植物细胞工程基本技术

在环境保护中 基因工程的方法 有人将能降解三种烃类的基因都转移到能降解烯烃的假单孢杆菌内 创造出了能同时降解四种烃类的 超级细菌 如果将三种假单胞杆菌和第四种假单胞杆菌融合 使之能降解四种烃类 这种生物技术又是属于何种生物工程 设想 专题2 细胞工程 植物细胞工程 课题1 细胞工程概念 细胞生物学和分子生物学 细胞水平或细胞器水平 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 定向改造 指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法 通过某种工程学手段 在细胞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 植物幼苗饰品 植物细胞工程 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 动物细胞工程 科学家利用菊花花瓣培养的菊花 怎样才能由一个花瓣通过培养得到一株完整植株 植物组织培养 一个花瓣为什么能培育出一株完整的植株 材料2 但是1958年 斯图尔德等人第一次用胡萝卜的韧皮部细胞证实了植物细胞的全能性 小资料 材料1 1902年 哈伯兰特预言植物体细胞在适宜的条件下有发育成完整植株的潜力 提出了植物细胞全能性的设想 并用植物细胞进行了培养实验 但未获成功 植物细胞的全能性 1 概念 含有某种生物全部遗传信息细胞都具有发育成完整个体的潜能 2 原因 生物体细胞含有本物种所特有的全套遗传信息 3 全能性高低 受精卵 胚胎干细胞 生殖细胞 体细胞 一 原理 理论上 每个生物细胞都有全能性 动物细胞全能性受限制 但细胞核仍具全能性 增殖细胞 不增殖细胞 植物细胞 动物细胞 细胞处于植物体内的时候 有没有表现出全能性 如何才能够激发这种全能性 阅读34 35页 胡萝卜的组织培养 实验 思考与讨论 1 植物细胞要表现出全能性需要提供的条件有哪些 植物组织培养过程中还需哪些条件 2 为什么切取胡萝卜根的形成层 木质部与韧皮部之间分裂旺盛的细胞 其他部分也能培养成小植株吗 3 小组合作 据此实验简单画出植物组织培养技术一般流程图 二 植物组织培养的条件 离体 无菌 一定的营养物质 激素 适宜的外界条件 适宜的温度 湿度 光照等 避免杂菌在迅速生长消耗营养 且有些杂菌会产生有害物质危害培养物的生长 在植物组培过程中 为什么要进行一系列的消毒 灭菌 并且要求无菌操作 形成层细胞全能性高 易诱导成愈伤组织 其他部分也可以但稍微困难些 2 为什么切取胡萝卜根的形成层 其他部分也能培养成小植株吗 思考与讨论 3 小组合作 据此实验简单画出植物组织培养技术一般流程图 活植物体上切下来的离体器官 组织 细胞 1 外植体 2 脱分化 高度分化的植物器官 组织或细胞经过诱导失去特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程 已分化细胞 未分化细胞 3 愈伤组织 未分化 薄壁细胞 形态不规则 排列疏松 不定形的组织 愈伤组织在培养过程中重新分化为根或芽等器官的过程 4 再分化 相关概念 三 植物组织培养的基本过程 愈伤组织 有光时不利于形成愈伤组织 再分化光照有利于诱导形成叶绿素 4 为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养 再分化过程需要光照 5 决定植物脱分化 再分化的关键因素是什么 植物激素 生长素 细胞分裂素 主要诱导脱分化和根的形成 细胞分裂素 生长素 主要诱导再分化和芽的形成 详见P42 43拓展视野 思考与讨论 6 请概括出植物组织培养概念 三 植物组织培养的基本过程 愈伤组织 植物体 脱分化 再分化 外植体 光照 避光 激素 培养基 不同激素比例 新培养基 根 芽 在无菌和人工控制的条件下 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 诱导产生愈伤组织和胚状体或丛芽 最终形成完整的植株 四 植物组织培养概念 材料3 番茄与马铃薯同是茄科但不同属 番茄的果实和马铃薯的块茎是人们经常食用的蔬菜 番茄的果实长在地上 马铃薯的块茎生长在土壤中 小资料 科学家新的预言 能否获得一种地上长番茄 地下结马铃薯的 超级作物 二 植物体细胞杂交技术 一 概念 是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 植物细胞A 植物细胞B 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 去细胞壁 脱分化 植物组织培养 植物细胞融合 二 过程 再分化 电激的方法诱导原生质体融合 显微镜下 为什么两个原生质体能融合 融合的基础是什么 细胞膜的流动性 及化学组成的相似性 克服了远缘杂交不亲和的障碍 三 植物体细胞杂交的意义 生长期短 耐热性强 易于贮藏 未解决的问题 有些杂种植物未能按照人们的需要表现出亲代的优良性状 1 为什么 番茄 马铃薯 超级杂种植株没有如科学家所想象的那样 地上长番茄 地下结马铃薯 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 杂交植株的细胞中两个遗传物质的表达受到相互干扰 不能再像马铃薯或番茄的遗传物质一样有序表达 P38思考与探究 P38思考与探究2 2 1 2植物细胞工程的实际应用 植物细胞工程的实际应用 一 植物繁殖的新途径 二 作物新品种的培育 三 细胞产物的工厂化生产 1 单倍体育种 2 突变体的利用 药物 香料 蛋白质等 1 微型繁殖 2 作物脱毒 3 人工种子 经济苗木 名贵花卉 珍稀植物等自然繁殖速度缓慢 繁殖效率低下或优良性状不易保持 一 植物繁殖的新途径 1 微型繁殖技术 快速繁殖技术 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术 1 微型繁殖 属无性繁殖 生产上的遇到的问题1 讨论 该技术与传统繁殖技术相比 有何特点 在室内生产 全过程中细胞进行有丝分裂 无性繁殖 不涉及减数分裂和受精作用 可以保持亲本优良特性 愈伤组织可以传代培养 获得大量愈伤组织 所以 繁殖速度快 不受自然环境条件限制 生姜是药食两用的经济作物 在生产上长期采用无性繁殖 感染病毒容易传播给后代 病毒在植物体内逐年积累 使生姜品质变差 叶子皱缩 生长缓慢 导致减产 生产上的遇到的问题2 2 作物脱毒 原因 无性繁殖的作物 感染的病毒易传播给后代 病毒在作物体内逐年积累 会导致作物产量降低 品质变差 材料 植物分生区 如茎尖 无病毒或极少 方法 切取茎尖进行组织培养 获得脱毒苗 没有脱毒草莓 脱毒草莓 常规种子植物生产的不足 不少植物需要生长数年才能结出种子 优良杂种的后代因发生性状分离而丧失其优良特性 种子的生产受季节 气候和地域的限制 制种需要占用大量土地 3 人工种子 试管苗的大量贮藏和运输也相当困难 生产上的遇到的问题3 种子的结构 自然种子 胚 种皮 胚乳 3 人工种子 通过植物组织培养的方法获得的胚状体 不定芽 顶芽和腋芽等材料外面包被着人工薄膜 在适宜的条件下可以发芽成幼苗的种子 技术 植物组织培养 特性 在适宜条件下可以萌发长成幼苗 优点 提高繁殖率 后代无性状分离 保持优良特性 不受季节 气候和地域的限制 易于储藏和运输 3 人工种子 人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分 请探讨人工种皮中应该具有的有效成分是什么 为了促进胚状体的生长发育 我们还可以向人工种皮中加入哪些物质 问题 针对植物种类和土壤等条件 还可加入适量的养分 无机盐 有机碳源以及农药 抗生素 有益菌等 为了促进胚状体的生长发育 还可加入一些植物生长调节剂 有效成分 富含营养物质和其他必要成分的凝胶物 具有保护作用 二 作物的新品种培育 原理 优点 传统方法 杂交育种 基因重组 优良的基因自由组合 通过基因重组 把两亲本的优良性状组合在同一后代中 要不断进行 多年 纯化和选择 才得到一种符合理想要求的新品种 缺点 1 单倍体育种 先用花药离体培养的方法 再用秋水仙素诱导染色体数目加倍 1 单倍体育种过程 花药 花粉细胞培养 愈伤组织 分化出小植物 单倍体植株 正常植株 接种 脱分化 再分化 移栽 染色体加倍 P42思考与探究3 1 突变体的产生在植物组织培养的过程中 由于培养的细胞一直处于不断的分生状态 因此容易受到培养条件和外界压力 如射线 化学物质等 的影响而产生突变 为什么不断分生的细胞容易突变 2 利用筛选对人们有利突变体 培育新品种 科学家用这种方法已筛选到抗病 抗盐 含高蛋白 以及高产的突变体 有的已用于生产 3 成就 2 突变体的利用 3 细胞产物的工厂化生产 1 种类 蛋白质 脂肪 糖类 药物 香料 生物碱等 2 技术 植物的组织培养 三七 银杏 紫 草 P41资料分析 高效抗癌的药物紫杉醇 虽然能造福人类 但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾 以 我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇 从而拯救红豆杉 为题 与同学展开讨论 说出植物组织培养技术在节约资源 保护环境方面的重要意义 提示 可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇 现在国内外的科学家们正在研究利用植物细胞培养技术来大量培育红豆杉细胞 希望利用这种方法来大量生产紫杉醇 国内外许多实验室开展了用组织培养法生产紫杉醇的研究 红豆杉属的11种植物现都在进行组织培养 ESCAgenetics公司宣布他们用细胞培养法所得紫杉醇的含量是树皮的2 5倍 国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作 摸索了外植体 光照 培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响 现在工艺条件已基本摸清 正研究反应的放大技术等 有望实现通过细胞培养进行工业化生产紫杉醇的目标 P44思考与探究 1 通过查阅资料 请你列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用 提示 a 拯救濒危植物 b 提供食品制作的原料 c 利用愈伤组织进行转基因操作 提示 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 2 请查阅植物人工种子制备技术的详细过程 设计出制备技术的主要流程图 3 请查阅相关文献 设计出一种植物花药组织培养和染色体加倍的实验流程 花药花粉细胞培养愈伤组织正分化出小植物单倍体植株正常植株 1 有关全能性的表述中 不正确的是 受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体 因此全能性最高 生物体内细胞由于分化全能性不能表达 卵细胞和受精卵一样 细胞未分化 全能性很高 植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性 C 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 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 5 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6 植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是 A 植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁B 细胞壁使原生质体失去活力C 细胞壁阻碍了原生质体的融合D 细胞壁不是原生质的组成部分7 植物体细胞杂交的目的中错误的是 A 把两个植物体的优良性状集中在杂种植株上B 获得杂种植株C 克服远源杂交不亲和的障碍D 实现原生质体的融合 D C D 8植物体细胞融合完成的标志是 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 实验胡萝卜的组织培养讨论 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 提示 植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分 有利于培养物的生长 然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长 所以植物组织培养过程中污染现象经常发生 培养基一旦被污染 迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养 而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质 导致培养物迅速死亡 造成培养基污染的因素有很多 一般包括 外植体带菌 培养瓶和各种器械灭菌不彻底 操作人员操作不规范等 所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌 实验人员操作一定要规范 避免带入杂菌 植物组织培养的培养基 定义 含有一定营养成分 供组织培养植物生长的基质无机营养成分 C H O大量元素及部分微量元素有机营养成分 含N物质 包括维生素和氨基酸 碳源 2 5 的蔗糖供给营养及调节渗透压琼脂 起支持作用相关激素 生长素 细胞分裂素和赤霉素PH值 5 0 6 0 4 生物体内细胞没有表现出全能性的原因 在特定的时间和空间条件下 基因选择性表达的结果 材料3 1960年 Cocking等用真菌纤维素酶分离植物原生质体获得成功 这是植物组织培养的第2次突破 1971年 Takebe等从烟草原生质体得到再生植株 首次获得原生质体植株再生成功 三 植物组织培养的基本过程 愈伤组织 植物体 脱分化 再分化 外植体 光照 遮光 激素诱导 激素诱导 根 芽 思考与讨论 1 去除细胞壁的方法是什么 2 原生质体如何融合 融合的基础是什么 3 杂交完成的标志是什么 4 体细胞融合成功以后 还需要筛选 为何 5 最后通过什么手段得到新个体 二 过程 请阅读P36图2 5 思考与讨论 1 去除细胞壁的方法是什么 2 原生质体如何融合 融合的基础是什么 融合基础 细胞膜的流动性 化学组成相似性 物理方法化学方法 离心振动电刺