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，通过某种工程学手段，在细胞整体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。细胞工程理论基础操作水平目的优点细胞整体水平或细胞器水平细胞生物学和分子生物学改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品按照人类的意愿定向改造生物遗传性状克服远缘杂交不亲和障碍主要理论基础植物细胞工程基本技术植物组织培养技术植物体细胞杂交技术植物细胞的全能性一、植物细胞工程1、植物组织培养技术的理论基础是植物细胞具有全能性（1）细胞的全能性概念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，即每个细胞都具有全能性。（2）为什么细胞具有全能性呢（物质基础）？每个细胞具有发育成完整个体所需的全部遗传信息（基因）。（3）为什么每个细胞都具有发育成完整个体的全部遗传信息呢？生物体每一个体细胞都是一个受精卵经有丝分裂产生的。（4）生物的哪种细胞最容易发育生物体（全能性最高）？受精卵生殖细胞体细胞;植物细胞动物细胞体细胞：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幼嫩的衰老的（5）为什么体内细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织、器官？基因在特定空间和时间条件下选择性表达的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同部位的细胞表达的基因是不同的，合成的蛋白质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。（6）植物细胞全能性表达需要什么条件呢？处于离体状态；一定的营养物质、激素和其他外界条件12345再分化(愈伤组织)6(胚状体)（1）概念：在无菌和人工控制条件下,将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工控制的培养基上，给予适宜的条件，诱导产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。2、植物组织培养技术（2）植物组织培养的过程离体的器官、组织或细胞脱分化（有丝分裂）愈伤组织再分化发育(分裂分化)根、芽植物体愈伤组织：细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的、无定形状态的具有分生能力薄壁细胞。已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而变成未分化的细胞。脱分化：再分化：脱分化生产的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根或芽等器官的过程。切取形成层无菌接种诱导愈伤组织的形成试管苗的形成培养室移栽脱分化再分化（3）植物组织培养的条件①离体植物器官、组织或细胞②无菌条件③植物外源激素（生长素、细胞分裂素等）④适宜的温度、pH、光照等的控制⑤一定的营养物质（培养基）无机营养成分：无机盐离子有机营养成分：①氮源：包括维生素和氨基酸②碳源：2%—5%的蔗糖溶液，调节渗透压③琼脂：起支持作用④激素：生长素、细胞分裂素和赤霉素PH值：5.0~6.0植物组织培养的培养基成分及条件影响脱分化和再分化较低有利于生根细胞分裂素生长素有利于芽的产生较高细胞分裂素生长素有利于愈伤组织的形成适中细胞分裂素生长素植物组织培养中植物激素的作用离体的植物器官、组织或细胞（外植体）愈伤组织根、芽植物体脱分化再分化①无菌②营养③一定的外界条件④植物激素遮光一定的光照芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照植物组织培养中的条件控制①微型繁殖：（1）植物繁殖的新途径①繁殖快，可大批量生产②保持亲本的优良性状③不受季节的限制④培养周期短⑤取材少应用组织培养技术，快速繁殖优良品种植物优点：3、植物细胞工程的应用②作物脱毒以植物的茎尖等分生区（无病毒或极少）为材料进行植物组织培养得到脱毒苗。③人工种子胚状体（不定芽、顶芽、腋芽）+人工薄膜优点：①解决繁殖力低、结子困难、发芽率低问题②保持优良遗传特性③不受气候、季节、地域限制,时间短,占地少；方便地贮藏和运输。（2）作物新品种的培育①单倍体育种方法:优点:花药离体培养+秋水仙素处理明显缩短育种年限；后代通常是纯合体。②突变体的利用新品种外植体愈伤组织多种突变体筛选脱分化再分化诱变处理③转基因植物的培育④植物体细胞杂交转基因细胞转基因植物植物组织培养转基因技术植物细胞植物细胞融合杂种细胞杂种植物植物组织培养不同植物细胞（3）细胞产物的工厂化生产细胞产物:技术:蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱等。植物的组织培养——愈伤组织细胞培养将两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的过程。2、植物体细胞杂交技术（1）概念：②①③④⑤（2）过程：植物细胞的融合植物组织培养去壁方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等化学法：聚乙二醇（PEG）融合的基础：细胞膜的流动性获得杂种植株植物细胞融合、植物组织培养再生出细胞壁（3）植物体细胞杂交的方法原理杂交完成的标志：融合成功的标志：技术手段：（4）植物体细胞杂交的优点及问题优点：（与有性杂交方法比较）问题：1.克服远缘杂交不亲和障碍；2.大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。并不一定能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良。白菜甘蓝白菜－甘蓝“白菜－甘蓝”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。成功的案例植物组织培养与体细胞杂交技术比较植物组织培养植物体细胞杂交技术所属范畴原理步骤意义联系无性繁殖细胞全能性①脱分化②再分化保持亲本优良性状快速繁殖、大规模生产提高经济效益体细胞杂交技术最终要应用组织培养来获得杂种植株克服不同种生物远源杂交不亲和的障碍①去除细胞壁②融合形成杂种细胞③组织培养膜流动性细胞全能性染色体变异、基因重组(2013重庆高考)某兴趣小组拟用组织培养繁殖一种名贵花卉，其技术路线为“取材→消毒→愈伤组织培养→出芽→生根→移栽”。下列有关叙述，错误的是()A.消毒的原则是既杀死材料表面的微生物，又减少消毒剂对细胞的伤害B.在愈伤组织培养中加入细胞融合的诱导剂，可获得染色体加倍的细胞C.出芽是细胞再分化的的结果，受基因选择性表达的调控D.生根时，培养基通常应含α－萘乙酸等生长素类调节剂(2015太原模拟)植物组织培养的过程如下图所示。请分析并回答：离体的组,织或器官―A→愈伤组织―B→胚状体―C→植株(1)B、C过程是通过细胞的__________、________实现的。(2)胚状体根据其来源不同，可以分为“体细胞胚”和“花粉胚”。①用花药离体培养可获得“花粉胚”，同种植物的花粉胚与体细胞胚在染色体数目上的主要区别是____________________________________。②如果用________处理二倍体植株的花粉胚，能获得可育的植株，该过程是__________育种中不可缺少的步骤。③在一定条件下培养离体细胞可以形成体细胞胚进而发育成完整的植株，其根本原因是每个细胞都含有____________________，这一过程体现了_____________。。分裂(或增值)分化花粉胚细胞种的染色体数目使体细胞胚的一半秋水仙素单倍体本物种的全套基因(或全套遗传信息)植物细胞的全能性(3)植物组织培养得到的胚状体经过人工薄膜包装可以获得“人工种子”，由“人工种子”萌发出的植株是否可育？_____________________。(4)微型繁殖培育无病毒草莓时，一般选取茎尖或根尖作为外植体，其依据是_______________________________。(5)在培养过程中，愈伤组织在培养基中未形成根，但形成了芽，其原因可能是培养基中生长素类物质用量与细胞分裂素类物质用量比例不合理(或培养基中生长素类物质用量与细胞分裂素类物质用量的比值偏低，合理即可)由花粉培养发育的植株一半不可育,由体细胞经过组织培养发育的植株是可育的)茎尖(或根尖)病毒极少,甚至无毒1.(2015河北衡水大联考)美国科学家将分离得到的成熟的胡萝卜根的韧皮部细胞进行培养，由单个细胞发育成了完整的新植株，过程图解如下，回答与之有关的问题：(1)科学家所用的这种生物技术叫做______________，依据的理论基础是植物细胞具有________性。②过程称为_____________________，③过程称为_____________________，C经______________和_______________________________过程形成D。(2)通过②过程产生的愈伤组织细胞与根的韧皮部细胞在染色体的数目上是否相同？________。染色体上所含的遗传物质是否相同？____________。细胞的形态结构是否相同？____________。(3)在培养过程中，除了提供水分、无机盐、糖类、维生素以及氨基酸外，还需要在培养基中加入__________，同时在培养过程中，除必需的温度、光照和氧气等外界条件外，成功的另一个关键是操作过程必须保证________________________________________________。(4)从育种的角度来看，植物组织培养与有性繁殖相比，优势主要有(列举两条)：______________________、_________________________。(5)与植物组织培养的培养基相比，用于动物细胞培养的培养液除含有水分、无机盐、糖类、维生素以及氨基酸等之外，通常还要添加________________。答案(1)植物组织培养全能脱分化再分化细胞分裂细胞分化(2)相同相同不同(3)植物激素无菌(4)能保持母本的优良性状培养周期短，繁殖效率高(5)动物血清二、动物细胞工程细胞核移植技术动物细胞融合技术单克隆抗体技术动物细胞培养技术(基础)动物细胞工程常用技术：从动物机体中取出相关组织，将它分散成单个细胞,放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。（1）概念：（2）原理：细胞增殖1、动物细胞培养定义：人们通常将动物组织消化后的初次培养称为原代培养。胰蛋白酶处理取出组织胚胎或幼龄动物器官组织剪碎单个细胞细胞悬液转入培养瓶内培养（贴壁生长、接触抑制）①原代培养（3）过程原代培养增殖能力强，分裂旺盛，分化程度低，容易培养去掉组织间蛋白加培养液细胞贴壁过程细胞贴壁：在培养瓶悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。■对培养瓶或培养皿壁要求：表面光滑、无毒、易于贴附。当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。接触抑制50代以后失去接触抑制接触抑制部分细胞突变，获得不死性，向癌细胞方向发展，糖蛋白减少。②传代培养定义：将接触抑制的细胞分离稀释，并从原培养瓶内转接到新的培养瓶内，这个过程称传代培养。（即分瓶培养的过程）出现接触抑制①无菌、无毒的环境（灭菌，添加一定量的抗生素，定期更换培养液）②营养（液体培养基）（葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清、微量元素等）③温度和PH温度：36.5+0.5℃，pH：7.2～7.4④气体环境O2和CO2（95%空气和5%CO2）（4）动物细胞培养条件含未知成分，促进细胞顺利的生长、增殖离体培养的细胞对微生物和有毒物质没有防御能力能否用胃蛋白酶代替胰蛋白酶？比较项目原理培养基性质培养基特有成分培养结果培养目的植物组织培养动物细胞培养细胞的全能性固体培养基蔗糖植物激素完整植物体快速繁殖、育种和生产细胞产物等细胞增殖液体培养基葡萄糖动物血清细胞群体获得细胞或细胞分泌蛋白等（5）植物组织培养、动物细胞培养的比较（6）动物细胞培养技术的应用①生物制品的生产如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体②用作基因工程的受体细胞③检测有毒物质，判断某种物质的毒性④细胞的生理、药理、病理研究如用于筛选抗癌药物（1）概念：2、细胞核移植技术和克隆动物将一个动物细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组发育成新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。（2）结果：（3）原理：克隆动物(用核移植得到的动物)动物细胞核的全能性（4）种类体细胞核移植胚胎细胞核移植（难度较高）（5）（体）细胞核移植的过程（比较容易）去核注核（MⅡ卵母细胞）减数第二次分裂中期去核的卵母细胞供体细胞注入去核卵母细胞受体细胞激活，完成细胞分裂、发育胚胎移植（6）应用①加快家畜遗传改良进程，促进优良畜群