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植物细胞学技术第1页，本讲稿共24页第一章：概述第一章：概述l一、植物生产的几次重要革命一、植物生产的几次重要革命l绿色革命：绿色革命：20世纪世纪50-60年代以高秆改变为矮秆为标志年代以高秆改变为矮秆为标志的优质、高产的优质、高产“墨西哥小麦墨西哥小麦”的矮秆化和矮秆水稻良的矮秆化和矮秆水稻良种的全面推广、使全世界粮食产量跃上了一个新的台种的全面推广、使全世界粮食产量跃上了一个新的台阶阶。为什么矮杆可以大幅度提高产量？（耐肥，抗倒，。为什么矮杆可以大幅度提高产量？（耐肥，抗倒，增加密度等）增加密度等）l杂种优势利用：杂种优势利用：70年代初，我国杂交水稻的培育成功，年代初，我国杂交水稻的培育成功，并大面积应用于生产，使水稻单产增长并大面积应用于生产，使水稻单产增长20%-30%，创，创造了农业奇迹造了农业奇迹。（三系、两系、一系，资源挖掘）。（三系、两系、一系，资源挖掘）l生物技术的应用（基因革命时代的到来）：生物技术的应用（基因革命时代的到来）：20世纪世纪80年代初转基因作物投入生产标志着生物技术在农业上的年代初转基因作物投入生产标志着生物技术在农业上的成功应用。成功应用。第2页，本讲稿共24页l二、生物技术的产生与发展二、生物技术的产生与发展l生物技术的概念：生物技术的概念：生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），以现代生命科学技术成果为基础设计、改造生物体，生产人类需要的产品。l 基因工程 Genetic engineeringl 细胞工程 Cell engineeringl生物技术 酶工程 Enzyme engineeringl 发酵工程 Fermentation l 蛋白质工程 Protein第3页，本讲稿共24页l生物技术的产生：生物技术的产生：l 1953 DNA双螺旋的发现；60年代遗传密码的全部破译；1972重组DNA技术的建立（生物技术学科产生的关键技术）l 介绍重组DNA技术在现代遗传学、分子生物学、生物技术研究中的意义。第4页，本讲稿共24页三、转基因作物在全球的应用状况三、转基因作物在全球的应用状况第5页，本讲稿共24页三、转基因作物在全球的应用状况三、转基因作物在全球的应用状况l全球转基因作物的面积分布全球转基因作物的面积分布l2006年全球转基因作物的种植面积由1996年的170万公顷发展到1.02亿公顷，增长了60多倍，种植的国家达22个，还有29个国家批准转基因作物作为食品或饲料进口，种植的农户首次超过1000万，90%的受益者是发展中国家的贫困农民。最可喜的是，因种植转基因作物10年间累计减少使用杀虫剂22.4万吨。第6页，本讲稿共24页l纵观转基因作物的发展和应用,其推广速度和受农民欢迎程度可谓史无前例.l1983年首例转基因烟草问世；l1986年首批转基因棉花批准进入田间试验；1992年中国成为世界上第一个转基因烟草商业化种植的国家；l1994年美国第一个转基因植物产品(番茄品种“Flavr-Savr”)批准上市；l1995年耐除草剂的杂种不育转基因油菜在加拿大获准大田推广；l1996年耐草甘膦的转基因大豆种子在阿根廷批准商业化生产；l2001年全球已正式批准生产的各种转基因作物达120多个品种(系).第7页，本讲稿共24页l发达国家与发展中国家的比较发达国家与发展中国家的比较l美国作为转基因作物的先进国家，其种植面积历年位居世界第一，2006年持续快速增长，种植面积增加480万公顷；印度转基因作物取得全球最高增长率，达192%，成为全球第五大转基因作物种植国；欧洲和非洲的转基因作物种植也取得了飞速的发展，可以说生物技术作物的全球发展方兴未艾。l转基因作物在我国也得到大面积推广。以我国目前种植面积最多的转基因抗虫棉为例，2006年种植面积已达400万公顷，从1996年以来推广面积达2170万公顷。第8页，本讲稿共24页四、植物生物技术与应用四、植物生物技术与应用l概念：植物生物技术（Plant Biotechnology）是指对植物品质和性状进行改造的生物技术。l植物生物技术包括：l 植物组织培养（或细胞工程）Plant Tissue Culturel 基因克隆与转基因植物生产 Gene Cloning and Genetically Modified Crops（GM crops）l 分子标记及辅助育种应用 Molecular markers and MASl植物生物技术发展趋势：从“投入特征”的作物向“产出特征”的作物转变l植物生物技术的农业应用：创造新材料；培育新品种；开发功能食品；快速繁殖稀有材料；材料的指纹分析、新基因挖掘、定位、辅助育种等。第9页，本讲稿共24页五、植物生物技术与传统农业技术的关系五、植物生物技术与传统农业技术的关系l传统农业技术在农业生产中仍将发挥主导作用，不可用生物技术全面替代。如新品种选育。l生物技术与传统技术结合可以加速研究进程。l生物技术可以大幅度提高农产品的附加值。l生物技术产品的出现使大批农业公司被生物技术公司替代，使农业经营领域发生变革。第10页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况 l1.理论准备和实验开创的时期理论准备和实验开创的时期l在这个时期中，下面几位科学家做了卓有成效的工作：l（1）18381839年施旺（Schwann）和施莱登（Schleiden）创立“细胞学说”(Cell theory)，其主要观点：细胞是生物体的基本结构单位，由它构成整个生物个体；同时认为植物细胞又是在生理上，发育上具有潜在的全能性功能单位。l（2）1902年，德国植物学家哈贝兰特（G.Haberlandt）依据细胞理论，提出高等植物的器官和组织可以不断分割直至单个细胞，而分离出的每一个细胞都有进一步分裂和发育的能力，为证明这一点，他培养了高等动植物的离休细胞，但未成功。但却对植物离体培养的发展起了先导的作用。第11页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（3）1904年，亨宁（E.Hanning）选用萝卜和辣根菜的胚为材料，结果发现离体胚可以充分发育，并有提早萌发开成小苗的现象。这是世界上胚胎培养最早获得成功的一例。l（4）1908年，西蒙（S.Simon）研究白杨嫩茎在培养中的发育，观察到愈伤组织的发生和根、芽的形成。l（5）1922年，科特（W.Kott）和罗宾斯（Robbins）分别获得离体根尖培养的某些成功，能生长很长一段时间，并进行了继代培养。同年，Knudson 采用胚培养法获得兰花幼苗，克服了兰花种子发芽困难的问题。第12页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l2.技术与理论的发展时期技术与理论的发展时期l这个时期主要是在30年代末到50年代初，主要是下面几位科学家的工作，奠定了基础。l（1）1933年，我国学者李继侗和沈同进行银杏胚的离体培养时，发现银杏胚乳的提取物能促进离体胚的生长，这是利用天然提取物获得成功的首次报道，从而启迪人们开始注意到离体培养条件下的营养需要。第13页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（2）1934年，荷兰植物学家温特（F.W.Went）发现生长素，这是人类首先认识到的一类生长调节物质，生长素用于植物组织培养，大大推动了研究的进展。l同年，美国的怀特（P.R.White）用番茄根建立了第一个无性繁殖系，离体根的培养获得了真正的成功，他将番茄离体培养长达三十多年，以致他认为可以无限制地生长下去。同时用带有花叶病毒的烟草根离体培养，发现迅速生长的根尖病毒浓度很低，往后面成的熟区的根组织的病毒浓度逐渐升高。第14页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（3）1937年，怀特（P.R.White）发现B族维生素和吲哚乙酸对离体根的生长具有重要作用，最先建立了植物组织培养的综合培养基。同年，法国的冈瑟莱特（Gautheret）也发现维生素、生长素等物质对培养物的生长发育起着促进作用。l30年代的主要发现有3点：l一是植物激素生长素的生现及其应用；l二是B族维生素对植物细胞生长的重要性被认识，并普遍采用；l三是由White所发展的基本方法。第15页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（4）1938年，生长素的生现者Went提出“器官形成的特殊物质”的假设，对器官形成起控制作用，促使许多植物生理学家都致力于寻找这种“特殊物质”。l（5）1941年，Van Overbeek在做使曼陀罗没有受精的卵细胞发育试验时，用椰乳作为培养基的附加物，发现椰乳可以促进曼陀罗胚的发育，使心形期幼胚能够离体培养到成熟。当时并不知道椰乳中含有细胞分裂素，但很快被许多研究者用来促进器官发生的研究。第16页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（6）1943年，White 发表了植物组织培养手册（A handbood of plant tissue culture），在书中又重新提出了细胞全能性，即每个细胞都具发育成为一个完整植株的潜能。这是世界上第一部有关植物组织培养技术专著。由于White 在植物组织培养方法等多方面的贡献，被誉为“植物组织培养之父”。l（7）1946年，我国学者罗士韦在培养菟丝子时，发现有花的形成，从而导致了人们利用组织培养技术诱导花芽形成的研究。第17页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（8）1948年，Skoog和我国的崔徵在烟草茎段和髓细胞的培养及其器官形成研究中，发现腺嘌呤或腺苷可以解除培养基中生长素（IAA）对芽的抑制作用，面诱导烟草茎段形成芽，从而确定了腺嘌呤/生长素的比例是控制芽和根形成的主要因素之一。l 同年，英国的Steward开始进行胡萝卜离体培养研究，此后，他在1952年设计出一种培养装置，叫细胞增殖器（Auxophyton）,在1956年发表了可以利用愈伤组织液体培养产生悬浮细胞，悬浮细胞可以继代培养的论文。在1958年发现胡萝卜悬浮细胞在含椰乳的培养基中观察到类似胚胎发生的结构（胚状体）。由胚状体生长根，后长芽，并形成完整植株，为植物细胞全能性的理论提供了有力的实验证据。这是植株再生的一种方式。l（9）1951年，Nitsch做了许多关于离体果实的培养工作l（10）1952年，法国的莫勒尔（G.Morel）等将感染病毒的大丽花茎尖切离培养，获得去病毒植株。第18页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（11）1953年，米尔（Muir）将万寿菊和烟草的愈伤组织转移到液体培养基中，放在往复式摇床上振荡，获得由单细胞或细胞聚集体组成的细胞悬浮液。而且可以继代繁殖。这是最早报道细胞悬浮培养法，并提出了“看护培养”技术，建立了单细胞培养系。l 在20世纪40年代末至50年代末，许多科学家对离体培养技术方法作了大量的探索。除Muir外，还有德洛普（De Ropp 1955）发明的“微室培养法”；贝格曼（Bergmann 1960）建立的“琼脂平板培养法”。l 微室培养、平板培养、看护培养都是单细胞的培养方法。第19页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（12）1956年，米勒（Miller）和斯库格（Skoog）发现激动素，继而发现激动可代替腺嘌呤促进成芽，而且效果可提高3万倍。1957年Skoog发现生长素与激动素有同配比对植物生长和分化的作用，即激动素/生长素的比例高形成芽，而比例低则形成根，建立起离体培养中器官分化的激素配比模式。在培养基中加入生长素，诱导外植体产生愈伤组织，随后在培养基中减少或取消生长素而加入细胞分裂素，则在愈伤组织上会形成大量的不定芽，切割不定芽移至含适量生长素的培养基中，不久即可生根，这是植株再生的又一种方式。这一规律的发现，不仅在植物离体培养中具有极其重要的意义，而且提示了植物生长发育生理学中的一个奥秘。第20页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（13）1958年，M.Wicksont 与K.V.Thimann发现采用外源的细胞分裂素，可促使休眠的侧芽启动生长，形成一微型的多枝多芽的灌木丛状的结构，将嫩梢切割，可在短期内重复这一过程，嫩梢移到生根培养生根，这是植株再生的另一种方式。l（14）1958年，Steward(斯图沃德)和shantz用胡萝卜根韧皮部细胞悬浮培养，从中诱导出胚状体并使其发育成完整小植株。第一次证实Haberlandt提出的细胞全能性学说。第21页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l3.生产应用的开始和研究工作深化时期生产应用的开始和研究工作深化时期l主要是在60年代以后l（1）1960年，法国的Morel采用兰属的茎尖培养，实现了去病毒和快速繁殖二个目的，这是经过茎尖原球茎小植株的方式再生的，是植株再生的又一方式，导致了全世界兰花工业的兴起。l（2）1960年，科金（E.C.Cooking）采用纤维素酶和果胶酶等酶制剂分离番茄幼根，获得大量的原生质体。l（3）1962年，K.Kanta完善了试管内传粉受精技术，这可克服发生在花粉与柱头间的两性不亲和现象。l（4）1962年，Merashige和Skoog发表了促进烟草组织快速生长的培养基成分，这就是目前非常流行的MS培养基。第22页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况（5）1964年，S.Guha和S.C.Maheshwari培养南洋金花（毛曼陀罗）未成熟花药时，发现了由大量胚状体形成的小植株，证明源于花粉粒，是单倍体植株，掀起了采用单倍体育种的高潮。据不完全统计，已有200多种植物的花药或花粉培养获得再生植株。l（6）1971年，Takebe和Nagata用烟草叶肉细胞分离原生质体，并培养成完整植株。l（7）1972年，卡尔森（P.S.Carlson）等完成了原生质体的融合研究，实现了体细胞杂交，得到了第一株体细胞杂种植物。第23页，本讲稿共24页六六六六.植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况植物生物技术的发展历史概况l（8）1974年，Bonne和Eriksson成功地完成了细胞器（叶绿体）的摄入。试验证明原生质体是引入外源遗传物质的极好材料，为基因工程奠定了良好基础。l（9）1978年，Melchers等，首次获得了番茄和马铃薯属间体细胞杂种“Potamato”。随后原生质体广泛被用于细胞转化。l（9）80年代以来，植物基因工程的研究进展十分迅速。目前国际上已分离出来的目的基因有近百个，包括抗病基因、抗虫基因、抗逆基因、抗除草剂基因、提高蛋白质质、色素基因、延缓果实成熟基因，以及高效表达的启动子。此外，还有植物基因的转移也成为研究的重点。第24页，本讲稿共24页