植物细胞工程课件(公开课).ppt

1、克隆羊克隆羊“多莉多莉”的诞生。的诞生。这样的生物技术应属于何种生物工程？这样的生物技术应属于何种生物工程？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，通过某种工程学手生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在段，在细胞整体细胞整体水平或水平或细胞器细胞器水平上，按水平上，按照人们的意愿来照人们的意愿来改变改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门综合科学技术。的一门综合科学技术。细细 胞胞 工工 程程按操作对按操作对象分类象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为什么植物的一个花瓣就可以培为什么植物的一个花瓣就

2、可以培育出完整的植株呢？育出完整的植株呢？已分化的细胞，还具已分化的细胞，还具有发育成完整个体的潜有发育成完整个体的潜能，细胞的这种特性叫能，细胞的这种特性叫做细胞的全能性。做细胞的全能性。生物体的每一个细胞都包含有该生物所生物体的每一个细胞都包含有该生物所特有的特有的全套遗传物质全套遗传物质，都有发育成为完整个，都有发育成为完整个体所必需的体所必需的全部基因全部基因，从理论上讲，生物体，从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。的每一个活细胞都应该具有全能性。受精卵的全能性最高；受精卵的全能性最高；其次是生殖细胞（尤其是卵细胞）；其次是生殖细胞（尤其是卵细胞）；体细胞的全能性比生殖细

3、胞低得多。体细胞的全能性比生殖细胞低得多。菊花体内的细胞为什么没有表现出全能菊花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？性，而是分化成不同的组织器官？在生物体内，由于在生物体内，由于基因的选择性基因的选择性表达表达，细胞不能表现出全能性，而是，细胞不能表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官。分化成为不同的组织器官。运用什么技术才能把菊花的运用什么技术才能把菊花的花瓣培养成完整植物体？花瓣培养成完整植物体？为什么运用植物组织培养技术能把菊为什么运用植物组织培养技术能把菊花的花瓣培养成完整植物体？花的花瓣培养成完整植物体？在生物的个体发育中，由于基因在在生物的个体发育中，由于

4、基因在特定时间和空间下选择性地表达而形特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的全成不同器官，因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。离体状态。为什么运用植物组织培养技术能把菊花的为什么运用植物组织培养技术能把菊花的花瓣培养成完整植物体？花瓣培养成完整植物体？当已分化的植物器官、组织或细胞当已分化的植物器官、组织或细胞脱离母体后，在一定的营养物质、激素脱离母体后，在一定的营养物质、激素等外界条件作用下分化形成愈伤组织等外界条件作用下分化形成愈伤组织（一种相对没有分化的细胞团），继而（一种相对没有分化的细胞团），继而在植物

5、激素等诱导下发生再分化，才能在植物激素等诱导下发生再分化，才能表达出全能性表达出全能性。发育成完整植株。发育成完整植株。使没表现全能性的植物细胞表现出全能性需要提供的条件有哪些？植物生长所需的营养物质、激素及适宜的温度、酸碱度、无菌条件等。量取微量元素量取大量元素 实验操作方法：培养基的配制量取钙盐、铁盐和其它有机物称取蔗糖和琼脂配制MS培养基调PH值分装培养基培养基灭菌 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过程胚状体胚状体分化分化植物

6、组织培养的条件：植物组织培养的条件：适宜的养料和激素，适适宜的养料和激素，适宜的温度和无菌条件宜的温度和无菌条件愈伤组织转接到愈伤组织转接到继代培养基上继代培养基上植物材料消毒植物材料消毒接种到诱导培养基接种到诱导培养基诱导出愈伤组织诱导出愈伤组织得到大量的得到大量的愈伤组织愈伤组织愈伤组织接种到愈伤组织接种到分化培养基上分化培养基上可以不继代培养直接可以不继代培养直接诱导分化诱导分化脱分化脱分化愈伤组织转接到愈伤组织转接到继代培养基上继代培养基上植物材料消毒植物材料消毒接种到诱导培养基接种到诱导培养基诱导出愈伤组织诱导出愈伤组织得到大量的得到大量的愈伤组织愈伤组织愈伤组织接种到愈伤组织接种到

7、分化培养基上分化培养基上分化出幼苗分化出幼苗幼苗接种到生根幼苗接种到生根培养基上培养基上完整植株完整植株可以不继代培养直接可以不继代培养直接诱导分化诱导分化移栽到大田移栽到大田若诱导出幼苗的同若诱导出幼苗的同时也实现生根，可时也实现生根，可以省略生根培养基以省略生根培养基再分化再分化脱分化脱分化植物体细胞杂交的概念 将不同种植物的体细胞，在一将不同种植物的体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技杂种细胞培育成新的植物体的技术。术。（不同种生物之间存在着（不同种生物之间存在着生殖隔离，所以用传统的有性杂生殖隔离，所以用传统的有性杂交方法是不

8、可能做到这一点的）交方法是不可能做到这一点的）植物体细胞杂交酶解法去细胞壁纤维素酶、果胶酶纤维素酶、果胶酶(1)(1)番茄番茄细胞细胞马铃马铃薯薯细胞细胞不同植物体细胞原生质融合物理方法有：物理方法有：显微操作、显微操作、离心、振动、电刺激离心、振动、电刺激等促使原等促使原生质体融合。生质体融合。化学的方法化学的方法 用用聚乙二醇（聚乙二醇（PEGPEG）等试剂作为诱导剂来等试剂作为诱导剂来诱导融合诱导融合(1)(1)(2)植物体细胞杂交过程示意图过程示意图(3)杂种细胞杂种细胞(4)(5)番茄番茄细胞细胞马铃马铃薯薯细胞细胞ABABAABB(6)物理物理方法方法化学化学方法：方法：离心离心振

9、动振动电刺激电刺激人工诱导方法(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交过程示意图过程示意图酶解法去壁酶解法去壁原生质原生质体融合体融合再生再生细胞壁细胞壁杂种细胞杂种细胞脱分化脱分化再分化再分化(6)移栽移栽 正在融合的正在融合的原生质体原生质体植物组植物组织培养织培养植物细胞融合植物细胞融合再生出细胞壁植物体细胞杂交技术过程图细胞膜的流动性细胞膜的流动性 植物细胞的全能性植物细胞的全能性植物体细胞杂交1 1、植物体细胞杂交的结果是产生了？、植物体细胞杂交的结果是产生了？2 2、这个过程中涉及的原理是？、这个过程中涉及的原理是？杂种植株杂种植株亲本植株叶片形状组培后得组培后得到的杂到

10、的杂种植株种植株123杂种植物的杂种植物的鉴定鉴定 植物体细胞杂交的意义使来自两个亲本细胞的基因有可使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达，能都被表达，打破了远缘生物不打破了远缘生物不能杂交的屏障能杂交的屏障，提供了，提供了创造新物创造新物种种的可能。的可能。根为马铃薯而根为马铃薯而果为西红柿，果为西红柿，尚末成功尚末成功思考思考为什么为什么“番茄番茄马铃薯马铃薯”超级杂种植株没有如超级杂种植株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？铃薯？主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影

11、响的，所以马铃们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯薯番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种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干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。地下结马铃薯就是很自然的了。植物体细胞杂交应用生长期短，耐热性强和易于贮存生长期短，耐热性强和易于贮存 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眼虫，说明植物的细胞器同样可以

12、在某些动物细虫，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：动物细胞与植物细胞之间胞中存活，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。思考思考异想天开异想天开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小结小结 如图是如图是“白菜一甘蓝白菜一甘蓝”杂种植株的培育过程。杂种植株的培育过程。下列说法正确的是下列说法正确的是()()A.A.图示图示“白菜白菜甘蓝甘蓝”植株不能结籽植株不能结籽B.B.愈

13、伤组织的代谢是自养需氧型愈伤组织的代谢是自养需氧型C C上述过程中包含着有丝分裂，细胞分化和减数上述过程中包含着有丝分裂，细胞分化和减数分裂等过程分裂等过程D D“白菜白菜甘蓝甘蓝”杂种植株具有的性状是基因选杂种植株具有的性状是基因选择性表达的结果择性表达的结果D下列属于组织培养的是（下列属于组织培养的是（）A.A.花粉培养成单倍体植株花粉培养成单倍体植株 B.B.芽发育成枝条芽发育成枝条 C.C.根尖分生区发育成成熟区根尖分生区发育成成熟区 D.D.未受精的卵发育成植株未受精的卵发育成植株A不能人工诱导原生质体融合的方法是不能人工诱导原生质体融合的方法是（）A A、振动、振动 B B、电刺激

14、、电刺激C C、PEGPEG试剂试剂 D D、重压、重压D D植物细胞融合完成的标志的是（植物细胞融合完成的标志的是（）A A、产生新的细胞壁、产生新的细胞壁 B B、细胞膜发生融合、细胞膜发生融合 C C、细胞质发生融合、细胞质发生融合 D D、细胞核发生融合、细胞核发生融合A A有关全能性的表述中，不正确的是（）受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完整个体，因此全能性最高 生物体内细胞由于分化全能性不能表达 卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能性很高 植物细胞离体培养在一定条件下能表现出全能性C概念概念:快速高效实快速高效实现种苗繁植培现种苗繁植培育优良植物品育优良植物品种的植物组织种的植物

15、组织培养技术。培养技术。植物组织植物组织培养车间培养车间优点：优点：高效快速地实现种苗的大量繁殖；高效快速地实现种苗的大量繁殖；保持优良品种的遗传特性；保持优良品种的遗传特性；不受自然生长季节的限制（因为在不受自然生长季节的限制（因为在具有一定人工设施的室内生产）。具有一定人工设施的室内生产）。产业化育苗产业化育苗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，这是利用了该项技术的哪些特点？植物植物“微型微型”繁殖技术具有繁殖技术具有高效性高效性和和可以可以保持种苗的优良遗传特性保持种苗的优良遗传特性的优势。的优势。

16、工厂化大规模育苗生产正是利用了植工厂化大规模育苗生产正是利用了植物物“微型微型”繁殖技术的这两方面优势。繁殖技术的这两方面优势。利用植物利用植物“微型微型”繁殖技术我们可以繁殖技术我们可以在在短时间中获得大量的优质种苗。短时间中获得大量的优质种苗。（1 1）作物脱毒的原因）作物脱毒的原因:几乎所有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。植物病毒种类很多,对树体又能产生持久危害,迄今为止尚无有效的药物可以控制。长期进行无性繁殖的作物，易积累病毒，导长期进行无性繁殖的作物，易积累病毒，导致产量降低，品质变差，而植物的致产量降低，品质变差，而植物的分生区一分生区一般不会感染病毒般不会感

17、染病毒，用分生区的细胞进行组织，用分生区的细胞进行组织培养，就能得到大量的脱毒苗培养，就能得到大量的脱毒苗。用植物的组织培养技术，培养植物用植物的组织培养技术，培养植物茎尖茎尖，可，可以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。速繁殖速度。香蕉去病毒试管苗的组织培养技术已成为产香蕉去病毒试管苗的组织培养技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用法一般采用芽芽繁殖，感病严重，繁殖率低；繁殖，感病严重，繁殖率低；而采用去病毒

18、的组织培养技术不仅改进了品而采用去病毒的组织培养技术不仅改进了品质，亩产量约提高质，亩产量约提高3030-50-50，很容易被蕉农，很容易被蕉农接受。接受。（2 2）材）材 料料:分生区（如茎尖）的细胞分生区（如茎尖）的细胞（3 3）脱毒苗）脱毒苗:切取茎尖进行组织培养获得切取茎尖进行组织培养获得茎尖培养茎尖培养可以得到无病毒苗木可以得到无病毒苗木已成为解决病毒病危害和品种已成为解决病毒病危害和品种退化问题的一个重要途径。退化问题的一个重要途径。人工种子人工种子：用组：用组培技术获得具有培技术获得具有胚芽、胚轴、胚胚芽、胚轴、胚根等结构的胚状根等结构的胚状体，并用人工种体，并用人工种皮皮(藻酸

19、钠藻酸钠)包裹包裹起来，用以代替起来，用以代替天然种子进行繁天然种子进行繁殖的一种结构。殖的一种结构。胚芽胚芽胚根胚根胚乳或子叶胚乳或子叶种皮种皮(1)(1)特点特点:后代无性状分离，保留优良特性；后代无性状分离，保留优良特性；不受气候不受气候,季节和地域限制。季节和地域限制。(2)(2)技术技术:植物组织培养。植物组织培养。(3)(3)产生途径：产生途径：由已脱分化的外植体直接产生；由已脱分化的外植体直接产生；由愈伤组织产生由愈伤组织产生。(4)(4)结构结构:人工薄膜胚状体人工薄膜胚状体或不定芽或顶芽或腋芽。或不定芽或顶芽或腋芽。（5 5）优点：）优点：解决了有些种子繁殖力差、结籽困难或发

20、解决了有些种子繁殖力差、结籽困难或发芽率低等问题。芽率低等问题。可以工业化生产，提高农业的自动化程度。可以工业化生产，提高农业的自动化程度。可在胚乳中添加各种附加成分。如：固氮可在胚乳中添加各种附加成分。如：固氮菌、防病虫农药、除草剂等。菌、防病虫农药、除草剂等。用人工种子播种可节约粮食。用人工种子播种可节约粮食。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

21、中加入哪些物质？以向人工种皮中加入哪些物质？针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的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包裹剂中还可以加入适量的养分适量的养分、无机盐无机盐、有机碳源有机碳源以及以及农药农药、抗生素抗生素、有益菌有益菌等。为等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些皮中加入一些植物生长调节剂植物生长调节剂。现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉花、玉米、水稻、橡胶等几咖啡、棉花、玉米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种子试种成功，但由十种植物的人工种子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应

22、用于生产。于成本较高，中国尚未应用于生产。（1 1）方法）方法:花药的离体培养花药的离体培养（2 2）优点）优点:后代稳定遗传后代稳定遗传,都是纯合体都是纯合体;明显缩短育种年限。明显缩短育种年限。单倍体育种的原理单倍体育种的原理:单倍体经过秋水仙素等处理使其染色体加倍单倍体经过秋水仙素等处理使其染色体加倍以后产生的二倍体，其基因是高度纯合的，以后产生的二倍体，其基因是高度纯合的，单倍体育种就是利用单倍体的这种特性。单倍体育种就是利用单倍体的这种特性。单倍体育种只需两年即可得到纯合新品种单倍体育种只需两年即可得到纯合新品种 花 药 离体 培 养组 织萌 发自 交人 工 诱 变染 色 体 加 倍

23、培 养发 育单 倍 体 植 株正 常植 株种 子(纯 合 体)新 植 株(新 品 种)第 一 年第 二 年 植物离体培养，能够明显提高突变植物离体培养，能够明显提高突变率，并且会有各种各样的生理和形态突率，并且会有各种各样的生理和形态突变，如株高、花色、植株形态、生育期、变，如株高、花色、植株形态、生育期、耐性等。可以从中选择优良突变体，培耐性等。可以从中选择优良突变体，培育新品种。育新品种。野生种往往有许多优良性状，但大野生种往往有许多优良性状，但大部分野生种与栽培种杂交不亲和，部分野生种与栽培种杂交不亲和，严重影响了野生种优良遗传基因的严重影响了野生种优良遗传基因的应用。利用细胞融合，可以

24、克服这应用。利用细胞融合，可以克服这种杂交不亲和性，获得体细胞杂种，种杂交不亲和性，获得体细胞杂种，使野生种的利用成为可能。使野生种的利用成为可能。基因工程主要研究基因工程主要研究DNADNA的转导，而基因转导后必须的转导，而基因转导后必须通过组织培养途径才能实现植株再生。通过组织培养途径才能实现植株再生。1.1.种类：种类：蛋白质，脂肪，糖类，药蛋白质，脂肪，糖类，药物，香料，生物碱等。物，香料，生物碱等。2.2.技术：技术：植物的组织培养植物的组织培养 紫草紫草紫草素紫草素 愈伤组织愈伤组织紫草素有活血化淤的作用，可用于治疗烫紫草素有活血化淤的作用，可用于治疗烫伤割伤的药物、化妆品及食品的

25、着色剂伤割伤的药物、化妆品及食品的着色剂 因为从它细胞内提炼的紫杉醇，是国际上公因为从它细胞内提炼的紫杉醇，是国际上公认的一种高效、低毒、广谱、作用机制独特认的一种高效、低毒、广谱、作用机制独特的抗癌天然产物。所以红豆杉这类植物近年的抗癌天然产物。所以红豆杉这类植物近年来是植物界一位走红的名星。来是植物界一位走红的名星。红豆杉是常绿针叶，结樱桃大的奇特红豆果，是第四世纪冰川后遗留下来的世界珍稀濒危植物，全世界自然分布极少，列为国家一级重点保护植物。目前国内外都是从红豆杉树皮和嫩叶中提取目前国内外都是从红豆杉树皮和嫩叶中提取紫杉醇，原料来源困难，成本高。紫杉醇，原料来源困难，成本高。每生产每生产

26、1 1公斤紫杉醇，需用紫杉树皮公斤紫杉醇，需用紫杉树皮3030吨。吨。每株每株100100年生的树约可萃取年生的树约可萃取300mg300mg的紫杉醇。的紫杉醇。治疗一位病患者需要用治疗一位病患者需要用1200mg1200mg，需用相当于，需用相当于4 4株株100100年的紫杉树。年的紫杉树。因含量极微，紫杉醇价格昂贵，每公斤的售因含量极微，紫杉醇价格昂贵，每公斤的售价价2020万美元。每克纯品价值万美元。每克纯品价值10001000美元以上。美元以上。（1 1）试管苗的快速繁殖）试管苗的快速繁殖（2 2）无病毒植物的培育）无病毒植物的培育（3 3）人工种子）人工种子（4 4）倍性育种，缩短育种年限）倍性育种，缩短育种年限（5 5）克服远缘杂交不亲和性）克服远缘杂交不亲和性（6 6）转基因植物的培育）转基因植物的培育（7 7）提取原料）提取原料