植物细胞工程的基本技术-公开课-课件

专题专题2 2 细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程指应用指应用细胞生物学和分子生物学细胞生物学和分子生物学的原理和的原理和方法，通过某种方法，通过某种工程学手段工程学手段，在，在细胞整体水平细胞整体水平或细胞器水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来上，按照人们的意愿来改变细胞改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学的一门综合科学技术。技术。前者是前者是细胞水平或胞水平或细胞器水平上胞器水平上生物技生物技术,后者是后者是分子水平上的分子水平上的生物技生物技术 克隆多莉羊技术是克隆多莉羊技术是 水平上的技水平上的技术，培育抗虫棉是术，培育抗虫棉是 水平上的技术。水平上的技术。细胞工程与基因工程相比：细胞工程与基因工程相比：细胞细胞分子分子思考思考:2.1植物细胞工程植物细胞工程2.1.1植物细胞工程的基本技术植物细胞工程的基本技术植物组织培养12345再分化再分化(愈伤组织愈伤组织)植植物物组组织织培培养养6脱分化脱分化1 1、定义：、定义：生物体的细胞具有使后代细胞发育成完整生物体的细胞具有使后代细胞发育成完整个体的潜能的特性。个体的潜能的特性。2 2、原理：、原理：生物体的每一个细胞都包含有该物种所特生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的有的全套遗传物质全套遗传物质，都有发育成为完整个，都有发育成为完整个体所必需的体所必需的全部基因全部基因，从理论上讲，生物，从理论上讲，生物体的每一个体的每一个活细胞活细胞都应该具有全能性。都应该具有全能性。3 3、差异：、差异：（1 1）受精卵的全能性）受精卵的全能性最高最高（3 3）受精卵分化后的细胞中，体细胞的）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞全能性比生殖细胞低低受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞4 4、大小：、大小：一、细胞的全能性一、细胞的全能性植物细胞动物细胞植物细胞动物细胞（2 2）生殖细胞的全能性）生殖细胞的全能性较高较高切取切取形成层形成层无菌无菌接种接种诱导愈伤组织诱导愈伤组织的形成的形成试管苗的形成试管苗的形成培养室培养室移栽移栽脱分化脱分化再分化再分化三、植物组织培养的过程（重点）离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞脱分化脱分化愈伤组织愈伤组织（排列疏松而无规则，高度液泡（排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞）化的呈无定形状态的薄壁细胞）再分化再分化胚状体胚状体（或丛芽）（或丛芽）植物体植物体a.无菌操作无菌操作b.营养及激素营养及激素（细胞分裂素、（细胞分裂素、生长素）生长素）c.光照光照遮光遮光光照光照植物组织培养的外界条件：植物组织培养的外界条件：植物组织培养就是在植物组织培养就是在无菌和人工无菌和人工控制控制条件下，条件下，将离体的植物器官、将离体的植物器官、组织、细胞组织、细胞，培养在，培养在人工配制的培人工配制的培养基养基上，给予上，给予适宜的培养条件适宜的培养条件，诱，诱导其产生导其产生愈伤组织愈伤组织、丛芽丛芽，最终形，最终形成完整的植株。成完整的植株。二、植物的组织培养二、植物的组织培养反馈练习反馈练习1.下列属于组织培养的是：下列属于组织培养的是：A.花粉培养成单倍体植株花粉培养成单倍体植株B.芽发育成枝条芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区根尖分生区发育成成熟区D.未受精的卵发育成雄蜂未受精的卵发育成雄蜂A2.在离体的植物器官、组织或细胞脱在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，下列分化形成愈伤组织的过程中，下列哪一项条件是不需要的（哪一项条件是不需要的（）A.消毒灭菌消毒灭菌B.适宜的温度适宜的温度C.充足的光照充足的光照D.适宜的养料和激素适宜的养料和激素C3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（植株，不需要（）A.具有完整细胞核的细胞具有完整细胞核的细胞B.离体状态离体状态C.导入外源基因导入外源基因D.一定的营养物质和激素一定的营养物质和激素C 番茄与马铃薯属于茄科植物，但不是同番茄与马铃薯属于茄科植物，但不是同 属植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们属植物。番茄的果实和马铃薯的块茎是我们经常食用的蔬菜。马铃薯块茎生长在土壤中。经常食用的蔬菜。马铃薯块茎生长在土壤中。人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地人们曾经有这样一个幻想：让一株植株地上部分结番茄，地下部分长土豆。上部分结番茄，地下部分长土豆。这个幻想可能实现吗？这个幻想可能实现吗？因为不同种生物之间存因为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。不可能做到这一点的。于是，科学家试图用这两种植物的体细胞于是，科学家试图用这两种植物的体细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。进行杂交，来实现这一美妙的设想。三、植物体细胞杂交技术三、植物体细胞杂交技术这幅番茄这幅番茄马铃薯图利马铃薯图利用传统有性杂交方法能用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？实现吗？为什么？理想图理想图(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交植物体细胞杂交过程示意图过程示意图杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化1 1、过程、过程植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A原生质体原生质体B原生质体原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去去 壁壁去去 壁壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融合的方法？的方法？融合融合完成完成的的标志标志植物细胞植物细胞B细胞融合的基础：细胞融合的基础：细胞膜的流动性细胞膜的流动性去壁的常用方法：去壁的常用方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）酶解法（纤维素酶、果胶酶等）原生质体融合方法原生质体融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇（化学法：聚乙二醇（PEGPEG）2 2、概念、概念 将不同种的植物体细胞，在一定条件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。新的植物体的技术。3 3、优势和未解决的问题、优势和未解决的问题 优势优势（与有性杂交方法比较）与有性杂交方法比较）：打破了不同：打破了不同种生物间的生殖隔离障碍，大大扩展了可种生物间的生殖隔离障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。用于杂交的亲本组合范围。未解决的问题：未解决的问题：未能让杂种植物按照人们未能让杂种植物按照人们 的需要表现出亲代的优良。的需要表现出亲代的优良。19721972年卡尔森等通过两个烟草品种之间年卡尔森等通过两个烟草品种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。19781978年梅尔彻斯年梅尔彻斯(Melchers)(Melchers)等首次获得等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种“Potamato”“Potamato”。目前，已得到栽培烟草与野生烟草、目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代，获得了有价值的新品系或育及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。种上有用的新材料。白菜白菜白菜白菜甘蓝甘蓝甘蓝甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝“白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝”同普通白菜相比，具有同普通白菜相比，具有同普通白菜相比，具有同普通白菜相比，具有生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点。1.1.为什么为什么“番茄番茄马铃薯马铃薯”超级杂种植株没有超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？马铃薯？主要原因是：主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，们之间是相互调控、相互影响的，马铃薯马铃薯番茄杂番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，所以所以杂杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯。交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯。比较比较比较比较无性繁殖无性繁殖细胞全能性细胞全能性脱分化脱分化再分化再分化保持优良性状保持优良性状繁殖速度快、大规模生产繁殖速度快、大规模生产提高经济效益提高经济效益植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术克服不同种生物远源杂交克服不同种生物远源杂交的障碍的障碍去除细胞壁去除细胞壁融合形成杂种细胞融合形成杂种细胞组织培养组织培养细胞的膜流动性细胞的膜流动性细胞全能性细胞全能性染色体变异、基因重组染色体变异、基因重组1 1、不能人工诱导原生质体融合的方法、不能人工诱导原生质体融合的方法是（是（）A A、振动、振动 B B、电刺激、电刺激C C、PEGPEG试剂试剂 D D、重压、重压2 2、植物细胞融合完成的标志的是（、植物细胞融合完成的标志的是（）A A、产生新的细胞壁、产生新的细胞壁 B B、细胞膜发生融合、细胞膜发生融合C C、细胞质发生融合、细胞质发生融合 D D、细胞核发生融合、细胞核发生融合A AD D3.植物细胞表现出全能性的必要条植物细胞表现出全能性的必要条件是件是A.给予适宜的营养和外界条件给予适宜的营养和外界条件B.导入其他植物细胞的基因导入其他植物细胞的基因C.脱离母体后，给予适宜的营养和脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件外界条件D.将成熟筛管的细胞核移植到去核将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内的卵细胞内四、植物细胞工程的实际应用四、植物细胞工程的实际应用繁殖植物的新途径繁殖植物的新途径微型繁殖微型繁殖作物脱毒作物脱毒人工种子人工种子作物新品种的培育作物新品种的培育单倍体育种单倍体育种突变体的利用突变体的利用细胞产物的工厂化生产细胞产物的工厂化生产药物，香料，蛋白质等药物，香料，蛋白质等概念：概念：应用应用 ，快速繁殖植物（也叫快，快速繁殖植物（也叫快速繁殖技术）速繁殖技术）原理：原理：植物细胞的植物细胞的()优点：优点：繁殖率高，可大批量生产繁殖率高，可大批量生产 取材少取材少 培养周期短培养周期短 保持保持()1、微型繁殖、微型繁殖组织培养技术组织培养技术全能性全能性优良性状优良性状 2、作物脱毒、作物脱毒病毒在作物体内逐年积累，会导致作物产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()附近（茎尖、根尖）的病毒极少，附近（茎尖、根尖）的病毒极少，甚至没有甚至没有采用采用()技术来脱除病毒技术来脱除病毒 分生区分生区茎尖组织培养茎尖组织培养3、人工种子结构：结构：+胚状体（不定芽、顶芽、腋芽）胚状体（不定芽、顶芽、腋芽）优点：优点：不受气候、季节、地域的限制不受气候、季节、地域的限制保留优良性状保留优良性状时间短，占地少时间短，占地少技术：技术：原理：原理：人工薄膜人工薄膜植物组织培养植物组织培养细胞全能性细胞全能性课本课本P40针对植物种类和土壤等条件，在人工针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的种子的包裹剂中还可以加入适量的养养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。生素、有益菌等。还可以加入还可以加入生长调节剂生长调节剂作物新品种的培育作物新品种的培育1 1、单倍体育种、单倍体育种选择选择亲本亲本有性有性杂交杂交F1代代花粉离花粉离体培养体培养单倍体单倍体植植 株株诱诱 变变染色体加倍染色体加倍可可 育育纯合子纯合子选择所选择所需类型需类型u 过程过程u 优点优点后代都是纯合子，能稳定遗传后代都是纯合子，能稳定遗传明显缩短育种年限，加速育种进程明显缩短育种年限，加速育种进程2、突变体的利用、突变体的利用利用组织培养时，利用组织培养时，状态的细胞易受状态的细胞易受培养条件和外界压力（如射线，化学物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，诱导质等）的影响而产生突变的原理，诱导并筛选出对人类有用的突变体。并筛选出对人类有用的突变体。分生分生3、细胞产物的工厂化生产细胞产物的工厂化生产种类:蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱等.技术:植物的组织培养.培育到什么阶段提培育到什么阶段提取？取？植植物物细细胞胞工工程程基基本本技技术术 植植物物细细胞胞工工程程探究（探究（原理原理）：）：1 1、为什么已分化的植物组织或细胞能培养、为什么已分化的植物组织或细胞能培养成完整植物体？成完整植物体？植物细胞具有全能性。植物细胞具有全能性。2、什么是细胞的全能性？、什么是细胞的全能性？具有某种生物全部遗传信息的任何一具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，个细胞，都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的也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点特点 。在特定的时间和空间条件下，基因选择性在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。的表达的结果。生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传生物的每一个细胞都有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。物质，都有发育成完整个体的全套基因。4 4、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？而是分化成不同的组织器官？3 3、已分化的细胞为什么具有发育成完整个、已分化的细胞为什么具有发育成完整个体的潜能？体的潜能？6.6.细胞表现全能性的条件有哪些？细胞表现全能性的条件有哪些？离体、无菌、营养物质、激素离体、无菌、营养物质、激素及其它适宜条件。及其它适宜条件。5 5、大小：、大小：受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞 体细胞体细胞2 2）植物细胞动物细胞植物细胞动物细胞 3 3）1 1）受精卵的全能性最高）受精卵的全能性最高 4 4）分化程度低的细胞分化程度）分化程度低的细胞分化程度 高的细胞高的细胞植物组织培养的植物组织培养的培养基培养基无机营养成分：水和无机盐无机营养成分：水和无机盐有机营养成分有机营养成分 含含N N物质：包括维生素和氨基酸物质：包括维生素和氨基酸 碳源：碳源：2%5%2%5%的蔗糖的蔗糖 琼脂：起支持作用（琼脂：起支持作用（固体培养基固体培养基）相关激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素相关激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素PHPH值：值：5.05.06.06.01 1你认为两个来自不同你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什遇到的第一个障碍是什么？么？2 2有没有一种温和的去有没有一种温和的去壁方法呢？壁方法呢？3 3为什么两个原生质体为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？膜的什么特性有关？4 4如果两个来源不同的如果两个来源不同的原生质体发生了融合，原生质体发生了融合，下一步该做何处理？下一步该做何处理？5 5如何将杂种细胞培育如何将杂种细胞培育成杂种植株？成杂种植株？请思考：请思考：杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化1 1、过程、过程植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A原生质体原生质体B原生质体原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去去 壁壁去去 壁壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融合的方法？的方法？融合融合完成完成的的标志标志植物细胞植物细胞B四、植物体细胞杂交技术四、植物体细胞杂交技术白菜白菜白菜白菜甘蓝甘蓝甘蓝甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝2 2 2 2、概念、概念、概念、概念将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合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成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。体的技术。体的技术。体的技术。3 3 3 3、意义、意义、意义、意义在在在在克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍上，上，上，上，取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交取得了巨大的突破，从而扩大了可用于杂交的亲本组合。的亲本组合。的亲本组合。的亲本组合。4.4.4.4.未能解决的问题：未能解决的问题：未能解决的问题：未能解决的问题：未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状。的优良性状。的优良性状。的优良性状。比较比较比较比较无性繁殖无性繁殖细胞全能性细胞全能性脱分化脱分化再分化再分化保持优良性状保持优良性状繁殖速度快、大规模生产繁殖速度快、大规模生产提高经济效益提高经济效益杂交技术应用了组织培养杂交技术应用了组织培养克服不同生物远缘杂交不克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍亲和的障碍去除细胞壁去除细胞壁融合形成杂种细胞融合形成杂种细胞组织培养组织培养膜流动性膜流动性细胞全能性细胞全能性染色体变异、基因重组染色体变异、基因重组