讲课植物细胞工程l

植物细胞工程,植物细胞工程的基本技术,植物细胞工程的实际应用,基因工程：又叫基因拼接技术或DNA重组技术。,基因工程：指按照人们的愿望,进行严格的设计并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作DNA重组技术。,上节回顾：,生殖方式：,基因重组,无性繁殖或克隆,理论基础：,剪切拼接导入表达,基因拼接技术或DNA重组,生物体外,基因,DNA分子水平,人类所需要的基因产物,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，通过细胞整体水平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。,按操作对象分类,植物细胞工程,动物细胞工程,细胞工程：,细胞工程,理论基础,细胞的全能性,主要技术,植物组织培养,植物体细胞杂交,动物细胞培养,动物细胞融合,单克隆抗体技术,胚胎移植,核移植,植物细胞工程技术,动物细胞工程技术,事例1：花草的培育及农作物的种植，大都是通过种子播种的方式实现繁殖的。而种子是通过受精卵形成的。这种方式称为有性生殖。其特点：繁殖周期长，子代易产生变异的性状。,一、植物细胞工程的基本技术：,原因：为什么植物的一个离体花瓣就可以培育出完整的植株呢？这是因为高度分化了的植物细胞都包含有该生物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。,事例2：植物的花瓣、茎或根属于高度分化的组织，利用分化了的植物体的部分组织或细胞（外植体），能够培育出新的植株，属于无性繁殖。培养过程中，首先通过细胞的脱分化形成愈伤组织；然后愈伤组织通过再分化形成小植株。,1、定义：,生物体的细胞具有使后代细胞形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。受精卵不同于卵子和精子，它是全新的一个细胞，因此是未分化的。,（一）植物细胞的全能性？,（3）未离体的体细胞全能性不能表达。,（2）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的低。,5.细胞表现出全能性的条件：,6、特例？,如：哺乳动物成熟的红细胞和高等植物成熟的筛管细胞因没有细胞核，不能表现出细胞的全能性。,离体状态；有一定营养物质、激素和其他外界条件。,4、大小：,思考讨论：为什么未离体的体内细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织、器官？,、未离体的细胞相互影响，使每个细胞基因不能同时表达；、基因在特定空间和时间条件下选择性表达的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同部位的细胞表达的基因是不同的，合成的蛋白质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。,（二）、植物组织培养技术：,1:萝卜的组织培养技术：,离体的植物器官、组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,外植体,脱分化,植物激素：细胞分裂素、生长素,再分化,2、植物组织培养技术：,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,试管苗大规模培养,3、植物组织培养应该了解：,B、关键词：,外植体、脱分化、再分化、愈伤组织,细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件。,A、必要条件：,C、几个概念：,外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官。1）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）2）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上3）切取所需的外植体4）将外植体接种于培养容器的培养基上整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织。,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。,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。培养基的组成：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%的蔗糖琼脂：起支持作用生长激素：主要是生长素、细胞分裂素PH值：5.06.0,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。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。,(三)、植物组织培养技术：,植物组织培养技术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。,1、概念：,2、前提：,3、条件：,4、结果：,离体的器官、组织、细胞。一般指植物体细胞。,无菌和人工控制；人工配制的培养基；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。,1.下列有关细胞工程的叙述不正确的是（）A.在细胞整体水平上定向改变遗传物质B.在细胞器水平上定向改变遗传物质C.在分子水平上定向改变细胞核的遗传物质D.在细胞整体水平上获得细胞产品,【解析】:选C。细胞工程技术是在细胞整体水平或细胞器水平上对细胞进行改造，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技术，在分子水平上定向改造遗传物质属于基因工程。,C,练习,2、（2009吉林）不使用植物组织培养技术的育种方法是（）,【解析】：选B。选项A、C、D中都是利用体细胞获取完整植株的过程。而B选项中是利用种子中的受精卵或直接处理个体，不用植物组织培养，利用大田试种即可。,B,练习,A.花药离体培养获得单倍体植株B.秋水仙素处理萌发的种子或幼苗获得多倍体植株C.基因工程培育抗虫棉植株D.细胞工程培育“番茄马铃薯”杂种植株,【解析】:选A。影响植物细胞脱分化产生愈伤组织的一个重要因素是植物激素，当细胞分裂素和生长素共同使用且浓度比为11时，能强烈地刺激愈伤组织的形成。,3、能刺激愈伤组织形成的激素是（）,A,练习,A.细胞分裂素和生长素B.赤霉素C.生长素和赤霉素D.细胞分裂素和乙烯,【解析】:选C。植物组织培养依据的原理是植物细胞的全能性。细胞的全能性是指一个细胞发育成一个完整个体的潜能，其根本原因是该细胞包含有该物种所特有的全套遗传物质。对于细胞而言，遗传物质主要集中在细胞核内。科学研究表明，植物细胞只有在脱离原来所在植物体的组织或器官而处于离体状态时，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，才能表现出全能性。,4.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要(),C,练习,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,5.有关植物组织培养过程中细胞脱分化的说法，不正确的是(),【解析】:选C。脱分化过程是指细胞由分化状态回到未分化的状态，且具有持续分生能力，此过程需要相关激素的作用。,A.已经分化的细胞失去特有的结构和功能而转变成未分化的细胞的过程B.已经分化的细胞转变成为具有分生能力的薄壁细胞，进而形成植物的愈伤组织的过程C.离体的植物组织在一定的培养条件下分化出根和芽的过程D.离体的植物组织在脱分化形成愈伤组织的过程中必须经过有关激素的诱导,练习,C,6.下列有关植物细胞全能性的叙述中，正确的是(),A.植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全部基因B.高度分化的植物体细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性C.蚕豆叶肉细胞脱分化形成的愈伤组织细胞没有全能性D.植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因不同,【解析】:选B。细胞的全能性是指高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。高度分化的植物细胞，只有在离体的情况下，给予适宜的营养、激素等条件才能表现出全能性。蚕豆叶肉细胞脱分化形成的愈伤组织细胞，其遗传物质没有发生变化，仍然具有全能性。未离体细胞由于相互影响其基因全能性不能同时表达。,练习,B,7、植物组织培养是指（）,A、离体的植物器官或细胞培育成愈伤组织B、愈伤组织培育成植株C、愈伤组织形成高度液泡化组织D、离体的植物器官、组织或细胞培育称完整新植株,练习,D,人细胞,鼠细胞,荧光标记膜蛋白,40分钟后,二、植物体细胞杂交：,1、人鼠细胞融合：,说明细胞膜具有流动性,细胞膜的流动性是细胞杂交的分子基础,白菜甘蓝,特点：生长期短，耐热性强和易于贮存,植物体细胞杂交事例：,2n=18,2n=20,异想天开：,2n=60,2n=48,2n=24,、定义：,将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成一个杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。,、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限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。,2、植物体细胞杂交技术：,、关键环节：,解除植物细胞壁酶解法原生质体融合人工诱导法,(4),、植物体细胞杂交过程示意图：,酶解法去壁,原生质体融合,再生细胞壁,杂种细胞,脱分化,再分化,移栽,正在融合的原生质体,植物组织培养,植物细胞融合,融合体,杂种细胞,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,特别注意：,1、融合后杂交细胞的类型：（A和B两种植物）,A+A=AAA+B=ABB+B=BB只有AB型是所需细胞，因此杂种细胞形成后还有一个筛选过程。,2、融合后杂交细胞的可育性：杂交细胞内的染色体组数是两个物种的总和，形成异源多倍体。因为杂种细胞内仍然有同源染色体，因此从理论上讲是可育的，但可育性会降低。,3、植物体细胞杂交育种的优点是克服了远缘杂交不亲和的种间或属间障碍。,制备原生质体：酶解法去掉细胞壁诱导融会新的原生质体生出细胞壁杂种细胞组织培养杂种植株,3、植物体细胞杂交意义：,意义：克服远缘杂交不亲和的障碍、培育新品种。,思考？,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。,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？,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.种子发育成植株,A,练习,1、下列属于组织培养的是（）,2、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,D,解析：种子属于器官而不是组织，应该属于下一代的幼体。具有发育成新植株的各结构。,4、有关全能性的表述中，不正确的是（）,C,练习,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,3、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,5.植物体细胞杂交过程是（）,A.用酶解法去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体B.以人工诱导法使两个不同植物的原生质体融合C.用植物组织培养法培养融合的原生质体得到的是杂种植株D.通过以上三项来完成,【解析】：选D。植物体细胞杂交过程实际上是不同植物体细胞原生质体融合的过程，融合后形成的杂种细胞进一步经组织培养形成杂种植株。,练习,D,6.(2009静安区)在植物细胞工程中，当原生质体融合成一个细胞后，需要诱导产生出细胞壁，参与这一过程的细胞器是(),【解析】:选B。细胞壁的形成与高尔基体有关，同时需要线粒体为其提供能量。叶绿体是进行光合作用的场所；内质网是参与蛋白质运输和初加工的结构。,A.叶绿体、高尔基体B.线粒体、高尔基体C.叶绿体、线粒体D.线粒体、内质网,练习,B,7、在植物体细胞杂交过程中，常需要对制备的原生质体的生活状态及活力进行检测。下列实验中检测的依据最合适的是(),【解析】：选B。原生质体是指植物细胞除掉细胞壁后的原生质整体，细胞结构已经不完整，更不可能进行质壁分离和复原。A与B项均可行，但A项所需时间过长，故B是最合适的检测方法。,A.观察细胞周期的长短B.观察细胞质流动的速率C.观察质壁分离和复原的速率D.观察细胞结构是否完整,练习,B,8.（2008江苏高考）下列关于植物组织培养技术的叙述中，错误的是（）,【解析】：选D。植物组织培养技术既可对植物体细胞进行组织培养，也可对生殖细胞进行组织培养。假设某植株的基因型为Aa，取根尖细胞离体培养形成的新植株基因型仍为Aa;若取该植株花药细胞离体培养，形成的新植株的基因型为A或a。,A.培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压B.培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化C.离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织D.同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因型相同,练习,D,9、如图是“白菜一甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法正确的是(),A.图示“白菜甘蓝”植株不能结籽B.愈伤组织的代谢是自养需氧型C.上述过程中包含着有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程D“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果,D,练习,9解析：A图示“白菜甘蓝”植株不能结籽：有同源染色体，减数分裂正常，可以结籽。B愈伤组织的代谢是自养需氧型：愈伤组织没有叶绿体，为异养。只能靠培养基中的营养物质生存C上述过程中包含着有丝分裂，细胞分化和减数分裂等过程：没有减数分裂过程。D“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果：“白菜甘蓝”杂种植株并不能表达白菜和甘蓝的所有性状，所以是基因选择性表达的结果。,10、将花药离体培养，形成完整的植株，通常需要经过的两个阶段是（）,A脱分化形成愈伤组织，再分化形成根、芽等B分化形成愈伤组织，进一步分化形成根、芽等C通过减数分裂形成配子，配子再发育形成根芽等D先用秋水仙素处理花粉，再进行花药离体培养,解析：目前秋水仙素只能处理种子和幼苗,因花粉不进行分裂,所以不能用秋水仙素处理。D错误。,A,练习,典例2、（2008北京高考）白菜、甘蓝均为二倍体，体细胞染色体数目分别为20、18。以白菜为母本、甘蓝为父本，经人工授粉后，将雌蕊离体培养，可得到“白菜甘蓝”杂种幼苗。请回答问题：（1）白菜和甘蓝是两个不同的物种，存在_隔离。自然条件下，这两个物种间不能通过_的方式产生后代。雌蕊离体培养获得“白菜甘蓝”杂种幼苗，所依据的理论基础是植物细胞具有_。,生殖,有性杂交,全能性,练习,（3）二倍体“白菜甘蓝”的染色体数为_。这种植株通常不育，原因是减数分裂过程中_。为使其可育，可通过人工诱导产生四倍体“白菜甘蓝”，这种变异属于_。,染色体变异,没有同源染色体配对的现象,19,（2）为观察“白菜甘蓝”染色体的数目和形态，通常取幼苗的_做临时装片，用_染料染色。观察、计数染色体的最佳时期是_。,醋酸洋红,有丝分裂中期,根（茎）尖,练习,【自主解答】：（1）白菜、甘蓝是两个不同的物种。在自然条件下不能通过杂交的方式产生后代，存在着生殖隔离。（2）有丝分裂中期染色体形态比较固定，数目比较清晰，是观察、计数染色体的最佳时期；幼苗中细胞分裂活动最旺盛的部位是根尖的分生区，可作为观察的材料。实验室里，常用龙胆紫、醋酸洋红对染色体进行染色，便于观察。（3）人工授粉后的雌蕊进行离体培养后发育成杂种幼苗，得到的“白菜甘蓝”是异源二倍体，染色体数是2n=10+9=19，由于杂种体内没有同源染色体，在减数分裂时不能联会，不能形成正常的配子，通常不育；可用秋水仙素处理使染色体数目加倍得到可育的四倍体“白菜甘蓝”。,10.（2009莱芜）设计植物体细胞杂交实验时，如果期望获得性状优良的作物新品种，不需要考虑的是(),【解析】:选A。植物体细胞的杂交，要考虑到如何融合，即技术问题。要选择相应所需性状的个体细胞作为材料。而杂交目的是为了获取杂种植株，所以要考虑愈伤组织的诱导和再分化，植物组织培养过程即无性繁殖过程，不用考虑生殖隔离问题，打破生殖隔离是体细胞杂交的优点。,A.亲本细胞的生殖隔离问题B.选择具有优良性状的亲本C.亲本细胞的融合技术D.杂种细胞愈伤组织的诱导和再分化,练习,A,11.植物体细胞杂交可以解决不同生物之间的什么问题(),【解析】选B。植物体细胞杂交是把两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且将杂种细胞培育成新的植物体的方法。同传统有性杂交相比，植物体细胞杂交在一定程度上突破物种界限，大大拓展了可用于杂交的亲本组合。,A.地理隔离B.生殖隔离C.细胞分化D.种属不同,练习,B,植物细胞工程的实际应用,一、植物繁殖的新途径,1.微型繁殖：(1)微型繁殖技术:快速繁殖优良品种的植物组织培养技术.(2)特点:保持优良品种的遗传特性;高效快速地实现种苗的大量繁殖.,长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致作物产量降低，品质变差，而植物的分生区一般不会感染病毒，用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗。,（2）材料:分生区（如茎尖）的细胞（3）脱毒苗:切取茎尖进行组织培养获得,2.作物脱毒：,（1）作物脱毒的原因:,脱毒甘蔗（右）与未脱毒甘蔗的对比,3.神奇的人工种子：,人工种子：用组培技术获得具有胚芽、胚轴、胚根等结构的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，并用人工