植物细胞工程的基本技术新PPT课件.ppt

目的基因 预期的蛋白质功能 基因表达载体 基因 获取目的基因 构建表达载体 导入受体细胞 目的基因的检测与表达 预期蛋白质功能 设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 推测核苷酸序列 合成DNA 表达出蛋白质 定向改造生物的遗传特性 获得人类所需的生物类型或生物产品 定向改造或生产人类所需的蛋白质 生产自然界中已有的蛋白质 蛋白质工程是在基因工程的基础上 延伸出来的第二代基因工程 因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质 必须通过基因的修饰或基因的合成 生产自然界没有的蛋白质 1 水螅 酵母菌 出芽生殖 2 草莓 营养生殖 马铃薯 落地生根 无性生殖 3 花药 花粉产生精子 内有卵细胞 有性生殖 4 精子 卵细胞 有性生殖 5 1996年7月5日 世界上第一只体细胞克隆动物 克隆羊多利诞生于英国 这样的生物技术属于什么生殖方式 何种生物工程 6 7 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 是应用于细胞生物学和分子生物学的原理和方法 通过对DNA分子人工 剪切 和 拼接 对生物的基因进行重新组合 然后导入受体细胞使重组基因表达 产生所需的基因产物 基因工程 细胞工程 8 共同点 都是改变细胞内的遗传物质 不同点 后者是细胞水平或细胞器水平上生物技术 前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 9 组织培养 体细胞杂交 动物细胞工程 植物细胞工程 根据操作对象的不同 细胞工程可分为 10 细胞工程 应用的原理和方法 细胞生物学和分子生物学 细胞整体或细胞器水平 按意愿改变细胞的遗传物质或获得细胞产品 概念 分类 植物细胞工程 理论基础 细胞的全能性 研究的目的 研究的水平 动物细胞工程 技术分类 细胞融合技术 细胞拆合技术 染色体导入技术 基因转移技术 胚胎移植技术 细胞与组织培养技术 11 细胞工程的发展之路 12 1902年 德国科学家哈伯兰特提出了细胞全能性的理论 1937年 美国科学家怀特用烟草茎段形成层作材料 在试管中培养出了烟草植物 植物细胞工程技术的发展历程 13 1965年 沃索等在一定成分的培养基上 由烟草的单细胞也得到了再生植物 1958年 美国科学家斯图尔德等利用胡萝卜根的组织再次证明了植物细胞的全能性 14 1970年 斯图尔德用悬浮培养的单个细胞也培养出了可育的新植物 进一步证明了细胞的全能性 20世纪70年代 以植物克隆为代表的细胞工程诞生 随后 植物的花药培养 原生质体培养 以及植物体细胞杂交技术得到了确立和发展 标志着植物细胞工程技术进入了高速发展的阶段 15 动物细胞工程技术的发展历程 1907年 美国生物学家哈里森用一滴淋巴液成功地培养了蝌蚪的神经元 证明了动物组织体外培养的可能性 首创了动物体外组织培养法 我国科学家童第周 在20世纪60年代初就开展了鱼类的细胞核移植 并取得了一些具有国际影响的成果 把黑斑蛙红细胞的核转移到同种生物的去核卵中 得到了正常发育的蝌蚪 在植物学家辛勤探索的同时 各国的动物学家在动物细胞工程领域也取得了长足的发展 16 1975年 英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒等用产生抗体的单个细胞和肿瘤细胞杂交 创立了单克隆抗体技术 1996年7月 世界上第一只克隆羊多利在英国诞生 在其后近两年的时间 克隆牛 克隆鼠也相继问世 17 多利的一生 姓名 多利性别 雌种族 动物界 脊索门 哺乳纲 偶蹄目 牛科 羊亚科 绵羊属生日 1996年7月5日出生地 苏格兰基因父亲 无基因母亲 一只芬兰白绵羊线粒体母亲 一只苏格兰黑脸羊生育母亲 另一只苏格兰黑脸羊进入社交圈时间 1997年2月23日子女 生育6名 存活5名死亡 2003年2月14日 18 2001年11月3日我国首只克隆牛 康康 在山东莱阳农学院动物胚胎工程中心实验场出生 19 中国科学家首次用iPS细胞 诱导多功能干细胞 克隆出完整的活体实验鼠 小小 从而首次证实iPS细胞与胚胎干细胞一样具有全能性 20 细胞工程技术的应用 细胞工程在植物方面的应用 1 微繁殖技术的应用 2 细胞大量培养与有用次生代谢产物生产 3 单倍体技术的应用 4 原生质体培养与体细胞杂交 21 细胞胞工程在动物方面的应用 1 快速繁殖优良 濒危品种及新品种 2 利用动殖物细胞培养生产活性产物 药品 3 供医学器官修复或移植的组织工程 4 转基因动物的生物反应器 22 这一切足以表明 细胞工程技术已经进入了高速发展的阶段 成为生物领域中一颗十分耀眼的明珠 近些年来 细胞工程的许多技术已经渗入到我们的日常生活和生产中 23 24 植物细胞工程的基本技术 植物细胞工程的实际应用 动物细胞培养的核移植技术 动物细胞融合和单克隆抗体 本专题将展开学习 25 植物细胞工程 26 2 1植物细胞工程 2 1 1植物细胞工程的基本技术 27 中国十大名花珍稀 名贵怎样快速 大量得到珍稀品种 28 怎样才能由一块组织通过培养得到一株完整植株 应该如何操作 29 30 31 植物体细胞杂交 地上长番茄地下长土豆 32 1 菊花的一个花瓣通过组培可以发育成完整的植株 说明什么 2 克隆羊 多莉 的诞生说明了什么 3 什么是细胞的全能性 4 为什么细胞具有全能性 5 菊花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 思考 我们将带着这五个问题开始今天的学习 33 补充知识 什么是克隆 无性繁殖的英文名称叫 Clone 音译为 克隆 实际上 英文的 Clone 起源于希腊文 Klone 原意是用 嫩枝 或 插条 繁殖 时至今日 克隆 的含义已不仅仅是 无性繁殖 凡来自一个祖先 无性繁殖出的一群个体 也叫 克隆 这种来自一个祖先的无性繁殖的后代群体也叫 无性繁殖系 简称无性系 34 补充知识 什么是克隆 一个细菌经过20分钟左右就可一分为二 一根葡萄枝切成十段就可能变成十株葡萄 仙人掌切成几块 每块落地就生根 一株草莓依靠它沿地 爬走 的匍匐茎 一年内就能长出数百株草莓苗 凡此种种 都是生物靠自身的一分为二或自身的一小部分的扩大来繁衍后代 这就是无性繁殖 35 由一瓣花瓣通过培养就能得到一株完整植株 36 全能性 是指具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞 都具有发育成完整个体的潜能 原因 是生物体的每一个体细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质 全套基因 37 在理论上 生物的任何一个细胞都具有发育成完整个体的能力 但是 在生物的个体发育中 细胞并不会表现出全能性 而是分化成各种组织和器官 这是因为在特定的时间和空间条件下 细胞中的基因会有选择的转录翻译出各种不同的蛋白质 从而构成生物体的不同组织和器官 38 39 200多种 1014个 生物体的每一个体细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质 全套基因 基因的选择性表达 40 全能性高则分化程度低 全能性最高的是受精卵 还没有分化 个体发育其实就是受精卵不断分裂和分化的过程 越往后细胞的分化程度越高 体细胞是高度分化的细胞 也是全能性最低的细胞 细胞的全能性与细胞分化程度的关系 41 再分化 愈伤组织 植物组织培养 6 脱分化 1958年 美国科学家斯图尔德 F C Steward 将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行培养获得了完整的胡萝卜新植株 42 43 取外植体 培养器具 44 接种 45 愈伤组织 批量培养 46 植物组织培养 试管苗的形成 愈伤组织分化形成小植株 47 试管苗大规模培养 48 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 49 50 51 阅读培养过程回答下列问题 组织培养的实例 胡萝卜的组织培养 1 概括植物组织培养技术的流程简图 52 切取形成层 无菌接种 诱导愈伤组织的形成 试管苗的形成 培养室 移栽 脱分化 再分化 避光 需光 53 注意 为什么在组织培养的脱分化过程一定要遮光处理 光会诱导植物细胞产生叶绿体的细胞器 使细胞产生分化 而无法脱分化 再分化时却需要光照呢 芽发育成叶 叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 54 阅读培养过程回答下列问题 组织培养的实例 胡萝卜的组织培养 3 阅读P36培养基配方 分析各成分的用途 1 概括植物组织培养技术的流程简图 制备外植体切取形成层 无菌接种 脱分化培养诱导组织的形成 再分化培养 试管苗 正常植株 转接 移栽 2 在本实验中 切取胡萝卜块时强调要切取含有形成层部分 原因是什么 胡萝卜的其他部分是否也能培育成小植株 在实际操作中是否还应在其基础上添加其他物质 答 形成层细胞具有旺盛的分裂能力 容易诱导形成愈伤组织 其他部分的细胞当然也能培养成小植株 不过培养起来要困难一点 55 细胞分裂素 生长素基本相等时 维持愈伤组织的生长 细胞分裂素 生长素维持在高水平时 诱导芽的形成 细胞分裂素 生长素的比例低时 诱导根的形成 资料1 根据以上资料 你得出什么结论 资料2 植物激素对脱分化和再分化起到决定性的作用 培养基中植物激素的种类 浓度 比例和使用顺序都会影响实验结果 56 4 次氯酸钠 无菌水 高压灭菌锅 超净工作台 消毒用棉球都意味组织培养过程全程灭菌 为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作 你还能提出哪些问题 答 因为用于培养植物细胞的培养基也适合微生物的生长繁殖 若微生物大量繁殖就和培养物争夺营养则会消耗营养物质 并产生对所培养的植物细胞有害的代谢废物 导致培养物迅速死亡 实验失败 57 激素 细胞分裂素和生长素 两者用量的比例影响植物细胞的发育方向 营养成分 大量元素 微量元素 有机物 氨基酸 维生素 蔗糖等 水 光照 脱分化无光 再分化需光 影响植物组织培养的因素有哪些 生长素 细胞分裂素 比值高时 有利于根的分化 生长素 细胞分裂素 比值低时 有利于芽的分化 生长素 细胞分裂素 比值适中 促进愈伤组织的形成 58 一 植物组织培养 离体植物细胞 外植体 脱分化 再分化 植物体 外源激素诱导 外植体本身 培养基和培养环境 条件 离体 营养物质 激素 其他适宜条件 59 一 植物组织培养 1 植物组织培养的条件内因 离体细胞 组织或器官外因 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 60 2 植物组织培养的培养基 无机营养成分 植物所必需的大量元素 微量元素及无机盐离子有机营养成分 含N物质 包括维生素和氨基酸 碳源 2 5 的蔗糖溶液 调节渗透压 琼脂 起支持作用 激素 生长素 细胞分裂素和赤霉素PH值 5 8 一 植物组织培养 61 再分化 由愈伤组织重新分化出根 芽等器官 形成完整植株的过程 脱分化 已经分化的细胞 经过诱导后 失去其特有的结构和功能而变成未分化的细胞 脱分化的细胞成为薄壁细胞 叫愈伤组织 外植体 用于离体培养的植物器官或组织片段 62 过程 离体的植物细胞 组织或器官 外植体 脱分化 愈伤组织 芽或根等器官 愈伤组织重新分化出根 芽等器官的过程 由外植体形成愈伤组织的过程 由排列疏松无规则 高度液泡化 无定形状态的薄壁细胞组成的的组织 细胞分化程度与细胞分裂能力呈负相关 63 植物细胞的脱分化 由高度分化的植物器官 组织或细胞产生愈伤组织的过程 又称去分化 脱分化的实质和结果分别是什么 实质是恢复细胞的全能性过程 结果是形成愈伤组织 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成根或芽等器官的过程 再强调几个概念 64 愈伤组织的形成 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 形成一种排列疏松无规则 高度液泡化 无定形态的薄壁细胞组成的组织 65 愈伤组织 66 愈伤组织 胚状体 根 芽同时发生 先根后芽 先芽后根 人工种子 完整植株 67 根据上述过程 请同学们讨论归纳出组织培养的概念 2 植物组织培养的概念 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 68 2020 1 7 69 在条件下 将 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 丛芽 最终形成 概念 植物组织培养 无菌和人工控制 离体的植物器官 组织 细胞 愈伤组织 完整的植株 细胞离体 一定的营养物质 激素和其他外界条件 必要条件 注意 全程无菌操作 70 2 1植物细胞工程 胡萝卜的愈伤组织 71 菠萝的愈伤组织 72 香蕉的试管苗 73 撑绿竹试管苗 组培生根苗 74 魔芋试管苗 75 茎尖脱毒培养图示操作过程 举例菊花 76 77 78 79 80 花瓣培养操作过程图示 81 82 83 茎节的培养操作过程图示 84 85 叶片的培养操作过程图示 86 87 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 植物组织培养 88 反馈练习 1 下列属于组织培养的是 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 A 植物组织培养是指植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织处于离体状态时 在一定的营养物质 激素和其他外界条件的作用下 就可能表现出全能性 发育成完整的植株 如花药离体培养 其余选项属自然生长过程 89 2 在离体的植物器官 组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中 下列哪一项条件是不需要的 A 消毒灭菌B 适宜的温度C 充足的光照D 适宜的养料和激素 C 90 3 要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株 不需要 A 具有完整细胞核的细胞B 离体状态C 导入外源基因D 一定的营养物质和激素 C 91 92 用占世界耕地面积7 的土地 养活了占世界22 的人口 93 94 95 96 97 98 99 请同学们讨论如何实现 100 三 植物体细胞杂交技术 重点理解 不能存在生殖隔离 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 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 这些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 101 脱去全部细胞壁的细胞叫原生质体 是一生物工程学概念 102 1 要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起 遇到的第一个障碍是什么 103 1 要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起 遇到的第一个障碍是什么 如何温和的消除这一障碍 细胞壁 104 植物体细胞杂交技术 去除细胞壁 酶解法用纤维素酶和果胶酶获得有活力的原生质体 人工诱导原生质体融合 物理法 离心 振动 电激等 化学法 聚乙二醇 105 细胞融合仪 细胞融合 106 利用电激发将野生马铃薯与栽培马铃薯进行细胞融合 三 植物体细胞杂交技术 重点理解 107 108 植物体细胞杂交过程示意图 标志 去壁 109 3 植物细胞融合成功标志是什么 杂种细胞产生了新的细胞壁 110 植物组织培养 4 形成了杂种细胞后 如何才能得到杂种植株 2 脱分化 再分化 111 原生质体A 原生质体B 原生质体融合 正在融合的原生质体 再生出细胞壁 杂种细胞 愈伤组织 杂种植株 纤维素酶果胶酶 物理方法化学方法 离心振动电激 聚乙二醇 植物组织培养 植物细胞融合 2 过程 原理 植物细胞的全能性和细胞膜的流动性 112 二 植物体细胞杂交 1 概念 将 在一定条件下融合成 并将其培养成 不同种的植物体细胞 杂种细胞 新的植物体 2 原理 1 细胞膜的流动性 2 细胞的全能性 可以克服远缘杂交不亲和的障碍 拓展了可用于杂交的亲本组合范围 定向改变生物性状 3 不足 技术复杂 操作繁琐 工作量大 不一定按人们需要表达优良性状 4 优势 意义 主要 原生质体融合 结果 113 局限性 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 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 所以杂交植株不能地上长番茄地下结马铃薯 尽管如此 还是在克服不同生物远缘杂交的障碍上 取得了巨大的突破 114 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 Potamato 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 可喜成就 115 白菜 甘蓝 白菜 甘蓝 利用植物体细胞杂交技术培育 116 形似白菜味近甘蓝生长期短耐热性强易于储存 烟草 海岛烟草胡萝卜 羊角芹 117 118 自然界中有一种含有叶绿体的原生动物 眼虫 这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 请尝试设计出具体实验方案 119 理论基础 植物细胞工程 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 实际应用 120 1 不能人工诱导原生质体融合的方法是 A 振动B 电刺激C PEG试剂D 重压 2 植物细胞融合完成的标志的是 A 产生新的细胞壁B 细胞膜发生融合C 细胞质发生融合D 细胞核发生融合 A D 自我评价 121 1 植物体细胞杂交尚未解决的问题有 A 去掉细胞壁 分离出有活力的原生质体B 将杂种细胞培育成植株C 让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性D 尚未培育出属间杂种植物 反馈练习 122 3 植物细胞表现出全能性的必要条件是A 给予适宜的营养和外界条件B 导入其他植物细胞的基因C 脱离母体后 给予适宜的营养和外界条件D 将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内 123 5 用不同种植物的两个体细胞融合成一个杂种细胞的过程 该过程是指A 不同植物的精子和卵细胞的融合B 不同植物的原生质体的融合C 完整的两个体细胞的融合D 植物花粉细胞的两两融合 B 124 3 在生物体内 细胞没有表现出全能性 而是分化为不同的组织 器官 是因为 A 细胞丧失了全能性 B 基因的表达是有选择性的 C 不同的细胞内基因不完全相同 D 在个体发育的不同时期 细胞内的基因发生了变化 B 125 5 植物组织培养依据的原理 培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是 体细胞全能性 离体植物器官 组织或细胞 根 芽 生长素和细胞分裂素 生长素和乙烯 愈伤组织 再分化 脱分化 植物体A B D A 126 6 用高度分化的植物细胞 组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织 下列叙述错误的是 A 该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的B 该愈伤组织的细胞没有全能性C 该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成D 该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构 B 127 7 要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株 需要 多选 A 具有完整细胞核的细胞B 离体状态C 导入外源基因D 一定的营养物质和激素 ABD 128 8 甘薯种植多年后易积累病毒而导致品种退化 目前生产上采用茎尖分生组织离体培养的方法快速繁殖脱毒的种苗 以保证该品种的品质和产量水平 这种通过分生组织离体培养获得种苗的过程不涉及细胞的 A 有丝分裂B 分化C 减数分裂D 全能性 C 129 9 现有甲 乙两个烟草品种 2n 4