高中生物选修3专题二 细胞工程

1、1 1、概念、概念: : 应用的原理和方法应用的原理和方法 研究的水平研究的水平 研究的目的研究的目的 细胞生物学和分子生物学细胞生物学和分子生物学 细胞整体水平或细胞器水平细胞整体水平或细胞器水平 按照人们的意愿来按照人们的意愿来改变细胞内改变细胞内 的遗传物质的遗传物质或或获得细胞产品获得细胞产品 2 2、分类、分类 植物细胞工程植物细胞工程 动物细胞工程动物细胞工程 专题二专题二 细胞工程细胞工程 所采用技术所采用技术 的理论基础的理论基础 植植 物物 细细 胞胞 工工 程程 通常采用的通常采用的 技 术 手 段技 术 手 段 植物植物组织培养组织培养 植物植物体细胞杂交体细胞杂交 植物

2、细胞的植物细胞的全能性全能性 一、植物细胞工程一、植物细胞工程 胚状体或胚状体或 丛芽丛芽 外植体外植体 植物体植物体 脱分化脱分化 再分化再分化 （一）植物组织培养（一）植物组织培养 过程 过程 （分化）（分化） （未分化）有分生能力（未分化）有分生能力 需光照需光照 幼芽或幼根？幼芽或幼根？ 条件？条件？ 特点？特点？ 适宜温度、无光适宜温度、无光 照、照、 pH和无菌环和无菌环 境。境。 无机、有机成分无机、有机成分 和植物激素（和植物激素（生长生长 素，细胞分裂素素，细胞分裂素和和 赤霉素等赤霉素等） 无定形状态无定形状态 薄壁细胞薄壁细胞 高度液泡化高度液泡化 排列疏松、无规则排列疏

3、松、无规则 分化程度低分化程度低 去分化较易去分化较易 离体的植物离体的植物 器官、组织器官、组织 或细胞或细胞 愈伤组织愈伤组织 原理原理: :植物细胞全能性植物细胞全能性 A B 去掉细胞壁去掉细胞壁 原生质体原生质体A 原生质体原生质体B 原生质体融合原生质体融合 融合原生质体融合原生质体杂种细胞杂种细胞 愈伤组织愈伤组织 杂种植株杂种植株 植物体细胞的融合植物体细胞的融合 原理：细胞膜的流动性原理：细胞膜的流动性 植物组织培养植物组织培养 原理原理: : 植物植物 细胞细胞 的全的全 能性能性 植物植物A A细细 胞胞 植物植物B B细胞细胞 酶解法酶解法 原生质体原生质体A A 原生

4、质体原生质体B B 原生质原生质 体融合体融合 融合原生质融合原生质 体体 再生壁再生壁 杂种细胞杂种细胞 脱分化脱分化 去壁的常用方法：去壁的常用方法： 酶解法酶解法（纤维素酶、果胶酶等）（纤维素酶、果胶酶等） 诱导原生质诱导原生质 体融合方法：体融合方法： 物理方法：物理方法：离心、振动、电刺激等离心、振动、电刺激等 化学方法：化学方法：聚乙二醇（聚乙二醇（PEGPEG） 融合成功的标志融合成功的标志 人工诱导人工诱导 筛选筛选 愈伤组织愈伤组织 杂种植株杂种植株 再分化再分化 1 1、植物体细胞杂交的过程、植物体细胞杂交的过程 与有性杂交（种内）相比，植物体细胞杂交与有性杂交（种内）相比

5、，植物体细胞杂交克服了远克服了远 缘杂交不亲合的障碍缘杂交不亲合的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合，大大扩展了可用于杂交的亲本组合 范围（种间、属间），并且培育出了许多在生产上有较高范围（种间、属间），并且培育出了许多在生产上有较高 应用价值的杂种植株品种。应用价值的杂种植株品种。 u概念：快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，概念：快速繁殖优良品种的植物组织培养技术， 也叫也叫快速繁殖技术快速繁殖技术。 u特点：特点： 繁殖速度快，即具有繁殖速度快，即具有高效性高效性 保持优良品种的遗传特性，即具有保持优良品种的遗传特性，即具有高保真性高保真性 u 原因：无性繁殖的作物，感染的病毒易传播给

6、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。量降低，品质变差。 u 材料：材料：植物分生区（如茎尖）。植物分生区（如茎尖）。 u 方法：切取茎尖进行组织培养，获得方法：切取茎尖进行组织培养，获得脱毒苗脱毒苗。 u技术：技术：组织培养组织培养 u特性：特性：在适宜条件下可以萌发长成幼苗在适宜条件下可以萌发长成幼苗 u优点优点 后代无性状分离，保持优良特性后代无性状分离，保持优良特性 不受季节、气候和地域的限制不受季节、气候和地域的限制 植物组织培养得到的植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、胚

7、状体、不定芽、顶芽、 腋芽腋芽等包裹在人工薄膜（等包裹在人工薄膜（人工种皮人工种皮）内形成的结构）内形成的结构。 （二）作物的新品种培育（二）作物的新品种培育 2.2.突变体的利用突变体的利用 3.3.细胞产物的工厂化生产细胞产物的工厂化生产 某二倍体植物是杂合子，图为其花药中未成熟花粉在某二倍体植物是杂合子，图为其花药中未成熟花粉在 适宜的培养基上培养产生完整植株的过程。据图回答：适宜的培养基上培养产生完整植株的过程。据图回答： （1 1）图中表示的是该花粉培养过程中的）图中表示的是该花粉培养过程中的 过程，表示的是过程，表示的是 过程，过程，X X代表的代表的 是是 ，表示的是，表示的是

8、过程，表示的是诱导过程，表示的是诱导 过程。过程。 （2 2）图中从愈伤组织形成完整植株的途径有两条，具体通）图中从愈伤组织形成完整植株的途径有两条，具体通 过那一条途径主要取决于培养基成分中过那一条途径主要取决于培养基成分中 的的 种类及其浓度配比，最后获得的来源于未成熟花粉的完整种类及其浓度配比，最后获得的来源于未成熟花粉的完整 植株都称植株都称 为为 植株（甲）。未成熟花粉经培养植株（甲）。未成熟花粉经培养 能形成完整植株，说明未成熟花粉具能形成完整植株，说明未成熟花粉具 有有 。 愈伤组织愈伤组织 花药中未花药中未 成熟的花成熟的花 粉粉 丛芽（芽）丛芽（芽） 完整植株完整植株 X 脱

9、分化脱分化 再分化再分化 胚状体胚状体 分化分化( (发育发育) ) 生根生根 激素激素 单倍体单倍体 细胞的全能性细胞的全能性 愈伤组织愈伤组织 花药中未花药中未 成熟的花粉成熟的花粉 丛芽（芽）丛芽（芽） 完整植株完整植株 X （3 3）对植株进行）对植株进行 ，才能使，才能使 其结实产生后代（乙），否则植株甲只有通其结实产生后代（乙），否则植株甲只有通 过过 的方式才能产生后代（丙）。乙、丙两的方式才能产生后代（丙）。乙、丙两 种植株中，能产生可育花粉的是种植株中，能产生可育花粉的是 植株，该植株群植株，该植株群 体中每一植株产生可育花粉的基因组成种类为体中每一植株产生可育花粉的基因组成

10、种类为 种，种， 花药培养在育种上的特殊意义花药培养在育种上的特殊意义 是是 ，从而开辟育种新途径。，从而开辟育种新途径。 染色体加倍处理染色体加倍处理 无性繁殖无性繁殖 乙乙 一一 明显缩短育种年限明显缩短育种年限 基因型为基因型为AaBb的水稻的水稻(具有具有24条染色体条染色体)的花粉通过无菌操作，接入的花粉通过无菌操作，接入 试管后，在一定条件下形成试管苗的育种过程。试管后，在一定条件下形成试管苗的育种过程。 (1)愈伤组织是花粉细胞不断分裂后的形成的不规则细胞团，愈伤组愈伤组织是花粉细胞不断分裂后的形成的不规则细胞团，愈伤组 织形成中，必须从培养基中获得织形成中，必须从培养基中获得_

11、。 (2)要促进花粉细胞分裂生长，培养基中应有要促进花粉细胞分裂生长，培养基中应有_和和_ _两两 类激素。类激素。 (3)愈伤组织分化是指愈伤组织形成芽和根，再由芽发育成叶和茎。愈伤组织分化是指愈伤组织形成芽和根，再由芽发育成叶和茎。 这一过程必须给予光照，其原因是这一过程必须给予光照，其原因是_利用光照制造有利用光照制造有 机物，供试管苗生长。机物，供试管苗生长。 (4)试管苗的细胞核中含有试管苗的细胞核中含有_条脱氧核苷酸链。条脱氧核苷酸链。 (5)培养出的试管基因型有培养出的试管基因型有 。如果要获得育种需。如果要获得育种需 要的植株，并能繁殖新品种，后面的育种步骤是要的植株，并能繁殖

12、新品种，后面的育种步骤是 _。 各种营养各种营养(水、无机盐、蔗糖等能水、无机盐、蔗糖等能 量物质量物质)和小分子有机物和小分子有机物 生长素生长素 细胞分裂素细胞分裂素 叶绿体叶绿体 24 AB、Ab、ab、a 用一定浓度的秋水仙素处理组织培养获得的幼苗用一定浓度的秋水仙素处理组织培养获得的幼苗 二、二、动物细胞工程动物细胞工程 植物细胞工程常用的技术手段：植物细胞工程常用的技术手段： 植物组织培养、植物组织培养、 植物体细胞杂交植物体细胞杂交等等 强调：强调： 是其他动物是其他动物 细胞工程技术的细胞工程技术的基础基础。 动物细胞培养动物细胞培养 动物细胞核移植动物细胞核移植 动物细胞融合

13、动物细胞融合 单克隆抗体制备单克隆抗体制备等等 动物细胞培养技术动物细胞培养技术 回顾：回顾： 常用的技术手段：常用的技术手段： 一、动物细胞培养 (一）概念一）概念:动物细胞培养就动物细胞培养就 是从动物体内取出相关的组是从动物体内取出相关的组 织，将它分散成单个细胞，织，将它分散成单个细胞， 然后，放在适宜的培养基中，然后，放在适宜的培养基中， 让这些细胞生长和增殖。让这些细胞生长和增殖。 原理：原理： 细胞增殖细胞增殖 有关概念 细胞贴壁细胞贴壁悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上， 称为细胞贴壁。称为细胞贴壁。 细胞的接触抑制细胞的接触抑制当贴壁细胞分

14、裂生长到表面相当贴壁细胞分裂生长到表面相 互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称 为细胞的接触抑制。为细胞的接触抑制。 原代培养原代培养从机体取出后立即培养的细胞为原代细从机体取出后立即培养的细胞为原代细 胞。动物组织消化后的初次培养称为原代培养。胞。动物组织消化后的初次培养称为原代培养。 传代培养传代培养将原代细胞从培养瓶中取出，配制成细将原代细胞从培养瓶中取出，配制成细 胞悬浮液，分装到两个或两个以上的培养瓶中继胞悬浮液，分装到两个或两个以上的培养瓶中继 续培养，称为传代培养。续培养，称为传代培养。 （二）动物细胞培（二）动物细胞培 养过程养过

15、程 动物胚胎或幼龄动物动物胚胎或幼龄动物 的组织、器官的组织、器官 配置细胞悬液配置细胞悬液 剪碎用胰蛋白酶处理剪碎用胰蛋白酶处理 1010代细胞代细胞 转入培养瓶转入培养瓶 40-5040-50代细胞代细胞 传传 代代 培培 养养 无限传代无限传代 单个细胞单个细胞 加培养液稀释加培养液稀释 传代传代1010代以内，代以内，遗传物质不改变，遗传物质不改变， 保持保持正常正常二倍体核型二倍体核型。 传代传代10-5010-50代左右，增长缓慢以代左右，增长缓慢以 至于完全停止，至于完全停止，部分细胞核型可部分细胞核型可 能发生变化能发生变化（遗传物质可能改变（遗传物质可能改变） 为什么用胰蛋白

16、酶处理？为什么用胰蛋白酶处理？ 分瓶分瓶传代培养传代培养 原代培养特点：原代培养特点：细胞贴壁、细胞贴壁、 接触抑制接触抑制 继续传代培养少部分细胞继续传代培养少部分细胞获得不获得不 死性死性，细胞突变细胞突变，遗传物质已经遗传物质已经 改变改变，等同于癌细胞等同于癌细胞。 细胞株：细胞株：一般说一般说 遗传物质未改变遗传物质未改变 细胞系：细胞系： 遗传物遗传物 质已改质已改 变变 原原 代代 培培 养养 动物细胞培养不能动物细胞培养不能 最终培养成动物体最终培养成动物体 动物细胞培养的条件动物细胞培养的条件: : 1 1）无菌无毒）无菌无毒 的环境：的环境： 适宜的温度：适宜的温度：36.

17、536.50.50.5。 适宜的酸碱度：适宜的酸碱度：PHPH：7.2-7.47.2-7.4 液体合成培养基：液体合成培养基：葡萄糖、氨基酸、水葡萄糖、氨基酸、水 无机盐、维生素、微量元素无机盐、维生素、微量元素等；通常等；通常 还需加入还需加入血浆、血清等血浆、血清等天然成分。天然成分。 4 4）气体环境：）气体环境： 2 2）营养：）营养： 3 3）温度和）温度和pHpH： “95“95空气空气+5+5COCO2 2” ”的混合气体培的混合气体培 养箱。养箱。氧氧气是细胞代谢必须的；气是细胞代谢必须的； COCO2 2维持培养液的维持培养液的PHPH。 无菌处理；无菌处理； 培养液中添加抗

18、生素；培养液中添加抗生素； 定期更换培养液。定期更换培养液。 大规模培养生产蛋白质生物制品（病毒疫苗、干大规模培养生产蛋白质生物制品（病毒疫苗、干 扰素、单克隆抗体）扰素、单克隆抗体） 获得大量自体的皮肤细胞，解决烧伤病人的植皮获得大量自体的皮肤细胞，解决烧伤病人的植皮 问题问题 检测有毒物质，判断某种物质的细胞毒性检测有毒物质，判断某种物质的细胞毒性 筛选抗癌药物，为治疗和预防癌症及其他疾病提筛选抗癌药物，为治疗和预防癌症及其他疾病提 供理论依据供理论依据 （四）动物细胞培养技术的应用（四）动物细胞培养技术的应用 植物组织培养和动物细胞培养的比较植物组织培养和动物细胞培养的比较 项目项目培养

19、基培养基结果结果应用应用 植物组植物组 织培养织培养 动物细动物细 胞培养胞培养 均需适宜的外界条件：均需适宜的外界条件：PH,PH,温度温度, ,营养及营养及“无菌、无菌、 无毒环境无毒环境”等等 固体固体、营养物、营养物 质、质、蔗糖、植蔗糖、植 物激素物激素 培养成培养成 植株植株 液体液体、营养物、营养物 质、质、葡萄糖、葡萄糖、 动物血清动物血清 培育成细培育成细 胞系或细胞系或细 胞株胞株 1.1.生产蛋白质制品生产蛋白质制品 （如病毒疫苗、干扰素（如病毒疫苗、干扰素、 单克隆抗体单克隆抗体、动物激素）、动物激素） 2.2.检测有毒物质等检测有毒物质等 1.1.试管苗的快速繁殖试管

20、苗的快速繁殖 2.2.无病毒植物的培育无病毒植物的培育 3.3.生产药物等生产药物等 4.4.人工种子（见资料）人工种子（见资料） 5.5.转基因植物的培育转基因植物的培育 （一）概念（一）概念 动物细胞核移植技术是将动物的一个细胞的细胞核，移动物细胞核移植技术是将动物的一个细胞的细胞核，移 入到一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成入到一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成 一个新的胚胎，该胚胎最终发育成完整的动物个体。一个新的胚胎，该胚胎最终发育成完整的动物个体。 （二）类型（二）类型 胚胎细胞核移植、体细胞核移胚胎细胞核移植、体细胞核移 植植 u利用核移植技术得到的动

21、物称为利用核移植技术得到的动物称为克隆动物克隆动物。 克隆是指生物体通过体细胞进行克隆是指生物体通过体细胞进行 的无性繁殖，以及由无性繁殖形的无性繁殖，以及由无性繁殖形 成的基因型完全相同的后代个体成的基因型完全相同的后代个体 组成的种群。组成的种群。 例如：由同一个祖先细例如：由同一个祖先细 胞分裂繁殖而形成的纯胞分裂繁殖而形成的纯 细胞系（每个基因彼此细胞系（每个基因彼此 相同）。相同）。 取供体细胞取供体细胞 传代培养传代培养1010代代 以内的细胞以内的细胞. . 为什么？为什么？ 用的是去用的是去 核的减数核的减数 第二次分第二次分 裂中期细裂中期细 胞（胞（M中中 期期）为什）为什

22、 么？么？激活方法：激活方法： 激活目的：激活目的： 促融方法：促融方法： 电刺激电刺激 胚胎移植至胚胎移植至 代孕受体内代孕受体内 妊娠、分娩妊娠、分娩 三）核移植流程三）核移植流程 供体：优质高产奶牛供体：优质高产奶牛 受体：普通奶牛（卵受体：普通奶牛（卵 母细胞的采集与培养）母细胞的采集与培养） 1.体积大，易体积大，易 操作。操作。2.含有含有 促使细胞核表促使细胞核表 达全能性的物达全能性的物 质和营养条件。质和营养条件。 1. 1.克隆动物作为生物反应器，生产医用蛋白克隆动物作为生物反应器，生产医用蛋白 2. 2.改良动物品种改良动物品种 3. 3.治疗人类疾病，作为供体治疗人类疾

23、病，作为供体 4. 4.保护濒危动物保护濒危动物 四）四）.体细胞核移植技术的应用前景体细胞核移植技术的应用前景 1、克隆技术本身还不成熟，成功率低；、克隆技术本身还不成熟，成功率低； 2、克隆胚胎经常出现遗传发育问题；、克隆胚胎经常出现遗传发育问题； 许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷，如许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷，如 体型过大，异常肥胖，发育困难，脏器缺体型过大，异常肥胖，发育困难，脏器缺 陷，免疫失调等。陷，免疫失调等。 3、克隆人的社会伦理问题；、克隆人的社会伦理问题； 五）体细胞核移植技术存在的问题五）体细胞核移植技术存在的问题 （一）动物细胞融合技术（一）动物细胞融合技术 动物

24、细胞融合也称细胞杂交，指两个或多个动动物细胞融合也称细胞杂交，指两个或多个动 物细胞结合形成一个细胞的过程。物细胞结合形成一个细胞的过程。 u融合后形成的具有两个或多个细胞遗传信息的单融合后形成的具有两个或多个细胞遗传信息的单 核细胞，称为核细胞，称为杂交细胞杂交细胞。 1 1、概念、概念 2 2、过程、过程 不同不同DNA的两个细胞的两个细胞 灭活病毒灭活病毒诱导细胞融合诱导细胞融合 （先质后核）（先质后核） 融合后的杂交细胞进融合后的杂交细胞进 行有丝分裂行有丝分裂 （丧失感染性、保留抗原结构）（丧失感染性、保留抗原结构） 3、实现动物细胞融合有什么、实现动物细胞融合有什么意义意义呢？呢？

25、 打破生殖隔离，使远缘杂交成为可能；打破生殖隔离，使远缘杂交成为可能； 重要用途：重要用途： 获得获得杂种植株杂种植株用途用途 物理、化学方物理、化学方 法法（同左）（同左） 生物：灭活的病毒生物：灭活的病毒 物理（离心、物理（离心、 振荡、电刺激）振荡、电刺激） 化学（化学（PEGPEG） 诱导方法诱导方法 使细胞使细胞分散后分散后 诱诱导细胞融合导细胞融合 去除细胞壁后诱去除细胞壁后诱 导导原生质体融合原生质体融合 细胞融合细胞融合 的方法的方法 细胞膜的细胞膜的 流动性流动性 细胞膜的细胞膜的流动性流动性、 植物细胞植物细胞全能性全能性 原理原理 动物细胞融合动物细胞融合植物体细胞杂交植

26、物体细胞杂交 比较项目比较项目 植物体细胞杂交、动物细胞融合的比较植物体细胞杂交、动物细胞融合的比较 主要用于制备主要用于制备 单克隆抗体单克隆抗体 抗原抗原 动物体内动物体内 刺激刺激 效应效应B 抗体抗体 特点：产量低、特异性差、纯度低、反应不够灵敏特点：产量低、特异性差、纯度低、反应不够灵敏 （二）单克隆抗体（二）单克隆抗体 1 1、常规抗体制备、常规抗体制备： 一个一个B B淋巴细胞淋巴细胞：只分泌一种：只分泌一种特异性抗体特异性抗体 2、单克隆抗体制备：、单克隆抗体制备： 杂交瘤细胞杂交瘤细胞 小鼠小鼠骨髓瘤细胞骨髓瘤细胞：能：能无限增殖无限增殖 融合融合 单克隆抗体单克隆抗体 培养

27、培养 1.单克隆抗体制备过程单克隆抗体制备过程 诱导其融合的方法有哪些？诱导其融合的方法有哪些？ 原理原理 / 意义是意义是 融合后培养液中有几种细胞融合后培养液中有几种细胞 怎样筛选出杂交瘤细胞，杂交怎样筛选出杂交瘤细胞，杂交 瘤细胞有何优点瘤细胞有何优点 注射抗原的目的是什么注射抗原的目的是什么 为何要进行克隆化培养和专为何要进行克隆化培养和专 一抗体检测，多次筛选一抗体检测，多次筛选 优点优点:特异性强灵敏度高特异性强灵敏度高,可大量制备可大量制备 应用应用:诊断试剂诊断试剂,治疗疾病和运载药物治疗疾病和运载药物 单单 克克 隆隆 抗抗 体体 动物细胞动物细胞 融合技术融合技术 B 、B

28、B 、B瘤瘤 、瘤瘤、瘤瘤 、瘤、瘤 只有杂种细只有杂种细 胞才能活胞才能活 动物细胞培养动物细胞培养 3.3.单克隆抗体制单克隆抗体制 备过程备过程 获得产生相应抗获得产生相应抗 体的体的B淋巴细胞淋巴细胞 主要用于疾病的诊断、治疗和预防。主要用于疾病的诊断、治疗和预防。 若在单抗上带上抗癌药物制成若在单抗上带上抗癌药物制成“生物导弹生物导弹”， 将药物将药物定向定向带到癌细胞所在部位，既消灭了癌带到癌细胞所在部位，既消灭了癌 细胞又不会伤害健康细胞。细胞又不会伤害健康细胞。 特点：与常规抗体相比，具有特点：与常规抗体相比，具有特异性强、灵敏特异性强、灵敏 度高、化学性质单一度高、化学性质单

29、一的优点。的优点。 4.单克隆抗体的应用：单克隆抗体的应用： 单克隆抗体是指：单克隆抗体是指：杂交瘤细胞产生的单一抗体杂交瘤细胞产生的单一抗体 1 1下图是单克隆抗体制备流程阶段示意图。下图是单克隆抗体制备流程阶段示意图。 （1 1）_技术是单克隆抗体技术的基础。技术是单克隆抗体技术的基础。 （2 2）根据培养基的用途分类，图中）根据培养基的用途分类，图中HATHAT培养基属于培养基属于_培养培养 基。基。 （3 3）单克隆抗体与常规的血清抗体相比，最大的优越性是）单克隆抗体与常规的血清抗体相比，最大的优越性是 _。 （4 4）动物细胞融合除了采用植物细胞原生质体融合常用的诱导剂）动物细胞融合除了采用植物细胞原生质体融合常用的诱导剂 外，还可以采用外，还可以采用_。 动物细胞培养动物细胞培养 选择选择 特异性强特异性强,灵敏度高灵敏度高 灭活的病毒灭活的病毒 （5）选出的杂交瘤细