2014-2015学年人教版高中生物选修三专题二植物细胞工程.ppt

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1、 细胞工程是指应用细胞生物学和分子细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过生物学的原理和方法，通过细胞水平细胞水平或或细细胞器水平胞器水平上的操作，按照人们的意愿来上的操作，按照人们的意愿来改改变变细胞内的细胞内的遗传物质遗传物质或或获得细胞产品获得细胞产品的一的一门综合科学技术。门综合科学技术。概念：概念：细细胞胞工工程程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按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质变细胞内的遗传物质或获得细胞产品或获得细

2、胞产品概念概念分类分类植物细胞工程植物细胞工程动物细胞工程动物细胞工程理论基础理论基础细胞的细胞的全能性全能性2.1植物细胞工程植物细胞工程植物细胞工程的基本技术植物细胞工程的基本技术植物组织培养利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花利用菊花花瓣微型繁殖培养的菊花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探究：探究：1、为什么运用植物组织培养技术能把植物离、为什么运用植物组织培养技术能把植物离体器官、组织或细胞培养成完整植物体？体器官、组织或细胞培养成完整植物体？植物细胞具有全能性植物细胞具有全能性

3、。2、什么是细胞的全能性？、什么是细胞的全能性？1、定义：、定义：生物体的细胞具有发育成完整个体的潜能生物体的细胞具有发育成完整个体的潜能的特性。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）植物细胞全能性植物细胞全能性 动物细胞全能性动物细胞全能性 (3)一

4、、植物细胞的全能性一、植物细胞的全能性受精卵受精卵生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞探究：探究：2、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？化成不同的组织器官？1、表现全能性的条件有哪些？、表现全能性的条件有哪些？离体、一定的营养物质、激素及温度、光照、离体、一定的营养物质、激素及温度、光照、pH等适宜外界条件。等适宜外界条件。在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达在特定的时间和空间条件下，基因选择性的表达的结果。的结果。生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗传物质，生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体

5、的全套基因。都有发育成完整个体的全套基因。3、为何已分化的细胞仍具有发育成、为何已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能？完整个体的潜能？要把一块组织通过培养得到一株完整植株,应该如何操作呢?请同学们阅读请同学们阅读P34实实验完成验完成P35讨论题。讨论题。(1)(1)在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？菌和实验人员的无菌操作？(1)防止各种杂菌感染防止各种杂菌感染和培养物争夺营养；（和培养物争夺营养；（2 2）杂）杂菌生长过程中菌生长过程中所产生的对培养物有害的物质，导致培所产生的对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。

6、养物迅速死亡。(2)(2)在本实验中，切取胡萝卜块根时为什么强调要切在本实验中，切取胡萝卜块根时为什么强调要切取含有形成层部分？取含有形成层部分？胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。（3 3）请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、）请思考一下，胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花），是否也能培养成小植株，你能用实验的方花），是否也能培养成小植株，你能用实验的方法进行验证吗？法进行验证吗？因为这部分容易诱导形成愈伤组织。因为这部分容易诱导形成愈伤组织。(4)(4)请根据上面

7、的实验过程，概括出植物组请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。织培养技术的流程简图。切取切取形成层形成层无菌无菌接种接种诱导愈伤组织诱导愈伤组织的形成的形成试管苗的形成试管苗的形成培养室培养室移栽移栽脱分化脱分化再分化再分化植物组织培养就是在无菌和人工控制条植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。芽，最终形成完整的植株。二、植物组织培养二、植物组织培养1

8、、概念、概念离体的植物器官、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2、过程、过程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。实例：非洲紫罗兰的组织培养实例：非洲紫罗兰的组织培养强调几个概念强调几个概念：离体的植物器官、组织或细离体的植物器官、组织或细胞，在培养一段时间以后，胞，在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成一种高通过

9、细胞分裂，形成一种高度液泡化、无定形状态薄壁度液泡化、无定形状态薄壁细胞组成的排列疏松无规则细胞组成的排列疏松无规则的组织。的组织。一、愈伤组织：一、愈伤组织：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，又称去分化。伤组织的过程，又称去分化。（2）脱分化的实质和结果分别是）脱分化的实质和结果分别是什么？什么？实质是恢复细胞的全能性过程。实质是恢复细胞的全能性过程。结果是形成愈伤组织。结果是形成愈伤组织。脱分化产生的愈伤组织在培养过程中脱分化产生的愈伤组织在培养过程中重新分化根或芽等器官的过程。重新分化根或芽等器官的过程。二、（二、（1）植物细胞的）

10、植物细胞的脱分化脱分化：三、植物细胞的三、植物细胞的再分化再分化：1、为什么诱导愈伤组织的过程中应避、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养？光培养？在有光时，往往容易形成维管组织，而不易形成愈伤组织。2、决定植物脱分化、再分化的关键因、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？素是什么？植物激素当当细胞分裂素细胞分裂素和和生长素生长素共同使用时，共同使用时，能刺激愈伤组织的形成，而通过调能刺激愈伤组织的形成，而通过调节二者的浓度比，就可以调控植物节二者的浓度比，就可以调控植物细胞培养过程中芽和根的形成，称细胞培养过程中芽和根的形成，称为为“激素杠杆激素杠杆”。(见见P42)因为不同种生物之间存因

11、为不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用在着生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是传统的有性杂交方法是不可能做到这一点的。不可能做到这一点的。于是，这些科学家试图用这两种植物的体于是，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。细胞进行杂交，来实现这一美妙的设想。三、植物体细胞杂交技术三、植物体细胞杂交技术这幅番茄这幅番茄马铃薯图利马铃薯图利用传统有性杂交方法能用传统有性杂交方法能实现吗？为什么？实现吗？为什么？19721972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。19781

12、978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、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、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种籼稻与粳稻、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及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。种上有用的新材料。白菜白菜白菜白菜甘蓝甘蓝甘蓝甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝白菜甘蓝1 1你认为两个来自不同植物的体细胞完你认为

13、两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什么？成融合，遇到的第一个障碍是什么？2 2有没有一种温和的去壁方法呢？有没有一种温和的去壁方法呢？3 3为什么两个原生质体能发生融合，这为什么两个原生质体能发生融合，这与细胞膜的什么特性有关？与细胞膜的什么特性有关？4 4如果两个来源不同的原生质体发生了如果两个来源不同的原生质体发生了融合，下一步该做何处理？融合，下一步该做何处理？5 5如何将杂种细胞培育成杂种植株？如何将杂种细胞培育成杂种植株？请思考：请思考：杂杂种种植植株株融合的融合的原生质原生质体体ABAB再再生生出出细细胞胞壁壁脱脱分分化化愈愈伤伤组组织织再再分分化化1 1、过程、

14、过程植物细胞的融合植物细胞的融合植物组织培养植物组织培养植物细胞植物细胞A原生质体原生质体B原生质体原生质体A杂种杂种细胞细胞AB去去壁壁去去壁壁人人工工诱诱导导方法？方法？促进融合促进融合的方法？的方法？融合融合完成完成的的标志标志植物细胞植物细胞B三、植物体细胞杂交技术三、植物体细胞杂交技术去壁去壁去壁去壁纤维素酶纤维素酶果胶酶果胶酶原原生生质质体体植植物物细细胞胞原原生生质质体体融融合合离心、离心、振动、振动、电刺激、电刺激、聚乙二聚乙二醇醇再再生生细细胞胞壁壁杂杂种种细细胞胞去去分分化化愈愈伤伤组组织织杂杂种种植植株株激素激素筛筛选选等量等量激素激素再再分分化化植物体细胞杂交植物体细胞

15、杂交过程示意图过程示意图2、概念 将不同种的植物体细胞，在一定条件将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。成新的植物体的技术。3、优势和未解决的问题 优势优势（与有性杂交方法比较）与有性杂交方法比较）：打破了不同种生：打破了不同种生物间的生殖隔离限制，大大扩展了可用于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。杂交的亲本组合范围。未解决的问题：未能让杂种植物按照人们未解决的问题：未能让杂种植物按照人们 的需要表现出亲代的优良。的需要表现出亲代的优良。1.1.为什么为什么“番茄番茄马铃薯马铃薯”超级杂种植

16、株没有超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？马铃薯？马铃薯马铃薯番茄没有像人们预想的那样地上长番番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：茄、地下结马铃薯，主要原因是：生物基因的表达生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯所以马铃薯番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个番茄杂交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受到相互物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一干扰，不能再像

17、马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。铃薯就是很自然的了。2.2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物自然界中有一种含有叶绿体的原生动物眼虫，说明植物眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞的细胞器同样可以在某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。具体实验方案。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

18、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小结小结一一、植物繁殖的新途径植物繁殖的新途径1.微型繁殖 (1)微型繁殖技术:用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术.(2)特点:保持优良品种的遗传特性;高效快速地实现种苗的大量繁殖.2.作物脱毒 (1)材料:植物分生区（茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。(2)脱毒苗:切取茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗 （3）优点：使农作物不会或极少感染病毒3.神奇的人工种子 (1)特点:后代无性状分离 不受气候,季节和地域限制 (2)技术:植物组织培养.(3)结构:人工薄膜胚状体或不定芽或顶芽或腋芽.人工种子自然种子胚胚 状状

19、体体人工种皮人工种皮人工胚乳人工胚乳胚胚种皮种皮胚乳胚乳二二、作物新品种的培育作物新品种的培育1.单倍体育种 (1)方法:花药的离体培养 (2)优点:后代稳定遗传,都是纯合体;明显缩短育种年限.2.突变体的利用 (1)产生:植物组织培养 (2)利用:筛选对人们有利突变体,进而培育新品种三三、细胞产物的工厂化生产细胞产物的工厂化生产1.种类:蛋白质,脂肪,糖类,药物,香料,生物碱等.2.技术:植物的组织培养.3.例子：利用组织培养技术来大量生产人参皂甙干粉练习练习1、下列细胞中，不具有细胞全能性特点的是：、下列细胞中，不具有细胞全能性特点的是：A、心肌细胞、心肌细胞 B、神经细胞、神经细胞C、茎

20、的形成层细胞、茎的形成层细胞 D、木质部导管细胞、木质部导管细胞2、用植物组织培养技术可以培养或生产出：、用植物组织培养技术可以培养或生产出：A、人参皂苷、人参皂苷 B、无病毒植物、无病毒植物C、人工种子、人工种子 D、A，B，C均可均可3、科学家成功培育出、科学家成功培育出“番茄马铃薯番茄马铃薯”，是采用下列，是采用下列哪一项生物技术：哪一项生物技术：A、基因工程、基因工程 B、染色体工程、染色体工程C、酶工程、酶工程 D、细胞工程、细胞工程 DDD4、植物体细胞杂交和植物组织培养的相同点中错误的是：、植物体细胞杂交和植物组织培养的相同点中错误的是：A、都是依据植物细胞的全能性作为理论基础、

21、都是依据植物细胞的全能性作为理论基础B、都属于植物细胞工程技术、都属于植物细胞工程技术C、都能形成杂种细胞、都能形成杂种细胞D、都有形成愈伤组织的阶段、都有形成愈伤组织的阶段5、植物体细胞融合完成的标志是：、植物体细胞融合完成的标志是：A、细胞核发生融合、细胞核发生融合 B、细胞质发生融合、细胞质发生融合C、细胞膜发生融合、细胞膜发生融合 D、新的细胞壁产生、新的细胞壁产生6、下列有关细胞工程的叙述中错误的是：、下列有关细胞工程的叙述中错误的是：A、是在细胞器水平上定向改造生物、是在细胞器水平上定向改造生物B、细胞工程的目的之一是获得产品、细胞工程的目的之一是获得产品C、是在细胞水平上定向改变

22、生物的遗传物质、是在细胞水平上定向改变生物的遗传物质D、通过细胞工程都能获得杂种生物、通过细胞工程都能获得杂种生物DDC植物细胞工程的实际应用植物细胞工程的实际应用（一）（一）思考与探究思考与探究1.通过查阅资料，请你再列举出植物组织培通过查阅资料，请你再列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用。养技术在我们生活中的另外一些应用。提示：提示：a.拯救濒危植物；拯救濒危植物；b.提供食品制作的原料；提供食品制作的原料；c.利用愈伤组织进行转基因操作利用愈伤组织进行转基因操作 2.请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，设计出制备技术的主要流程图。设计出

23、制备技术的主要流程图。提示：诱导植物愈伤组织提示：诱导植物愈伤组织体细胞胚的诱导体细胞胚的诱导体细胞胚的成熟体细胞胚的成熟体细胞胚的机械化包裹体细胞胚的机械化包裹贮藏或种植贮藏或种植3.请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织培养和染色体加倍的实验流程。培养和染色体加倍的实验流程。花药花药花粉细胞培养花粉细胞培养愈伤组织愈伤组织分化出小植物分化出小植物单倍体植株单倍体植株正常植株正常植株（二）（二）正文中讨论题正文中讨论题1.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的哪些特点？苗生产，这是利用

24、了该项技术的哪些特点？提示：植物提示：植物“微型微型”繁殖技术繁殖技术具有高效性和可以具有高效性和可以保持种苗的优良遗传特性的优势保持种苗的优良遗传特性的优势。工厂化大规模。工厂化大规模育苗生产正是利用了植物育苗生产正是利用了植物“微型微型”繁殖技术的这繁殖技术的这两方面优势。利用植物两方面优势。利用植物“微型微型”繁殖技术我们可繁殖技术我们可以在短时间中获得大量的优质种苗。以在短时间中获得大量的优质种苗。2.人工种子之所以神奇，是由于它具有天然种子不人工种子之所以神奇，是由于它具有天然种子不可比拟的特点，想一想它们具有哪些优点？可比拟的特点，想一想它们具有哪些优点？提示：人工种子的优点：提示

25、：人工种子的优点：（1）天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的）天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变；天然重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变；天然种子在生产上受季节限制，一般每年只繁殖种子在生产上受季节限制，一般每年只繁殖12次，次，有些甚至十几年才繁殖一次。而人工种子则可以完有些甚至十几年才繁殖一次。而人工种子则可以完全保持优良品种的遗传特性，生产上也不受季节的全保持优良品种的遗传特性，生产上也不受季节的限制。限制。（2）试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。人）试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。人工种子则克服了这些缺点，人工种子外层是起保

26、护工种子则克服了这些缺点，人工种子外层是起保护作用的薄膜，类似天然种子的种皮，因此，可以很作用的薄膜，类似天然种子的种皮，因此，可以很方便地贮藏和运输。方便地贮藏和运输。3.人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，请探讨人利生长成小植株的关键部分，请探讨人工种皮中应该具有的有效成分是什么？工种皮中应该具有的有效成分是什么？为了促进胚状体的生长发育，我们还可为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？以向人工种皮中加入哪些物质？提示：针对植物种类和土壤等条件，在提示：针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适

27、量的人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗养分、无机盐、有机碳源以及农药、抗生素、有益菌等。为了促进胚状体的生生素、有益菌等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调节剂植物生长调节剂。4.高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“我们能否利用我们能否利用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”为题，与同学展开讨论，说出植物组织培养技术在为题，与

28、同学展开讨论，说出植物组织培养技术在节约资源、保护环境方面的重要意义。节约资源、保护环境方面的重要意义。提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。现在国内外的科学家们现在国内外的科学家们正在研究利用植物细胞培养技正在研究利用植物细胞培养技术来大量培育红豆杉细胞术来大量培育红豆杉细胞，希望利用这种方法来大量，希望利用这种方法来大量生产紫杉醇。国内外许多实验室开展了用组织培养法生产紫杉醇。国内外许多实验室开展了用组织培养法生产紫杉醇的研究，生产紫杉醇的研究，红豆杉属的红豆杉属的11种植物现都在进种植物现都在进行组织培养行组织培养。ESCAgenetics公司宣布他们用细胞公司宣布他们用细胞培养法所得紫杉醇的含量是树皮的培养法所得紫杉醇的含量是树皮的25倍。国内外倍。国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作，在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作，摸索摸索了外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫了外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响。杉醇生成的影响。现在工艺条件已基本摸清，正研究现在工艺条件已基本摸清，正研究反应的放大技术等，有望实现通过细胞培养进行工业反应的放大技术等，有望实现通过细胞培养进行工业化生产紫杉醇的目标。化生产紫杉醇的目标。