1、Cell engineering00 细胞工程 细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。原理和方法 操作水平 目的 分类 细胞生物学、分子生物学和发育生物学 细胞器、细胞或组织 获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品 动物细胞工程和植物细胞工程 植物细胞工程发展历程哈伯兰特提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。斯图尔德等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。科金用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质
2、体。古哈等在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉粒发育而来的胚。卡尔森诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。土壤农杆菌的Ti质粒被发现。之后，该质粒应用于植物分子生物学领域，促进了植物细胞工程与分子生物学技术的紧密结合。1902年1958年1960年1964年1971年1974年植物细胞工程的理论基础是什么？什么是植物组织培养技术和植物体细胞杂交技术？怎样进行菊花的组织培养？植物细胞工程的基本技术 CONTENTS 目录 植物组织培养技术 Plant tissue culture technology01植物体细胞杂交技术 Somatic hybridizatio
3、n of plants02习题巩固 Exercises to consolidate03From society01 从社会中来 兰花种子通常发育不全，在自然条件下萌发率极低；传统分株繁殖的方式，又存在繁殖周期长、繁殖率低等问题，如果靠自然繁殖，兰花的价格可想而知了。如何能让名贵的兰花大量、快速地繁殖，从而走入寻常百姓家呢？利用植物组织培养技术可以大量、快速地培育兰花。植物组织培养技术 Plant tissue culture technologyPART 01 离体 Plant tissue culture technology01 植物组织培养技术 2.原理：1.概念：指的植物器官、组织或
4、细胞等，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其分化为的技术。离体完整植株植物细胞的全能性外植体外植体：在植物组织培养过程中，从植物体上被分离下来的，接种在培养基上供培养用的原生质体、细胞、组织、器官等。细胞经过后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。分裂和分化Plant tissue culture technologyTotipotency01 植物组织培养技术全能性 1.具有全能性的原因：一般生物体的每一个细胞都包含有该物种的。即都有发育成所必需的全部遗传信息。全套遗传信息完整个体2.体现全能性的标志：细胞 完整个体或其他各种细胞实例：胡萝卜韧皮部细胞发育成完整
5、植株 受精卵发育成个体（动植物）蜜蜂受精卵发育成工蜂，卵细胞发育成雄峰 用一片叶子、一片花瓣、一粒花粉繁殖出新的植株 Plant tissue culture technologyTotipotency01 植物组织培养技术全能性 实例：芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶 3.生物体内细胞不体现全能性的原因：基因在特定的时间和空间条件下 表达的结果。选择性4.全能性大小比较：（1）分化程度低的分化程度高的（2）细胞分裂能力强的细胞分裂能力弱（3）受精卵胚胎干细胞生殖细胞体细胞植物细胞动物细胞Plant tissue culture technology01 植物组织培养技术 3.一般过程：
6、外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 接种外植体 诱导愈伤组织 诱导生芽 诱导生根 移栽成活 分化状态 未分化状态 Plant tissue culture technologyDedifferentiation01 植物组织培养技术脱分化 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 1.脱分化：在一定的和等条件的下，的细胞，转变成的过程。激素营养诱导已经分化失去其特有的结构和功能未分化的细胞光照条件：过程中涉及的生命活动：一般不需要光照只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化Plant tissue culture techno
7、logyDedifferentiation01 植物组织培养技术脱分化 注意说明 1.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较易，而植物的茎、叶等成熟的组织脱分化则较难。2.该过程添加的外源激素主要是细胞分裂素和生长素（比例适中），因为二者能强烈地促进愈伤组织的形成。结果形成愈伤组织（不定形的薄壁组织团块）3.无菌操作植物组织培养成功的关键。Plant tissue culture technology01 植物组织培养技术 愈伤组织 细胞排列疏松且无规则、高度液泡化、呈无定形状态的薄壁细胞团。3.再分化：脱分化产生的愈伤组织继续
8、进行培养，又可以 出芽或根等器官的过程。重新分化 实质：光照条件：基因的选择性表达需要给予适当强度的光照诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用原因：Plant tissue culture technologyRedifferentiation01 植物组织培养技术再分化 过程中涉及的生命活动：既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。结果：愈伤组织 芽 低高根 生长素细胞分裂素胚状体 4.胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，因而统称为体细胞胚或胚状体。Plant tissue culture technologyRedifferentiati
9、on01 植物组织培养技术再分化 注意说明 影响植物组织再分化的因素a.外植体的遗传特征和取材的位置会影响愈伤组织的再分化能力。b.培养基的成分和物理性质对器官的形成有一定的影响，但起决定作用的是植物激素，特别是生长素和细胞分裂素的配比。5.生长发育：将试管苗移到大田中栽培或进行无土栽培，使之进一步生长发育为具有根、茎、叶且能开花、结果的完整植株。Plant tissue culture technology01 植物组织培养技术 脱分化 再分化 过程 外植体愈伤组织愈伤组织幼苗结果 形成愈伤组织形成根、芽需要条件 a.离体b.适宜的营养c.生长素与细胞分裂素的比例适中d.一般不需光a.离体b
10、.适宜的营养c.生长素与细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽d.光照决定植物脱分化、再分化的关键因素Plant tissue culture technologyTissue culture of Chrysanthemum01 植物组织培养技术菊花的组织培养 1.原理：外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 植物细胞一般具有。全能性生长素/细胞分裂素 结果比值高(1)比值低(1)比值适中(=1)有利于根的分化，抑制芽的形成 有利于芽的分化，抑制根的形成 促进愈伤组织的形成 简记为：“高”根，“低”芽，“中”愈伤 离体的茎尖、根尖、叶片、花药等（外植体）Tis
11、sue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 2.目的：1）了解植物组织培养的基本原理2）了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响3）尝试进行植物组织培养3.材料：离体的茎尖、根尖、叶片、花药等（外植体）。4.MS培养基：水（去离子水）、无机营养（大量元素、微量元素）、有机营养（蔗糖、维生素、氨基酸）、天然附加物、植物激素（生长素、细胞分裂素等）Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 5.步骤：制备外植体 接种 培养 试管苗 正常植株 用酒精擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体
12、。消毒：切割：无菌操作 30S2-3次30min材料：幼嫩的菊花茎段 2-3次酒精无菌水次氯酸钠溶液无菌水洗将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成0.51cm长的小段。切割与接种 Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 制备外植体 接种 培养 试管苗 正常植株 在酒精灯火焰旁，将外植体的1/31/2插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。接种到诱导愈伤组织培养基脱分化 形成愈伤组织有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于1
13、822的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。避光 Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 制备外植体 接种 培养 试管苗 正常植株 接种到诱导生芽培养基接种到诱导生根培养基培养1520d后，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。接种室 若先生根后面就不易生芽Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 制备外植体 接种 培养 试管苗 正常植株 移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培
14、养基后，将幼苗移植到消过毒的虹石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 幼 苗愈伤组织脱分化CTK/IAA比例适合再分化IAA/CTK比例先减小再增大植物组织培养过程示意图完整植株外植体Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 6.结果分析与评价：用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物的生长，如一些细菌、真菌等的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要进行严格的无菌操作。1.在植物组培过程
15、中，为什么要进行一系列的消毒，灭菌，并且要求无菌操作？胡萝卜根形成层容易诱导成愈伤组织，其他部分如叶、花也能培养成小植株，只是稍微困难些。2.为什么切取胡萝卜根的形成层，其他部分也能培养成小植株吗？Tissue culture of Chrysanthemum01 菊花的组织培养 外植体 愈伤组织 试管苗 完整植株 脱分化 芽、根等 再分化 生长 发育 黑暗 光照 离体 无菌 培养基 适宜的外界条件(温度、光照、气体等)水 琼脂 有机物 无机物 植物激素 蔗糖：提供能量、调节渗透压。植物激素：主要是生长素和细胞分裂素。Expand01 拓展 1）培养基名称：；2）物理性质：；3）碳源：。拓展1
16、：植物组织培养常用的培养基配方P116Expand01 拓展 拓展2：植物组织培养的两种途径胚状体途径器官发生途径Expand01 拓展 拓展2：植物组织培养的两种途径胚状体途径器官发生途径Further inquiry01 进一步探究 若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应如何设计对照实验？空白对照：不加任何激素；实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1；实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1；实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1。能否从以上内容中概括植物组织培养中细胞表现出全能性所需要的条件？Plant tissue culture te
17、chnology01 植物组织培养技术（1）离体状态（2）无菌操作（3）种类齐全、比例适合的营养物质（4）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节（5）适宜的外界条件（温度、pH、光照等）归纳细胞表现全能性的条件植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plantsPART 02 02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants要培育出如图所示的番茄马铃薯利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？不能，因为不同种生物之间存在着生殖隔离。于是，这些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。02植物体细胞杂交技
18、术 Somatic hybridization of plants1.概念 将不同来源的植物细胞，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。融合实例:+=白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants细胞融合初期 人细胞 鼠细胞 人鼠杂交细胞 细胞融合 细胞融合 37培养40min参考动物细胞融合，若是植物细胞之间的杂交，则应先做什么？得到杂种细胞后，如何培育成植株？去除细胞壁（获得原生质体）原生质体：是指去除细胞壁后的植物细胞 原生质层：是指植物细胞的液泡膜、细胞膜及其之间的细胞质构成的 红色荧光素标记的抗体
19、 绿色荧光素标记的抗体 02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plantsA细胞B细胞A原生质体B原生质体正在融合的原生质体杂种细胞 愈伤组织 杂种植株 移栽后的植株去除细胞壁 纤维素酶 去壁：酶解法 果胶酶 诱导融合物理法：化学法电融合法、离心法聚乙二醇（PEG）融合法高Ca2+-高pH融合法等细胞壁再生脱分化再分化移栽植物细胞融合 植物组织培养 植物细胞的全能性 细胞膜的流动性 2.过程02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants体细胞融合成功后培养基中共有种细胞类型()，其中融合细胞类型有3种()，而真正符合要
20、求的是AB，因此要对融合细胞进行筛选。细胞融合后，共有几种细胞类型？融合细胞有几种，符合要求的是哪种？5如何将杂种细胞培育成杂种植株?AB5A、B、AA、BB、ABAA、BB、AB3.原理细胞膜的流动性（原生质体融合）植物细胞具有全能性（杂种细胞培养成杂种植株）02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants（1）植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁（2）植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植物体4.标志5.意义打破生殖隔离，克服远缘杂交不亲和的障碍，培育植物新品种。在此过程中活跃的细胞器是 。线粒体和高尔基体 6.研究现状仍有许多理论与技术问题没有解决
21、，还不能让杂种植株表现出人们所需要的所有性状02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants+=白菜 甘蓝 白菜-甘蓝 1.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）体细胞杂交所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为，属于倍体。36（异源）四2.白菜（2N=18）与甘蓝（2N=18）进行杂交（相互授粉），所得植株白菜-甘蓝的细胞染色体数为，属于倍体。（异源）二18基因重组 染色体数目变异 02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants7.变异类型 染色体数目变异 生殖类型 变异类型 染色体数 染色体组数 基因组成 无性繁殖，育
22、种过程中不遵循孟德尔定律染色体数目变异两亲本染色体数之和。2n+2m两亲本染色体组数之和。2+2两亲本基因型之和。AaBbCcDd02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants植物体细胞杂交育种四倍体杂交育种诱导多倍体四倍体二倍体如何处理植株使其可育？看减数分裂联会、配对能否正常进行！若亲本植株可育，则杂种植株可育。杂种植株是不同于亲本的新物种。02植物体细胞杂交技术 Somatic hybridization of plants概念 植物细胞融合 原生质体制备 过程 变异类型 植物组织培养 原生质体融合 原理 育种类型 原理 过程 花药离体培养 细胞全
23、能性 操作步骤 脱分化 再分化 外植体 根、芽、胚状体 愈伤组织 外植体消毒 接种 切块 形成愈伤组织 诱导生芽生根 植物体细胞杂交 植物组织培养 植物细胞工程 优缺点 习题巩固 Exercises to consolidatePART 03 1.下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是（）03习题巩固 Exercises to consolidate1.下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是（）A.进行a处理时能用胰蛋白酶B.b是诱导融合后得到
24、的杂种细胞C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中A03习题巩固 Exercises to consolidate2.科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分?纤维素酶和果胶酶03习题巩固 Exercises to consolidate番茄马铃薯没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，主要原因是生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以番茄马铃薯杂种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相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。番茄马铃薯杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么?课时作业 THANK YOU
