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《细胞工程》教学提纲、课后思考题及补充思考题课程学时：36学时，学分：2学分教学基本要求：1．了解与细胞工程相关的重要理论，背景知识和细胞工程学的基础知识。2．了解和掌握细胞工程各种技术的基本原理、技术和方法。3．了解和掌握细胞工程的工程与实验技术。4．了解细胞工程重要技术的应用途径和范围，存在的问题及缺点。5．了解细胞工程关键技术的最新进展和发展前景。课程考核方式：闭卷笔试综合考查。平时考查与期末考试相结合。1、平时出勤、作业成绩占10%；2、期中考试成绩占30%；3、期末考试成绩占60%。第一章绪论第1节生物工程1.1定义1.2发展历程1.3现代生物工程的特点与组成一、定义1、利用生物将原材料转化为产品的技术。（KailEreky，1917）2、应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将材料进行加工以提供产品为社会服务的技术。（国际合作及发展组织，1982）3、以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产所需产品或达到某种目的的技术。（国家科委，1986）生物技术（biotechnology）——以生命科学为基础，利用生物体系和工程学原理生产生物制品和创造新物种的一门综合技术，也就是利用生物有机体或其组成部分如细胞、组织、器官等发展新工艺或制造新产品的技术。二、发展历程1、第一代生物工程（微生物发酵，如酒精等）2、近代生物工程（医用抗生素、氨基酸、酶）3、现代生物工程（高新技术）三、现代生物工程的特点与组成1、发酵工程2、酶工程3、蛋白质工程4、基因工程5、生物化学工程6、细胞工程第2节细胞工程2.1定义2.2发展历史2.3主要研究内容2.4重要应用一、定义细胞工程（cellengineering）——应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。二、发展历史（略）三、主要研究内容1、动植物细胞与组织培养2、细胞融合3、染色体工程4、胚胎工程5、细胞遗传工程四、重要应用1、优质植物快速培育与繁殖2、动物胚胎工程快速繁殖优良、濒危品种3、利用动植物细胞培养生产活性产物、药品4、新型动植物品种的培育5、供医学器官修复或移植的组织工程6、转基因动植物的生物反应器工程7、珍稀动植物资源的保存与保护8、应用于遗传学、发育学等领域的理论研究9、应用于能源开发、环保等第一章小结：第二章细胞工程基础第1节细胞生物学基础1.1细胞1.2染色质与染色体1.3细胞周期1.4细胞分裂1.5细胞分化与细胞全能性细胞分化——个体细胞发育过程中，后代细胞在形态结构和生理功能定义一、生物工程发展历程现代生物工程的特点与组成定义二、细胞工程发展历史主要研究内容重要应用上发生差异的过程。持家基因——细胞中维持细胞生存所必需的基因。组织专一基因——在各种细胞中专一选择表达的基因。发育潜能——细胞分化能力的强弱。高度分化的植物营养组织具有全能性，高等动物细胞发育潜能变窄。细胞全能性——已经分化和尚未分化的细胞所具有的表达生物体基因组任何一种基因、分化出任何一种类型细胞、各种组织直至发育成完整个体的潜能。多能性——随着胚胎的发育，细胞具有分化出各种组织的潜能而失去发育成完整个体的潜能，这种发育潜能叫多能性。去分化——在某些条件下，分化细胞不稳定，基因活动模式发生可逆变化又回到未分化状态的过程，如培养条件下的植物愈伤组织。一个已分化细胞，要表现其全能性，形成完整个体，首先要经历脱分化，然后再经历再分化过程。第2节分子生物学基础2.1基因与基因复制2.2转基因技术第3节普通生物学基础3.1组织、器官3.2生殖、发育一、组织、器官分生组织植物组织成熟组织上皮组织动物组织结缔组织肌肉组织神经组织分生组织按在植物体中的位置分：（1）顶端分生组织（2）侧生分生组织（3）居间分生组织二、生殖、发育1、高等植物的生殖和发育：花粉粒的形成和发育胚囊的形成和发育→开花与传粉→花粉萌发和双受精作用→受精胚珠发育形成种子（合子发育成胚，受精极核发育成胚乳）→果实形成→种子萌发与幼苗形成2、高等动物的生殖和发育：受精卵→卵裂球→囊胚→原肠胚→形成中胚层→胚层分化→幼体顶体反应——获能的精子释放顶体酶，溶解卵细胞周围的放射冠和透明带的变化。精子必须穿过几层物理性的屏障才能穿入卵内。在哺乳动物中，精子入卵所面临的第一层屏障是一层包埋在黏性透明质酸中的卵丘细胞。精子头部表面的透明质酶活性有助于精子穿过卵丘细胞层。第二层屏障是在卵丘细胞层下面包裹卵细胞的一层透明带。卵透明带是被覆于卵母细胞及着床前受精卵外的一层基质，由糖蛋白组成。在受精过程中及早期孕卵发育方面具有重要的作用。当一个获能的精子进入一个次级卵母细胞的透明带时，受精过程即开始。到卵原核和精原核的染色体融合在一起时，则标志着受精过程的完成。受精的过程包括精子与卵子接触、精子穿过卵细胞的放射冠和透明带、次级卵母细胞进行第二次分裂及两性原核的融合。精子头部通过顶体反应释放顶体小泡中的内容物，有助于精子穿过透明带。透明带中含有一种特异性结合的糖蛋白受体ZP3，而精子头部含有一种能够和ZP3结合的黏附分子β1，4－半乳糖基转移酶。当精子与ZP3结合后，顶体通过胞吐作用将内容物释放。释放的内容物主要是一些酶类，包括β－N－乙酰葡萄糖胺糖苷酶和顶体素，前者用于降解透明带糖蛋白上的寡糖链，后者为一种蛋白酶。它们可以使精子表面与卵细胞质膜结合的蛋白暴露出来。受精素就是其中的一种，有两个跨膜亚基组成，能与卵细胞质膜上的整联蛋白受体结合，从而引发精子与卵子融合。胚层的分化（1）外胚层分化成皮肤表皮和其衍生物（比如口腔、鼻腔、肛门的粘膜、毛发、指甲、爪等）、神经系统、感觉器官、肾上腺髓质等。（2）内胚层分化形成消化道、呼吸道及排泄管道的上皮、肝、胰、扁桃体、甲状腺、胸腺等。（3）中胚层分化形成肌肉、骨骼、血管和血液、淋巴系统、肾脏、生殖腺、肠系膜等。第二章小结：一、细胞生物学基础（细胞、染色质与染色体、细胞周期、细胞分裂、细胞分化与细胞全能性）二、分子生物学基础（基因与基因复制、转基因技术）三、普通生物学基础（组织与器官、生殖与发育）第三章植物组织与细胞培养第1节植物组织培养与细胞培养的区别组织培养——从生物体内取出组织或细胞，模拟机体内生理条件，在体外进行培养，使之生存或生长成组织的技术。植物组织培养主要是植物无性脱毒快速繁殖技术。细胞培养——使动植物细胞在体外条件下存活或生长的技术，不再形成组织。植物细胞培养主要是以生产植物次生代谢产物为目的的大规模细胞培养技术。第2节发展历史（自学）第3节植物组织与器官培养3.1定义与基本原理3.2几个重要概念3.3细胞分化和形态建成3.4植物组培的基本步骤3.5愈伤组织培养3.6植物器官培养3.7植物组培的应用3.8人工种子3.9植物组织与器官的生物反应器培养一、定义与基本原理植物组织培养——在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞、胚胎、原生质体等培养在人工配置的培养基上，给予适当的培养条件，诱发产生愈伤组织、潜伏芽，或者长成新的完整植株的技术。理论依据：细胞全能性科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，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。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。植物组织培养技术是一种无性快速繁殖技术，与常规营养繁殖方法相比，只需少量材料就能获得大量植株，可以节约大量种子、肥料、耕地，而且是在人工无菌操作和控制生长环境条件下进行，可进行工业化生产，对保质、保纯和反季节生产有着特殊作用，被认为是农业高新技术中最重要、最活跃的领域之一，不仅是农业继续发展的基础，而且是生物技术中应用最广、最具现实意义的领域，被誉为农业发展史上的第四次绿色革命，对解决经济和社会发展所面临的人口增长、农业资源贫乏、环境污染等重大问题具有十分重要的战略意义。二、几个重要概念1、全能细胞能够表达生物体基因组的任何一种基因，并能分化出该生物体内任一类型细胞，进而发育为一个完全相同生物体的细胞。如合子（受精卵）、早期胚胎细胞、顶端分生组织细胞、成熟器官遗留的胚性细胞等。2、愈伤组织由外植体组织增生的细胞产生的一团不定型的疏散排列的薄壁细胞，比较容易分离，通常在外植体伤口处产生。这些细胞的大小、形状、液泡化程度、胞质含量、细胞壁特性等通常有较大差异。继代培养→器官发生→再生植株单细胞→细胞培养原生质体3、外植体植物组培中用来进行离体无菌培养的离体材料，器官、组织、细胞、原生质体都可以。4、继代培养愈伤组织在培养基上生长一段时间后，营养物枯竭，水分散失，并已经积累了一些代谢产物，此时将这些组织转移到新的培养基上的培养方式，也称传代培养。三、细胞分化和形态建成体细胞胚——指离体培养条件下没有经过受精过程而形成的胚胎类似物，又叫胚状体。去分化——在某些条件下，分化细胞不稳定，基因活动模式发生可逆变化又回到未分化状态的过程，如培养条件下的植物愈伤组织。一个已分化细胞，要表现其全能性，形成完整植株，首先要经历脱分化，然后再经历再分化过程。组培研究结果表明：分化细胞的脱分化关键需要两个条件：创伤和外源激素，如生长素、细胞分裂素或赤霉素。植物组织培养常用仪器设备：电子天平、高压蒸汽灭菌锅、电热干燥箱、超净台、冰箱、人工气候培养箱、人工气候室、三重纯水蒸馏器、超纯水仪、电炉、试管、三角瓶、培养皿、剂量器皿（量筒、容量瓶、移液管、移液枪等）、烧杯、试剂瓶、镊子、解剖剪、解剖刀等。植物组织培养培养基成分：培养基应含有植物生长所必需的各种营养成分，以满足植物正常生长发育的需要。在完整的全培养基中应包括无机盐类、碳源、有机氮源、植物生长激素、维生素等物质。这些物质主要有四个方面的生理作用：一、作为结构物质参与机体的建构，如蔗糖提供碳源，肌醇在糖类的相互转化中起作用，是构成细胞壁的材料，也参与细胞膜的构建。氨基酸是很好的有机氮源，可直接被细胞吸收利用；二、构成特殊的生理活性物质，在代谢中起调节作用，如维生素类物质在植物细胞中主要以各种辅酶的形式参与多种代谢活动，对生长有促进作用；三、维持离子浓度的平衡、电荷平衡、胶体平衡等，如琼脂作为培养组织的支撑物起支持作用；四、影响器官的形态发生和建成，如钾、铁、镁、钙等。植物组织培养培养基成分：（1）无机盐类大量元素：N、S、P、K、Ca、Mg等微量元素：Fe、Mn、Cu、Zn、Cl、B、Mo等通常无机盐浓度为25mmol/L左右，硝酸盐浓度一般为25～40mmol/L，其中必须添加钾元素，浓度在20mmol/L或更高，磷、镁、钙、硫元素浓度在1～3mmol/L。（2）碳源最常采用的碳源为蔗糖，用量在2%～3%范围内。（3）有机氮源通常采用的有机氮源有蛋白质水解产物、谷氨酰胺或氨基酸混合物。（4）植物生长激素（用量常在0.1～1mg/L）生长素能促进细胞分裂，促使根的形成，最常用的有吲哚乙酸（IAA），2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D），萘乙酸（NAA）和吲哚丁酸（IBA）。吲哚乙酸是一种吲哚类具有生长素活性的广谱性植物生长调节剂，目前主要用于植物组织培养、诱导愈伤组织形成、促进生根。吲哚丁酸主要应用于促进插条生根。萘乙酸促进植物生长、插条生根。2，4-D用途随浓度而异，效果不一，在较低浓度下是植物组织培养的成分之一，促进愈伤组织的形成。细胞分裂素通常是腺嘌呤衍生物：6-苄基嘌呤（BA）、玉米素（ZT）、激动素（KT）。6-BA是诱导芽的分化，促进侧芽萌发生长，促进细胞分裂与扩大抑制根的分化。（5）维生素维生素作为植物细