高中生物 專題2 第1節(jié) 植物細胞工程課件 新人教版選修3

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1、2.1 2.1 植物細胞工程植物細胞工程細細胞胞工工程程應用的原理和方法應用的原理和方法細胞生物學和細胞生物學和分子生物學分子生物學細胞整體水平或細細胞整體水平或細胞器水平胞器水平按照人們的意愿來改按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產(chǎn)品或獲得細胞產(chǎn)品概念概念分類分類植物細胞工程植物細胞工程研究的目的研究的目的研究的水平研究的水平動物細胞工程動物細胞工程為什么植物的一個花為什么植物的一個花瓣就可以培育出完整的植瓣就可以培育出完整的植株？利用什么原理呢？株？利用什么原理呢？基本技術基本技術具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具

2、有發(fā)育成完整個體的潛能，細胞的胞，都具有發(fā)育成完整個體的潛能，細胞的這種特性叫做細胞的這種特性叫做細胞的全能性。全能性。細胞為什么會具細胞為什么會具有全能性呢？有全能性呢？生物體的每一個細胞都含生物體的每一個細胞都含有該物種所特有的全套遺傳有該物種所特有的全套遺傳物質，都有發(fā)育成為完整個物質，都有發(fā)育成為完整個體所必需的全部基因，從理體所必需的全部基因，從理論上講，生物體的每一個活論上講，生物體的每一個活細胞都應該具有全能性。細胞都應該具有全能性。 在生物體內，細胞為在生物體內，細胞為什么沒表現(xiàn)出全能性，什么沒表現(xiàn)出全能性，而是分化為不同的組織、而是分化為不同的組織、器官呢？器官呢？ 這是因為

3、在特定的時這是因為在特定的時間和空間條件下間和空間條件下選擇性表選擇性表達的結果達的結果。在個體發(fā)育的。在個體發(fā)育的不同時期，生物體不同部不同時期，生物體不同部位的細胞表達的基因是不位的細胞表達的基因是不相同的，合成的蛋白質也相同的，合成的蛋白質也不一樣，從而形成了不同不一樣，從而形成了不同的組織和器官。的組織和器官。 全能性的高低：全能性的高低：受精卵受精卵 生殖細胞（精、卵）生殖細胞（精、卵） 體細胞體細胞體細胞：植物細胞體細胞：植物細胞 動物細胞動物細胞分化程度低的細胞分化程度低的細胞 分化程度高的細胞分化程度高的細胞幼嫩細胞幼嫩細胞 衰老的細胞衰老的細胞 分裂能力強的細胞分裂能力強的細

4、胞 分裂能力弱的細胞分裂能力弱的細胞植物細胞什么條件下才能表現(xiàn)出全能性呢？植物細胞什么條件下才能表現(xiàn)出全能性呢？當當植物細胞脫離了原來所在植物體的器官植物細胞脫離了原來所在植物體的器官或組織而處于或組織而處于離體狀態(tài)離體狀態(tài)時，在時，在一定的營養(yǎng)物一定的營養(yǎng)物質、激素質、激素和和其它外界條件其它外界條件的作用的作用下（下（例如無例如無菌、適宜的溫度、濕度、光照等菌、適宜的溫度、濕度、光照等），），就可能就可能表現(xiàn)出全能性，發(fā)育成完整的植株。表現(xiàn)出全能性，發(fā)育成完整的植株。 一、植物組織培養(yǎng)技術一、植物組織培養(yǎng)技術脫分化脫分化再分化再分化愈傷組織愈傷組織離體的植物離體的植物器官、組織器官、組織或

5、細胞或細胞愈愈傷傷組組織織根根芽芽植植物物體體脫分化脫分化再分化再分化就是就是讓已經(jīng)分化的細胞，讓已經(jīng)分化的細胞，經(jīng)過激素誘導經(jīng)過激素誘導后，失去其后，失去其特有的結構和功能而特有的結構和功能而轉變轉變成未分化細胞成未分化細胞的過程。的過程。排列疏松而無規(guī)則，高度液泡化，無排列疏松而無規(guī)則，高度液泡化，無定形狀態(tài)，具有分生能力的薄壁細胞。定形狀態(tài)，具有分生能力的薄壁細胞。（2 2）植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基：）植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基：水、無機鹽離子水、無機鹽離子有機小分子營養(yǎng)成分：有機小分子營養(yǎng)成分： 氮源：氮源：包括包括維生素維生素和和氨基酸氨基酸 碳源：碳源：2%5%2%5%的的蔗糖蔗糖溶液，調節(jié)

6、滲透壓溶液，調節(jié)滲透壓 瓊脂：瓊脂：起支持作用起支持作用 激素：激素：生長素、細胞分裂素生長素、細胞分裂素、赤霉素、赤霉素 pHpH值：值：5.05.06.06.0胡蘿卜的組織培養(yǎng)實驗胡蘿卜的組織培養(yǎng)實驗（1 1）實驗）實驗原理原理、目的、材料、目的、材料（3 3）方法步驟）方法步驟離體的植物器官、組織或細胞離體的植物器官、組織或細胞愈傷組織愈傷組織根、芽根、芽植物體植物體外植體外植體A A、脫分化、脫分化B B、再分化、再分化植物激素：細胞分裂素、生長素植物激素：細胞分裂素、生長素植物組織培養(yǎng)過程植物組織培養(yǎng)過程1 1、A A過程進行有絲分裂過程進行有絲分裂2 2、B B過程進行有絲分裂同時

7、過程進行有絲分裂同時也進行分化也進行分化3 3、A A不需光照，而不需光照，而B B需光需光照，葉綠素的合成需光照照，葉綠素的合成需光照就是就是在在無菌和人工控制無菌和人工控制條件下，將條件下，將離體離體的的植物器官、組織、細胞，培養(yǎng)在人工配制的植物器官、組織、細胞，培養(yǎng)在人工配制的培養(yǎng)基培養(yǎng)基上，給予適宜的條件，誘導其產(chǎn)生愈上，給予適宜的條件，誘導其產(chǎn)生愈傷組織、叢芽，傷組織、叢芽，最終形成完整的植株最終形成完整的植株。植物。植物組織培養(yǎng)有組織培養(yǎng)有器官培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、胚培養(yǎng)、器官培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、胚培養(yǎng)、莖尖培養(yǎng)、花藥培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)莖尖培養(yǎng)、花藥培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)等。等。 植物組織培養(yǎng)所得的植株

8、是新品種嗎？植物組織培養(yǎng)所得的植株是新品種嗎？你認為兩個來自不同植物的你認為兩個來自不同植物的體細胞完成融合，遇到的第體細胞完成融合，遇到的第一個障礙是什么？一個障礙是什么？ 二、植物體細胞雜交技術二、植物體細胞雜交技術人工誘導原生質體融合的方法有物理法和化學人工誘導原生質體融合的方法有物理法和化學法兩大類：法兩大類：物理法是利用物理法是利用離心、振動、電刺激離心、振動、電刺激等促使原生等促使原生質體融合；質體融合；化學法是用化學法是用聚乙二醇聚乙二醇(PEG)(PEG)等試劑作為誘導劑誘等試劑作為誘導劑誘導融合導融合 。雜雜種種植植株株融合的融合的原生質原生質體體ABAB再再生生出出細細胞胞

9、壁壁脫脫分分化化愈愈傷傷組組織織再再分分化化植物細胞的融合植物細胞的融合植物組織培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)植物細胞植物細胞A A原生質體原生質體B B原生質體原生質體A A雜種雜種細胞細胞ABAB去去 壁壁去去 壁壁人人工工誘誘導導融融合合完完成成的的標標志志植物細胞植物細胞B B植物體細胞雜交過程示意圖植物體細胞雜交過程示意圖1.1. 打破打破了了物種之間的生殖隔離，實現(xiàn)遠源雜交。物種之間的生殖隔離，實現(xiàn)遠源雜交。2.2.擴大了遺傳重組的范圍。擴大了遺傳重組的范圍。細胞雜交技術：細胞雜交技術：將將不同種植物不同種植物的體細胞，的體細胞，在一定條件下融合成在一定條件下融合成雜種細胞雜種細胞，并把雜種，并

10、把雜種細胞培育成新的植物體的技術。細胞培育成新的植物體的技術。 （一）植物繁殖新途徑：（一）植物繁殖新途徑：屬于無性繁殖屬于無性繁殖 實際問題：經(jīng)濟苗木、名貴花卉、珍稀實際問題：經(jīng)濟苗木、名貴花卉、珍稀植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下植物等自然繁殖速度緩慢，繁殖效率低下或優(yōu)良性狀不易保持或優(yōu)良性狀不易保持1.1.微型繁殖：微型繁殖：也稱快速繁殖技術。也稱快速繁殖技術。 快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術。快速繁殖優(yōu)良品種的植物組織培養(yǎng)技術。該技術與傳統(tǒng)繁殖技術相比，有何特點？該技術與傳統(tǒng)繁殖技術相比，有何特點？愈傷組織可以傳代培養(yǎng)，獲得大量愈傷愈傷組織可以傳代培養(yǎng)，獲得大量愈傷組織，所以繁

11、殖快速；（組織，所以繁殖快速；（繁殖速度快繁殖速度快）全過程中細胞進行有絲分裂，不涉及減全過程中細胞進行有絲分裂，不涉及減數(shù)分裂和受精作用，可以保持親本優(yōu)良特性；數(shù)分裂和受精作用，可以保持親本優(yōu)良特性；（高保真高保真-無性繁殖無性繁殖）在室內生產(chǎn)，在室內生產(chǎn)，不受自然環(huán)境條件限制不受自然環(huán)境條件限制。 繁殖速度快；繁殖速度快；“高保真高保真”（因為是無性繁殖）；（因為是無性繁殖）； 不受自然生長季節(jié)的限制（因為在具有一不受自然生長季節(jié)的限制（因為在具有一定人工設施的室內生產(chǎn)）。定人工設施的室內生產(chǎn)）。 生姜是藥食兩用的經(jīng)濟作物，具有栽培容生姜是藥食兩用的經(jīng)濟作物，具有栽培容易、產(chǎn)量高、價格高等

12、特點，近年在各地發(fā)易、產(chǎn)量高、價格高等特點，近年在各地發(fā)展很快。但是生姜在生產(chǎn)上長期采用無性繁展很快。但是生姜在生產(chǎn)上長期采用無性繁殖，容易感染多種病毒病，使生姜品質變差，殖，容易感染多種病毒病，使生姜品質變差，葉子皺縮，生長緩慢，一般減產(chǎn)葉子皺縮，生長緩慢，一般減產(chǎn)30%30%50%50%。 病毒容易沿植物體的維管組織傳播，病毒容易沿植物體的維管組織傳播，而分生組織區(qū)中缺乏維管系統(tǒng)，因此不含而分生組織區(qū)中缺乏維管系統(tǒng)，因此不含病毒。用做組織培養(yǎng)的植物材料可以是植病毒。用做組織培養(yǎng)的植物材料可以是植物體任何類型的組織細胞。怎樣利用植物物體任何類型的組織細胞。怎樣利用植物組織培養(yǎng)技術解決？組織培

13、養(yǎng)技術解決？ 2.2.作物脫毒作物脫毒(1)(1)材料材料: :無病毒的莖尖無病毒的莖尖(2)(2)脫毒苗脫毒苗: :切取莖尖進行切取莖尖進行組織培養(yǎng)組織培養(yǎng)獲得獲得 微型繁殖試管苗大量貯藏和運輸相當微型繁殖試管苗大量貯藏和運輸相當困難。天然種子由于在遺傳上具有因減數(shù)困難。天然種子由于在遺傳上具有因減數(shù)分裂引起的重組現(xiàn)象，因而會造成某些遺分裂引起的重組現(xiàn)象，因而會造成某些遺傳性狀的改變，且在生產(chǎn)上受季節(jié)等自然傳性狀的改變，且在生產(chǎn)上受季節(jié)等自然環(huán)境條件限制，一般每年只繁殖環(huán)境條件限制，一般每年只繁殖1 12 2次，次，有些甚至十幾年才繁殖一次。有些甚至十幾年才繁殖一次。常規(guī)種子植物生產(chǎn)的不足常

14、規(guī)種子植物生產(chǎn)的不足p 不少植物需要生長數(shù)年才能結出種子不少植物需要生長數(shù)年才能結出種子p 優(yōu)良雜種的后代因發(fā)生性狀分離而喪失優(yōu)良雜種的后代因發(fā)生性狀分離而喪失其優(yōu)良特性其優(yōu)良特性p 種子的生產(chǎn)受季節(jié)、氣候和地域的限制種子的生產(chǎn)受季節(jié)、氣候和地域的限制p制種需要占用大量土地制種需要占用大量土地微型繁殖試管苗大量貯藏和運輸相當困難。微型繁殖試管苗大量貯藏和運輸相當困難。 能否找到天然種子的替代品？能否找到天然種子的替代品？3.3.神奇的人工種子神奇的人工種子通過植物組織培養(yǎng)的方法獲通過植物組織培養(yǎng)的方法獲得的胚狀體、不定芽、頂芽和腋芽等材料外面得的胚狀體、不定芽、頂芽和腋芽等材料外面包被著人工薄

15、膜，在適宜的條件下可以發(fā)芽成包被著人工薄膜，在適宜的條件下可以發(fā)芽成幼苗的種子。幼苗的種子。 產(chǎn)生途徑：產(chǎn)生途徑： (1(1）由已脫分化的外植體直接產(chǎn)生；）由已脫分化的外植體直接產(chǎn)生；（2 2）由愈傷組織產(chǎn)生；）由愈傷組織產(chǎn)生；外植體外植體愈傷組織愈傷組織長芽長芽生根生根幼苗幼苗/ /胚狀體胚狀體去分化去分化再分化再分化激活潛在的全能性激活潛在的全能性 外植體外植體 誘導植物愈傷組織誘導植物愈傷組織 體細胞胚的誘導體細胞胚的誘導 體細體細胞胚的成熟胞胚的成熟 體細胞胚的機體細胞胚的機械化包裹械化包裹 貯藏或種植貯藏或種植 u技術：技術：組織培養(yǎng)。組織培養(yǎng)。u特性：特性：在適宜條件下可以萌發(fā)長成

16、幼苗。在適宜條件下可以萌發(fā)長成幼苗。u優(yōu)點優(yōu)點后代無性狀分離，保持優(yōu)良特性；后代無性狀分離，保持優(yōu)良特性；培植周期短；培植周期短； 不受季節(jié)、氣候和地域的限制；不受季節(jié)、氣候和地域的限制；易于儲藏和運輸。易于儲藏和運輸。單倍體育種單倍體育種突變體的利用突變體的利用傳統(tǒng)方法：傳統(tǒng)方法： ( (雜雜 交交) ) 雜交育種依據(jù)的原理是雜交育種依據(jù)的原理是: : 基因的自由組合定律，優(yōu)良的基基因的自由組合定律，優(yōu)良的基因自由組合。因自由組合。結果結果: : 通過基因重組，把兩親本的優(yōu)良性狀通過基因重組，把兩親本的優(yōu)良性狀組合在同一后代中組合在同一后代中 缺點缺點: : 要不斷進行要不斷進行( (多年多

17、年) )純化和選擇，才得純化和選擇，才得到一種符合理想要求的新品種到一種符合理想要求的新品種 單倍體的概念單倍體的概念: :僅含有本物種配子染色體數(shù)目的個體。僅含有本物種配子染色體數(shù)目的個體。 單倍體的例子單倍體的例子: :蜜蜂中的雄蜂是由未受精的卵發(fā)育來的單倍體。蜜蜂中的雄蜂是由未受精的卵發(fā)育來的單倍體。多數(shù)植物都可通過花藥或花粉來獲得單倍體。多數(shù)植物都可通過花藥或花粉來獲得單倍體。 1.1.單倍體育種單倍體育種(1)(1)方法：方法：I I、采用花藥離體培養(yǎng)的方法，使花粉粒發(fā)育為單倍、采用花藥離體培養(yǎng)的方法，使花粉粒發(fā)育為單倍體植株；體植株；IIII、采用人工誘導（常用秋水仙素處理），使單

18、倍、采用人工誘導（常用秋水仙素處理），使單倍體植株體細胞染色體數(shù)目加倍，重新恢復到正常植體植株體細胞染色體數(shù)目加倍，重新恢復到正常植株的染色體數(shù)目。株的染色體數(shù)目。 花粉花粉 單倍體植株單倍體植株 正常植株正常植株(2(2）花藥離體培養(yǎng)過程：）花藥離體培養(yǎng)過程：花花藥藥花粉細花粉細胞培養(yǎng)胞培養(yǎng)愈傷愈傷組織組織分化出分化出小植物小植物單倍體單倍體植株植株正常正常植株植株接種接種脫分化脫分化再分化再分化移栽移栽染色體加倍染色體加倍(2(2）花藥離體培養(yǎng)過程：）花藥離體培養(yǎng)過程：優(yōu)點：優(yōu)點：I I、后代穩(wěn)定遺傳，都是純合體；、后代穩(wěn)定遺傳，都是純合體；IIII、明顯縮短育種年限。、明顯縮短育種年限。

19、2.2.突變體的利用突變體的利用(1)(1)產(chǎn)生產(chǎn)生: :植物組織培養(yǎng)過程中，由于培養(yǎng)細胞植物組織培養(yǎng)過程中，由于培養(yǎng)細胞一直處于不斷的分生狀態(tài)，易受到培養(yǎng)條件和一直處于不斷的分生狀態(tài)，易受到培養(yǎng)條件和外界壓力的影響而產(chǎn)生突變。外界壓力的影響而產(chǎn)生突變。(2)(2)利用利用: :篩選對人們有利突變體篩選對人們有利突變體, ,進而培育新進而培育新品種品種(3)(3)成就：成就：2020世紀世紀7070年代以來，民辦各國的科年代以來，民辦各國的科學家用這種方法已經(jīng)篩選到抗病、抗鹽、含高學家用這種方法已經(jīng)篩選到抗病、抗鹽、含高蛋白，以及高產(chǎn)的突變體，有的已用于生產(chǎn)。蛋白，以及高產(chǎn)的突變體，有的已用于

20、生產(chǎn)。比較：比較：單倍體育種：單倍體育種：突變體的利用：突變體的利用：植物體細胞雜交育種植物體細胞雜交育種優(yōu)點：優(yōu)點：育種原理：育種原理：優(yōu)點：優(yōu)點：育種原理：育種原理：優(yōu)點：優(yōu)點：育種原理：育種原理：明顯縮短育種年限明顯縮短育種年限染色體變異染色體變異能夠產(chǎn)生新性狀能夠產(chǎn)生新性狀基因突變基因突變克服遠緣雜交不親和障礙克服遠緣雜交不親和障礙染色體變異染色體變異三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)三、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)1.1.細胞產(chǎn)物種類：蛋白質細胞產(chǎn)物種類：蛋白質, ,脂肪脂肪, ,糖類糖類, ,藥物藥物, ,香料，生物堿香料，生物堿等。等。2.2.技術：植物的組織培養(yǎng)技術：植物的組織培養(yǎng). .工廠化生

21、產(chǎn)人參皂甙的基本過程工廠化生產(chǎn)人參皂甙的基本過程第一步，第一步，選擇人參根作為外植體進行培養(yǎng)，產(chǎn)生愈傷組織，選擇人參根作為外植體進行培養(yǎng)，產(chǎn)生愈傷組織，經(jīng)過培養(yǎng)選擇找到增殖速度快而且細胞內人參皂甙含量高經(jīng)過培養(yǎng)選擇找到增殖速度快而且細胞內人參皂甙含量高的細胞株作為種質，其中一部分作為保存用，以備下一次的細胞株作為種質，其中一部分作為保存用，以備下一次生產(chǎn)用，一部分進行發(fā)酵生產(chǎn)。生產(chǎn)用，一部分進行發(fā)酵生產(chǎn)。第二步，第二步，將第一步選擇到的細胞株在發(fā)酵罐中的適合培養(yǎng)液將第一步選擇到的細胞株在發(fā)酵罐中的適合培養(yǎng)液中進行液體培養(yǎng)，增加細胞數(shù)量。中進行液體培養(yǎng)，增加細胞數(shù)量。第三步，第三步，將發(fā)酵罐中培

22、養(yǎng)的細胞進行破碎，從中提取人參皂將發(fā)酵罐中培養(yǎng)的細胞進行破碎，從中提取人參皂甙。甙。 現(xiàn)在國內外的科學家們正在研究利用植物細胞培現(xiàn)在國內外的科學家們正在研究利用植物細胞培養(yǎng)技術來大量培育紅豆杉細胞。養(yǎng)技術來大量培育紅豆杉細胞。ESC ESC AgeneticsAgenetics公司公司宣布他們用細胞培養(yǎng)法所得紫杉醇的含量是樹皮的宣布他們用細胞培養(yǎng)法所得紫杉醇的含量是樹皮的2 25 5倍。國內外在分化細胞株系和培養(yǎng)條件方面做倍。國內外在分化細胞株系和培養(yǎng)條件方面做了不少工作，摸索了外植體、光照、培養(yǎng)基組成等了不少工作，摸索了外植體、光照、培養(yǎng)基組成等因素對細胞培養(yǎng)及紫杉醇生成的影響。現(xiàn)在工藝條因素對細胞培養(yǎng)及紫杉醇生成的影響?，F(xiàn)在工藝條件已基本摸清，正研究反應的放大技術等，有望實件已基本摸清，正研究反應的放大技術等，有望實現(xiàn)通過細胞培養(yǎng)進行工業(yè)化生產(chǎn)紫杉醇的目標?，F(xiàn)通過細胞培養(yǎng)進行工業(yè)化生產(chǎn)紫杉醇的目標。 植物組織培養(yǎng)技術在我們生活中的另外一些應用：植物組織培養(yǎng)技術在我們生活中的另外一些應用：a. a. 拯救瀕危植物；拯救瀕危植物； b. b. 提供食品制作的原料；提供食品制作的原料；c. c. 利用愈傷組織進行轉基因操作利用愈傷組織進行轉基因操作( (基因基因工程），培育作物新類型。工程），培育作物新類型。