資源簡介

(共33張PPT)
第1節 植物細胞工程
第1課時：植物細胞工程的基本技術
學習目標
1.簡述植物組織培養和植物體細胞雜交的原理和過程。(生命觀念)
2.“結合菊花的組織培養”的實驗操作，嘗試設計植物組織培養技術的流程簡圖。（科學探究）
3.查閱資料，嘗試探究植物生長素和細胞分裂素使用比例對植物組織培養的影響。(社會責任)
細胞工程是指應用細胞生物學、分子生物學和發育生物學等多學科的原理和方法，通過細胞器、細胞或組織水平上的操作，有目的地獲得細胞、組織、器官、個體或其產品的一門綜合性的生物工程。
動物細胞工程
植物細胞工程
原理
操作水平
目的
植物組織培養
植物體細胞雜交
1.細胞工程的概述
分類
蘭花
灰綠色
世上最貴的蘭花,沒有之一
！
市場價格：
1500萬每株！
【資料】
利用蘭花芽的細胞經組織培養，可以培育為成熟植株。
中國科學院華南植物園華南農業植物遺傳育種和分子改良重點實驗室吳坤林、曾宋君等科研人員完成的“一種火焰蘭一次成苗快速繁殖方法及培養基”獲得國家發明專利授權。
討論：
1.為什么利用植物的體細胞（如芽細胞）就能培養出完整植株？
2.是否所有的植物細胞都適合進行植物的組織培養？
正常的植物體細胞具有該生物生長發育和繁殖所需的全套遺傳物質，具有全能性。
不是；沒有細胞核的篩管細胞無全能性，不適合進行植物的組織培養。
1.細胞全能性
一般來說，生物體的每一個細胞含有控制該生物發育的全部基因
原因
生物體內細胞并不都表現全能性
原因：在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會選擇性地表達
體現全能性的標志
細胞經過分裂和分化后，仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能
不體現全能性的實例：
芽原基只能發育為芽，葉原基只能發育為葉
高等植物成熟的篩管細胞、哺乳動物成熟的紅細胞因失去了核遺傳物質，所以不具備全能性
種子發育成植株，體現了植物種子的全能性。（ ）
胡蘿卜韌皮部細胞發育成完整植株。（ ）
受精卵發育成個體。（ ）
胚胎干細胞分化成其他種類的細胞。（ )
×
√
√
√
注意：具有全能性≠表現出全能性。
①不同細胞的全能性：
受精卵＞胚胎干細胞＞生殖細胞（卵細胞＞精子）＞體細胞
②不同生物的細胞全能性：
植物細胞＞動物細胞
③體細胞的全能性：
幼嫩的細胞＞衰老的細胞
分化程度低的細胞＞分化程度高的細胞
分裂能力強的細胞＞分裂能力弱的細胞
全能性大小的比較
但是高度分化的生殖細胞的全能性大于體細胞的全能性
一般來說，細胞分化程度越高，全能性 ；
隨著細胞分化程度的不斷提高，細胞的分裂能力和細胞的全能性 。
越低
逐漸降低
（動物細胞具有全能性，但目前只有細胞核能體現全能性）
【思考】配子中染色體數比正常體細胞減少了一半，為什么配子還有全能性？
在體細胞中染色體成對存在，配子染色體數雖然減半，但仍含有完整的染色體組，具有控制生物性狀的全部基因。
——如何才能讓細胞表現出全能性？
植物組織培養技術011、概念：指將離體的植物器官、組織或細胞等，培養在人工配制的培養基上，給予適宜的培養條件，誘導其形成完整植株的技術。3、大致過程：2、理論基礎：植物細胞的全能性脫分化
再分化
脫分化：
已分化細胞，失去其特有結構和功能而轉變成未分化的細胞的過程。
愈傷組織：
細胞排列疏松且無規則、高度液泡化、不定形的薄壁組織團塊。
再分化：
愈傷組織在培養過程中重新分化根或芽等器官的過程。
注意：過程中涉及的生命活動只有細胞增殖（有絲分裂），沒有細胞分化。
該培養過程一般不需要光照
注意：過程中涉及的生命活動：既有細胞增殖（有絲分裂），又有細胞分化。
需要給予適當光照，誘導葉綠素的合成，使試管苗能夠進行光合作用。
接種外植體
誘導愈傷組織
誘導生芽
誘導生根
移栽成活
植物組織培養技術01已分化的細胞未分化的細胞(愈傷組織)不定形的薄壁組織團塊。脫分化：愈傷組織：相關概念（芽、根等器官）再分化：外植體：指離體培養的植物器官、組織或細胞。外植體脫分化愈傷組織再分化根、芽完整植株未分化的細胞已分化的細胞(愈傷組織)脫分化關鍵操作和再分化 啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素是 。
使用比例 實驗結果
有利于根的分化
有利于芽的分化
促進愈傷組織的形成
生長素/細胞分裂素比值高
生長素和細胞分裂素
生長素/細胞分裂素比值低
生長素/細胞分裂素比值適中
生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。它們的濃度、比例都會影響植物細胞的發育方向。
比較內容 脫分化 再分化
過程 外植體→愈傷組織 愈傷組織→幼苗
形成體特點 排列疏松、高度液泡化、 不定形的薄壁細胞 有根、芽
需要條件 ①離體； ②適宜的營養； ③生長素/細胞分裂素的比例適中； ④不需光照（避光,有光易形成維管組織，不易形成愈傷組織） ①離體；
②適宜的營養；
③生長素/細胞分裂素的比例高或低誘導生根或生芽；
④需光照（誘導葉綠素的合成，使試管苗能夠進行光合作用）
脫分化與再分化的比較
1.實驗原理：
①植物細胞一般具有______；
全能性
②在一定的激素和營養等條件的誘導下，已經分化的細胞可以經過______和______，形成________，長出_______，進而發育成__________；
脫分化
再分化
胚狀體
芽和根
完整的植株
③植物激素中______和__________是啟動_________、______和______的關鍵激素，它們的_____、_____等都會影響植物細胞的發育方向；
生長素
細胞分裂素
細胞分裂
脫分化
再分化
濃度
比例
2.實驗目的：
①了解植物組織培養的基本原理；
②了解生長素和細胞分裂素的濃度、用量的比例對菊花愈傷組織形成和分化的影響；
③嘗試進行植物組織培養。
探究·實踐
菊花的組織培養
生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵激素。它們的濃度、比例都會影響植物細胞的發育方向。
探究·實踐
菊花的組織培養
植物激素的作用：
思考：決定植物脫分化、再分化的關鍵激素？
細胞分裂素
生長素
芽分化
愈傷組織
根分化
巧記：高根低芽中愈傷
生長素用量 / 細胞分裂素用量 結果
比值≈1
比值＞1
比值＜1
促進根的分化
促進芽的分化
促進愈傷組織的形成
生長素作用：用于誘導細胞的 和 的分化；
細胞分裂素作用：促進組織細胞的分裂或促進 的分化。
伸長生長
根
芽
材料用具
①外植體：
幼嫩的菊花莖段
(細胞分裂旺盛，容易誘導形成愈傷組織)
②體積分數為70%的酒精：
對手、超凈工作臺、外植體進行消毒
③質量分數為5%左右的次氯酸鈉溶液:
對外植體進行消毒
④無菌水:
清洗外植體
⑤培養基（參見本書附錄1）
包括無機營養成分（水和無機鹽）、有機營養成分（蔗糖、氨基酸、維生素等）、特定濃度和比例的激素（主要是生長素和細胞分裂素）；
滅菌方法為：
濕熱滅菌法(高壓蒸汽滅菌)
植物組織培養常用的培養基配方
P116
⑴培養基名稱： ；
⑵物理性質： ；
⑶碳源： 。
包括無機營養成分(水和無機鹽)、
有機營養成分(蔗糖、氨基酸、維生素等)、
特定濃度和比例的激素(主要是生長素和細胞分裂素)；
蔗糖的作用：
作為碳源，提供能量，調節滲透壓
固體培養基
有機碳源(蔗糖)
MS培養基
固體培養基
葡萄糖和果糖在與蔗糖提供相同數量碳源的前提下，其造成的滲透壓可能過高。
問題1：植物是自養生物，為什么用于植物組織培養的MS培養基中需要加入蔗糖等有機物作為碳源？
通常植物體本身進行光合作用產生糖類，不需要外部供給糖，但植物組織培養利用的是離體組織或細胞，在其脫分化過程中不能進行光合作用合成糖類，因此必須在培養基中添加糖類，作為碳源和能源物質，同時維持細胞的滲透壓。
問題2：同微生物培養基的配方相比，MS培養基的配方有哪些明顯的不同？
微生物培養基以有機營養為主。
與微生物的培養不同，MS培養基則需提供大量無機營養，含有植物生長必需的大量元素和微量元素，還需要添加植物激素。
菊花的組織培養
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
防止雜菌生長。
一方面雜菌與培養物競爭營養；
另一方面雜菌產生有害物質危害培養物。
為什么進行無菌操作？
流水沖洗
→酒精消毒30s
→無菌水清洗2～3次
→次氯酸鈉溶液處理30min
→無菌水清洗2～3次。
雙手和超凈工作臺臺面:
用酒精擦拭
外植體:
將酒精和次氯酸鈉溶液清洗干凈
為什么？
菊花的組織培養
流水沖洗
→酒精消毒30s
→無菌水清洗2～3次
→次氯酸鈉溶液處理30min
→無菌水清洗2～3次。
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
將消過毒的外植體置于無菌培養皿中
→用無菌濾紙吸去表面的水分
→用解剖刀將外植體切成
0.5～1cm長的小段。
雙手和超凈工作臺臺面:
用酒精擦拭
外植體:
菊花的組織培養
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
在酒精燈火焰旁，將外植體的1/3～1/2插入誘導愈傷組織的培養基中。用封口膜或瓶蓋封蓋瓶口，并在培養瓶上作好標記。
接種外植體時，不要倒插！
（將“形態學上端”朝上）
生長素的極性運輸有關；
生長素含量多的部分容易生出不定根，含量少的部分生出不定芽，一般而言，容易長不定芽的是形態學上端，容易長不定根的是形態學下端，因此應該將形態學上端朝上，下端朝下，若倒插，外植體不易存活。
【注意】
接種操作應在酒精燈火焰旁進行，但注意塑料的瓶口不可灼燒；
菊花的組織培養
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
將接種了外植體的錐形瓶或植物組織培養瓶置于18~22℃的培養箱中培養。在培養過程中，定期觀察和記錄愈傷組織的生長情況。
置于黑暗
有光時，容易分化成其他組織，如維管組織，而不易形成愈傷組織。
若培養物取自植物的幼莖、葉片等含有葉綠體的部位，愈傷組織中是否會含有葉綠體？
為什么？
愈傷組織中不含有葉綠體；培養物經過誘導后，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞，因此，愈傷組織中不含有葉綠體。
菊花的組織培養
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
培養15~20天后，將生長良好的愈傷組織轉接到誘導生芽的培養基上。長出芽后，再將其轉接到誘導生根的培養基上，進一步誘導形成試管苗。
置于光照！
每日需要給予適當時間和強度的光照(芽發育成葉，葉肉細胞中葉綠素的合成需要光照)
如何誘導？
生長素比例多
誘導生芽：
生長素比例少
誘導生根：
思考1：為什么要先誘導生芽，再誘導生根呢？
①根的質地較硬，更換培養基時可能會導致根的損傷或斷裂
②若先生根后面就不易生芽，維管束等對接不上，影響后續生根過程中物質的運輸和分配提供便利。
菊花的組織培養
消毒
取材
接種
脫分化
再分化
移栽
移栽前先打開封口膜或瓶蓋，讓試管苗在培養箱內生長幾日。
用流水清洗掉根部的培養基后，將幼苗移植到消過毒的蛭石或珍珠巖等環境中，待其長壯后再移栽入土。
每天觀察并記錄幼苗的生長情況，適時澆水、施肥，直至開花。
煉苗！
移栽！
觀察！
討論：培育的試管苗能直接移栽露地嗎？
在移栽前一般需要煉苗,目的是提高組培苗對外界環境條件的適應性。
菊花的組織培養
若細胞不離體，細胞中的基因會選擇性地表達，從而形成生物體的不同組織和器官，不能表現出全能性；
植物組織培養中細胞表現出全能性的條件
（2）離體（最關鍵）:
①對操作環境、雙手、外植體進行消毒；
②對培養基和器械進行滅菌；
③接種操作必須在酒精燈火焰旁進行；
（4）適宜的培養條件:
（5）適宜濃度和比例的激素:
（6）適宜的營養條件:
溫度（例如菊花植物組織培養應為18-22℃）；
光照（例如脫分化需避光，再分化需照光）。
包括有機營養成分、無機營養成分、適宜濃度和比例的激素
主要是生長素和細胞分裂素
（3）嚴格的無菌條件:
（1）細胞的結構完整、活性正常
課堂小結
植物激素的種類和含量不同，對愈傷組織的形成和分化的影響不同
植物體細胞雜交技術
欲培育地上長番茄和地下結馬鈴薯的“超級作物”。你有什么好妙招？
利用傳統有性雜交方法能實現嗎？為什么？
不能。因為兩種生物之間存在著天然的生殖隔離
植物體細胞雜交技術
1.過程：
植物細胞融合 + 植物組織培養
（1）去除細胞壁
去壁原因：細胞壁阻礙著細胞間的雜交（阻礙了原生質體間的融合）
方法：酶解法
酶解法原理：植物細胞的細胞壁主要由纖維素和果膠構成；酶具有專一性
原生質體
植物體細胞雜交技術
1.過程：
植物細胞融合 + 植物組織培養
（2）原生質體間的融合
①原理：細胞膜具有一定的的流動性
②方法：
物理法：電融合法、離心法等
化學法：聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法等
注意：去除細胞壁和誘導原生質體融合時，不能在低滲溶液中進行。將細胞放在等滲或略大于的溶液中，防止原生質體吸水而漲破，保持原生質體正常。
原生質體融合
酶解法去壁
植物體細胞雜交技術
馬鈴薯細胞
番茄細胞
正在融合的原生質體
馬鈴薯原生質體
番茄原生質體
植物體細胞雜交完成的標志
原理：植物細胞的全能性
再分化
雜種植株
移栽
移栽后的植株
脫分化
愈傷組織
植物組織培養
雜種細胞
原生質體融合成功的標志
再生出細胞壁
植物細胞融合
原理：細胞膜的流動性
篩選
人工誘融
酶解法去壁
1.過程：
植物細胞融合 + 植物組織培養
植物體細胞雜交技術
在此基礎上，科學家們利用植物體細胞雜交技術，又相繼培育出了白菜—甘藍、普通小麥—長穗偃麥草等雜種。我國科學家還在木本植物的體細胞雜交方面培育出了多種柑橘屬不同種間的雜種植株。
白菜
甘藍
白菜—甘藍
植物組織培養和植物體細胞雜交的比較
名稱 植物組織培養 植物體細胞雜交
原理 細胞的全能性 細胞膜具有一定的流動性和細胞的全能性
過程
注意 事項 ①取材：選取有形成層的部位最容易誘導形成愈傷組織； ②光照：在愈傷組織分化出芽和葉時，一定要有光照，以利于葉片內葉綠素的合成 ①去壁方法：酶解法，所用的酶是纖維素酶和果膠酶；
②人工誘導融合的方法：
物理法：電融合法、離心法等；
化學法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等
聯系 植物體細胞雜交技術包括植物細胞融合和植物組織培養兩個過程，植物組織培養是植物體細胞雜交的一個環節，融合的體細胞只有通過植物組織培養才能發育成完整的個體 課堂小結
植物體細胞的雜交技術
植物細胞工程的基本技術
去除細胞壁
再生細胞壁
纖維素酶果膠酶
植物細胞A、B
原生質體A、B
融合的原生質體
雜種細胞
原理：植物細胞的全能性
外植體
脫分化
愈傷組織
再分化
(根、芽)
完整植株
物理法：
化學法：
電融合法、離心法等
聚乙二醇（PEG）融合法等
菊花的組織培養技術
愈傷組織
脫分化
雜種植株
再分化
植物組織培養技術
流程
(1)植物體細胞雜交技術的目的是獲得雜種細胞(　　)
(2)植物體細胞雜交利用了植物組織培養技術(　　)
(3)植物原生質體融合的原理是植物細胞的全能性(　　)
(4)利用物理法或化學法可以直接誘導兩個植物細胞融合(　　)
判斷正誤
×
獲得雜種植株；
√
×
細胞膜具有流動性；
×
應先用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁，獲得具有活力的原生質體，
再用物理法或化學法誘導原生質體融合；
【從社會中去】手指植物：植物組織的新寵
“手指植物”通常培育在裝有彩色固體培養基的小玻璃瓶中，只要保證充足的光照和適宜的溫度，不需要額外補充水分或營養物質，它們就能在玻璃瓶中生長三四個月之久。
學習了本節課之后，你也可以嘗試制作“手指植物”。如果有商店正在出售這種植物，你還可以做個市場調查，了解它們的銷售情況和經濟效益。

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