植物细胞工程1.ppt

1、植物细胞工程,喻富根 博士、副教授 138 140 156 89,植物细胞工程,细胞工程： 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。,植物细胞工程,植物细胞工程,植物细胞工程的基本技术： 植物组织培养 植物DNA重组技术,植物细胞工程,一. 植物组织培养 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、丛芽或胚状体，最终形成完整的植株。,植物细胞工程,植物组织培养的过程,植物细胞工程,1. 植

2、物组织培养的理论基础（植物细胞的全能性） 1.1植物的无性繁殖 营养体的一部分: 根、茎或叶来繁殖新个体。 有些植物主要靠营养繁殖，如竹子、水仙、马铃薯等。,落地生根-无性繁殖,植物细胞工程,植物细胞工程,1.2植物细胞的全能性 是植物细胞工程的理论基础，1902年由德国植物学家Haberlandt提出的。 19世纪30年代，德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺创立了细胞学说，根据这一学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件，每个细胞都应该能够独立生活。,植物细胞工程,1958年，美国植物学家Steward等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够开花结果，证实了

3、Haberlandt在五十多年前关于细胞全能的预言。 细胞的全能性：是指生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能。 原因：是生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套遗传物质及发育为完整个体所必需的全部基因。,植物细胞工程,1.3细胞周期 细胞从一次分裂开始到第二次分裂开始所经历的全过程。 细胞周期分成四个阶段：间期1、合成期、间期2和有丝分裂期。,植物细胞工程,（1）有丝分裂期（M期） 过程（省略） 前期 中期 后期 末期 细胞质分裂：动物细胞中形成环沟来分割母细胞。植物细胞中则形成细胞板，进而形成新细胞壁来分隔两个新细胞。,植物细胞工程,染色体的行为 前期：两染色单体并列排列。 前中期

4、：动粒出现，纺锤体形成。 中期：染色体位于赤道板上。 后期：着丝粒分裂染色体向两极移动。 秋水仙素：破坏微管的组成，因而阻止染色体移向两极，结果形成多倍体细胞。,植物细胞工程,减数分裂和有丝分裂 中的染色体行为,植物细胞工程,（2）分裂间期 占比较大的时间比例。在此期间，细胞的形态没有太大的变化，但生化合成方面变化很大。 G1期：各种细胞器和与DNA复制有关的酶大量增加。 S期：DNA合成的时期。染色体的组蛋白也在此时合成。 G2期：染色体螺旋化，中心粒复制，微管蛋白及与分裂有关的物质大量合成。,植物细胞工程,G0期：有些细胞脱离细胞周期而分化成执行一定功能的细胞，它们不再分裂，称G0期细胞。

5、 有些已分化的细胞，在某些因子的作用下，可以恢复其分裂能力，重新进入细胞周期，如动物肝细胞、植物薄壁细胞。 还有些细胞能够连续分裂，从不进入G0期，如植物的顶端分生组织细胞和动物的造血干细胞。,植物细胞工程,（3） 细胞周期的控制机制 细胞周期受控于一定的调节机制，使得生物体能有序地分裂和生长。 细胞周期调控的关键在分裂间期。有2个起决定作用的控制点：从G1期进入S期和从G2期进入M期。,植物细胞工程,植物细胞周期,植物细胞工程,1 . 4 植物细胞的脱分化和再分化 （1）细胞分化 细胞在形态结构和功能上发生差异的过程。 已分化的细胞不再分裂，而是承担一定的功能。,植物细胞工程,（2）细胞的脱

6、分化 分化的细胞重新获得分裂的能力。 愈伤组织：脱分化的细胞分裂形成。细胞排列疏松而无组织结构。,植物细胞工程,（3）细胞的再分化和器官发生 脱分化后的分生细胞（愈伤组织）在一定条件下，重新分化为各种类型的细胞，并进一步发育成完整的植株。 再生植株途径器官发生 胚状体发生,植物细胞工程,器官发生,植物细胞工程,双子叶植物胚的发育（合子胚）,植物细胞工程,（4）植物激素在植物细胞脱分化和再分化中的作用 细胞分裂素/生长素（相对浓度比）决定愈伤组织或长芽 ，或分裂，或生根： 高长芽 相等只分裂（形成新愈伤组织）低生根,植物细胞工程,（5）离体状态是促使植物细胞脱分化的因素 在生物的个体发育中，由于

7、基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。 当植物细胞脱离了原来所在植物体的器官或组织而处于离体状态时，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。,团藻（群体植物）脱离群体的细胞可发育成新的团藻,植物细胞工程,植物细胞工程,离体的植物器官、组织或细胞,再分化,脱分化（又叫去分化）,愈伤组织,根或芽等器官或胚状体,植物体,植物组织培养流程,植物细胞工程,2. 植物组织培养的应用 细胞产物的工厂化生产 繁殖植物的新途径 快速繁殖 作物脱毒 人工种子 育种新方法 单倍体育种 诱导突变体,植

8、物细胞工程,2.1细胞产物的工厂化生产 植物细胞的大规模培养技术：生产药物、香精、色素等。 方法：植物细胞悬浮培养系统。 难点：体细胞分裂次数有限；有细胞壁，易成团；代谢次生物收率低（胚性细胞、自然的代谢体系）。 产业化前景：成本高，竞争优势不明显，获利困难。 与植物转基因技术结合也许是一条出路。,红豆杉与紫杉醇,人参皂甙的生产,植物细胞工程,细胞产物的工厂化生产,植物细胞工程,2.2繁殖植物的新途径 （1）快速繁殖 优点： 繁殖率高，可高效快速地大批量生产。 取材少。 培养周期短，20-30天为一个周期。 管理方便，利于工厂化生产和自动化控制。 因为在具有一定人工设施的室内生产，因此不受自然

9、生长季节的限制。 保持优良品种的遗传特性。,植物细胞工程,植物组织培养车间,植物细胞工程,植物细胞工程,（2）作物脱毒 原因: 长期进行无性繁殖的作物，易积累感染的病毒，导致产量降低，品质变差。 分生区附近（茎尖、根尖）细胞内的病毒极少，甚至没有。这是由于细胞分裂导致病毒丢失。 由无病毒单细胞可再生出脱毒植株。,植物细胞工程,常采用茎尖进行组织培养为作物脱毒。 甘蔗、马铃薯、大蒜、甘薯等。,脱毒草莓,普通草莓,脱毒马铃薯,植物细胞工程,（3）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，并用人工种皮（藻酸钠）包裹起来，用以代替天然种子进行繁殖的一种结构。,人工种子,萌发

10、的人工种子,植物细胞工程,1958年，Reinert在胡萝卜的组织培养中最先发现了体细胞胚胎（胚状体）。 胚状体产生途径： 由已脱分化的外植体直接产生； 由愈伤组织产生。 难点：同步化控制。,植物细胞工程,结构： 人工种皮+胚状体 人工种皮（相当于自然状态下种皮+胚乳） 养分、无机盐、有机碳源、农药、抗生素、有益菌；生长调节剂。,植物细胞工程,人工种子优点： 不受气候、季节、地域的限制。 后代无性状分离，保留优良特性。 时间短，占地少优点。 解决了有些种子繁殖力差、结籽困难或发芽率低等问题。 可以工业化生产，提高农业的自动化程度。 可在胚乳中添加各种附加成分。如：固氮菌、防病虫农药、除草剂等。

11、 用人工种子播种可节约粮食。,植物细胞工程,2.3育种新方法 （1）单倍体育种 方法：花药离体培养。 1964年，印度植物学家Guha和Mahesweri首次利用花药离体培养培育出曼佗罗的单倍体植株。,花粉粒（雄配子体）的形成,植物细胞工程,植物细胞工程,技术： 组织培养获得单倍体； 秋水素处理单倍体的幼苗，使染色体加倍。 优点： 后代稳定遗传（纯合体）； 隐性性状更多的体现； 明显缩短了育种年限。,植物细胞工程,单倍体育种流程 缩短育种年限,植物细胞工程,（ 2 ） 诱导突变体 利用组织培养时，分裂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

12、类有用的突变体。 突变体的利用： 筛选对人们有利突变体，进而培育新品种。,植物细胞工程,二. 植物原生质体融合技术 将不同种植物的体细胞，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。 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。 1972年，Carlson等创造第一个植物体细胞杂种（两种不同属的烟草）。,植物细胞工程,植物细胞工程,原生质体制备（酶解法去细胞壁） 纤维素酶、果胶酶等 原生质体融合（人工诱导） 物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇等试剂 杂种细胞的筛选和培养（形成愈伤组织） 杂种植株的再生与鉴定（形态学、细胞学核型分析、生化分析）,植物原生质体融合技术育种流程,植物细胞工程,三. 植物染色体工程,植物细胞工程,1.植物染色体倍性改造 1.1染色体加倍技术 1.化学诱导法 秋水仙素处理 2.生物学方法 (1)远缘杂交技术 (2)体细胞杂交技术,植物细胞工程,1.2植物多倍体育种 同源多倍体 异源多倍体,植物细胞工程,三倍体无籽西瓜的选育 西瓜（2n=22），秋水仙素处理茎尖，染色体加倍，形成四倍体（同源多倍体） 四倍体 杂交 三倍体无籽西瓜 二倍体,植物