植物細胞工程(精華)

第1節(jié)植物細胞工程一、細胞工程的概念1.什么是細胞工程？——指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過細胞水平或細胞器水平上的操作，按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的一門綜合科學技術。根據操作對象的不同，可分為植物細胞工程和動物細胞工程兩大領域。一、細胞工程的概念2.對細胞工程的理解(1)應用的原理和方法：——細胞生物學和分子生物學的原理。(2)操作環(huán)境：——生物體外。(3)操作對象：——細胞。(4)操作水平：——細胞水平或細胞器水平。(5)結果：——改變細胞內的遺傳物質和獲得細胞產品。(6)應用于植物育種的優(yōu)點：——定向改造生物性狀；克服遠緣雜交不親和的障礙；育種周期短。二、植物細胞工程1.細胞的全能性(1)什么是細胞的全能性？——具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發(fā)育成完整生物體的潛能。也就是說，每個生物細胞都具有全能性的特點。(2)具有全能性的原因：——生物體的每一個體細胞都是由受精卵經有絲分裂形成的，因而生物體的每一個體細胞都含有發(fā)育成為完整個體所必需的一整套遺傳物質(全部基因)?！参锛毎こ痰睦碚摶A是植物細胞的全能性；最常用的技術手段是植物組織培養(yǎng)和植物體細胞雜交?！颍阂逊只募毎哂邪l(fā)育成完整生物體的潛能。二、植物細胞工程1.細胞的全能性(3)生物體內為何不能表現全能性：——在生物的生長發(fā)育過程中，細胞并不表現出全能性，而是分化成個鐘組織和器官。這是因為在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因選擇性表達的結果。(4)體現全能性的條件：——離體、無菌、一定的營養(yǎng)物質、激素和其他外界條件。(5)全能性的大?。孩僦参锛毎苄源笥趧游锛毎苄?；②受精卵>生殖細胞(卵細胞、精子)>體細胞。③分化程度低的細胞>分化程度高的細胞?！梢逊只募毎罱K發(fā)育成完整生物個體才算體現細胞全能性。——因此：生物體的每一個體細胞具有相同的核DNA(基因)，但因基因的選擇性表達，就不同的mRNA和不同的蛋白質。二、植物細胞工程練一練：1．生物體內細胞沒有表現出全能性，而是分化為不同的組織、器官，這是因為（）A．細胞喪失了全能性B．基因的選擇性表達C．不同的細胞內基因不完全相同D．在個體發(fā)育的不同時間，細胞內的基因發(fā)生了變化B2．下列植物細胞全能性最高的是（）

A.形成層細胞B.韌皮部細胞C.木質部細胞D.葉肉細胞A二、植物細胞工程練一練：3．有關全能性的表述中，不正確的是（）Ａ．受精卵在自然條件下能使后代細胞形成完整個體，因此全能性最高Ｂ．生物體內細胞由于分化全能性不能表達Ｃ．卵細胞和受精卵一樣，細胞未分化，全能性很高Ｄ．植物細胞離體培養(yǎng)在一定條件下能表現出全能性C二、植物細胞工程練一練：4．用某人的胰島素基因制成的DNA探針，檢測下列物質，能形成雜交分子的是（）①該人胰島A細胞中的DNA②該人胰島B細胞的mRNA③該人胰島A細胞的mRNA④該人肝細胞的DNAA．①②③④ B．①②③C．①②④ D．②C二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(1)概念：——植物組織培養(yǎng)就是在無菌和人工控制條件下，將離體的植物器官、組織、細胞，培養(yǎng)在人工配制的培養(yǎng)基上，給予適宜的培養(yǎng)條件，誘導其產生愈傷組織、叢芽，最終形成完整的植株。(2)原理：——植物細胞的全能性?！参锛毎こ套罨炯夹g。二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(3)過程：外植體(離體的植物器官、組織、細胞)脫分化(不需光)愈傷組織再分化(需光)胚狀體或叢芽生長發(fā)育完整植株(試管苗)脫分化：也叫去分化，就是讓已經分化的細胞，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的過程。愈傷組織：細胞排列疏松而無規(guī)則，是一種高度液泡化的呈無定形狀態(tài)的薄壁細胞。再分化：脫分化產生的愈傷組織繼續(xù)進行培養(yǎng)又可以重新分化成根或芽等器官的過程。愈傷組織的形態(tài)變化：——主要有不定芽方式和胚狀體方式兩種。不定芽方式是在某些條件下，愈傷組織中的分生細胞發(fā)生分化，形成不同的器官原基，再逐漸形成芽和根。胚狀體方式是由愈傷組織細胞誘導分化出具有胚芽、胚根、胚軸的胚狀結構，進而長成完整植株。這種由愈傷組織中的薄壁細胞不經過有性生殖過程，直接產生類似于胚的結構，叫做胚狀體。有絲分裂細胞分化未分化細胞未分化細胞高度分化細胞未分化細胞脫分化高度分化細胞再分化二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(3)過程：脫分化和再分化過程名稱過程形成體特征條件脫分化由外植體成為愈傷組織排列疏松、高度液泡化薄壁細胞離體、營養(yǎng)物質、激素、無菌、適宜溫度、pH等再分化由愈傷組織成為幼苗或胚狀結構有根、芽或有生根發(fā)芽的能力營養(yǎng)生長生殖生長發(fā)育成完整的植物體由根、莖、葉、花、果、種子組成栽培二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(3)過程：植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基無機營養(yǎng)成分：無機鹽離子有機營養(yǎng)成分：蔗糖溶液、氨基酸、維生素等激素：生長素、細胞分裂素和赤霉素瓊脂：起支持作用PH值：5.0－6.0固體培養(yǎng)基二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(3)過程：植物組織培養(yǎng)的關鍵因素：植物激素——生長素含量高于細胞分裂素時，主要誘導植物組織脫分化和根原基的形成；而當細胞分裂素的含量高于生長素時，則主要誘導植物組織再分化和芽原基的形成。另外，植物生長調節(jié)劑在培養(yǎng)基中的用量要考慮組織內源激素的含量。二、植物細胞工程2.植物組織培養(yǎng)技術(3)過程：特別說明：——脫分化過程是有絲分裂，要避光培養(yǎng)；再分化過程是有絲分裂和細胞分化，要光照培養(yǎng)。愈傷組織的代謝類型為異養(yǎng)需氧型?！参锝M織培養(yǎng)所取材料為體細胞時，則為無性生殖；所取材料為花粉時稱為花藥離體培養(yǎng)，為有性生殖。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(1)實驗原理：——植物體的根、莖、葉細胞一般都具有全能性，在一定的營養(yǎng)和激素條件下，可以脫分化形成愈傷組織。將愈傷組織轉接到含有不同激素成分的培養(yǎng)基上，就可以誘導其再分化生成胚狀體或叢芽，進而發(fā)育成完整的小植株。植物組織培養(yǎng)的全過程，證明了分化的植物細胞，仍具有形成完整植株所需要的全部基因。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(2)實驗目的：——嘗試進行植物的組織培養(yǎng)；了解植物組織培養(yǎng)的基本原理。(3)材料用具：——胡蘿卜根、滅菌的培養(yǎng)基等。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：①將胡蘿卜根用自來水洗凈，削去外皮，并切成段(約10cm)。用酒精棉球擦手消毒。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：②在超凈工作臺(或接種箱)上將胡蘿卜段進行無菌處理，即用酒精溶液消毒30s后，立即用無菌水清洗2～3次，再用次氯酸鈉溶液處理30min后，立即用無菌水清洗2～3次。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：③用無菌的濾紙吸去胡蘿卜段表面的水分。然后，在消毒瓷磚上，用無菌的解剖刀將胡蘿卜段切成1cm厚的橫切片，再選取有形成層的部位，切取1cm左右的小塊。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：④將胡蘿卜組織塊接種到培養(yǎng)基上，用錫泊紙封蓋瓶口，并用橡皮筋扎緊。然后，在培養(yǎng)瓶上貼上標簽，寫明材料名稱、接種日期和小組編號。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：⑤將接種后的胡蘿卜組織塊，放在23～26℃恒溫箱避光條件下培養(yǎng)。4d后，檢查培養(yǎng)材料的污染情況；14d后，觀察愈傷組織的生長情況。然后，在恒溫箱中繼續(xù)避光培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，注意定期觀察和記錄愈傷組織的生長情況。二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)(4)方法步驟：⑥培養(yǎng)一段時間后，將生長良好的愈傷組織轉接到分化培養(yǎng)基上，培養(yǎng)一段時間后，胡蘿卜的愈傷組織就可以誘導出試管苗。然后將試管苗移栽到大田，培養(yǎng)成正常植株。(5)思考與討論：①在組織培養(yǎng)實驗中，為什么要強調所用器械的滅菌和實驗人員的無菌操作？——防止各種雜菌感染和培養(yǎng)物爭奪營養(yǎng)；雜菌生長過程中所產生的對培養(yǎng)物有害的物質，導致培養(yǎng)物迅速死亡。②在本實驗中，切取胡蘿卜塊根時為什么強調要切取含有形成層部分？——因為這部分容易誘導形成愈傷組織。③請思考一下，胡蘿卜的其他部分(如莖、葉、花)，是否也能培養(yǎng)成小植株，你能用實驗的方法進行驗證嗎？——胡蘿卜的其他部分(如莖、葉、花)也能培養(yǎng)再生形成小植株，只是誘導愈傷組織比較困難。④植物組織培養(yǎng)技術的流程簡圖。植物材料消毒接種到誘導培養(yǎng)基誘導出愈傷組織愈傷組織轉接到繼代培養(yǎng)基上得到大量的愈傷組織愈傷組織接種到分化培養(yǎng)基上分化出幼苗幼苗接種到生根培養(yǎng)基上完整植株移栽到大田可以不繼代培養(yǎng)直接誘導分化若誘導出幼苗的同時也實現生根，可以省略生根培養(yǎng)二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：1.下列屬于組織培養(yǎng)的是：（）A.花粉離體培養(yǎng)成單倍體植株B.芽發(fā)育成枝條C.根尖分生區(qū)發(fā)育成成熟區(qū)D.未受精的卵發(fā)育成植株A二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：2.在離體的植物器官、組織或細胞脫分化形成愈傷組織的過程中，下列哪一項條件是不需要的（）A.適宜的養(yǎng)料和激素B.適宜的溫度和pHC.嚴格消毒滅菌D.具有充足的光照D二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：3.要將胡蘿卜韌皮部細胞培養(yǎng)成完整植株，不需要（）A.具有完整細胞核的細胞B.離體狀態(tài)C.導入外源基因D.一定的營養(yǎng)物質和激素C二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：4.下列關于植物組織培養(yǎng)的表述，錯誤的是()A．外植體可以來自于植物的任何細胞B．培養(yǎng)應在無菌條件下進行C．以花粉作為外植體可得到單倍體植株D．不同階段的培養(yǎng)基中細胞分裂素和生長素的比例不同A二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：5.下列有關植物組織培養(yǎng)的敘述，正確的是()A．愈傷組織是一團有特定結構和功能的薄壁細胞B．二倍體植株的花粉經脫分化與再分化后得到穩(wěn)定遺傳的植株C．用人工薄膜將胚狀體、愈傷組織等分別包裝可制成人工種子D．植物耐鹽突變體可通過添加適量NaCl的培養(yǎng)基培養(yǎng)篩選而獲得D二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：6.關于植物組織培養(yǎng)的敘述中，錯誤的是()A．培養(yǎng)基中添加蔗糖主要目的是提供營養(yǎng)B．培養(yǎng)基中的生長素和細胞分裂素影響愈傷組織的生長和分化C．離體器官或組織或細胞都必須通過脫分化才能形成愈傷組織D．同一株綠色開花植物不同部位的細胞經培養(yǎng)獲得的愈傷組織基因和染色體數均相同D二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：7.某優(yōu)良品種水稻的基因型為AaBb，其花藥通過組織培養(yǎng)形成了試管苗。下列對這一培養(yǎng)過程的敘述，錯誤的是（）A.花粉形成試管苗要經過脫分化和再分化的過程B.試管苗有四種基因型，其體細胞含有一個染色體組C.通過該過程培養(yǎng)出的試管苗還不能直接用于生產D.這些試管苗自交，后代性狀不發(fā)生分離D二、植物細胞工程3.胡蘿卜的組織培養(yǎng)練一練：8.在下列選項中，不需要采用植物組織培養(yǎng)技術的是(

)A．利用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗，獲得多倍體植株B．利用花藥離體培養(yǎng)得到單倍體植株C．利用基因工程培養(yǎng)抗棉鈴蟲的棉花植株D．利用細胞工程培養(yǎng)“番茄—馬鈴薯”雜種植株A二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交想一想：這幅番茄—馬鈴薯圖利用傳統(tǒng)有性雜交方法能實現嗎？為什么？——不能實現。因為不同種生物之間存在著生殖隔離，所以用傳統(tǒng)的有性雜交方法是不可能做到這一點的。二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交——將不同種植物的體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術，就叫植物體細胞雜交。(1)概念：——細胞膜的流動性和植物細胞的全能性。(2)原理：二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交想一想：請觀察圖2-5植物體細胞雜交技術流程圖，結合相關文字，思考回答：(3)過程：①你認為兩個來自不同植物的體細胞完成融合，遇到的第一個障礙是什么？②有沒有一種溫和的去壁方法呢？③為什么兩個原生質體能發(fā)生融合，這與細胞膜的什么特性有關？④如果兩個來源不同的原生質體發(fā)生了融合，下一步該做何處理？⑤如何將雜種細胞培育成雜種植株？植物細胞A植物細胞B原生質體A原生質體B原生質體融合正在融合的原生質體再生出細胞壁（融合成功的標志）雜種細胞愈傷組織雜種植株去細胞壁纖維素酶果膠酶物理方法化學方法：離心振動電刺激聚乙二醇脫分化植物組織培養(yǎng)原生質體融合酶解法人工誘導方法(3)過程：再分化二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交(3)過程：特別說明：①流程圖中為了簡化，僅畫了一個馬鈴薯的原生質體與一個番茄的原生質體之間的融合，可真正在實際操作過程中，是把許多馬鈴薯的原生質體和許多番茄的原生質體放在一起，讓它們自由融合，再從中篩選出所需的雜種細胞。想一想：在原生質體融合過程中，若僅考慮A、B原生質體間的兩兩融合，有幾種融合細胞？——3種(AA型、BB型、AB型)。利用選擇培養(yǎng)基篩選出所需的雜種細胞(AB型)。二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交(3)過程：特別說明：②由于不同種的細胞其細胞膜的特點不一樣，如不作任何處理，把它們放在一起，讓它們自然融合是不可能的，所以原生質體間的融合必須要人工誘導。③雜種細胞再生出細胞壁是原生質體融合成功的標志，此時需要高爾基體的參與。原生質體融合過程依據的原理是細胞膜的流動性。雜種細胞培養(yǎng)成雜種植株的過程為植物組織培養(yǎng)過程，依據的原理是細胞的全能性。整個植物體細胞雜交過程為無性繁殖，分裂方式為有絲分裂。④雜種植物具有兩個親本的遺傳物質。雜種植物的染色體基因組或染色體組，都采用直接相加的方法。二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交(3)過程：特別說明：⑤與有性雜交相比，植物體細胞雜交克服了遠緣雜交不親和的障礙，擴大了可用于雜交的親本組合范圍。遺傳物質的傳遞不遵循孟德爾遺傳定律。⑥雖然雜種植物具有兩個親本的遺傳物質，但目前還不能讓雜種細胞完全按人們的需要去表達親代的優(yōu)良性狀。二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交(3)過程：思考與討論：①為什么“番茄—馬鈴薯”超級雜種植株沒有如科學家所想像的那樣，地上長番茄、地下結馬鈴薯？——馬鈴薯—番茄沒有像人們預想的那樣地上長番茄、地下結馬鈴薯，主要原因是：生物基因的表達不是孤立的，它們之間是相互調控、相互影響的，所以馬鈴薯—番茄雜交植株的細胞中雖然具備兩個物種的遺傳物質，但這些遺傳物質的表達受到相互干擾，不能再像馬鈴薯或番茄植株中的遺傳物質一樣有序表達，雜交植株不能地上長番茄、地下結馬鈴薯就是很自然的了。②自然界中有一種含有葉綠體的原生動物──眼蟲，說明植物的細胞器同樣可以在某些動物細胞中存活，請?zhí)接懀簞游锛毎c植物細胞之間可以實現雜交嗎？如果理論上可行，請設計出具體實驗方案。思考與討論：二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交——克服遠源雜交不親和的障礙，培育出自然界中沒有的、具有優(yōu)良品質的新品種。(4)意義：二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交練一練：1.不能人工誘導原生質體融合的方（）A.振動B.電剌激C.PEG試劑D.重壓D2.植物細胞融合完成的標志的是（）A.產生新的細胞壁B.細胞膜發(fā)生融合C.細胞質發(fā)生融合D.細胞核發(fā)生融合A二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交練一練：3.植物體細胞雜交要先去除細胞壁的原因是（）

A.植物體細胞的結構組成中不包括細胞壁

B.細胞壁使原生質體失去活力

C.細胞壁阻礙了原生質體的融合

D.細胞壁不是原生質的組成部分C二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交練一練：4.植物體細胞雜交的目的中錯誤的是（）

A.把兩個植物體的優(yōu)良性狀集中在雜種植株上

B.獲得雜種植株

C.克服遠源雜交不親和的障礙

D.實現原生質體的融合D二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交練一練：5.下列有關植物體細胞雜交技術的描述，不正確的是(

)A．利用植物體細胞雜交可以獲得某種多倍體植株B．獲得原生質體的過程中需要纖維素酶和果膠酶C．通常用聚乙二醇或滅活病毒誘導原生質體融合D．可根據細胞中染色體數目和形態(tài)的差異來鑒定雜種細胞C二、植物細胞工程4.植物體細胞雜交練一練：6.下面關于植物細胞工程的敘述，錯誤的是(

)A．離體的葉肉細胞脫分化后可形成無定形狀態(tài)的薄壁細胞B．離體的葉肉細胞經再分化的過程形成愈傷組織C．進行植物葉肉細胞融合時，必須先制備原生質體D．葉肉細胞離體培養(yǎng)時，在一定條件下可以表現出全能性B二、植物細胞工