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细胞工程简介细胞工程简介(一）一）江苏省梁丰高级中学江苏省梁丰高级中学 任小文任小文细胞工程细胞工程 指应用细胞生物学和分子生物学的原理和指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞或细胞器水平上，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内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。技术。应用的原理和方法应用的原理和方法研究的水平研究的水平研究的目的研究的目的细胞生物学和细胞生物学和分子生物学分子生物学细胞整体水平细胞整体水平或细胞器水平或细胞器水平按照人们的意愿来改变按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获细胞内的遗传物质或获得细胞产品得细胞产品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 植物组织培养植物组织培养 植物体细胞杂交植物体细胞杂交植物细胞的全能性植物细胞的全能性（一）（一）细胞的全能性细胞的全能性1、定义、定义：生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能的特性。体的潜能的特性。2、原理：、原理：生物体的每一个细胞都包含有该物种所特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，生物体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个体的每一个活细胞活细胞都应该具有全能性。都应该具有全能性。3、差异：、差异：（1 1）受精卵的全能性受精卵的全能性最高最高 （2 2）受精卵分化后的细胞中，体细胞受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的的全能性比生殖细胞的低。低。植物细胞的全能性植物细胞的全能性5、例题辨析：、例题辨析：下列有关细胞全能性的含义，正确的是：下列有关细胞全能性的含义，正确的是：A、每个生物体内的所有细胞都具有相同的功能、每个生物体内的所有细胞都具有相同的功能 B、生物体内的任何一个细胞可以完成该个体的全、生物体内的任何一个细胞可以完成该个体的全部功能部功能 C、生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体、生物体的每一个活细胞都具有发育成完整个体的潜能的潜能 D、生物体的每个细胞都经过产生、分裂、分化、生物体的每个细胞都经过产生、分裂、分化、生长、衰老、死亡的全过程生长、衰老、死亡的全过程 在生物体内，细胞没有表现出全能性，而在生物体内，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：是分化为不同的组织、器官，是因为：A、细胞丧失了全能性、细胞丧失了全能性 B、基因的表达有选择性、基因的表达有选择性 C、不同的细胞内基因不完全相同、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、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生了变化了变化 Schwann Schwann在在1839 1839 年明确的指出：年明确的指出：“如果具如果具有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可有与有机体内一样的条件时，每个细胞应该可以独立生活和发展以独立生活和发展”。德国著名植物学家德国著名植物学家G.HaberlandtG.Haberlandt在细胞学在细胞学说的基础上于说的基础上于19021902年提出了细胞全能性学说。年提出了细胞全能性学说。他认为，高等植物的组织、器官可以不断分割，他认为，高等植物的组织、器官可以不断分割，直到单个细胞。如果每个细胞都有植物个体一直到单个细胞。如果每个细胞都有植物个体一样的性质和能力，那么，可以通过植物细胞培样的性质和能力，那么，可以通过植物细胞培养使单个细胞发育成为一个新个体。养使单个细胞发育成为一个新个体。植物组织培养的发展简史 探索阶段探索阶段（1919世纪初世纪初3030年代中）年代中）德国植物生理学家德国植物生理学家HaHerlandtHaHerlandt首次进行了植物细胞首次进行了植物细胞培养实验培养实验 奠基阶段奠基阶段（30305050年代）年代）1934 1934年，年，WhiteWhite培养番茄离体根尖成功培养番茄离体根尖成功 1939 1939年，年，GautheretGautheret连续培养胡萝卜根形成层首次成连续培养胡萝卜根形成层首次成功功 White:White:烟草种间杂种的瘤组织进行组培烟草种间杂种的瘤组织进行组培 Nobecourt Nobecourt：胡萝卜进行组培：胡萝卜进行组培 以上三人是植物组织培养的奠基人以上三人是植物组织培养的奠基人 迅速发展阶段迅速发展阶段（6060年代后）年代后）原生质体，花药，快繁技术迅速发展原生质体，花药，快繁技术迅速发展 科学研究表明，处于离体状态的植物活科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。植物组织培养。1958 1958年年StewardSteward和和ReinertReinert用胡萝卜根的用胡萝卜根的愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了完整植株。完整植株。植物组织培养的发展简史植物组织培养关键词：关键词：外植体、脱分化、再分化、愈伤组织外植体、脱分化、再分化、愈伤组织细胞离体、一定的营养物质、细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件激素和其他外界条件必要条件：必要条件：植物组织培养外植体：从活植物体上切下进行培养的那外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官部分组织或器官1 1）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩）外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）叶、种子、花粉等）2 2）用消毒过的器械将外植体置于培养皿）用消毒过的器械将外植体置于培养皿上上3 3）切取所需的外植体）切取所需的外植体4 4）将外植体接种于培养容器的培养基上）将外植体接种于培养容器的培养基上整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！外植体经过一段时间在培养基上生长后，外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织会形成愈伤组织切取接种植物组织培养的培养基植物组织培养的培养基定义：含有一定营养成分，供组织培养植物定义：含有一定营养成分，供组织培养植物生长的基质生长的基质无机营养成分：无机营养成分：C C，H H，O O大量元素及部分微量大量元素及部分微量元素元素有机营养成分有机营养成分 含含N N物质：包括维生素和氨基酸物质：包括维生素和氨基酸 碳源：碳源：2%5%2%5%的蔗糖的蔗糖 琼脂：起支持作用琼脂：起支持作用 生长激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素生长激素：生长素，细胞分裂素和赤霉素PHPH值：值：5.05.06.06.0愈伤组织的形成愈伤组织：在人工培愈伤组织：在人工培养基上由外植体长出养基上由外植体长出来的一团无序生长的来的一团无序生长的薄壁细胞（细胞排列薄壁细胞（细胞排列疏松、无规则）。疏松、无规则）。愈伤组织的形成植物组织培养（试管苗的形成）培养室移栽经过炼经过炼苗的小苗的小苗，可苗，可以和一以和一般植物般植物一样进一样进行大规行大规模栽培模栽培试管苗大规模培养过程过程离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织愈伤组织根、芽根、芽植物体植物体外植体外植体脱分化脱分化植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素再分化再分化植物组织培养植物组织培养条件植物组织培养条件：含有全部营养成分的含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的气、无菌环境、适合的PHPH、适时光照等。适时光照等。2、植物组织培养的应用：、植物组织培养的应用：（1）试管苗的快速繁殖）试管苗的快速繁殖（2）无病毒植物的培育）无病毒植物的培育（3）提取原料）提取原料（4）人工种子）人工种子（5）转基因植物的培育）转基因植物的培育（二）（二）植物组织培养植物组织培养 植物组织培养 现现在在已已有有胡胡萝萝卜卜、芹芹菜菜、柑柑橘橘、咖咖啡啡、棉棉花花、玉玉米米、水水稻稻、橡橡胶胶等等几几十十种种植植物物的的人人工工种种子子试试种种成成功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。人工种子用人工种皮包用人工种皮包被体细胞胚，被体细胞胚，可以制造人工可以制造人工种子种子人工种皮：藻人工种皮：藻酸钠酸钠解决有些植物解决有些植物结子困难、发结子困难、发芽率低、繁殖芽率低、繁殖困难等问题困难等问题制作过程制作过程体细胞胚与体细胞胚与藻酸钠混合藻酸钠混合后，滴入到后，滴入到硝酸钙或硝酸钙或CaClCaCl2 2中，中，2 2分钟后，分钟后，表面聚合，表面聚合，形成人工种形成人工种子子植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，植物组织培养形成的愈伤组织进行培养，又可又可以分化形成根、芽等器官，这一过程称为：以分化形成根、芽等器官，这一过程称为：A、脱分化、脱分化 B、去分化、去分化 C、再分化、再分化 D、脱分化或去分化、脱分化或去分化下列不能作为植物组织培养的材料是：下列不能作为植物组织培养的材料是：A、秋海棠的叶、秋海棠的叶 B、马铃薯的块茎、马铃薯的块茎C、成熟的花粉、成熟的花粉 D、木质部中的导管细胞、木质部中的导管细胞 1972 1972年卡尔森等通过两个烟草品种之间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。原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。19781978年梅尔彻斯年梅尔彻斯(Melchers)(Melchers)等首次获得等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种“Potamato”“Potamato”。目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培目前，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、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。价值的新品系或育种上有用的新材料。（三）（三）植物体细胞杂交植物体细胞杂交1 1、定义：、定义：用两个来自不同植物的体细胞融合成用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。新的植物体的方法。2 2、优势：、优势：（与有性杂与有性杂交方法比较）交方法比较）打破了不同种生物间的生殖隔离限制，打破了不同种生物间的生殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。植物体细胞杂交植物体细胞杂交(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交植物体细胞杂交过程示意图过程示意图植物植物A A细胞细胞植物植物B B细胞细胞去壁去壁原生质体原生质体A A原生质体原生质体B B原生质体融合原生质体融合融合体融合体再再生生壁壁杂种细胞杂种细胞细胞分裂细胞分裂愈伤组织愈伤组织杂种植株杂种植株去壁的常用方法：去壁的常用方法：酶解法（纤维素酶、果胶酶等）酶解法（纤维素酶、果胶酶等）原生质体融合方法原生质体融合方法：物理法：离心、振动、电刺激等物理法：离心、振动、电刺激等 化学法：聚乙二醇（化学法：聚乙二醇（PEGPEG）植物体细胞杂交植物体细胞杂交过程示意图过程示意图植物体细胞杂交尚未解决的问题有：植物体细胞杂交尚未解决的问题有：A A、去掉细胞壁、去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体分离出有活力的原生质体B B、将杂种细胞培育成植株、将杂种细胞培育成植株C C、让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性、让杂种植物按照人们的需要表现出亲代的优良性D D、尚未培育出属间杂种植物、尚未培育出属间杂种植物不不能能人人工工诱诱导导原原生生质质体体融融合合的的方方法法是是：A A、振动、振动 B B、电刺激、电刺激、C C、PEGPEG试剂、试剂、D D、重压、重压