植物细胞工程的基本技术

1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆动物--克隆羊多利诞生于英国。这样的生物技术属于何种生物工程？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，通过细胞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。什么叫细胞工程？包括哪两大领域？细胞工程应用的原理和方法研究的水平研究的目的细胞生物学和分子生物学细胞整体水平或细胞器水平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概念分类植物细胞工程动物细胞工程理论基础细胞的全能性2.1植物细胞工程§2.1.1植物细胞工程的基本技术植物组织培养利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花12345再分化(愈伤组织)植物组织培养6脱分化探究：1、为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢？植物细胞具有全能性。2、什么是细胞的全能性？1、定义：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。2、原理：生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。3、差异：（1）受精卵的全能性最高（3）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞低受精卵生殖细胞体细胞＞＞4、大小：一、细胞的全能性植物细胞＞动物细胞（2）生殖细胞的全能性较高探究：1、克隆羊“多利”的诞生说明了什么？2、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？3、为何已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能？表现全能性的条件有哪些？离体、提供营养物质、激素及其它适宜条件。细胞核中含有保持物种遗传性所需的全套基因，并没有因为细胞分化而丢失基因，高度分化的细胞的细胞核仍具有全能性。在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。1、有关全能性的表述中，不正确的是（）Ａ．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高Ｂ．生物体内细胞由于分化全能性不能表达Ｃ．卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性很高Ｄ．植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性C趁热打铁：2.下列植物细胞全能性最高的是（）A.形成层细胞B.韧皮部细胞C.木质部细胞D.叶肉细胞3．下列细胞全能性最高的是（）A．植物的卵细胞B．植物的精子细胞C．被子植物的受精卵D．被子植物的的叶肉细胞AC4.在生物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，是因为（）A、细胞的基因丧失了全能性B、基因在特定时间和空间条件下选择性表达的结果C、不同的细胞内基因不完全相同D、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化B要把一块组织通过培养得到一株完整植株,应该如何操作呢?请同学们阅读P34实验完成P35讨论题。切取接种培养室愈伤组织的形成试管苗移栽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(1)在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范，避免带入杂菌。(2)在本实验中，切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。(3)请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。植物组织培养就是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，最终形成完整的植株。二、植物组织培养1、概念离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织根、芽植物体外植体脱分化植物激素：细胞分裂素、生长素再分化2、过程植物组织培养条件：含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。遮光光照细胞分化程度与细胞分裂能力呈负相关。1、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。能力提高2、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？植物激素强调几个概念：愈伤组织：离体的植物器官、组织或细胞，在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成一种高度液泡化，由无定形状态薄壁细胞组成的排列疏松无规则的组织。植物细胞的脱分化：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，又称去分化。脱分化的实质和结果分别是什么？实质是恢复细胞的全能性过程。结果是形成愈伤组织。植物细胞的再分化：脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化成根或芽等器官的过程。知识拓展当细胞分裂素和生长素共同使用时，能刺激愈伤组织的形成，而通过调节二者的浓度比，就可以调控植物细胞培养过程中芽和根的形成，称为“激素杠杆”。具体内容详见P42拓展视野激素用量的比例影响实验结果：生长素用量比细胞分裂素用量，比值高时，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成；比值适中时，促进愈伤组织的生长。知识拓展反馈练习1.下列属于组织培养的是（）A.花粉培养成单倍体植株B.芽发育成枝条C.根尖分生区发育成成熟区D.未受精的卵发育成植株A2.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，下列哪一项条件是不需要的（）A.消毒灭菌B.适宜的温度C.充足的光照D.适宜的养料和激素C3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，不需要（）A.具有完整细胞核的细胞B.离体状态C.导入外源基因D.一定的营养物质和激素C4、植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，又可以分化形成根、芽等器官，这一过程称为：A、脱分化B、去分化C、再分化D、脱分化或去分化5、下列不能作为植物组织培养的材料是A、秋海棠的叶B、马铃薯的块茎C、成熟的花粉D、木质部中的导管细胞D6、若用“①②③④”表示植物组织培养的过程。请回答：（1）①表示，能被培养成为④的根本原因是（2）②表示脱分化再分化离体的植物器官、组织或细胞植物细胞具有全能性愈伤组织因为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。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。三、植物体细胞杂交技术这幅番茄—马铃薯图利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？1972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。1978年梅尔彻斯(Melchers)等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种——“Potamato”。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、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种上有用的新材料。白菜甘蓝白菜－甘蓝•1．你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？•2．有没有一种温和的去壁方法呢？•3．为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？•4．如果两个来源不同的原生质体发生了融合，下一步该做何处理？•5．如何将杂种细胞培育成杂种植株？请思考：杂种植株融合的原生质体AB再生出细胞壁脱分化愈伤组织再分化1、过程植物细胞的融合植物组织培养植物细胞A原生质体B原生质体A杂种细胞AB去壁去壁人工诱导方法？促进融合的方法？融合完成的标志植物细胞B二、植物体细胞杂交技术细胞融合的基础：细胞膜的流动性去壁去壁纤维素酶果胶酶原生质体植物细胞原生质体融合离心、振动、电刺激、聚乙二醇再生细胞壁杂种细胞去分化愈伤组织杂种植株激素筛选等量激素再分化植物体细胞杂交过程示意图2、概念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。3、优势和未解决的问题优势（与有性杂交方法比较）：打破了不同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。未解决的问题：未能让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良。1.为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？马铃薯—番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：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，所以马铃薯—番茄杂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，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物──眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。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再分化保持优良性状繁殖速度快、大规模生产提高经济效益杂交技术应用了组织培养克服不同种生物远源杂交的障碍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、基因重组所采用技术的理论基础植物细胞工程通常采用的技术手段植物组织培养植物体细胞杂交植物细胞的全能性小结：1、植物体细胞杂交尚未解决的问题有：A、去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体B、将杂种细胞培育成植株C、让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性D、尚未培育出属间杂种植物2、不能人工诱导原生质体融合的方法是A、振动B、电刺激C、PEG试剂D、重压3.植物细胞表现出全能性的必要条件是A.给予适宜的营养和外界条件B.导入其他植物细胞的基因C.脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件D.将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内4、植物体细胞融合完成的标志是A．产生新的细胞壁B．细胞膜发生融合C．细胞质发生融合D．细胞核发生融合5、用不同种植物的两个体细胞融合成一个杂种细胞的过程。该过程是指A．不同植物的精子和卵细胞的融合B．不同植物的原生质体的融合C．完整的两个体细胞的融合D．植物花粉细胞的两两融合AB专题训练•1．以下不能说明细胞全能性的实验是()A．胡萝卜韧皮部细胞培育出植株B．紫色糯性玉米种子培育出植株C．转入抗虫基因的棉花细胞培育出植株D．番茄与马铃薯体细胞杂交后培育出植株B•2．某同学在进行组织培养过程中发现只分裂而不分化出芽和根，可能原因是()A．未见阳光B．培养时间不到C．培养基营养过多D．细胞分裂素和生长素配比不对D•3．如图中的A、B为两种二倍体植物，通过植物体细胞杂交技术形成C植株，③过程的原理及C含有的染色体组数分别是()A．细胞膜的流动性；2B．细胞的全能性；4C．细胞增殖；4D．基因的选择性表达；3B•4．将无根的非洲菊幼苗转入无植物激素的培养基中，在适宜的温度和光照等条件下培养一段时间后，应出现的现象是()B解析细胞分裂素促进细胞分裂，诱导芽的分化；生长素可以促进不定根、侧根的形成；此题中虽然培养基中没有植物激素，但是植物幼苗叶片本身可以产生生长素，而细胞分裂素的产生部位在根尖，所以细胞分裂素不能产生，所以植物能够在一段时间后长出少量的根而没有出芽。•5．下图是“白菜—甘蓝”杂种植株的培育过程。下列说法正确的是()A．植物体细胞杂交技术已经能使杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性状B．愈伤组织是由排列紧密的薄壁细胞组成C．上述过程中包含了有丝分裂、细胞分化和减数分裂等过程D．“白菜—甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果D•8．(14分)下图表示植物组织培养过程•(1)图中①过程获得的细胞是正常植物体经________形成的，在这一过程中染色体的变化是________