细胞工程-高考生物学考前三个月速记清单

（16）细胞工程（16）细胞工程【必备知识】考点1植物细胞工程一、细胞工程的概念与分类1.概念（1）原理和方法：细胞生物学和分子生物学。（2）操作水平：细胞水平或细胞器水平。（3）目的：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。2.种类根据操作对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。二、植物组织培养技术1.原理：植物细胞的全能性。2.过程3.脱分化：已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细胞的过程。4.植物组织培养的条件（1）外植体的选择：外植体脱分化的难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而不同。一般来说，植物的花和幼嫩的组织脱分化相对比较容易，而植物的茎、叶和成熟的组织相对较难。（2）无菌操作：植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染，所有实验用具要严格灭菌，接种过程要进行严格的无菌操作。（3）光照的控制：对于植物组织培养来说，光照条件非常重要。①脱分化阶段：避光培养，有利于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）。②再分化阶段：一定要有光照，有利于叶片内叶绿素的合成。5.过程外植体的消毒：将流水冲洗后的外植体用酒精消毒30s，用无菌水清洗2～3次后，再用次氯酸钠溶液处理30min，用无菌水清洗2～3次。↓外植体的分割：用无菌滤纸吸去表面的水分，用解剖刀将外植体切成0.5～1cm长的小段。↓接种：在酒精灯火焰旁，将外植体的1/3～1/2插入诱导愈伤组织的培养基中。↓培养：将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于18～22℃的培养箱中培养。定期观察和记录愈伤组织的生长情况。↓转移培养：将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。↓移栽：将试管苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩上，壮苗后再移栽入土。6.植物组织培养过程中应注意的问题（1）灭菌①所有的实验用具需要严格灭菌。②接种过程中，实验人员须进行严格的无菌操作。（2）严格控制光照在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养，而在分化再生的阶段一定要有光照。因为暗培养有利于细胞的脱分化，产生愈伤组织，若有光照则容易分化产生维管组织，不利于产生大量的愈伤组织三、植物体细胞杂交1.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。2.原理：植物体细胞融合依据的生物学原理是细胞膜的流动性，植物组织培养的理论基础是细胞的全能性。3.过程步骤做法①原生质体的获得酶解法（纤维素酶、果胶酶）去除细胞壁，得到原生质体②杂种细胞的形成通过一定的技术手段（物理法：离心、振动、电激等；化学法：用聚乙二醇等作为诱导剂）进行人工诱导，实现原生质体的融合③杂种植株的产生对杂种细胞，用植物组织培养的方法进行培育（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）诱导原生质体融合的方法：①物理法：离心、振动、电激等。②化学法：用聚乙二醇（PEG）诱导。（3）融合成功的标志：杂种原生质体再生出细胞壁。4.意义：克服不同种生物远缘杂交的不亲和性。5.植物体细胞杂交技术的应用植物体细胞杂交克服了植物远缘杂交不亲和的障碍，可以定向地改良生物性状，在培育作物新品种方面具有广阔的应用前景。如科学家已经培育出了白菜—甘蓝、烟草—海岛烟草、胡萝卜—羊角芹等种间或属间杂种。但是目前仍有许多理论和技术问题没有解决，离推广应用仍有一定距离。四、植物细胞工程的应用1.植物繁殖的新途径（1）微型繁殖①本质：微型繁殖只运用了植物组织培养技术，该过程只涉及有丝分裂，没有减数分裂，因而属于无性繁殖。②优点：使用材料少，培养周期短，繁殖率高，便于自动化管理，有利于进行工厂化培养。③应用：兰花、甘蔗、桉树、铁皮石斛等。（2）作物脱毒①病毒的特点：病毒是寄生性生物，在用种子繁殖或用植物根、茎无性繁殖过程中，种子、根、茎的细胞中可能携带着病毒并传给下一代，使其繁殖的子代感染病毒。②材料的选取：据检测，植物的分生组织细胞中一般是不含病毒的。如果未被病毒感染的植株的分生组织用植物组织培养的方法培育幼苗，用于生产，可以避免病毒对作物的影响，大大提高作物的产量。③应用：马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝、香蕉等。2.作物新品种的培育（1）单倍体育种①过程：花药离体培养→单倍体幼苗→秋水仙素处理→获得性状稳定遗传的植株。②原理：植物细胞的全能性。③方法：植物的组织培养技术及染色体变异。④优点：a单倍体经过染色体加倍，获得的后代为纯合子，可明显缩短育种年限（一般为2年）。b用单倍体作为转基因的受体，获得的转基因材料经染色体加倍后基因即可纯合，避免了体细胞作为受体导致后代发生性状分离需要多代选择的麻烦。⑤缺点：技术相当复杂，需要与杂交育种结合，其中的花药离体培养过程需要组织培养技术的支持，多限于植物。⑥应用a我国培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育1号烟草。b与常规育种结合，培育出水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。（2）突变体的利用①产生：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而易受到培养条件和外界诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。②利用：从产生突变的个体中筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。3.细胞产物的工厂化生产（1）次生代谢物①定义:不是植物基本生命活动所必需的产物。②种类:小分子有机化合物，如酚类、萜类和含氮化合物等。③作用:在植物抗病、抗虫等方面发挥重要作用，还是药物、香料和色素等的重要来源。（2）方法:对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖。（3）优势:不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，对于社会、经济、环境保护具有重要意义。（4）应用：紫杉醇、紫草宁、人参皂苷等。考点2动物细胞工程一、动物细胞培养1.概念：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。2.培养过程3.相关概念（1）细胞贴壁：细胞悬液中分散的细胞贴附在瓶壁上。（2）细胞的接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞停止分裂增殖的现象。（3）原代培养：指动物组织消化后的初次培养。（4）传代培养：贴壁的细胞，出现接触抑制后，需要重新用胰蛋白酶来处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖的培养过程。（5）细胞株：传代培养的细胞能传到10～50代，这样的传代细胞称为细胞株。（6）细胞系：传代培养的细胞在传到50代后，有部分细胞的遗传物质发生了改变，获得不死性，这种具有癌变特点的细胞称为细胞系。4.培养条件（1）无菌、无毒的环境：培养液和所有的培养用具要进行无菌处理；通常还要在培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染；应定期更换培养液，防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。（2）营养：主要有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。在使用含有上述成分的合成培养基时，通常需加入血清、血浆等天然成分。（3）温度和pH：哺乳动物多以36.5±0.5℃为宜，多数细胞生存的适宜pH为7.2～7.4。（4）气体环境：95%空气＋5%CO2，O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。二、干细胞的培养及其应用1.干细胞功能：在一定条件下，可以分化成其他类型的细胞。2.干细胞的存在：早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。3.种类来源功能及应用胚胎干细胞（ES细胞）早期胚胎能够分化成为动物体内的任何细胞，并进一步形成组织、器官甚至生物个体成体干细胞成体组织或器官只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的潜能诱导多能干细胞（iPS细胞）体外诱导体细胞产生能分化成为具有特定功能的细胞，用于治疗疾病三、动物细胞融合1.概念：动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。2.原理：细胞膜的流动性。3.诱导融合的三种方法（1）物理法：例如电激等。（2）化学法：例如聚乙二醇。（3）生物法：例如灭活的病毒。4.过程5.形成单核杂交细胞，具有原来两个或多个细胞的遗传信息，可表现出两个或多个亲本的特点。6.意义：突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。7.动物细胞融合技术的应用（1）成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育等的重要手段。（2）用于制备单克隆抗体。四、单克隆抗体1.传统抗体的制备（1）①向动物体内反复注射某种抗原，使动物产生抗体；②从动物血清中分离所需抗体。（2）缺点：产量低、纯度低、特异性差。2.单克隆抗体的制备（1）存在问题：B淋巴细胞能产生特异性抗体但不能无限增殖；骨髓瘤细胞能无限增殖，但不能产生抗体。（2）解决思路：将B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合为杂交瘤细胞。（3）制备过程①第一步：向免疫小鼠体内注射特定的抗原蛋白，然后从小鼠体内获得已免疫的B淋巴细胞；该细胞能产生单一抗体。②第二步：用电激法、聚乙二醇法、灭活的病毒法等，诱导两种细胞发生融合，这时得到的融合细胞除了杂交瘤细胞，还有B淋巴细胞相互融合的细胞和骨髓瘤细胞相互融合的细胞。③第三步：用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞。然后再从杂交瘤细胞群中选出能产生特定抗体的杂交瘤细胞。这时的杂交瘤细胞既能分泌抗体又能大量增殖。④第四步：克隆化培养杂交瘤细胞。⑤第五步：将杂交瘤细胞在体外培养或注射到小鼠腹腔内增殖，从细胞培养液或小鼠的腹水中提取单克隆抗体。（4）单克隆抗体的特点：特异性强、灵敏度高，并可大量制备。（5）单克隆抗体制备过程中的筛选及原因①第一次筛选是在B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合之后，筛选出杂交瘤细胞，淘汰未融合细胞和同种细胞融合而成的细胞。②第二次筛选需先在多孔培养板上培养，在每个孔只有一个杂交瘤细胞的情况下开始培养，然后再筛选出能产生特异性抗体的细胞群。由于该细胞群是由单个杂交瘤细胞克隆来的，所以产生的抗体一定是化学性质单一、特异性强的单克隆抗体。（6）单克隆抗体的应用①作为诊断试剂：能准确识别各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。②用于治疗疾病和运载药物a单独使用：直接用于癌症或其他疾病的治疗（作为药物本身）。b综合使用：与放射性同位素、细胞毒素或化学药物结合制成“生物导弹”，主要用于治疗癌症，也可用于治疗其他疾病。五、动物体细胞核移植技术和克隆动物1.动物核移植概念（1）供体：动物一个细胞的细胞核。（2）受体：去掉细胞核的卵母细胞。（3）结果：形成重组胚胎，发育成动物个体。2.类型：胚胎细胞核移植体、细胞核移植。3.体细胞核移植的过程4.克隆动物的特点（1）克隆动物的性状与核供体生物的性状基本相同，但不是完全相同，原因是：①克隆动物的细胞质遗传物质来自于受体卵母细胞；②生物的性状不仅与遗传物质有关，还受环境影响。（2）核基因是供体核基因的100%的复制。（3）克隆动物是一种无性繁殖方式。5.克隆的层次（1）分子水平：如DNA复制；（2）细胞水平：动物细胞培养；（3）个体水平：克隆羊“多利”的诞生。6.体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题（1）应用前景①畜牧业:加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。②医药卫生:通过建立转基因体细胞系，再利用体细胞核移植技术培育的转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白。③治疗人类疾病:a转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体。b以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时，可以避免免疫排斥反应。c研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程。d克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因。e克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。④保护濒危物种:该技术有望增加濒危物种的存活数量。（2）存在问题①体细胞核移植技术的成功率非常低。②克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷等。考点3体内受精一、胚胎工程1.操作对象：生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞。2.移植过程：将胚胎移植到雌性动物体内。3.目的：生产后代,满足人类的各种需求。4.处理技术：体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。二、精子和卵子的发生1.精子的发生（1）场所：睾丸。（2）时期：从初情期开始，直到生殖机能衰退。（3）形成过程：（4）精子的变形（包括头、颈、尾）：2.卵子的发生（1）场所：卵巢。（2）时期：动物的胚胎在性别分化以后。（3）卵子发生的过程三、受精1.概念：精子与卵子结合形成合子的过程。2.场所：输卵管。3.受精标志：在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。4.过程（1）受精前的两个准备①精子获能：精液由精子和精清（精浆）两部分组成。精清中含有一种能抑制精子获能的物质，因此，在一般情况下，精液中的精子无法获能。只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时，由生殖道分泌产生一种物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。②卵子的准备：在输卵管中发育到减数第二次分裂的中期，才具有与精子受精的能力。（2）受精阶段：5.受精的标志：在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。6.受精过程中关键点的解读（1）刚刚排出的精子，不能立即与卵子受精，精子需要在雌性生殖道内发生相应的生理变化，如呼吸速率增强、膜代谢加强、运动形式改变等，然后才能获得受精的能力。（2）精子、卵子受精过程中发生顶体反应、透明带反应和卵细胞膜反应。（3）通过顶体反应形成精子穿越放射冠和透明带的通路。（4）防止多精入卵有两道屏障，一是透明带反应，二是卵细胞膜反应。通过两道屏障保证受精卵中遗传物质与亲代体细胞一致，从而保证遗传的稳定性。（5）卵子受精的标志是在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体；受精过程结束的标志是雌、雄原核融合形成合子。考点4早期胚胎发育一、卵裂期特点项目变化细胞数目增多每个细胞体积减小总体积基本不变DNA总量增多每个细胞DNA基本不变有机物总量（能量）减少物质种类增多二、早期胚胎发育的几个阶段及特点1.卵裂期（1）场所：最初在输卵管，后移入子宫。（2）分裂方式：有丝分裂。（3）特点：卵裂速度快，细胞未生长即进入下次分裂。DNA、细胞的数量不断增加，每个细胞体积越来越小，但胚胎的总体积并不增加或略有缩小，有机物的种类增加而含量降低。2.桑椹胚卵裂形成32个细胞左右的胚，每一个细胞都属于全能细胞。3.囊胚（1）组成：内细胞团（内部细胞）、滋养层细胞（外部细胞）、囊胚腔。（2）特点：细胞已分化。（3）分化结果：内细胞团将来发育为胎儿的各种组织，滋养层细胞将来发育为胎膜和胎盘。4.原肠胚：内细胞团表层的细胞形成外胚层，下方的细胞形成内胚层，出现原肠腔。考点5体外受精一、试管动物技术1.概念：通过人工操作使卵子和精子在体外条件下成熟和受精，并通过培养发育为早期胚胎后，再经移植产生后代的技术。2.重要应用——良种培育：实现良种动物的快速大量繁殖。3.技术手段：首先要做的是体外受精和早期胚胎的培养。二、体外受精1.基本步骤：卵母细胞的采集和培养、精子的采集和获能、受精。2.过程【技法提升】一、比较自然受精、人工授精和体外受精的异同点项目自然受精人工授精体外受精不同点过程不同雌雄动物交配完成用人工的方法将公畜的精液注入母畜生殖道内，完成受精人工获取精子、卵子，在体外培养液中完成受精过程场所不同雌性动物输卵管中雌性动物输卵管中体外培养液中相同点（1）精子获能、卵子成熟后方能完成受精过程；（2）都是有性生殖二、试管动物和克隆动物的比较项目试管动物克隆动物技术原理或手段体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植细胞核的全能性、核移植、胚胎移植等生殖方式有性生殖无性生殖过程遗传特点继承了双亲（提供精子和卵子的个体）的遗传性状全部性状几乎与提供细胞核的亲本一致相同点两者都采用了胚胎移植技术和动物细胞培养技术考点6胚胎移植一、早期胚胎培养1.培养液的成分：一般包括无机盐、有机盐类、维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质。2.胚胎早期培养的目的（1）精子和卵子在体外受精后，应将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查受精状况和受精卵的发育能力。（2）当胚胎发育到适宜的阶段时可进行受体移植或冷冻保存。3.胚胎移植的时间不同动物胚胎移植的时间不同。牛、羊一般要培养到桑椹胚阶段或囊胚阶段进行移植；人的体外受精胚胎，可在8～16个细胞阶段移植。二、胚胎移植1.概念：指将雌性动物体内的早期胚胎或通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物体内，使之继续发育为新个体的技术。2.实质：从过程看，实际上是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。从结果看，是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。3.在胚胎工程中的地位及意义（1）地位：是胚胎工程其他技术的最后一道“工序”。（2）意义：可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。4.生理学基础及相应意义生理学基础意义同种动物的供、受体排卵后，生殖器官的生理变化是相同的为供体的胚胎移入受体提供了相同的生理环境早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态为胚胎的收集提供了可能受体对外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应为胚胎在受体内存活提供了可能供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但其遗传特性不受影响为移植后的胚胎继续发育提供了营养等方面的保障，且胚胎优良遗传特性得以保持5.基本程序1.同期发情：激素处理供体、受体母牛，使它们的生理条件达到同步或一致，这样才能使移植的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件，这是胚胎移植成功与否的关键。2.各个受精卵的遗传物质可能不同，因为每个受精卵是由不同的精子与卵细胞结合形成的，在形成精子与卵子的过程中发生了基因重组。考点7胚胎分割一、概念：采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。二、所需主要仪器设备：体视显微镜和显微操作仪。三、操作对象及要求：选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚，将它移入盛有操作液的培养皿中，在显微镜下用分割针或分割刀分割。在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割。四、胚胎分割的意义（1）促进优良动物品种的繁殖，产生遗传性状相同的后代用于遗传学研究。（2）对胚胎进行性别鉴定、遗传病筛查等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代有重要意义。【易混易错】1.对植物组织培养与细胞全能性的关系混淆不清（1）理论上每个具有细胞核的活细胞都具有全能性，但要实现全能性还需要一定的条件。（2）全能性一定由一个细胞（细胞核）发育成完整个体中体现出来，而不是组织、器官等。（3）全能性的原理是细胞具有发育成完整个体所必需的“全套”基因而不是“全部”基因，因此含一个染色体组的配子中也有全套基因，同样有全能性2.对植物体细胞杂交的结果理解不透彻（1）植物体细胞杂交过程中，细胞之间的融合是随机的，很多种类型的鬲蛤合细胞，要得到所需要的杂交细胞，需要进一步的筛选。（2）体细胞杂交目两个细胞融合成—一个细胞，不管染色体、基因组还是染色体组都采用直接加的方法。若一植物细胞含有条染色体，2个染色体组，基因型为Aab，另一植物细胞含有2y条染色体，2个染色体基因型为cDd，则新植株应为昇源四倍体，其体细胞中染色体为基因型为AabbccDd。（3）从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有生殖细胞的物质，因此具有两个亲本的遗传性状。（4）植物体细胞杂交最终是要获得植物体，而并非杂种细胞。（5）培育新品种的过程中，遗传物质的传递不遵循孟德尔的遗传定律，只有在有性生殖进行减数分裂过程中才符合遗传定律，而体细胞杂交没有此过程3.对动物细胞培养与植物组织培养的异同点辨别不清动物细胞培养与植物组织培养的主要区别有：①培养基不同：植物组织培养通常是固体培养基，动物细胞培养是液体培养基；②培养基的成分不同：动物细胞培养的碳源是葡萄糖必须利用动物血清，植物组织培养最后一般得到新的植物个体，而动物细胞培养得到的是只细胞群；④原理不同：植物组织培养的