【生物】植物细胞工程第1课时 2023-2024学年高二下学期同步课件（人教版2019选择性必修3）.pptx

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1、第2章细胞工程第1节植物细胞工程（第1课时）学习目标01细胞工程的定义与内容定义定义内容内容发展历程发展历程0203植物组织培养:概念概念,条件条件,基本流程基本流程,实验实验:菊花的组织培养菊花的组织培养细胞的全能性:概念概念,原因原因,比较比较,实例实例04植物体细胞杂交技术:概念概念,优缺点优缺点,过程过程,成功案例成功案例原理和方法原理和方法 生物学和生物学和 生物学生物学操作水平操作水平 水平或水平或 水平水平目的目的按照人的意愿来改变细胞内按照人的意愿来改变细胞内的的 或获得或获得_分类分类 细胞工程和细胞工程和 细胞工程细胞工程细胞细胞分子分子细胞细胞细胞器细胞器遗传物质遗传物质

2、细胞产品细胞产品植物植物动物动物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。根据操作对象的不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。细胞工程的定义植物细胞工程植物组织培养植物体细胞杂交动物细胞工程动物细胞培养动物细胞核移植细胞融合与单克隆抗体细胞工程的内容1902年年，哈伯兰特（G.Haberlandt，1854-1945）提出了细胞全能性的理论，但相关实验尝试没有成功。1958年年，斯图尔特（F.G.Steward，1904-1993）等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞

3、全能性理论提供了强有力的支持。1960年年，科金（E.C.Cocking，1931-）用真菌的纤维素酶分解番茄根的细胞壁，成功获得了原生质体。1964年年，古哈（S.Guha，1938-2007）等在培养毛曼陀罗的花药时，首次得到了由花药中的花粉发育而成的胚。1890年年，希普（W.Heape，1855-1929）将安哥拉兔的胚胎移入比利时兔的输卵管内，得到了两只安哥拉兔，这是世界上胚胎移植成功的首例。1907年年，哈里森（R.G.Harrion，1870-1959）用一滴淋巴液成功培养了蝌蚪的神经元，首创了动物组织体外培养法。1951年年，张明觉（1908-1991）等发现哺乳动物精子的获能

4、现象。1958年年，格登（J.Gurdon，1933-）用非洲爪蟾进行体细胞核移植，成功培育出性成熟个体。同一时期，童弟周（1902-1979）等开展了鱼类细胞核移植工作。1959年年试管兔诞生，之后多种试管动物相继出生。1975年年，米尔斯坦（C.Milstein，1927-2002）和科勒（G.Khler，1946-1995）等创立了单克隆抗体技术。1978年，小鼠桑葚胚被成功分割。次年，科学家分割绵羊胚胎获得了同卵羔羊。1996年年，世界上第一只细胞克隆羊多莉在英国诞生。随后多种克隆动物相继问世。1981年年，埃文斯（M.J.Evans，1941-）等成功分离和培养小鼠的胚胎干细胞。20

5、06年，山中伸弥（S.Yamanaka，1962-）等获得了诱导多能干细胞。我国科学家利用这种细胞培育出了 小鼠。2014年年，世界上第一个用单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿在我国诞生。2017年年，我国科学家首次培育出体细胞克隆猴。植物细胞工程动物细胞工程（含胚胎工程）1971年年，卡尔森（P.S.Carlson，1944-2017）诱导烟草种间原生质体融合，获得种间杂种。1974年年，土壤农杆菌Ti质粒被发现。兰为王者香，芬馥清风里。植物组织培养技术植物组织培养技术 讨论：讨论：高洁、典雅的兰花颇受人爱，但自然繁育率低，价格不菲。如何让它大量、快速繁殖呢？从社会中来植物细胞的全能性

6、植物组织培养 植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。有丝分裂植物细胞工程的基本技术无性生殖地位生殖方式分裂方式原理植物组织培养的概念细胞全能性 细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。每一个细胞含有控制该生物发育的全部基因原因（1）生殖细胞体细胞（2）植物细胞动物细胞（3）分化程度越高，全能性越低比较细胞的全能性概念概念原因原因比较比较细胞全能性 细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。体现全能性的实例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

7、整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芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶不体现全能性的实例受精卵受精卵早期胚胎早期胚胎分生组织分生组织原因：在特定的时间和空间条件下，基因选择性表达生物体内细胞并不都表现全能性没有分化的细胞也具有全能性如细胞的全能性实例实例-多肉进行叶插繁殖1.1.选取多肉上健选取多肉上健康、饱满的叶片。康、饱满的叶片。2.2.用剪刀切下整片叶片，切口用剪刀切下整片叶片，切口要平滑、整齐。也可以直接用要平滑、整齐。也可以直接用手轻轻掰下叶片。手轻轻掰下叶片。3.3.平躺放在沙床上，叶片平躺放在沙床上

8、，叶片间隔相聚间隔相聚2323厘米。厘米。4.4.叶片切口不要有碰脏，叶片切口不要有碰脏，摆放通风处摆放通风处2323天，晾干。天，晾干。5.5.待叶片晾干后移至待叶片晾干后移至半阴处养护。半阴处养护。6.6.约约2 23 3周后生根，或从叶周后生根，或从叶基处长出不定芽。基处长出不定芽。7.7.叶插成功叶插成功细胞的全能性实例实例铁皮石斛是一种名贵中药，野生资源十分稀少，其繁殖主要通过植物组织培养实现。下列有关叙述错误的是（）A用植物组织培养的方法繁殖药材表明在一定条件下，细胞分化是可以逆转的B植物细胞的全能性得以表达需要离开母体C新植株的形成是细胞分裂和分化的结果D高度分化的植物细胞不具有

9、全能性D课堂检测:细胞的全能性外植体愈伤组织试管苗植物体脱分化再分化移栽离体无菌适宜培养基适宜的外界条件(温度、光照、气体等)黑暗光照水琼脂有机物无机物 植物激素蔗糖：蔗糖：提供能量、调节渗透压。提供能量、调节渗透压。植物激素：植物激素：主要是生长素和细胞分裂素。主要是生长素和细胞分裂素。生长素生长素/细胞分裂素适中细胞分裂素适中促进愈伤组织的形成。促进愈伤组织的形成。生长素生长素 细胞分裂素细胞分裂素利于根的分化利于根的分化植物组织培养的条件（1 1）离体状态）离体状态（2 2）无菌操作）无菌操作（3 3）种类齐全、比例适合的营养物质）种类齐全、比例适合的营养物质（4 4）植物激素（主要是生

10、长素和细胞分裂素）诱）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节导和调节（5 5）适宜的外界条件（温度、）适宜的外界条件（温度、pHpH、光照等）、光照等）-细胞表现全能性的条件归纳（1）材料的选取同一种植物材料，材料的年龄、保存时间的长短等也会影响实验结果。菊花的组织培养一般选择未开花植株茎上部新萌生的侧枝。（2）常用的培养基是_，主要成分包括：_：N、P、S、K、Ca、Mg等。_：B、Mn、Cl、Zn、Fe、Mo、I、Co等。有机物：甘氨酸、烟酸、肌醇、维生素、以及_（葡萄糖/蔗糖）等。MS培养基大量元素微量元素蔗糖植物组织培养的条件思考1、MS培养基中为什么用蔗糖而不用葡萄糖？分析：

11、蔗蔗糖糖同同样样可可以以作作为为植植物物细细胞胞的的碳碳源源和和能能源源物物质质。配配制制相相同同质质量量分分数数的的培培养养基基，蔗蔗糖糖形形成成的的渗渗透透压压要要明明显显_（低低于于/高高于于）葡葡萄萄糖糖，若若采采用用葡葡萄萄糖糖作作为为碳碳源源，易易使使植植物物细细胞胞脱脱水水而而生生长长不不良良。同同时时，植植物物细细胞胞吸吸收收蔗蔗糖糖的的速速率率要要明明显显_（慢慢于于/快快于于）吸吸收收葡葡萄萄糖糖的的速速率率，所所以以蔗蔗糖糖形形成成的的渗渗透透压压可可较较长长时时间间地地保保持持相相对对稳稳定定。此此外外，微微生生物物生生长长所所需需的的最最适适合合的的碳碳源源是是_，因

12、此，采用蔗糖作为培养基的碳源，可在一定程度上减少，因此，采用蔗糖作为培养基的碳源，可在一定程度上减少_。植物激素：_和_是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，二者的_、及_等都会影响实验结果。常用的生长素及类似物有NAA(萘乙酸)、2，4-D等。常用的细胞分裂素有6-BA（6-苄基腺嘌呤）、KT（激动素）和玉米素。低于慢于葡萄糖生长素细胞分裂素浓度用量的比例微生物的污染植物组织培养的条件（3）外界条件：如pH、温度、光照等环境条件。思考2、组培时，光照条件该如何控制？分析：形成愈伤组织以及愈伤组织的扩大培养需_，诱导愈伤组织再分化出芽需_。思考3、胡萝卜组织培养时，若选取胡萝卜韧皮部细胞

13、，_（能/不能）培养出完整植物体。与韧皮部细胞相比，选取胡萝卜形成层细胞进行组培更_。避光照光能容易 使用情况 实验结果生长素用量/细胞分裂素用量的比值高生长素用量/细胞分裂素用量的比值低生长素用量/细胞分裂素用量的比值适中促进根分化，抑制芽形成促进芽分化，抑制根形成促进愈伤组织的形成植物组织培养的条件植物组织培养的基本流程外植体愈伤组织芽、根植株脱分化再分化外植体：用于植物组织培养的离体的植物器官、组织或细胞。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。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。脱

14、分化：已经分化的细胞，经过诱导，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化出根或芽等器官的过程。探究实验:菊花的组织培养外植体脱分化愈伤组织再分化根、芽等试管苗完整植株移栽1、原理：2、目的：1 1）了解植物组织培养的基本原理）了解植物组织培养的基本原理2 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）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 和分化的影响和分化的影响3 3）尝试进行植物组织培养）尝试进行植物组织培养3、步骤：1 1）制备外植体）制备外植体2 2）接种到诱导愈伤组织培养基）接种到诱导愈

15、伤组织培养基3 3）接种到诱导生芽培养基）接种到诱导生芽培养基4 4）接种到诱导生根培养基）接种到诱导生根培养基探究实验:菊花的组织培养（1 1）制备外植体）制备外植体消毒：消毒：切割：（无菌操作）切割：（无菌操作）酒精酒精30S30S无菌水无菌水2-32-3次次次氯酸次氯酸钠钠溶液溶液30min30min材料：材料：幼嫩的菊花茎段幼嫩的菊花茎段2-32-3次次无菌水洗无菌水洗超净工作台或接种箱超净工作台或接种箱消毒与无菌水冲洗消毒与无菌水冲洗切割与接种切割与接种（2 2）接种到诱导愈伤组织培养基）接种到诱导愈伤组织培养基脱分化脱分化 避光避光形成愈伤组织形成愈伤组织有光时，往往容易形成维管组

16、织，而不易形成愈伤组织。愈伤组织培养愈伤组织培养培养温度：18-220C无菌无菌培养皿培养皿灭菌灭菌的解剖刀的解剖刀 探究实验:菊花的组织培养一定不能倒置一定不能倒置 诱导愈伤组织形成诱导愈伤组织形成 避光培养避光培养 诱导生芽、生根诱导生芽、生根1.1.照光培养照光培养2.2.生芽、生根培养基不同生芽、生根培养基不同 试管苗移栽试管苗移栽外植体接种：外植体接种：将外植将外植体的体的1/31/2插入诱导插入诱导愈伤组织培养基愈伤组织培养基(3(3）接种到诱导）接种到诱导生芽生芽培养基培养基（4 4）接种到诱导）接种到诱导生根生根培养基培养基若先生根后面就不易生芽若先生根后面就不易生芽愈伤组织见

17、光后愈伤组织变为绿色愈伤组织植物组织培养的基本流程生长素/细胞分裂素比例适当细胞分裂素含量较高生长素含量较高接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根小结:植物组织培养小结:植物组织培养外植体愈伤组织幼苗（芽、根）植株离体控制光照温度pH脱分化再分化移栽比例适中照光无菌激素生长素细胞分裂素营养有机物无机盐凝固剂（琼脂）避光配比低发芽配比高生根MS培养基大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg大量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo单倍体单倍体植株矮小、高植株矮小、高度不育度不育花药离体培养花药离体培养易错警示易错警示培养过程中只涉及培养过程中只涉及有丝有丝分裂分裂生殖方式为特殊的生殖方式为特殊的有性

18、有性生殖生殖花药花药试管苗试管苗脱分化脱分化再分化再分化愈伤组织愈伤组织特殊的植物组织培养下列关于植物组织培养的叙述中，错误的是（）A培养基中添加蔗糖的目的是提供营养和调节渗透压B培养基中的生长素和细胞分裂素影响愈伤组织的生长和分化C离体器官或组织的细胞都必须通过脱分化才能形成愈伤组织D同一株绿色开花植物不同部位的细胞经培养获得的愈伤组织基因相同D课堂检测下图是植物组织培养技术培育新品种的部分过程图。（1）该技术的核心操作是_和_。（2）愈伤组织是一类高度液泡化、呈无定形状态的具有_能力的薄壁细胞。（3）培育F植株的过程中，除需无菌环境外，还需向培养基中添加的激素有_。（4）该操作能够得到F植

19、株，体现了_；F植株_（填“可育”或“不可育”）。脱分化再分化分生生长素和细胞分裂素花粉细胞的全能性不可育课堂检测“番茄-马铃薯”的假想图植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术讨论：1.地上结番茄，地下长土豆的植株通过有性生殖可以产生吗？2.“番茄-马铃薯”，通过什么技术能够获得呢？过渡植物体细胞杂交 将不同种植物的体细胞，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方法。“白菜白菜-甘蓝甘蓝”细胞膜的流动性、植物细胞的全能性原理染色体数目变异可遗传变异类型细胞工程育种育种类型植物体细胞杂交技术概念概念植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物体细胞杂交 为什么“番茄-马铃薯”

20、不像所预想的那样：地上结番茄，地下结马铃薯呢？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。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。打破生殖隔离打破生殖隔离实现远缘杂交实现远缘杂交优优点点杂种植株所表现性状未必杂种植株所表现性状未必符合需求符合需求缺缺点点植物体细胞杂技术优缺点优缺点提示：马铃薯基因组的_可能影响了番茄基因组的表达，番茄基因组的表达产物也可能影响了马铃薯基因组的表达，导致融合植株细胞中的基因不能_表达。表达产物有序植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物细胞融合植物细胞融合植物组织培养植物组织培养植物细胞融合植物细胞融合 +植物组织培养植物组织培养植物体细

21、胞杂技术过程过程原理原理 细胞膜的流动性细胞膜的流动性 植物细胞全能性植物细胞全能性方法：方法：酶解法。a.a.植物细胞去掉细胞壁，形成植物细胞去掉细胞壁，形成原生质体。原生质体。利用酶的专一性酶的专一性。用纤维素酶和果胶酶纤维素酶和果胶酶水解。植物体细胞杂技术过程过程:酶解法去壁酶解法去壁光镜下烟草叶肉细胞原生质体为什么纤维素酶和果胶酶需溶于一定浓度溶液中为什么纤维素酶和果胶酶需溶于一定浓度溶液中为什么纤维素酶和果胶酶需溶于一定浓度溶液中为什么纤维素酶和果胶酶需溶于一定浓度溶液中？保持原生质体正常的形态，防止其吸水过多而胀破。保持原生质体正常的形态，防止其吸水过多而胀破。原生质体与原生质层原

22、生质体与原生质层指的是脱去细胞壁的细胞。动物指的是脱去细胞壁的细胞。动物细胞也可看做是原生质体。细胞也可看做是原生质体。原生质体 成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜和介于这两层膜之间的细胞质。介于这两层膜之间的细胞质。原生质层VSVS原生质层不包括细胞液和细胞核植物体细胞杂技术过程过程植物体细胞杂技术过程过程:诱导原生质体的融合诱导原生质体的融合b.b.诱导两个细胞（原生质体）融合诱导两个细胞（原生质体）融合细胞膜的流动性原理原理原理原理方法方法方法方法电融合法、离心法电融合法、离心法聚乙二醇（聚乙二醇（PEGPEG）融合法、）融合法、高高CaCa2+2+-高高pHpH

23、值融合法值融合法化学方法化学方法物理方法物理方法 融合完成的标志是融合完成的标志是重新产生细胞壁重新产生细胞壁，形成，形成杂种细胞杂种细胞。植物体细胞杂技术过程过程:筛选杂种细胞筛选杂种细胞野生马铃薯野生马铃薯(A)(A)和栽培马铃薯和栽培马铃薯(B)(B)原生质体融合原生质体融合（电融合法）电融合法）融合后，培养基中有几种类型的细胞融合后，培养基中有几种类型的细胞融合后，培养基中有几种类型的细胞融合后，培养基中有几种类型的细胞？A、B、AA、BB、AB。（只考虑两两融合）（只考虑两两融合）需要进一步筛选需要进一步筛选通电之前通电2min后通电3min后通电10min后思考:诱导融合之后为什么

24、要对原生质体进行筛选？分析：融合体系中有多个原生质体A和多个原生质体B，由于融合是_的，所以除了会出现融合原生质体AB，也会出现_和_；又由于融合的的成功率不是百分之百，所以除了会出现融合细胞，也会有_。因此诱导融合之后要对原生质体进行筛选。随随机机融合原生质体融合原生质体AAAA融合原生质体融合原生质体BBBB未融合细胞未融合细胞随机随机选出AB型(杂种)细胞的方法方法1：互补选择法第一次培养在适合A不适合B的条件下第二次培养在适合B不适合A的条件下淘汰B和BB型的细胞淘汰A和AA型的细胞选出AB型细胞方法2：融合前两个亲本有可分辨的明显标记亲本1：来自愈伤组织亲本2：来自叶肉细胞(含叶绿体

25、)细胞壁薄且含有叶绿体的细胞选择植物体细胞杂技术过程过程:筛选杂种细胞筛选杂种细胞植物体细胞杂技术过程过程:筛选杂种细胞筛选杂种细胞方法3：利用抗性互补亲本1：对放线菌素D有抗性，但在MS培养基不能超过50个世代亲本2：对放线菌素D敏感，但能在MS培养基生生长。将杂种细胞培养在含有放线菌素D的MS培养基上即可。选出AB型(杂种)细胞的方法高尔基体A为为2a=20 B为为2b=3050504 4 杂种细胞染色体数为？此过程中起主要作用的细胞器是？杂种细胞染色体组数为？植物体细胞杂技术过程过程:筛选杂种细胞筛选杂种细胞两亲本染色体数之和两亲本染色体组数之和利用植物组织培养技术将杂种细胞培育成杂种植

26、株。植物体细胞杂技术过程过程:杂种细胞的全能性的体现杂种细胞的全能性的体现标志着标志着杂种细胞杂种细胞具有全能性。具有全能性。项目体细胞杂交P1：2n(Aabb)与P2：2m(ccDd)生殖类型变异类型染色体数染色体组数基因组成植物体细胞杂交后代的遗传变化无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律无性繁殖，育种过程中不遵循孟德尔定律染色体数目变异染色体数目变异两亲本染色体数之和。两亲本染色体数之和。2n+2m2n+2m两亲本染色体组数之和。两亲本染色体组数之和。2+22+2两亲本基因型之和。两亲本基因型之和。AabbccDdAabbccDd小结:植物体细胞杂技术烟草-海岛烟草胡萝卜-羊角芹白菜-甘蓝

27、普通小麦-长穗偃麦草人参-胡萝卜（提高了人参皂苷的产量）我国科学家培育出了多种柑橘属不同种间的杂种植株。芦柑、柠檬、橙子柚子、橘子、枸橼植物体细胞杂交技术成功案例成功案例杂种植株中遗传物质为亲本植株之和。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。思考:据报道，某男子培育出一株奇怪的植株，实现了“地上长番茄、地下结马铃薯”，你认为该男子可能是利用什么方法获得的该植株？分析：_。接穗砧木嫁接以土豆植株为砧木，以番茄植株为接穗课堂检测植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是（）A植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁B细胞壁使原生质体失去活力C细胞壁阻碍了原生质体的融合D细胞壁不是原生质

28、体的组成部分C课堂检测 以下为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析正确的是（）A经过程获得的a、b称为原生质层Bc细胞只有AABB这一种类型C过程和分别是分化和再分化D获得植物d因为有同源染色体所以可育D甲乙课堂检测需要进一步筛选需要进一步筛选 利用相关工程技术可以获得抗黑腐病杂种黑芥-花椰菜植株，流程如下图。已知野生黑芥具有黑腐病的抗性基因，紫外线处理黑芥原生质体可使其染色体片段化，并丧失再生能力。（1）过程用_酶去除植物细胞壁，过程PEG的作用是_，（2）经过操作后，需筛选出融合的杂种细胞，显微镜下观察融合的活细胞中有_可作为初步筛选杂种细胞的标志。纤维素酶和果胶纤维素酶和果胶叶绿体存在促进原生质体融合促进原生质体融合光照培养的抗病型黑芥幼叶暗培养的易感型花椰菜幼根叶肉细胞原生质体根细胞原生质体PEG愈伤组织再生植株杂种植株鉴定紫外线课堂检测