第二章-细胞工程-第1节-植物细胞工程

第1节植物细胞工程一、细胞工程概念及植物组织培养技术1．细胞工程的含义原理和方法细胞生物学、分子生物学和发育生物学等操作水平细胞水平、细胞器水平或组织水平目的获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品分类植物细胞工程和动物细胞工程2.细胞的全能性(1)定义：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。(2)在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。3．植物组织培养技术(1)概念：将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。(2)理论基础：植物细胞的全能性。(3)前提：离体的植物器官、组织或细胞等。(4)条件：激素、人工配制的培养基上、适宜的培养条件。(5)结果：脱分化形成愈伤组织，再诱导其再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。(6)相关概念①外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。②脱分化：已经分化的细胞，在一定激素和营养等条件的诱导下，失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞。③愈伤组织：脱分化而形成的不定形的薄壁组织团块。④再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。4．菊花的组织培养【归纳总结】生长素和细胞分裂素的用量生长素/细胞分裂素的比值作用效果比值高时促进根的分化、抑制芽的形成比值低时促进芽的分化、抑制根的形成比值适中时促进愈伤组织的形成【强化记忆】1．植物细胞具有全能性的原因是什么？提示植物细胞具有本物种的全部遗传信息。2．在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官的原因是在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择地表达。3．请用流程图的形式写出植物组织培养的过程。提示外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(再分化))胚状体eq\o(→,\s\up7(诱导))生芽eq\o(→,\s\up7(诱导))生根eq\o(→,\s\up7(诱导))试管苗。4．在菊花组织培养过程中，在愈伤组织的诱导阶段往往要避光培养，有利于细胞脱分化产生愈伤组织(如果是在光照条件下，容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织)。当愈伤组织分化出芽和叶时，一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。二、植物体细胞杂交技术1．概念：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。2．过程(1)去壁：用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁，获得原生质体。(2)人工诱导原生质体融合的方法①物理法：电融合法、离心法等。②化学法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。3．植物体细胞杂交的原理原生质体融合的过程利用了细胞膜的流动性，杂种细胞发育成杂种植株利用了植物细胞的全能性。4．意义：打破生殖隔离、实现远缘杂交育种，培育植物新品种。5．实例：白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草，多种柑橘属不同种间的杂种植株。【强化记忆】1．通过植物体细胞杂交获得的杂种植株具有双亲的性状，因此有同学认为“该项技术为有性生殖”，你同意他的观点吗？提示不同意，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的形成和结合，应属于无性繁殖。2．若A细胞具有2x条染色体，2个染色体组，基因型为Aabb。B细胞含有2y条染色体，2个染色体组，基因型为ccDd，则通过植物体细胞杂交技术获得的新植株的染色体条数：2x＋2y；染色体组数：4个；基因型：AabbccDd；属于可遗传变异类型中的染色体数目变异。3．科学家培育出了“番茄—马铃薯”杂种植株，但并没有获得预期的性状，主要原因是生物基因的表达不是孤立的，两个物种的遗传物质的表达受到相互干扰。三、植物繁殖的新途径1．快速繁殖(1)概念：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫作微型繁殖技术。(2)特点eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①高效、快速地实现种苗的大量繁殖,②无性繁殖，保持优良品种的遗传特性,③可实现产业化生产))(3)实例：一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。甘蔗、桉树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。2．作物脱毒(1)选材部位：植物顶端分生区附近的部位(如茎尖)。(2)优点：提高作物的产量和品质。(3)实例：采用茎尖组织培养技术脱去病毒，已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。【强化记忆】1．经植物组织培养技术培育出的脱毒苗抗病毒吗？提示不抗病毒。“脱毒”与“抗毒”不同，前者指的是本身病毒少，甚至无病毒，受病毒感染的机会少，而后者指的是能抵抗病毒的感染。2．从植物体上获取的任何细胞，经组织培养得到的植株与亲本性状一定都完全一致吗？提示不一定。若培养植物的花粉细胞，得到的是单倍体，与亲本性状不完全一致。四、作物新品种的培育和细胞产物的工厂化生产1．单倍体育种(1)原理：细胞的全能性和染色体变异。(2)过程：花药(或花粉)eq\o(→,\s\up7(离体培养))单倍体植株eq\o(→,\s\up7(人工诱导),\s\do5(染色体加倍))纯合二倍体植株eq\o(→,\s\up7(选择))优良品种。(3)优点①子代是能稳定遗传的纯合子。②极大地缩短了育种的年限。③是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。(4)实例①世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。②单倍体育种与常规育种相结合的新品种：水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等。2．突变体的利用(1)原理：在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。(2)过程(3)利用：筛选出有用的突变体，培育新品种。如培育抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体。(4)实例：抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。3．细胞产物的工厂化生产(1)细胞产物类型①初生代谢物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，在整个生命过程中一直进行着。初生代谢物是通过初生代谢产生的，自身生长繁殖所必需的物质，如糖类、脂质、蛋白质和核酸等。②次生代谢物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下进行，在该过程中产生的一类小分子有机化合物就是次生代谢物，如酚类、萜类和含氮化合物等。(2)技术：植物细胞培养，指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。(3)过程(4)实例：人参、三七、紫草和红豆杉的细胞产物都已实现工厂化生产。(5)意义：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。【强化记忆】1．回答与单倍体育种有关的问题：(1)以流程图的形式表示单倍体育种过程。提示正常植株→花药eq\o(→,\s\up7(离体培养))单倍体幼苗eq\o(→,\s\up7(秋水仙素),\s\do5(处理))纯合子→选择所需类型。(2)该过程利用了什么原理？提示利用了植物细胞的全能性和染色体(数目)变异的原理。2．回答与突变体的利用有关的问题：突变体的利用过程如图所示：诱变处理↓外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织→突变体eq\o(→,\s\up7(筛选培育))新品种↑诱导分化请据图分析：(1)突变体育种的原理是什么？提示基因突变和植物细胞的全能性。(2)在培养至愈伤组织时进行诱变处理的原因是什么？提示愈伤组织细胞分裂旺盛，一直处于不断增殖的状态，此时易发生基因突变。(3)诱导分化得到的突变体都可以利用吗？为什么？提示大都不可以。因为基因突变具有多害少利性，即得到的突变体大多是有害的。3．细胞产物的工厂化生产(1)与传统的从植物体内提取相比，工厂化生产细胞产物有哪些优点？提示不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制。(2)为什么不能从植物体内直接提取？提示由于植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。【必背知识】植物细胞工程的应用eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(植物繁殖的新途径\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(快速繁殖,作物脱毒)),作物新品种的培育\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(单倍体育种,突变体的利用)),细胞产物的工厂化生产\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(紫草宁,紫杉醇,人参皂苷))))1．植物组织培养技术的理论基础是植物细胞的全能性。2．植物组织培养的基本过程：外植体eq\o(→,\s\up7(脱分化))愈伤组织eq\o(→,\s\up7(再分化))胚状体eq\o(→,\s\up7(诱导))生芽、生根→植株。3．植物体细胞杂交技术的理论基础是细胞膜的流动性和细胞的全能性。4．去除细胞壁制备原生质体用到的酶是纤维素酶和果胶酶。5．人工诱导原生质体融合的方法有物理法(电融合法、离心法等)和化学法[聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等]。6．植物体细胞杂交技术打破生殖隔离，实现远缘杂交育种。7．植物的快速繁殖技术不仅可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性。8．植物顶端分生区附近(如茎尖)的病毒极少，甚至无病毒，因此，切取