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第1节植物细胞工程,1.理解并阐述细胞的全能性。 2.举例说出植物组织培养技术的过程、原理及应用。 3.举例说出植物体细胞杂交技术的过程及应用。,一,二,三,植物细胞工程涉及许多操作技术,主要包括植物组织培养技术、植物体细胞杂交技术和植物细胞核移植技术等。 一、植物组织培养技术 1.任何一个细胞只要含有这种生物的全部遗传信息,那么,它就具有发育成完整生物体的潜能,也就是说每个生物细胞都具有全能性。 2.植物组织培养技术是植物细胞工程的基础技术,根据培养物的种类又可分为植物细胞培养、植物离体胚培养、原生质体培养和花粉及花药培养技术等。 3.植物的细胞培养是植物体细胞杂交、植物细胞核移植、显微注射和细胞代谢产物大规模生产等技术的基础。 4.植物细胞培养主要是将选定的植物细胞在适当的条件下进行培养,以得到大量基本同步生长的细胞,为遗传操作提供材料。植物细胞培养采用的方法主要是细胞悬浮培养。,一,二,三,5.植物体细胞杂交和显微注射技术的基础是原生质体培养,即用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁获得有活力的原生质体,并进行培养。 6.植物组织培养的概念:在无菌和人工控制的条件下,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,最终诱导产生愈伤组织、丛芽或完整的植株。 思考： 用流程图形式写出植物组织培养的操作流程。,一,二,三,二、植物体细胞杂交技术 1.植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞原生质体在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成完整植物体的技术。人工诱导原生质体融合的方法可以分为物理法和化学法两大类:物理法包括离心、振动、电刺激等;化学法一般采用聚乙二醇来诱导细胞融合。 2.植物细胞工程就是利用细胞生物学和分子生物学的原理和方法,以植物细胞为基本单位进行培养增殖或按照人们的意愿来改造细胞的某些生物学特性,从而获得细胞产品的一门综合技术。 思考： 植物体细胞杂交时细胞融合成功的标志是什么? 提示:融合后的原生质体再生出细胞壁。,一,二,三,三、植物细胞工程的应用 1.植物的微型快速繁殖:利用植物的组织或器官,经过组织培养过程,在短时间内获得大量的植物幼苗的技术。 2.人工种子:是一种以植物组织培养得到的胚状体为主要材料,再在其外面包裹一层有机薄膜制作而成的颗粒体。 3.作物脱毒:利用植物的幼嫩组织或器官,如茎尖,进行组织培养,可获得脱毒种苗。 4.愈伤组织的诱变育种:植物的愈伤组织在培养过程中一直处于分裂增生的状态,其遗传物质极易受到外界因素的影响而发生变异。所以利用植物组织先诱导出愈伤组织,然后对愈伤组织进行诱变处理,可以从再分化得到的植株中筛选、培育出新的品系或品种。,一,二,三,5.细胞产物的工厂化生产:利用组织培养方法,培养植物的某些器官或愈伤组织,筛选出高产、高合成能力和生长较快的细胞株系,继而进行大规模工业化生产。 6.拯救濒危植物。,一、植物细胞的全能性与组织培养 1.细胞的全能性 (1)具有全能性的原因:一般生物体的每一个细胞都是受精卵通过有丝分裂形成的,都包含有该生物的全套遗传信息,都有发育成为完整个体所必需的全部基因。 (2)不同细胞全能性的大小 体细胞全能性:分化程度低的分化程度高的,细胞分裂能力强的细胞分裂能力弱的。 不同细胞全能性:受精卵生殖细胞干细胞体细胞。 不同生物的细胞全能性:植物细胞动物细胞。 (3)全能性与细胞分化的关系:随着细胞分化程度的不断提高,细胞的全能性逐渐降低。,2.植物组织培养 (1)原理:植物细胞具有全能性。 (2)流程:,3.植物细胞全能性表达所需条件 (1)体细胞未表现全能性的原因:基因的选择性表达。 (2)细胞表达全能性的条件,特别提醒植物激素的种类和比例,特别是生长素和细胞分裂素的协同调控作用在植物组织培养中起非常重要的作用,被称为“激素杠杆”。,二、植物体细胞杂交 1.原理 (1)植物体细胞杂交实现的基础:细胞膜的流动性。 (2)植物组织培养的基础:植物细胞的全能性。,2.操作过程,3.目的 植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株。杂种植株的特征是具备两种植物的遗传特征,原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。 4.优点:克服了远缘杂交不亲和的障碍。 特别提醒(1)植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合,属于无性生殖。 (2)从杂种植株的染色体组成上看,染色体数目增加,植物体细胞杂交属于染色体数目的变异。,三、人工种子 1.特点:后代不会发生性状分离;不受季节、气候和地域限制。 2.结构:人工薄膜包裹着颗粒状的胚状体(或不定芽、顶芽、腋芽)。其结构如下图所示,主要由三部分组成,一是胚状体(分生组织),它相当于天然种子的胚,是有生命的物质结构;二是供胚状体维持生命力和保证其在适宜的环境条件下生长发育的人工胚乳(子叶);三是具有保护作用的“人工种皮”(人工薄膜)。,3.培育过程:植物组织培养诱导体细胞胚状体的发生人工种皮的包埋等。 4.人工种子的优越性:可以保持杂种优势;可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖;是一种快捷高效的繁殖方式;节约了大量留种土地;可人为控制植物的生长发育与抗逆性,因为人工胚乳(子叶)除了含有供胚状体发育成植株所必需的营养物质外,还可以在其中加入除草剂、弱病毒、杀菌剂、农药、抑制休眠的物质及对植物生长有益的细菌等,使人工种子具备抗逆性和耐贮性等优良特性,也可添加激素类物质以调节植物的生长发育。与试管苗技术相比,人工种子技术具有成本低、贮藏运输方便、减少了移栽驯化过程和生产周期短等优点。,四、愈伤组织的诱变育种 1.过程: 2.原理:基因突变和植物细胞的全能性。 3.优点:提高愈伤组织的突变率,可以获得高抗、高产、优质、抗逆的新品种,加快了育种进程。 4.缺点:突变不定向,需要处理大量材料;突变少利多害,符合人们需要、有利的品种比较少。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,细胞全能性 【典例1】 下列有关细胞全能性的叙述,不正确的是 () A.受精卵在自然条件下能形成完整个体,因此全能性最高 B.在生物体内由于细胞分化,全能性不能表达 C.卵细胞与受精卵一样,细胞未分化,全能性很高 D.植物细胞在一定条件下离体培养能表现出全能性 解析:受精卵是个体发育的起点,全能性最高。生物体内每一个细胞都是受精卵通过有丝分裂形成的,都含有发育成完整个体所需的全部基因,理论上都具有全能性,但由于在生物体内,细胞发生了分化,其全能性不能表达。卵细胞是已经分化的细胞。分化的植物细胞尽管有全能性,但要表达全能性必须在一定条件下离体培养。 答案:C,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,反思领悟分化的体细胞之所以没有表达出全能性是因为基因的选择性表达。在离体和适当的条件下,分化的体细胞也能表达其全能性。全能性表达的难易程度:受精卵生殖细胞体细胞;植物细胞动物细胞。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,植物组织培养 【典例2】 下列关于植物组织培养的叙述,错误的是 () 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的比例影响愈伤组织的生长和分化 C.离体器官或组织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相同,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,解析:培养基中加入蔗糖,一方面是作为碳源,提供能量,另一方面可以调节渗透压。在整个植物组织培养过程中影响细胞分化的关键是生长素和细胞分裂素的使用比例和使用顺序。植物组织培养过程中的第一个环节是脱分化,外植体经脱分化形成愈伤组织。植物组织培养的对象既可以是体细胞也可以是生殖细胞,因此获得的愈伤组织的基因不一定相同。 答案:D,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,易错警示植物组织培养易错点 (1)幼嫩的组织脱分化较为容易,如茎尖、根尖、形成层细胞易脱分化,而植物成熟的组织脱分化则较难。 (2)对外植体要进行消毒处理,对各种器械要彻底灭菌。 (3)植物组织培养中用到的有机碳源一般为蔗糖。 (4)不同细胞的全能性不同,离体细胞的全能性表达与分化程度呈负相关,但生殖细胞特殊。 (5)脱分化形成愈伤组织的过程不需要光,再分化过程需要光。 (6)植物组织培养中不同培养阶段培养基含有的激素不同,因为培养的目的不同(生根或生芽)。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,植物细胞培养 【典例3】 下列关于植物细胞培养的叙述,不正确的是 () A.植物细胞培养是指在实验室工厂化生产的条件下,进行悬浮培养,从而获得大量细胞群体的一种技术 B.植物细胞培养是在植物组织培养技术的基础上发展起来的 C.植物细胞培养的培养基主要由水、无机营养、有机营养、天然附加物和生长物质等组成 D.根据培养对象不同可分为液体培养和固体培养 解析:植物细胞培养根据培养对象不同分为体细胞培养、花药或花粉培养和原生质体培养,根据培养基类型的不同分为液体培养和固体培养。 答案:D,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,植物体细胞杂交 【典例4】 科学家利用细胞工程培育出了“白菜甘蓝”杂种植株,流程如下图所示。请据图回答下列问题。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,(1)图中A、B的制备需要去除细胞壁,此时要用到酶和酶;从本质上讲,“白菜甘蓝”杂种植株具有的性状是的结果。 (2)A和B在的方法下形成C细胞,杂种细胞D生成的标志是形成;由D形成E的过程称为,DF这项技术的生物学基础是;由E形成F的过程中细胞的增殖方式为。 (3)若“白菜甘蓝”杂种植株为四倍体,则该植株的花粉经离体培养得到的植株是倍体,若用秋水仙素处理该花粉培养得到的植株,则培育成的植株是(填“纯合子”或“杂合子”)。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,解析:(1)去除细胞壁常用酶解法,根据酶的专一性,去除植物细胞壁要用纤维素酶和果胶酶。杂种植株性状的表现是基因选择性表达的结果。(2)C细胞的形成需人工诱导,诱导方法包括物理法和化学法,D细胞形成的标志是再生出新的细胞壁。DE是脱分化,EF为再分化,上述过程中均进行有丝分裂。(3)花粉离体培养得到单倍体,再经秋水仙素处理后得到纯合的四倍体植株。 答案:(1)纤维素果胶基因选择性表达 (2)人工诱导新的细胞壁脱分化植物细胞的全能性有丝分裂 (3)单纯合子,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,植物细胞工程的应用 【典例5】 下图为人工种子的培育过程示意图,请据图回答下列问题。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,(1)人工种子是依据的原理,经过 技术培育而成的。 (2)包埋胚状体的胶质可以看作是天然种子的。 (3)某二倍体植物基因型为DdTt,采用花药离体培养的方法培育成的“花粉胚”可制成人工种子,这种种子萌发形成的个体称为,基因型为。 (4)表示脱分化过程,其实质是使高度分化的细胞恢复的能力;表示再分化的过程,其实质是。 (5)从胚状体的类型上分析,人工种子萌发长成的植株是否可育?。,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,解析:脱分化的实质是使高度分化的细胞恢复分裂和分化的能力,再分化就是使分裂的细胞在形态、结构和功能上再次发生变化,这种变化的实质是基因的选择性表达。 答案:(1)细胞全能性植物组织培养 (2)种皮及提供营养的胚乳或子叶 (3)单倍体DT、Dt、dT、dt (4)分裂和分化基因的选择性表达 (5)理论上若是由花粉(或三倍体植物的营养器官)发育而来的则不可育,若是由茎尖、根尖等营养器官(三倍体植物除外)发育而来的则可育,题型一,题型二,题型三,题型四,题型五,方法规律(1)对植物体细胞杂交和有性杂交的辨析。 植物体细胞杂交:若两个不同的植物细胞A、B进行融合,A含有2X条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,B含有2Y条染色体,2个染色体组,其基因型为ccDd,则新植株应为四倍体,其体细胞中染色体数为2X+2Y,基因型为AabbccDd。从中不难看出,体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞,不管是染色体数、基因型还是染色体组都采用直接相加的方法。 植物有性杂交的结果:子代细胞中染色体数、基因型分别为“X+Y”“AbcD”或“abcD”或“Abcd”或“abcd”,即先减半再相加。 有性生殖过程遵循孟德尔遗传规律,而植物体细胞杂交不遵循孟德尔遗传规律。 (2)利用植物组织培养生产细胞产物时,有时只需将外植体培养到愈伤组织,从愈伤组织中获取产物。,1,2,3,4,5,1.下列对细胞全能性的叙述,正确的是() A.离体的植物细胞均能够表现出全能性 B.植物细胞融合标志着植物细胞全能性的实现 C.花粉可培育成单倍体植株是细胞全能性的表现 D.植物体中只有体细胞才具有全能性 解析:离体的植物细胞要表现出全能性,需要合适的培养条件、营养物质及有关激素。植物细胞融合的结果是形成一个杂种细胞,并未形成新个体,所以不能体现植物细胞的全能性。理论上,植物体中任何一个含有该生物全部遗传信息的细胞都具有全能性。 答案:C,6,1,2,3,4,5,2.植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及起诱导作用的植物激素分别是() 细胞的全能性离体的植物器官、组织或细胞 根、芽生长素和细胞分裂素生长素和乙烯 愈伤组织再分化脱分化植物体 A.、和B.、和 C.、和D.、和 解析:植物组织培养的理论基础是细胞的全能性,其培养过程中是先进行脱分化,然后再进行再分化。生长素和细胞分裂素是植物组织培养中不可缺少的特殊添加物,在培养的不同时期两者的比例不同。 答案:A,6,1,2,3,4,5,3.下列有关植物体细胞杂交的叙述,不正确的是() A.用酶解法去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体 B.诱导两种植物的原生质体融合,进而形成杂种细胞 C.植物体细胞杂交的最终目的是获得细胞代谢产物 D.植物体细胞杂交技术可以克服不同物种间远缘杂交不亲和的障碍 解析:植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株。植物体细胞杂交不经过有性生殖过程,所以可以克服远缘杂交不亲和的障碍。 答案:C,6,1,2,3,4,5,4.以下为植物体细胞杂交技术流程图,其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞,所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析不正确的是() A.图中过程发生的化学变化是纤维素和果胶的水解 B.经过和过程形成的c细胞只有AABB这一种类型 C.过程一般使用聚乙二醇作为诱导剂 D.过程和分别是脱分化和再分化 解析:将若干a细胞和b细胞等量混合后转移到培养基上培养,经过细胞融合,c的细胞类型包括没有融合的细胞、相同细胞的融合和不同细胞的融合,即AA、BB、AAAA、BBBB、AABB。 答案:B,6,1,2,3,4,5,5.下图表示胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作接入试管后,在一定的条件下形成试管苗的培育过程。请据图回答下列问题。 (1)要促进细胞分裂和生长,培养基中应有营养物质和激素,其中营养物质包括和小分子有机物,激素包括细胞分裂素和两类。 (2)此过程依据的原理是。A和B阶段细胞的分裂方式是,B阶段除了细胞分裂外,还进行细胞等。 (3)B阶段需要光照,原因是。 (4)试管苗的根细胞没有叶绿素,而叶的叶肉细胞具有叶绿素,这是基因的结果。,6,1,2,3,4,5,解析:植物组织培养是将离体的植物组织、器官或细胞接种到经灭菌的培养基中,培养基含有组织细胞生长发育所需要的无机物和小分子有机物,还有可调节细胞生长和分化的细胞分裂素和生长素。由外植体发育成试管苗的过程中,脱分化阶段细胞进行有丝分裂,再分化阶段愈伤组织经细胞有丝分裂和分化形成试管苗,此阶段需要光照,原因是叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照。 答案:(1)无机物生长素 (2)植物细胞的全能性有丝分裂分化 (3)芽发育成叶时,叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照 (4)选择性表达,6,1,2,3,4,5,6,6.医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取,但产量有限,也不利于濒危植物红豆杉的保护。研究发现,红豆杉的其他组织细胞也能产生紫杉醇,有人尝试用植物细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量(用干重表示)、紫杉醇含量随培养时间的变化。请回答下列问题。,1,2,3,4,5,6,(1)据图分析,获得高产紫杉醇应选红豆杉为原料,培养后期紫杉醇含量出现下降的原因包括等。 (2)将红豆杉细胞经组织培养形成后方可接种到培养基中。 (3)利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比,前者具有 (至少答出两点)优点。,1,2,3,4,5,6,解析:(1)由紫杉醇含量数据图可知云南红豆杉产量最高。随着培养时间的加长,培养基中营养物质减少,某些有害代谢产物积累,使活细胞数量减少,从而使紫杉醇产量下降。 (2)本题中培养的目的是获得细胞产物,所以培养到愈伤组织即可。 (3)利用组织培养获取紫杉醇,产量高,不会影响红豆杉的生长,节约资源,有利于对濒危物种的保护且不会对环境造成破坏。 答案:(1)云南活细胞数量减少,某些有害代谢产物积累 (2)愈伤组织 (3)产量高、节约资源、有利于对濒危物种的保护、保护环境等,
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