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第16章植物原生质体融合技术PlantProtoplastFusion What基本原理 Why技术应用 How技术方法 微丝 叶绿体 线粒体 质膜 液泡 细胞核 内质网 微管 细胞壁 高尔基体 植物细胞模式图 细胞壁由三种主要成分构成纤维素25 50 半纤维素53 和果胶5 What基本原理 去除植物细胞壁以获得大量的原生质体 诱导原生质体融合形成杂种细胞 筛选 培养 促进杂种细胞分裂 分化 从细胞团 愈伤组织到最后成株 Why技术应用 植物原生质体融合的意义 克服种 属以上植物有性杂交不亲和性障碍 为携带外源遗传物质的大分子渗入细胞创造条件 How技术方法 第16章植物原生质体融合技术PlantProtoplastFusion 植物原生质体的制备植物原生质体的培养植物原生质体的融合 一 植物原生质体的制备 原生质体的概念及培养的意义原生质体材料来源原生质体的分离原生质体的纯化 1 原生质体的概念及培养的意义 概念 除去植物细胞壁的裸露细胞 称为原生质体意义 1 植物原生质体 具有再生完整植株的力 2 为细胞融合研究提供了可能 有可能产生异源杂交新品种 3 由于除去了细胞壁 降低了细胞的DNA酶活性 从而有助于外源DNA的进入 为再生成具有新性状的植物体提供有利条件 4 是开展遗传理论研究的材料 植物原生质体在理论研究和细胞工程中的地位 信息传递 能量转换细胞壁合成机理膜的结构与功能核质关系杂交或自交不亲和的机理细胞间的相互作用植物激素的作用机理 融合产生体细胞杂种分离各种细胞器引入各种细胞器导入外源基因诱发突变体 纯化后的叶肉原生质体 2 原生质体材料来源 植物叶片 取材容易 比较容易用酶解法分离 植物根尖组织 可由各种植物的种子萌发后取得 植物花粉 产生单倍体原生质体 愈伤组织 悬浮培养的细胞 细胞壁容易解离 3 原生质体的分离 A 原生质体的分离方法 机械分离法 先将细胞放在高渗溶液中预处理 待细胞发生轻微质壁分离 原体质体收缩成球形式 再用机械法磨碎细胞 从伤口处可以释放出完整的原生质体 优点 该方法可避免酶制剂对原生质体的破坏作用 缺点 获得完整的原生质体的数量比较少 酶解分离法常用的细胞壁降解酶种类 纤维素酶 半纤维素酶 果胶酶 果酸酶等优点 可以获得大量的原生质体 而且几乎所有的植物或它们的器官组织或细胞均可用酶解法获得原生质体 缺点 酶制剂中均含有核酸酶 蛋白酶 过氧化物酶以及酚类物质 影响所获原生质体的活力 B 影响原生质体数量和活力的因素 1 不同种类植物或不同组织和细胞 其细胞壁的组成和结构有差异2 渗透压稳定剂 如甘露醇 山梨醇 蔗糖 葡萄糖 盐类 KCl MgSO4 7H2O 等3 质膜稳定剂 如葡聚糖硫酸钾 氯化钙 磷酸二氢钾等增加对质膜的稳定性4 酶液的pH值 一般在5 4 6 05 温度因子6 植物材料的生理状态 如株龄 发育状态 栽培条件等对取材影响很大 C 分离原生质体所用的酶液和稳定剂 烟草叶肉细胞 0 5 MacerozymeR 10果胶酶 2 OnozukaR 10纤维素酶 0 7M甘露醇 烟草悬浮细胞 2 Driselase纤维素酶 2 Cellusase纤维素酶 0 5 Macerozyme果胶酶 海水 胡萝卜悬浮培养的细胞 2 Onozuka纤维素酶 0 5 Driselase纤维素酶 0 5 Rhoxyme半纤维素酶1 Pectinase果胶酶 0 35M甘露醇 0 35M山梨醇 甘蓝等的根细胞 4 Maicelase纤维素酶 2 Rhozyme半纤维素酶 0 3 Macerozyme果胶酶 0 7M甘露醇 番茄无菌苗的子叶和叶肉细胞 1 5 Cellulysin纤维素酶 0 3 Macerozyme果胶酶 102 6g L蔗糖 水稻种子的愈伤组织的悬浮培养细胞 2 OnozukaRs纤维素酶 1 Driselase纤维素酶 2 MacerozymeR 10果胶酶 1 Pectolyase果胶酶 0 3M葡萄糖 4 原生质体的纯化 去除破碎的原生质体 末去壁的细胞 细胞器及其他碎片等杂质 A 过滤法B 漂浮法C 离心法 例 烟草叶肉细胞原生质体的分离 1 材料的准备与消毒 2 酶解 3 纯化 4 原生质体的活力测定 1 材料的准备与消毒 选取在温室中生长两个月左右的烟草植株从生长健康的植株上摘取充分展开的嫩叶片经自来水冲洗干净后放入70 乙醇中进行表面消毒然后再放入2 次氯酸钠溶液中处理10分钟接着用无菌水洗涤3 4次 以充分除去消毒剂 2 酶解 用一把尖镊子 小心撕去叶片的下表皮 将叶片切成2cm长的小片 然后放入含酶溶液中处理 注意 使撕去表皮的一面朝下 温度25 28 下经3 4小时的酶解反应 其间轻轻摇动培养皿若干次 3 纯化 将酶解悬浮液通过300 400目网 以除去大的未消化的碎片然后将含有原生质体的酶液收集在离心管中 低速离心 使原生质体沉于管底 倾去上清液在离心管中加入适量洗涤液 再离心 重复此步骤3次 使酶解液充分除去 最后用原生质体培养液离心一次 分离 洗涤 纯化原生质体的试剂 试剂分离洗涤纯化KH2PO427 2mgKNO3101mgCaCl2 2H2O1480mgMgSO4 7H2O240mgKI0 16mgCuSO4 5H2O0 025mg甘露醇13 纤维素酶4 果胶酶0 4 蔗糖 21 pH5 65 65 6 与分离试剂相同 与分离试剂相同 4 原生质体的活力测定 形态 把形态上完整 富含细胞质 颜色新鲜的原生质体释放到降低渗透压浓度的洗涤液或培养基中 即可见到分离后缩小的原生质体会恢复原态 成为正常膨大的一般是有活力的原生质体 染色法 用0 1 酚藏花红液染色 活的原生质体能着红色用荧光素双醋酸酯 FDA 染色 在荧光显微镜下观察到带有荧光的是有活力的原生质体 FDA法的原理 FDA本身不具有极性 不能发出荧光 可以自由出入细胞膜 在活细胞中 FDA被酯酶裂解 释放出有极性的荧光素 荧光素不能自由穿越质膜 在活细胞中积累 荧光素在死细胞中不能积累 在UV照射下 活细胞中的荧光素发出绿色荧光 FDA 荧光素 请思考 活细胞 死细胞 FDA先用丙酮配成0 5 的母液 终浓度为0 01 原生质体分离纯化流程图 第16章植物原生质体融合技术PlantProtoplastFusion 植物原生质体的制备植物原生质体的培养植物原生质体的融合 二 植物原生质体的培养 1 原生质体的培养方法2 原生质体培养程序3 原生质体培养成功的技术关键 固体培养法原生质体按照一定细胞起始密度 均匀分布于薄层固体培养基中此法优点有利于对单个原生质体的胞壁再生和对细胞团形成的全过程进行定点观察浅层液体培养法 在培养皿或三角瓶中注入3 4ml原生质体培养液 然后将纯净的原生质体 按一定的细胞密度注入并进行培养双层培养法在固体培养基上 加入适宜原生质体胞壁再生和细胞分裂的液体培养基 1 原生质体的培养方法 2 原生质体的培养程序 细胞壁再生 体积膨大 叶绿体重新排列 新的细胞壁开始合成 细胞由球形变成椭圆形 细胞分裂形成细胞团 一般在培养2 3天后细胞质增加 细胞器增殖 DNA 蛋白质等合成增加 细胞分裂 形成小的细胞团 发育成愈伤组织或胚状体 器官形成植株再生 从愈伤组织诱导发生胚状体发育 3 原生质体培养成功的技术关键 原生质体的活力影响因素 制备原生质体的方法 渗透压稳定剂种类 浓度 质膜稳定剂种类 浓度 温度和保温时间原生质体密度起始密度一般为104 105个 mL细胞壁再生速度植物种类和取材的生理状态 培养细胞所处的时期 酶解时所用质膜稳定剂种类原生质体培养的营养和环境培养基原生质体培养的环境 光照 温度 湿度 第16章植物原生质体融合技术PlantProtoplastFusion 植物原生质体的制备植物原生质体的培养植物原生质体的融合 回顾 动物细胞融合技术简介 亲本的来源 融合方法 融合细胞的筛选 融合细胞的克隆 融合细胞的鉴定 三 植物原生质体的融合 1 植物细胞融合的概念和意义2 植物细胞融合的程序3 诱导细胞融合的方法及融合剂4 细胞融合的影响因素5 细胞杂种的选择和鉴定 1 植物细胞融合的概念和意义 细胞融合 cellfusion 概念 又称细胞杂交 cellhybridizaion 离体条件下用人工的方法把不同的细胞通过无性方式融合成一个杂合细胞的技术 细胞融合的意义 克服种 属以上植物有性杂交不亲和性障碍为携带外源遗传物质的大分子渗入细胞创造条件 2 植物细胞融合的程序 原生质体分离的分离 纯化 融合方法选择 杂种细胞的筛选 愈伤组织形成器官分化植株再生 杂种植物的鉴定 3 诱导原生质体融合的方法及融合剂 盐类融合法 高Ca2 和高pH值融合 聚乙二醇 PEG 融合法 PEG与高Ca2 和高pH值结合融合法 电融合法 回顾 诱导动物细胞融合的方法 1 病毒诱导细胞融合2 化学融合剂诱导细胞融合3 电融合法 A 盐类融合法 盐类融合剂种类硝酸盐类 NaNO3 KNO3 Ca NO3 2氯化物类 NaCl CaCl2 MgCl2 BaCl2葡聚糖硫酸盐类 葡聚糖硫酸钾 葡聚糖硫酸钠盐类融合的优缺点优点 盐类融合剂对原生质体的活力破坏力小缺点 融合频率低 对液泡化发达的原生质体不易诱发融合 B 高Ca2 和高pH值融合 Ca2 浓度0 05mol LpH9 5 10 5 具体做法 以烟草为例 取分离 纯化好的两种亲本原生质体以1 1的比例混合 加入0 05mol LCaCl2 2H2O和0 4mol L甘露醇 再用甘氨酸钠缓冲pH值到10 5 成为融合液 同时在37 下保温0 5h 用0 4mol L甘露醇洗净高CaCl2和高pH值 两种原生质体的融合率达到10 C 聚乙二醇 PEG 融合法 Polyethyleneglycol PEG 是一种多聚化合物 分子式H OHCH2 CH2 nOH 平均相对分子量200 20000之间融合机制 可能是由于带有大量负电荷的PEG分子和原生质体表面的负电荷间在钙离子的连接下形成静电键 促使异源的原生质体间的粘着结合用相对分子质量为1540的PEG处理40 50min 再用培养液缓慢稀释PEG最后洗去PEG 得到10 的异核体 D PEG与高Ca2 和高pH值结合融合法 先用PEG处理30min PEG是相邻原生质体表面间的分子桥 然后用高Ca2 和高pH值液 稀释PEG 引起原生质体表面电荷的紊乱和再分布 从而促进了融合 再用培养液洗去高Ca2 和高pH值 PEG诱导原生质体融合过程 E 电融合法 原理 改变原生质体质膜表面的电荷和氧化还原电位发生改变 使异种原生质体粘合并发生质膜瞬间破裂 进而质膜开始连接 直到闭和成完整的膜形成融合体 优点 对原生质体的损害小 融合率高 重复性强 装置精巧 方便简单 可在显微镜下观察或录像融合过程 免去PEG诱导后的洗涤过程 诱导过程可控性强 电融合基本过程 将制备好的亲本原生质体均匀混合放入融合小室 微电极型只有一个小室 平行电极型有4个小室 两电极间隔3mm 整个装置放在一个培养皿中微电极型 用5 12微安的脉冲电流间断刺激1 5毫秒 原生质体在几秒到几十秒钟的时间内会发生暂时性的收缩 两层膜之间形成小孔 连接成桥 形成一个个泡囊 经点连接到面连接 最后形成融合体 整个过程约10 30分平行多电极融合装置法 经过1兆赫如150V cm交流电场发生双向电脉冲 原生质体在电场力的作用下 极化产生偶极子 原生质体紧密排开成串珠状 在适当时间和强度的直流电脉冲 50ms 1 2 2KV cm 作用下 质膜发生被击穿 进一步形成融合体 细胞电融合过程 原生质体的融合过程包括3个主要阶段 1 两个或多个原生质体的质膜彼此靠近 2 局部区域质膜紧密粘连 彼此融合 3 融合完成 形成球形的异核体或同核体 4 细胞融合的影响因素 PEG诱导法 PEG规格 纯度 作用时间电诱导法 原生质体密度交流电压交变电场的振幅频率交变电场的处理时间直流高频电压脉冲宽度脉冲次数 5 杂种细胞的选择和鉴定 A 融合体的类型B 杂种细胞选择的方法C 细胞杂种的鉴定 A 融合体的类型 自体融合 发生在亲本原生质体自身异体融合谐和的细胞杂种 具有双亲全套染色体组的异源两倍体部分谐和的细胞杂种 双亲的染色体经逐步排斥 便发生少量染色体的重组 然后进入同步分裂 最后形成带有部分重组染色体的植株异胞质体细胞杂种 亲本的染色体全部被排斥 但胞质是双亲的嵌合细胞杂种 不同种的双亲原生质体 发生了膜融合和胞质融合 尚未发生核融合 双亲的细胞核各自发生核分裂 接着形成细胞壁 最终形成嵌合体植物 B 杂种细胞选择的方法 互补选择法 遗传或抗性 选择一个叶绿体缺失突变体 这一突变体在限定培养基上 能分裂 分化形成植株 具有正常叶绿素的植株 在上述限定培养基上 则不能分裂形成大细胞团 愈伤组织 可见标记法 凹穴培养皿分离法 根据融合后异核体和亲本原生质体的形态特征之区别微吸管分离法 用一种向吸管根据可见标记吸取异核体 进行 看护培养 以获得杂种植物 生长特性选择法 利用原生质体对培养基成分要求与反应的差异选择杂种细胞 物理特性选择法 利用亲本原生质体大小 颜色 漂浮密度及电脉差异率等差异选择杂种 其他方法 如采用显微操作技术也能把单个异核体分离出来进行培养 异硫氰酸荧光素 FITC 和异硫氰酸罗丹明