过程，试回答相关问题：提示脱分化、再分化。(1)分别是什么过程？分别是什么过程？提示避免杂菌在培养基上迅速生长消耗营养，且有些
11、杂菌会危害培养物的生长。(2)在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？求无菌操作？提示诱导愈伤组织、诱导生芽和诱导生根的培养基不同，它们之间最大的差别是生长素和细胞分裂素的相对浓度的不同。(3)在植物组织培养过程中，需要两次在植物组织培养过程中，需要两次“转接转接”，一是将愈伤组织转接到，一是将愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上，二是长出芽后再转接到诱导生根的培养基上，请诱导生芽的培养基上，二是长出芽后再转接到诱导生根的培养基上，请问问“转接转接”的原因是什么？的原因是什么？典题应用1.不同细胞的全能性高
12、低不同，下列有关细胞全能性大小的比较，正确不同细胞的全能性高低不同，下列有关细胞全能性大小的比较，正确的是的是A.一般细胞分裂能力越弱，细胞全能性越高一般细胞分裂能力越弱，细胞全能性越高B.一般情况下，干细胞的全能性高于体细胞一般情况下，干细胞的全能性高于体细胞C.韧皮部细胞的全能性高于形成层细胞韧皮部细胞的全能性高于形成层细胞D.衰老细胞的全能性高于幼嫩细胞衰老细胞的全能性高于幼嫩细胞及时反馈知识落实2.(2021合肥检测合肥检测)植物组织培养依据的原理、培养基本过程的顺序及诱植物组织培养依据的原理、培养基本过程的顺序及诱导的植物激素分别包括导的植物激素分别包括植物细胞的全能性植物细胞的全能
13、性离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞根、芽根、芽生长素和细胞分裂素生长素和细胞分裂素生长素和乙烯生长素和乙烯愈伤组织愈伤组织再分化再分化脱分化脱分化完整植株完整植株A.、B.、C.、D.、二、植物体细胞杂交技术1.概念：将将不同种不同种的植物体细胞，在一定条件下的植物体细胞，在一定条件下融合成杂融合成杂种细胞种细胞，并把杂种细胞，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。欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物超级作物”，利用有性杂，利用有性杂交能实现吗？交能实现吗？酶解法去壁：纤维素酶和果胶酶酶解法去壁：纤维素酶和果胶酶（
14、酶具有专一性）（酶具有专一性）物理法：离心、振动、电刺激等物理法：离心、振动、电刺激等化学法：聚乙二醇化学法：聚乙二醇细胞融合完成的标志细细胞胞膜膜的的流流动动性性植植物物细细胞胞的的全全能能性性植物体细胞杂交技术一般流程具备两个亲本的遗传物质电刺激法、离心法聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH值融合法 细胞膜的流动性化学方法物理方法A细胞B细胞B原生质体A原生质体融合原生质体融合去壁去壁5种：A、B、AA、BB、AB。（只考虑两两融合是3种）需要进一步筛选知识梳理融合后，培养基中有几种类型的细胞？优点：使用方便，诱导细胞融合的频率高优点：使用方便，诱导细胞融合的频率高缺点：有一定的毒
15、性对某些细胞不适用（如卵缺点：有一定的毒性对某些细胞不适用（如卵细胞）细胞）优点：诱导细胞融合的频率高、对细胞无毒害作优点：诱导细胞融合的频率高、对细胞无毒害作用、操作简便、可重复性好，诱导过程可控性强用、操作简便、可重复性好，诱导过程可控性强 融合完成的标志是重新产生细胞壁，形成杂种细胞。高尔基体A为2a=20 B为2b=30504 杂种细胞染色体数为？此过程中起主要作用的细胞器是？杂种细胞染色体组数为？形成的杂种植株从染色体组角度看是几倍体？染色体数目变异知识梳理 从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？异源四倍体植物体细胞杂交的意义植物组织培养愈伤组织杂种植株杂种植株脱分化再分化移栽融合
16、后杂种细胞克服了不同种生物远缘杂交不亲和的障碍克服了不同种生物远缘杂交不亲和的障碍；打破了物种；打破了物种之间的生殖隔离；扩大了遗传重组范围。之间的生殖隔离；扩大了遗传重组范围。知识梳理 植物细胞的全能性n主要原因：主要原因：生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的响的，所以马铃薯，所以马铃薯番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的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遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能相互干扰，不能再像马铃再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样薯或番茄植株中的遗传物
17、质一样有序表达有序表达，杂交植株不能地上长，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。为什么为什么“番茄番茄马铃薯马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的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？那样，地上长番茄、地下结马铃薯？思考植物体细胞杂交后代的遗传变化项目体细胞杂交体细胞杂交P P1 1：2n(Aabb)2n(Aabb)与与P P2 2：2m(ccDd)2m(ccDd)生殖类型无性生殖、育种过程中无性生殖、育种过程中不遵循不遵循孟德尔定律孟德尔定律变异类型染色体数目变异染色体数目变异染色体数两亲本染色体数之和，即两亲本染
18、色体数之和，即2n2n2m2m染色体组数两亲本染色体组数之和，即两亲本染色体组数之和，即2 22 2基因组成两亲本基因型之和，即两亲本基因型之和，即AabbccDdAabbccDd比较植物组织培养和植物体细胞杂交计数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实质实质原理原理步骤步骤意义意义联系联系无性繁殖无性繁殖植物细胞的全能性植物细胞的全能性保持优良性状保持优良性状；繁殖速度快繁殖速度快、大规模生产；提高经济效益大规模生产；提高经济效益植物体细胞杂交技术应用了组织培养技术植物体细胞杂交技术应用了组织培养技术克服不同种生物远缘杂交不亲克服不同种生物远缘杂交不亲和的障碍和的障碍
19、细胞膜的流动性细胞膜的流动性植物细胞的全能性植物细胞的全能性染色体变异染色体变异(1)植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞细胞()(2)植物体细胞杂交过程利用了植物组织培养植物体细胞杂交过程利用了植物组织培养技术技术()(3)植物原生质体融合的原理是植物细胞的植物原生质体融合的原理是植物细胞的全能性全能性()(4)若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞有若原生质体均为两两融合，则融合后的细胞有3种种类型类型()判断正误核心探讨1.植物体细胞杂交过程去除细胞壁用的是什么酶？利用了酶的什么特点？植物体细胞杂交过程去除细胞壁用的是什么酶？利用了酶的什么特点？突破重
20、难强化素养提示用的是纤维素酶和果胶酶；利用了酶的专一性。2.植物体细胞杂交培养基中往往加入蔗糖且浓度略大于原生质体内的浓植物体细胞杂交培养基中往往加入蔗糖且浓度略大于原生质体内的浓度，试分析其原因是什么？度，试分析其原因是什么？提示一方面为原生质体提供营养，另一方面保持一定的渗透压，使原生质体保持正常的形态。3.原生质体原生质体A与原生质体与原生质体B融合后，有哪几种类型融合后，有哪几种类型(只考虑两两融合只考虑两两融合)？而？而我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？我们需要的是哪种类型？所以原生质体融合后，我们要进行怎样的处理？提示有3种类型：AA、BB、AB；我们
21、需要的是AB；因此要对融合后的原生质体进行筛选。4.若若A细胞具有细胞具有2x条染色体，条染色体，2个染色体组，基因型为个染色体组，基因型为Aabb。B细胞含有细胞含有2y条染色体，条染色体，2个染色体组，基因型为个染色体组，基因型为ccDd，则通过植物体细胞杂交技，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数术获得的新植株的染色体条数：；染色体组数染色体组数：；基因型基因型：_；属于可遗传变异类型中属于可遗传变异类型中的的 。2x2y4个AabbccDd染色体数目变异典题应用3.下图为下图为“番茄番茄马铃薯马铃薯”的培育过程示意图，下列有关叙述正确的是的培育过程示意图，下列有关叙述正确的
22、是及时反馈知识落实A.获得获得a、b细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理细胞需要用胰蛋白酶和果胶酶处理B.诱导诱导a、b细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素细胞融合的化学试剂一般为秋水仙素C.a、b细胞融合为细胞融合为c细胞的原理是细胞质膜具有流动性细胞的原理是细胞质膜具有流动性D.d、e、f过程表示植物的组织培养过程，过程表示植物的组织培养过程，e、f分别为脱分化和再分化分别为脱分化和再分化4.下图为甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构下图为甲种植物细胞和乙种植物细胞的结构(仅显示细胞核仅显示细胞核)，下列有，下列有关叙述错误的关叙述错误的是是A.乙植物能产生乙植物能产生4种不同类型的花粉种不同类型的花粉B.将甲、乙两种植物杂交得到的将甲、乙两种植物杂交得到的植物植物 为为二倍体，可育二倍体，可育C.用纤维素酶和果胶酶可以去除植物细胞的细胞壁用纤维素酶和果胶酶可以去除植物细胞的细胞壁D.经植物体细胞杂交得到的植物为四倍体，基因型为经植物体细胞杂交得到的植物为四倍体，基因型为DdYyRr
