【课件】植物细胞工程的基本技术课件高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3.pptx

第2章 第1节植物细胞工程操作水平概念细胞工程 细胞工程（cell engineering)是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等学科的原理和方法，通过细胞、细胞器或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞或组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。原理和方法目的动物细胞工程植物细胞工程植物组织培养植物体细胞杂交 科技探索之路 1902年，哈伯兰特(G.Haberlandt，1854一1945)提出了细胞全能性的理论，但相关的实验尝试没有成功。1958年，斯图尔德(EC.Steward，1904一1993)等发现胡萝卜的体细胞可以分化为胚，为细胞全能性理论提供了强有力的支持。1960年，科金(E.C.Cocking，1931一）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，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粒发育而来的胚。1971年，卡尔森（PS.Carlson，1944一2017)诱导烟草种间原生质体融合，获得了第一株体细胞种间杂种植株。1974年，土壤农杆菌的Ti质粒被发现。之后，该质粒应用于植物分子生物学领域，促进了植物细胞工程与分子生物学技术紧密结合。植物细胞工程的发展历程“其茅葺，其叶青青，犹绿衣郎，挺节独立，可敬可慕。迨（di）夫花开，凝情瀼露，万态千妍，薰风自来，四坐芬郁，岂非真兰室乎！岂非有国香乎！”金漳兰谱其种子发育不全，自然条件下萌发率极低，传统分株繁殖的方法繁殖周期长，繁殖率低育苗困难！植物组织培养技术1植物细胞工程的基本技术2植物细胞工程的应用目录l 植物组织培养技术l 植物体细胞杂交技术l 植物繁殖的新途径l 作物新品种的培育l 细胞产物的工厂化生产一、细胞的全能性1.概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种(所有类型)细胞的潜能。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。3、体现细胞全能性的标志：01细胞的全能性（从理论上讲从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。），生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。）2、具有全能性的原因：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 01细胞的全能性4、不体现全能性的实例：芽原基只能发育为芽，叶原基只能发育为叶5、不体现全能性的原因：基因在特定时间、空间条件下选择性表达注意：种子发育成一颗完整的植株也不能体现全能性，因为种子内的胚已经是完整的植株生物体生长发育过程中并不是所有细胞都表现出全能性！6.细胞全能性大小比较：随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低受精卵胚胎干细胞生殖细胞体细胞植物细胞动物细胞 体细胞：分化程度低分化程度高如何才能让细胞表现出全能性？复习必修一 P118-1211958年美国科学家将胡萝卜韧皮部一些细胞培养获得了完整的新植株。实验结论：高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植株的潜能，即植物细胞具有全能性。已分化细胞脱分化愈伤组织再分化胚状体再分化这就是植物组织培养技术 01植物细胞的全能性细胞全能性表现的必要条件：（3）适宜的外界条件（适宜的温度、pH、无菌无毒的环境等）；(2)一定的营养物质（无机盐、维生素、氨基酸等）和植物激素；(1)离体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。植物细胞的全能性外植体1.概念：2.理论基础：3.一般过程：生殖方式：无性生殖分裂方式：有丝分裂接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽诱导生根移栽成活脱分化再分化再分化已分化的细胞失去特有结构和功能转变成未分化的细胞排列不规则，高度液泡化，呈不定型状态的薄壁细胞愈伤组织重新分化为芽、根等器官 02植物组织培养技术在_等条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变为_，进而形成_的过程。一定的激素和营养未分化的细胞 愈伤组织脱分化：不定形的薄壁组织团块 愈伤组织：再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。相关概念注意：脱分化涉及的生命活动 注意：脱分化涉及的生命活动只有细胞增殖（有丝分裂），没有细胞分化。（有丝分裂），没有细胞分化。该培养过程一般 该培养过程一般不需要光照注意：再分化涉及的生命活动：注意：再分化涉及的生命活动：既有细胞增殖（有丝分裂），又有细胞分化。需要给予适当光照，诱导叶绿素的合成，使试管苗能够进行光合作用。1.实验原理 生长素/细胞分裂素 结果高(1)低(1)适中(=1)有利于根的分化，抑制芽的形成有利于芽的分化，抑制根的形成促进愈伤组织的形成菊花的组织培养 探究实践 植物细胞一般具有_；全能性在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化和再分化，形成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株，植物激素中_和_是启动_、_和_的关键激素，它们的_、_等都会影响植物细胞的发育方向；生长素细胞分裂素 细胞分裂 脱分化 再分化浓度 比例细胞分裂素生长素 芽分化愈伤组织愈伤组织根分化巧记：高根低芽中愈伤菊花的组织培养探究实践拓展1：植物组织培养常用的培养基配方 P116培养基名称?物 理 性 质?包括无机营养成分(水和无机盐)、有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等)、特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)；蔗糖的作用：作为碳源，提供能量，调节渗透压制备MS固体培养基配制各种母液配制培养基调节pH、分装、封口灭菌将 流 水 充 分 冲 洗 后 的 外 植 体（幼嫩的茎段）u 70%酒精消毒30su 无菌水清洗2 3 次u 5%次氯酸钠溶液处理30minu 无菌水清洗2 3 次外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽外植体的消毒菊花的组织培养探究实践用酒精擦拭双手和超净工作台面外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽外植体的切段将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分，用解剖刀将外植体切成0.51cm 长的小段。菊花的组织培养探究实践无菌操作目的防止杂菌生长会与培养物竞争营养；产生有害物质危害培养物。外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽在酒精灯火焰旁，将外植体的1/31/2 插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。注意：接种时注意外植体的方向，不要倒插！(形态学上端朝上）接种外植体探究实践培养基成分及培养条件：提供有机碳源（蔗糖）、置于黑暗菊花的组织培养外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽诱导愈伤组织脱分化菊花的组织培养探究实践将 接 种 了 外 植 体 的 锥 形瓶 或 植 物 组 织 培 养 瓶 置于1822 的培养箱 中培 养。在 培 养 过 程 中，定 期 观 察 和 记 录 愈 伤 组织的生长情况。注意：该过程一般不需要光照，有光易形成维管组织，不易形成愈伤组织。培养条件：激素比例1：1；一般不需要光照；温度18-22 外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽诱导生芽生根再分化注意：先诱导生芽，再诱导生根！菊花的组织培养探究实践进一步诱导形成试管苗。培养1520d后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上 长出芽后将其转接到诱导生根的培养基上注意：每日需要给予适当时间和强度的光照！(光照培养)若先生根后面就不易生芽外植体的消毒外植体的切段接种外植体诱导愈伤组织诱导生芽生根移栽移栽菊花的组织培养探究实践 移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后，将 幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情 况，适时浇水、施肥，直至开花。进一步探究 若想探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响，则应如何设计对照实验？空白对照：不加任何激素 实验组1：生长素用量与细胞分裂素用量的比值为1 实验组2：生长素用量与细胞分裂素用量的比值大于1 实验组3：生长素用量与细胞分裂素用量的比值小于1探究实践菊花的组织培养使用比例 实验结果生长素 细胞分裂素生长素细胞分裂素生长素 细胞分裂素 有利于根的分化有利于芽的分化促进愈伤组织生长根、芽植物体再分化再分化培养条件：无菌营养物质适宜条件（温度、PH、光等）植物激素：遮光光照芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照脱分化 脱分化愈伤组织离体的植物器官、组织或细胞（外植体）愈伤组织重新分化为芽、根等器官失去特有结构和功能转变成未分化的细胞生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键。生长素和细胞分裂素的比例和浓度会影响植物细胞的发育方向。如：胡萝卜的形成层、菊花幼茎段、月季的花药排列不规则，高度液泡化，呈不定型状态的薄壁细胞探究实践菊花的组织培养接种时注意外植体的方向，不要。脱分化诱导愈伤组织期间一般 光照，在后续的培养过程中，每日 给予适当时间和强度的光照。【总结：植物组织培养过程需要注意的问题】实验中使用的培养基和所有的器械都要。接种操作必须在酒精灯 进行，并且每次使用后的器械都要。火焰旁灭菌灭菌为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？避免杂菌与培养物竞争营养，且有些杂菌会危害培养物的生长。倒插不需要需要菊花的组织培养探究实践（1）组织离体状态（2）适宜的培养条件（3）植物激素（主要是生长素和细胞分裂素）诱导和调节植物组织培养成功的条件种类齐全、比例适合的营养物质适宜的外界条件（温度、pH、光照等）无菌环境（细胞表现全能性的条件）接种34d后，检查外植体的生长情况，统计有多少外植体被污染，试分析它们被污染的可能原因。培养基、接种工具灭菌不彻底；外植体消毒不彻底；操作过程不符合无菌操作要求等。被污染的培养基杂菌和植物细胞之间有哪些关系？竞争或寄生。结果分析与评价菊花的组织培养探究实践(1)棉花根尖细胞经诱导形成幼苗体现了细胞的全能性()(2)植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出全能性。()(3)愈伤组织是外植体经脱分化和再分化后形成的()(4)在诱导离体菊花茎段形成幼苗的过程中，不会发生细胞的增殖和分化()【基础过关】1.下图表示植物组织培养的一般过程。下列相关说法错误的是()A.过程a指的是脱分化，过程c指的是再分化B.此技术依据的原理是植物细胞的全能性C.b d的过程不需要光照D.生长素含量高时，有利于根的形成C【课堂检测】离体的植物器官、组织或细胞abcd完整的植物体对点训练：2.如图为植物组织培养过程，下列有关说法正确的是A.实验中试管中细胞的全能性最高B.试管中培育出的个体都是纯合子C.过程需要光照D.过程培养基保持不变对点训练：3.如图表示菊花茎段细胞通过无菌操作接种到试管培养基上后，在一定的条件下，形成试管苗的培育过程，请据图回答下列问题：(1)要促进细胞分裂生长，培养基中应有营养物质和激素。营养物质包括_和小分子有机物，激素包括细胞分裂素和_两类植物激素。(2)此过程依据的原理是_。A和B阶段主要进行的分裂方式是_，B阶段除了细胞分裂外，还进行细胞_等。无机物 生长素植物细胞的全能性有丝分裂 分化(3)此过程要无菌操作，主要是指对_进行灭菌处理。B阶段需要光照，原因是_。(4)试管苗的根细胞没有叶绿素，而叶的叶肉细胞具有叶绿素，这是基因_的结果。培养基芽发育成叶，叶肉细胞中叶绿素的合成需要光照条件选择性表达利用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？不能。因为不同种生物之间存在着天然的生殖隔离思考：欲培育地上长番茄和地下结马铃薯的“超级作物”。你有什么好妙招？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。A细胞B细胞纤维素酶果胶酶1.去壁：酶解法融合的原生质体 融合的原生质体再生出细胞壁2.诱融物理法：化学法：电融合法、离心法聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+高pH融合法等脱分化再分化移栽杂种植株愈伤组织A原生质体B原生质体移栽后的植株植物细胞融合完成的标志植物体细胞杂交完成的标志纤维素酶和果胶酶的酶溶液中一般加入一定浓度的无机盐离子和甘露醇，试分析原因？使溶液具有一定的渗透压，防止原生质体吸水过多而涨破，保持原生质体正常植物体细杂交的过程：03植物体细胞杂交技术高尔基体参与、线粒体供能（等渗或略大于）植物细胞融合植物组织培养（细胞膜的流动性）（植物细胞的全能性）筛选：淘汰AA、BB型1.概念：指将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。4.两个标志（1）植物细胞融合完成的标志：再生出新的细胞壁（2）植物体细胞杂交完成的标志：培育成新植物体5.意义：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 03植物体细胞杂交技术2.融合实例:3.原理：细胞膜的流动性、植物细胞的全能性白菜甘蓝白菜甘蓝具有两个物种的遗传物质植物体细胞杂交的实例：具有生长期短、耐热性强和易于贮藏等优点多种柑橘属不同种间的杂种植株普通小麦长穗偃麦草 03植物体细胞杂交技术只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？三种AB原生质体融合或或AABBABAB融合细胞才符合要求，因此要对融合细胞进行筛选。A B 03植物体细胞杂交技术遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。1、体细胞融合后培养基中共有5种类型细胞：2、杂种细胞中染色体数、染色体组数、基因型都采用直接相加A为2M=20 B为2N=302M+2N4 杂种细胞染色体数为？杂种细胞染色体组数为？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？育种原理：染色体数目变异A，B，AA，BB，AB4、不遵循孟德尔遗传定律3、该过程属于无性繁殖异源四倍体（可育）03植物体细胞杂交技术主要原因是生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的。所以番茄马铃薯杂种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相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。番茄马铃薯 杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么?5.植物体细胞杂交存在的问题：亲缘关系越远，染色体排斥丢失的现象越严重。由于两个物种的全部遗传物质的合并，各种基因都在其中，目前还不能让杂种植株完全按人们的要求表现出亲代的性状。03植物体细胞杂交技术植物组织培养 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脱分化再分化保持优良性状，繁殖速度快植物体细胞杂交技术应用了植物组织培养技术克服不同种生物远缘杂交的障碍去除细胞壁融合形成杂种细胞组织培养细胞膜的流动性、细胞全能性染色体变异、基因重组植物组织培养 vs 植物体细胞杂交【典例】科学家利用植物体细胞杂交技术将番茄与马铃薯的体细胞原生质体融合，最终得到番茄马铃薯杂种植株。下列有关叙述错误的是()A.番茄马铃薯杂种植株能在地上结番茄、地下长马铃薯B.可用物理法使番茄的原生质体和马铃薯的原生质体融合C.该项生物工程技术可克服生物远缘杂交不亲和的障碍D.该项生物工程技术需经历脱分化和再分化A如图为白菜甘蓝杂种植株的培育过程。正确的是（）A.图示白菜甘蓝植株不能结籽B.愈伤组织的代谢类型是自养需氧型C.上述过程中包含着有丝分裂、细胞分化和减数分裂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 实战演练概念植物细胞融合原生质体制备过程变异类型植物组织培养原生质体融合原理育种类型原理过程花药离体培养细胞全能性操作步骤脱分化再分化外植体根、芽、胚状体愈伤组织外植体消毒接种 切块形成愈伤组织诱导生芽生根植物体细胞杂交植物组织培养植物细胞工程优缺点植物细胞工程基本技术植物组织培养技术细胞的全能性脱分化、再分化植物体细胞杂交技术细胞膜的流动性、细胞的全能性获得原生质体、原生质体的融合、植物组织培养原理主要过程原理主要过程【课堂小结】【检测】图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：（1）步骤是，最常用的方法是。（2）步骤一般常用的化学试剂是，目的是。(3)在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，此技术运用的原理是，其中步骤相当于，步骤相当于。（4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，使 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是。（5）若远缘杂交亲本A的基因型为AaBb，B的基因型为YYEe，则融合后形成的杂种植株基因型是。去除细胞壁，分离原生质体酶解法聚乙二醇（PEG）诱导植物原生质体融合脱分化 再分化远缘杂交亲本的遗传特征杂种植株获得双亲的遗传物质细胞的全能性AaBbYYEe（6）从理论上讲，杂种植株的育性。若运用传统有性杂交方法能否实现？；原因是。因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于。（7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？。可育不能不同种生物之间存在生殖隔离不遵循；因为孟德尔遗传规律发生在有性生殖减数分裂产生配子时，而植物体细胞杂交育种属于无性生殖。克服了远缘杂交不亲和的障碍1.下图是利用甲、乙两种植物的各自优势，通过植物细胞工程技术培育高产、耐盐的杂种植株的实验流程图。下列相关叙述错误的是（）A.进行a处理时能用胰蛋白酶B.b是诱导融合后得到的杂种细胞C.c是培养后得到的具有耐盐性状的幼芽D.进行d选择时要将植株种在高盐环境中A2.科学家在制备原生质体时，有时使用蜗牛消化道提取液来降解植物细胞的细胞壁。据此分析，蜗牛消化道提取液中可能含有什么成分?纤维素酶和果胶酶 番茄马铃薯没有像人们预想的那样地上结番茄、地下长马铃薯，主要原因是生物体内基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以番茄马铃薯杂种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相互干扰，它们不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂种植株自然就不能地上结番茄、地下长马铃薯了。番茄马铃薯杂种植株没有如科学家所想象的那样，地上结番茄，地下长马铃薯，这是为什么?对点训练：15.(2022天津一中高二期中)“白菜甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长期短、耐热性强和耐储藏等优点。如图是“白菜甘蓝”的杂交过程示意图，请回答下列问题：(1)在上述过程中，过程常用_酶处理植物细胞，该过程在溶液中进行，而且外界溶液的浓度应该_(填“等于或略大于”或“略小于”)细胞液的浓度。纤维素酶和果胶等于或略大于(2)已知白菜细胞中含有2X条染色体，甘蓝细胞中含有2Y条染色体，则杂种植株叶肉细胞中染色体数为_条。与白菜和甘蓝相比，杂种植株发生的可遗传变异类型是_。2X2Y染色体数目变异(3)过程常用的化学诱导方法有_；若用于杂交的白菜和甘蓝的基因型分别为AaBB、ccDd，经过过程可获得哪几种类型的融合原生质体(仅考虑细胞的两两融合)？_(写出基因型)。(4)通常情况下，白菜和甘蓝之间不能成功杂交。该项技术的意义是_。聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2高pH融合法AAaaBBBB、ccccDDdd、AaBBccDd打破生殖隔离，实现远缘杂交育种对点训练：9.(2022北京西城高二期末)如图表示矮牵牛的植物组织培养过程，下列相关叙述正确的是A.矮牵牛是自养生物，培养基中无需添加有机碳源B.、过程均可发生基因突变和基因重组C.植物细胞的全能性是植物组织培养的理论基础D.用花粉和叶片做外植体获得的植株基因型相同对点训练：10.(2022天津静海高二阶段练习)通过植物细胞工程技术，可利用甲高产不耐盐、乙低产耐盐的两种二倍体植物培育高产耐盐的杂种植株，实验流程如图所示。下列叙述正确的是A.通常将植物细胞置于含纤维素 酶和果胶酶的低渗溶液中处理B.到的过程中，杂种细胞内高 尔基体和线粒体活动明显增强C.由到目的植株需进一步筛选的原因是中含有高产不耐盐品种D.目的植株相对于甲、乙而言发生了染色体数目变异导致植株不可育