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专题2细胞工程 专题2细胞工程 细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法 通过或细胞器水平上的操作 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 按操作对象分 植物细胞工程 动物细胞工程 研究的水平 研究的目的 细胞水平 一 概念 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 细胞工程与基因工程相比 细胞 分子 思考 2 1植物细胞工程 植物细胞工程技术常用的技术手段 植物组织培养植物体细胞杂交 植物细胞工程理论基础 植物细胞的全能性 植物细胞全能性和细胞膜的流动性 植物组织培养 1 原理 细胞的全能性 2 1植物细胞工程 植物细胞工程的基本技术 植物组织培养 利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花 探究 1 为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢 植物细胞具有全能性 2 什么是细胞的全能性 二植物细胞工程的基本技术 一 细胞的全能性1 概念 生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能 2 原因 受精卵 有丝分裂 体细胞 含全套遗传基因 3 全能性的程度 1 受精卵的全能性最高 4 形成不同组织 器官原因 基因选择性表达 5 条件 1 离体状态 2 完全营养物质 激素 探究 2 生物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 3 为何已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能 1 表现全能性的条件有哪些 离体 提供营养物质 激素及其它适宜条件 在特定的时间和空间条件下 基因选择性的表达的结果 生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗传物质 都有发育成完整个体的全套基因 三植物组织培养技术 重点理解 1 概念 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 2 原理 植物细胞的全能性3 过程 外植体愈伤组织根 芽植物体 再分化 脱分化 也叫 外植体如 茎尖 根尖 适宜的温度 PH值 养料 激素 充足氧气 条件 避光 需光 无细胞分裂 分化能力 特点 具分裂 分化能力 既具全能性 主要 无定形状态 高度液泡化 排列疏松 无规则 无叶绿体 不进行光合作用 植物组织培养的基本过程外植体愈伤组织胚状体已分化出根 芽 分化程度降低 分裂能力增强 重新分化出组织器官的过程 细胞分裂素 生长素 细胞分化程度与细胞分裂能力呈负相关 再分化 愈伤组织 植物组织培养 6 脱分化 应该掌握的几个概念 1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a高度液泡化 b无定形状态薄壁细胞组成的c排列疏松无规则的组织 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 获取外植体 无菌接种 诱导愈伤组织的形成 试管苗的形成 扩大培养 移栽 脱分化 再分化 请根据上面的实验过程 概括出植物组织培养技术的流程简图 植物材料 消毒 愈伤组织 再分化 诱导 试管苗 移栽到大田培养成正常植株 1 在组织培养实验中 为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作 防止杂菌污染 因为杂菌生长快 会和培养物争夺营养 杂菌生长过程中会产生有害的物质 导致培养物迅速死亡 合作学习 2 在本实验中 切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分 原因是这部分容易诱导形成愈伤组织 请思考一下 胡萝卜的其他部分 如茎 叶 花 是否也能培养成小植株 你能用实验的方法进行验证吗 胡萝卜的其他部分 如茎 叶 花 也能培养再生形成小植株 只是诱导愈伤组织比较困难 1下列植物细胞全能性最高的是 A 形成层细胞B 韧皮部细胞C 木质部细胞D 叶肉细胞2下列细胞全能性最高的是 A 植物的卵细胞B 植物的精子细胞C 被子植物的受精卵D 被子植物的的叶肉细胞 A C 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 细胞的基因丧失了全能性B 基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果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 依据学过的知识和实验过程思考回答 2 决定植物脱分化 再分化的关键因素是什么 植物激素的种类和比例 1 离体的器官 组织或细胞 如果不进行脱分化处理能否培养成完整的植物体 不能 因为细胞已经分化 失去了分裂能力 不进行脱分化处理就不能形成愈伤组织 生长素 细胞分裂素的比例 大于1 促进根形成 小于1 促进芽的形成 等于1 愈伤组织不分化 3 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养 在有光时 往往容易形成维管组织 而不易形成愈伤组织 但再分化时需要光 光能使细胞内形成叶绿体 叶绿素 进行光合作用 小结 植物组织培养的过程 外植体 脱分化 再分化 离体的 已分化组织或细胞 未分化 分化 条件 优点 特点 繁殖速度快不受季节限制工厂化生产幼苗无毒保持优良性状 适宜温度 光照 pH和无菌环境 无机物 有机物和植物激素 生长素 细胞分裂素等 无定形状态薄壁细胞高度液泡化排列疏松 无规则无叶绿体 不进行光合作用 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 二 植物体细胞杂交技术 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 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 Potamato 1 定义 将两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞 且把杂种细胞培育成新的植物体的过程 2 优势 与有性杂交方法比较 克服了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 植物体细胞杂交 1 你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合 遇到的第一个障碍是什么 2 有没有一种温和的去壁方法呢 3 为什么两个原生质体能发生融合 这与细胞膜的什么特性有关 4 如何将杂种细胞培育成杂种植株 请思考 原生质体 番茄细胞 原生质体融合 再生出细胞壁 杂种细胞 脱分化 愈伤组织 杂种植株 再分化 植物体细胞杂交技术 重点理解 1 过程 马铃薯细胞 标志 成功融合 人工诱导 去壁 植物组织培养 植物细胞的融合 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 去壁的常用方法 原生质体融合方法 植物体细胞杂交过程示意图 去壁 筛选 将不同种的植物体细胞 在一定条件下融合成杂种细胞 并把杂种细胞培育成新的植物体的技术 4 优势 与有性杂交方法比较 克服植物远缘杂交不亲和性 3 原理 细胞膜的流动性和细胞全能性 主要 原生质体融合 结果 2 概念 四 植物体细胞杂交技术 重点理解 如小麦和玉米之间存在生殖隔离 四 植物体细胞杂交技术 重点理解 白菜 甘蓝 白菜 甘蓝 5 实例 生长期短 耐热性强和易于贮藏 番茄 马铃薯 理性图 2 概念 将不同种的植物体细胞 在一定条件下融合成杂种细胞 并把杂种细胞培育成新的植物体的技术 3 优势和未解决的问题 优势 与有性杂交方法比较 打破了不同种生物间的生殖隔离障碍 大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围 未解决的问题 未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良 1 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 马铃薯 番茄没有像人们预想的那样地上长番茄 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 2 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 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 小结 比较 无性繁殖 细胞全能性 脱分化 再分化 保持优良性状繁殖速度快 大规模生产提高经济效益 杂交技术应用了组织培养 克服不同种生物远缘杂交不亲和的障碍 去除细胞壁 融合形成杂种细胞 组织培养 膜流动性细胞全能性 染色体变异 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 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 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 4 植物组织培养形成的愈伤组织进行培养 又可以分化形成根 芽等器官 这一过程称为 A 脱分化B 去分化 C 再分化D 脱分化或去分化 5 下列不能作为植物组织培养的材料是 A 秋海棠的叶B 马铃薯的块茎 C 成熟的花粉D 木质部中的导管细胞 D 6 若用 表示植物组织培养的过程 请回答 1 表示 能被培养成为 的根本原因是 2 表示 脱分化 再分化 离体的植物器官 组织或细胞 植物细胞具有全能性 愈伤组织 异想天开 植物细胞工程的实际应用 繁殖植物的新途径微型育种作物脱毒人工种子育种新方法单倍体育种诱导突变体细胞产物的工厂化生产 一 微型繁殖技术 也称快速繁殖技术 一植物繁殖的新途径 1 概念 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术 2 优点 3 成就 1 保持优良品种的遗传特性2 高效快速地实现种苗的大量繁殖 一 微型繁殖技术 也称快速繁殖技术 一植物繁殖的新途径 讨论 P38 利用了植物 微型 繁殖技术的 1 保持优良品种的遗传特性2 高效快速地实现种苗的大量繁殖在短时间中获得大量的优质种苗 一植物繁殖的新途径 二 作物脱毒 1 作物脱毒的原因 2 作物脱毒的材料 3 作物脱毒的方法 4 作物脱毒的结果 长期进行无性繁殖的作物 易积累感染的病毒 导致产量降低 品质变差 分生区 如茎尖 的细胞 进行组织培养 获得脱毒苗 5 成就 三 神奇的人工种子 一植物繁殖的新途径 1 天然种子的局限 1 培育周期长2 优良杂种的后代会发生性状分离而丧失其优良特性3 生产会受到季节 气候和地域的限制 并且需要占用大量的土地实现制种 三 神奇的人工种子 一植物繁殖的新途径 2 人工种子 胚状体 三 神奇的人工种子 一植物繁殖的新途径 通过植物组织培养得到的胚状体 不定芽 顶芽和腋芽等为材料 经过人工薄膜包装得到的种子 1 人工种子概念 2 人工种子组成 胚状体 或不定芽 顶芽和腋芽 人工种皮 三 神奇的人工种子 一植物繁殖的新途径 诱导植物愈伤组织 体细胞胚的诱导 体细胞胚的成熟 体细胞胚的机械化包裹 贮藏或种植 思考 设计人工种子制备技术的主要流程图 三 神奇的人工种子 一植物繁殖的新途径 讨论 P40 培植周期短 后代无性状分离 不受气候 季节和地域限制 可以很方便地贮藏和运输 加入适量的养分 无机盐 有机碳源以及农药 抗生素 有益菌 植物生长调节剂等 1 优点 2 人工种皮的有效成分 一 单倍体育种 二作物新品种的培育 体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体 1 单倍体定义 2 单倍体形成 3 单倍体植株的特点 由配子不经过受精作用而直接发育成的个体 例 蜜蜂中的雄蜂 长得弱小 而且高度不育 一 单倍体育种 二作物新品种的培育 4 回顾单倍体育种的一般过程并设计出一种通过植物花药组织培养生成正常植株的实验流程 花粉细胞培养 脱分化 愈伤组织 分化出小植物 再分化 移栽 单倍体育种的原理 染色体 数目 变异 技术 组织培养获得单倍体 秋水仙素处理单倍体的幼苗 使染色体加倍 单倍体育种的优点 后代都是纯合子 明显缩短育种年限 二 突变体的利用 二作物新品种的培育 植物组织培养过程中 由于培养细胞一直处于不断的分生状态 易受到培养条件和外界压力的影响而产生突变 1 产生 筛选对人们有利突变体 进而培育新品种 2 利用 蛋白质 脂肪 糖类 药物 香料 生物碱等 1 细胞产物种类 三细胞产物的工厂化生产 植物的组织培养 2 技术 3 成就 细胞产物的工厂化生产 红豆杉与紫杉醇 人参皂甘的生产 例1 03江苏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 典例精析 例2 右图为植物体细胞杂交过程示意图 据图回答 1 步骤 是 最常用的方法是 2 步骤 一般常用的化学试剂是 目的是 3 在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中 运用的技术手段是 其中步骤 相当于 步骤 相当于 去掉细胞壁分离出有活力的原生质体 酶解法 聚乙二醇 PEG 诱导原生质体融合 植物组织培养 脱分化 再分化 例2 右图为植物体细胞杂交过程示意图 据图回答 4 植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株 使 能够在新的植物体上有所表现 其根本原因 5 从理论上讲 杂种植株的育性 若运用传统有性杂交方法能否实现 并说明理由 因此 这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于 两个亲本的遗传性状 杂种植株获得了双亲的遗传物质 可育 不能 因为不同种生物之间存在生殖隔离 克服远缘杂交不亲和的障碍 大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围 1 植物的微型繁殖技术是指 A 植物体细胞杂交技术B 嫁接C 营养繁殖D 植物组织培养2 科学工作者把胡萝卜的韧皮部细胞分离出来 将单个细胞放入培养基中培养 获得了许多完整的植株 这些植株的特点是 A 彼此性状相似B 变异频率较高C 单倍体D 都是纯合子 课堂演练 3 用植物组织培养技术 可以培养或生产 A 食