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1专题2细胞工程※细胞工程的概念：是指导应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人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。（是指以细胞为基本单位，在体外无菌条件下，进行培养、繁殖或利用细胞融合、核移植等技术，使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种、创造新品种和加速繁育生物个体，以及获得某些有用的细胞代谢产物的技术。）﹡应用的原理和方法：细胞生物学和分子生物学﹡操作水平：细胞（细胞器）水平的操作﹡研究的目的：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(定向改造）※细胞工程的类型1、按研究对象可分为：植物细胞工程、动物细胞工程、（微生物细胞工程）2、按所用技术可分为：植物组织培养、植物体细胞杂交动物细胞培养、动物细胞融合和单克隆抗体制备、细胞核移植技术和动物体细胞克隆一、植物细胞工程（属于无性繁殖）﹡有性生殖、无性生殖1.无性生殖①．概念：不经过两性生殖细胞的结合，由母体直接产生新个体的生殖方式。②．种类:概念举例共同点分裂生殖由一个生物体直接分裂成为两个新个体。这两个新个体，大小和形状基本相同。草履虫细菌新个体是由母体直接产生出来，新个体所含的遗传物质与母体的相同，因而新个体能够保持母体的一切性状。出芽生殖在母体的一定部位上长出芽体。芽体长大以后从母体上脱落下来，成为与母体一样的新个体。水螅、酵母菌孢子生殖真菌和一些植物，能够产生一种无性的生殖细胞，称孢子。孢子在适宜的环境条件下，能够萌发并长成新植株。根霉、铁线蕨种类项目2营养生殖植物体营养器官的一部分，在与母体脱离后，能够发育成为一个新个体。草莓、马铃薯③优点：保持优良品种的遗传特征。2.有性生殖①.概念：由亲本产生有性生殖细胞，经过两性生殖细胞的结合，成为合子，再由合子发育成新个体的生殖方式。②.意义：产生的后代具备了双亲的遗传特性，具有更强的生活力和变异性，对于生物的生存和进化具有重要的意义。（一）理论基础（原理）：细胞全能性1．细胞全能性的概念：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，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。2.理论依据：生物体内几乎每一个细胞内都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。3.全能性表达的难易程度：①受精卵＞生殖细胞＞干细胞＞体细胞；②植物细胞＞动物细胞；③分化程度低的细胞分化程度高的细胞4.实现全能性的条件（1）离体状态。（2）环境条件条件适宜（如营养物质、激素、温度等）。5.植物体中体细胞未表现出全能性的原因理论上，生物的任何一个细胞都具有发育成完整植物的潜力，但是在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种器官和组织，是因为在特定的时间和空间条件下，细胞的基因会有选择的表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。（基因选择性表达。即未离体细胞只能在机体的调控下定向分化，不能表达其全能性。）【特别提示】目前的实验证明，离体的植物体细胞的全能性得到了充分的体现（如植物组织培养）。离体的动物体细胞，其全能性受到限制，细胞核具有全能性（如克隆技术培养动物个体，需要去核卵细胞的细胞质才能体现出来。）；动物体细胞克隆的关键是细胞核移植技术。※细胞分化（1）概念：在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。（2）原因：不同的细胞中遗传信息的执行情况是不同的。（3）特点：普遍性、持久性、稳定性、不可逆性（4）意义：细胞分化是生物个体发育的基础。3（二）植物细胞工程的基本技术：植物组织培养，植物体细胞杂交技术1.植物组织培养技术(1)概念：是指依据细胞全能性的原理，在无菌和人工控制条件下，将离体的植物的器官、组织、细胞或原生质体（称为外植体），培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整植株。（长成部分或完整植株的技术。）(2)理论基础：植物细胞的全能性。(3)条件：离体、无菌、营养物质、激素、光照等其他适宜条件。首先用消毒剂除去外植体表面的微生物，在无菌条件下将其放到适宜的培养基上。培养基一般有五类成分：①水②无机营养：包括大量元素和微量元素。③有机营养：主要有糖、维生素、氨基酸。④生长物质：指植物激素，常用的有生长素（利于生根）和细胞分裂素（利于生芽），离体培养物的根芽分化取决于激素间的比例。此外，赤霉素对刺激细胞的伸长也有一定的作用。⑤天然附加物：如椰子乳、酵母提取物等。(4)过程：①离体的植物器官、组织或细胞―→脱分化―→愈伤组织―→再分化―→试管苗―→植物体（外植体消毒）生长素及细胞分裂素（避光）生长素及细胞分裂素（给光）②植物组织培养过程：取外植体（离体的器官、组织、细胞），注意要消毒（可用次氯酸钠、无菌水处理，在超净工作台上操作）；将外植体接种到培养基，并封口（培养基成分：有机物、生长素、细胞分裂素、水、矿质元素、琼脂）；通过脱分化，形成愈伤组织（挑选出没有被污染的）；进行转接到分化培养基上，进行再分化（生长素浓度较高利于生根，细胞分裂素浓度较高利于生芽）；一段时间后诱导出试管苗；移栽到大田。注意：整个过程要进行无菌操作③图示如下：﹡相关概念：外植体（分化）愈伤组织（未分化）脱分化再分化根、芽（胚状体）植物体特点：无定形状态、薄壁细胞、高度液泡化、排列疏松无规则营养条件：水、无机盐、蔗糖、氨基酸、维生素等激素：生长素类和细胞分裂素类温度：无菌：条件光调控：生长素和细胞分裂素的比例4愈伤组织：细胞排列疏松而无规则是一种高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞,是一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的薄壁细胞。脱分化：由已分化的植物细胞形成愈伤组织的过程。再分化：愈伤组织生长一段时间后再移植到新的培养基（人教版：分化培养基）上继续培养，重新诱导分化形成根、芽等器官的过程。培养基：固体培养基，含有矿质元素，碳源（蔗糖），氮源，植物激素，维生素(5)地位：是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。﹡细胞工程育种之一——植物组织培养育种方法：离体的植物器官、组织或细胞→愈伤组织→根、芽等器官→植物体原理：植物细胞的全能性优点：快速繁殖、培育无病毒植株等缺点：技术要求高、培养条件严格实例：制备人工种子2.植物体细胞杂交技术（1）概念：就是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体的技术。（2）、理论基础：植物细胞的全能性、细胞膜的流动性。（3）、方法：去除细胞壁→诱导原生质体融合→筛选杂种细胞→组织培养→植物体（4）、过程附：a原生质体：是指去除植物细胞壁后获得的裸露的植物细胞结构等。b诱导植物细胞融合的方法：物理法：离心、振动、电激等。化学法：一般用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂。（5）融合实质：原生质体的融合（6）完成标志：杂种细胞再生出细胞壁（7）意义：克服远源杂交不亲和的障碍。打破特种之间的生殖隔离，扩大遗传重组范围。﹡细胞工程育种之二——植物体细胞杂交育种A细胞B细胞纤维素酶和果胶酶A原生质体B原生质体原生质体融合再生壁杂种细胞植物体纤维素酶和果胶酶5方法：去掉细胞壁→诱导原生质体融合→组织培养→植物体原理：植物细胞的全能性（变异原理：染色体变异；融合原理：细胞膜具有一定的流动性）优点：克服远源杂交不亲和的障碍，培育出作物新品种。缺点：技术复杂，不能按人们的需要表现出亲代的优良性状。实例：番茄—马铃薯的培育【知识架构】(三)植物细胞工程的应用：探究植物科学理论的重要手段，微型繁殖、培养脱毒苗、生产人工种子、培养新品种（单倍体育种）、转基因植物的培养，细胞产物的工厂化生产。1.植物繁殖a.微型繁殖：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。特点：不仅可以保持优良品种的遗传特性，还可以高效快速地实现种苗的大量繁殖。b.作物脱毒：采用茎尖组织培养来除去病毒（因为植物分生区附近的病毒极少或没有）植物分生区附近，如茎尖、根尖，由于细胞分裂快，很少被病毒感染，甚至无病毒，因而被用来培育无病毒植株。c.人工种子：概念：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经人工薄膜包装得到的种子。（是杂种细胞AB的筛选6指在植物组织培养中得到的体细胞胚状体，包埋在含有营养物质和保护物质的包被中，在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。也可用不定芽、顶芽和腋芽等为材料制作人工种子。）优点：完全保持优良品种的遗传特性，不受季节的限制；方便储藏和运输2.作物新品种培育：单倍体育种和突变体的利用。I．单倍体育种：a过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；―→对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养），得到单倍体植株；―→对其幼苗时期进行秋水仙素处理，得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、AAbb、aaBB、aabb四种类型）。b优点：明显缩短育种年限，迅速获得纯系植株。II.突变体利用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）3.细胞产物的生产：通过能够产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养，从而让它们能够产生大量的细胞产物。细胞产物有蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。【总结】：植物组织培养和植物体细胞杂交的比较名称植物组织培养植物体细胞杂交原理细胞的全能性细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性过程注意事项①选材：选取根尖、茎尖、形成层部位、最容易诱导脱分化②光照：脱分化过程不需光照，再分化过程一定要有光①去细胞壁的方法：酶解法，所用的酶是纤维素酶和果胶酶②人工诱导融合的方法：物理法：离心、振动电激化学法：用聚乙二醇诱导【知识拓展】1、微型繁殖与作物脱毒、人工种子、单倍体育种7作物脱毒、人工种子、单倍体育种的培育过程均有采用微型繁殖的技术。作物脱毒主要是强调微型繁殖的取材一定是无毒（的如茎尖、根尖），才能繁殖出无毒的幼苗。人工种子采用的还是微型繁殖的技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，包上人工种皮就可形成人工种子。人工种子与微型繁殖得到的幼苗一样能保持亲本的优良性状，另外还可不受气候、季节和地域的限制。单倍体育种的优点是后代无性状分离，后代都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短育种年限。单倍体育种从本质上说属于有性生殖，这一点与微型繁殖有所区别。但单倍体育种首先要进行花药离体培养，采用还是微型繁殖的技术，然后用秋水仙素处理，获得纯合子。二、动物细胞工程※常用的技术手段：动物细胞培养，动物细胞核移植，动物细胞融合，生产单克隆抗体。其中动物细胞培养技术是基础技术（一）动物细胞培养1、概念：动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和繁殖。﹡这项技术是动物细胞工程的基础。﹡用于培养的动物细胞和组织大多取自动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织。2、原理：细胞增殖3、动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）→剪碎→用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞→制成细胞悬液→转入培养瓶中进行原代培养→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续传代培养。附：相关概念细胞贴壁：培养时悬液中分散的细胞很快就会贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。原代培养：是指从供体获取组织或细胞后的初次培养。传代培养：将原代培养的细胞分离稀释后转入新的培养瓶中继续培养。（一般情况下，传代培养10-50次后，细胞增殖会明显放缓，甚至完全停止，但有少部分细胞克服细胞寿命的自然极限，获得不死性，这些细胞已经发生了突变，即细胞内遗传物质发生了改变，细胞正在朝着等同于癌细胞的方向发展。）细胞株：原代细胞一般传至10代左右细胞生长停滞，大部分细胞衰老死亡，少数细胞存活到40~50代，这种传代细胞为细胞株。细胞系：细胞株传代至50代后又出现细胞生长停滞状态，只有部分细胞由于遗