植物细胞工程的基本技术公开课

专题2细胞工程 细胞工程 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 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 2 1 1植物细胞工程的基本技术 植物组织培养 再分化 愈伤组织 植物组织培养 6 脱分化 1 定义 生物体的细胞具有使后代细胞发育成完整个体的潜能的特性 2 原理 生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质 都有发育成为完整个体所必需的全部基因 从理论上讲 生物体的每一个活细胞都应该具有全能性 3 差异 1 受精卵的全能性最高 3 受精卵分化后的细胞中 体细胞的全能性比生殖细胞低 4 大小 一 细胞的全能性 植物细胞 动物细胞 2 生殖细胞的全能性较高 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 三 植物组织培养的过程 重点 离体的植物器官 组织或细胞 脱分化 愈伤组织 排列疏松而无规则 高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞 再分化 胚状体 或丛芽 植物体 遮光 光照 植物组织培养的外界条件 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 植物的组织培养 强调几个概念 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 形成一种高度液泡化 无定形状态薄壁细胞组成的排列疏松无规则的组织 2 植物细胞的脱分化 让已经分化的细胞 经过诱导后 失去其特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程 3 脱分化的实质和结果分别是什么 实质 恢复细胞的全能性过程结果 形成愈伤组织 4 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根或芽等器官的过程 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 未受精的卵发育成雄蜂 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 番茄与马铃薯属于茄科植物 但不是同属植物 番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜 马铃薯块茎生长在土壤中 人们曾经有这样一个幻想 让一株植株地上部分结番茄 地下部分长土豆 这个幻想可能实现吗 一个梦想 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 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 三 植物体细胞杂交技术 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 理想图 植物体细胞杂交过程示意图 杂种植株 融合的原生质体AB 再生出细胞壁 脱分化 愈伤组织 再分化 1 过程 植物细胞的融合 植物组织培养 植物细胞A 原生质体B 原生质体A 杂种细胞AB 去壁 去壁 人工诱导 方法 促进融合的方法 融合完成的标志 植物细胞B 细胞融合的基础 细胞膜的流动性 去壁的常用方法 原生质体融合方法 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 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 可喜成就 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 白菜 甘蓝 白菜 甘蓝 白菜 甘蓝 同普通白菜相比 具有生长期短 耐热性强和易于贮藏等优点 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 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 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 探究 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 植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术 克服不同种生物远源杂交的障碍 去除细胞壁 融合形成杂种细胞 组织培养 细胞的膜流动性细胞全能性 染色体变异 基因重组 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 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 四 植物细胞工程的实际应用 繁殖植物的新途径微型繁殖作物脱毒人工种子作物新品种的培育单倍体育种突变体的利用细胞产物的工厂化生产 药物 香料 蛋白质等 概念 应用 快速繁殖植物 也叫快速繁殖技术 原理 植物细胞的 优点 繁殖率高 可大批量生产取材少培养周期短保持 1 微型繁殖 组织培养技术 全能性 优良性状 2 作物脱毒 病毒在作物体内逐年积累 会导致作物产量降低 品质变差 附近 茎尖 根尖 的病毒极少 甚至没有采用 技术来脱除病毒 分生区 茎尖组织培养 3 人工种子 种子的结构 3 人工种子 结构 胚状体 不定芽 顶芽 腋芽 优点 不受气候 季节 地域的限制保留优良性状时间短 占地少技术 原理 人工薄膜 植物组织培养 细胞全能性 课本P40 针对植物种类和土壤等条件 在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分 无机盐 有机碳源以及农药 抗生素 有益菌等 还可以加入生长调节剂 作物新品种的培育 1 单倍体育种 选择亲本 有性杂交 F1代 花粉离体培养 单倍体植株 诱变染色体加倍 可育纯合子 选择所需类型 过程 优点后代都是纯合子 能稳定遗传明显缩短育种年限 加速育种进程 2 突变体的利用 利用组织培养时 状态的细胞易受培养条件和外界压力 如射线 化学物质等 的影响而产生突变的原理 诱导并筛选出对人类有用的突变体 分生 3 细胞产物的工厂化生产 种类 蛋白质 脂肪 糖类 药物 香料 生物碱等 技术 植物的组织培养 培育到什么阶段提取 植物细胞工程 基本技术 植物细胞工程 探究 原理 1 为什么已分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体 植物细胞具有全能性 2 什么是细胞的全能性 具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞 都具有发育成完整生物体的潜能 也就是说 每个生物细胞都具有全能性的特点 在特定的时间和空间条件下 基因选择性的表达的结果 生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传物质 都有发育成完整个体的全套基因 4 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 已分化的细胞为什么具有发育成完整个体的潜能 6 细胞表现全能性的条件有哪些 离体 无菌 营养物质 激素及其它适宜条件 5 大小 受精卵 生殖细胞 体细胞 2 植物细胞 动物细胞 3 1 受精卵的全能性最高 4 分化程度低的细胞 分化程度高的细胞 植物组织培养的培养基 无机营养成分 水和无机盐有机营养成分 含N物质 包括维生素和氨基酸 碳源 2 5 的蔗糖 琼脂 起支持作用 固体培养基 相关激素 生长素 细胞分裂素和赤霉素PH值 5 0 6 0 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 讨论 过程 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 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 如果两个来源不同的原生质体发生了融合 下一步该做何处理 5 如何将杂种细胞培育成杂种植株 请思考 杂种植株 融合的原生质体AB 再生出细胞壁 脱分化 愈伤组织 再分化 1 过程 植物细胞的融合 植物组织培养 植物细胞A 原生质体B 原生质体A 杂种细胞AB 去壁 去壁 人工诱导 方法 促进融合的方法 融合完成的标志 植物细胞B 四 植物体细胞杂交技术 白菜 甘蓝 白菜 甘蓝 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 意义 在克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍上 取得了巨大的突破 从而扩大了可用于杂交的亲本组合 4 未能解决的问题 未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲