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- 2021-09-18 发布
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细胞工程
1996
年
7
月
5
日
,
世界上第一只体细胞克隆动物
-----
克隆羊
多利
诞生于英国
.
这样的生物技术属于何种生物工程?
细胞工程
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
细胞水平
或
细胞器水平
上的操作,按照人们的意愿来
改变
细胞内的
遗传物质
或
获得细胞产品
的一门综合科学技术。
概念:
细胞工程
应用的原理和方法
研究的水平
研究的目的
细胞生物学和分子生物学
细胞整体水平或细胞器水平
按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品
概念
分类
植物细胞工程
动物细胞工程
理论基础
细胞的全能性
2.1
植物细胞工程
§
2.1.1
植物细胞工程的基本技术
植物组织培养
课标要求:
能力要求
1
、理解和掌握植物组织培养的操作过程
内容要求
1
、理解植物细胞的全能性
2
、了解植物细胞脱分化和再分化的结果
3
、掌握植物组织培养的特点
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
植物体细胞杂交
植物细胞的全能性
探究:
1
、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?
植物细胞具有全能性
。
2
、什么是细胞的全能性?
1
、定义:
生物体的细胞具有发育成完整个体的潜能的特性。
2
、原理:
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体所必需的全部基因,从理论上讲,生物体的每一个
活细胞
都应该具有全能性。
3
、差异:
(
1
) 受精卵的全能性
最高
(
2
)
植物细胞全能性
〉
动物细胞全能性
(3)
一、植物细胞的全能性
受精卵
生殖细胞
体细胞
>
>
探究:
2
、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?
1
、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、
pH
等适宜外界条件。
在特定的时间和空间条件下,基因选择性的表达的结果。
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的全套基因。
3
、为何已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能?
1
、有关全能性的表述中,不正确的是( )
A.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
B.生物体内细胞由于分化全能性不能表达
C.卵细胞和受精卵一样,细胞未分化,全能
性很高
D.植物细胞离体培养在一定条件下能表现出
全能性
C
趁热打铁:
2.
下列植物细胞全能性最高的是( )
A.
形成层细胞
B.
韧皮部细胞
C.
木质部细胞
D.
叶肉细胞
3
.下列细胞全能性最高的是( )
A
.植物的卵细胞
B
.植物的精子细胞
C
.被子植物的受精卵
D
.被子植物的的叶肉细胞
A
C
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
P
34
实验完成
P35
讨论题。
(1)
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?
(1)
防止各种杂菌感染
和培养物争夺营养;(
2
)杂菌生长过程中
所产生的对培养物有害的物质,导致培养物迅速死亡。
(2)
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?
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。
(
3
)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,你能用实验的方法进行验证吗?
因为这部分容易诱导形成愈伤组织。
(4)
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。
切取
形成层
无菌接种
诱导愈伤组织
的形成
试管苗的形成
培养室
移栽
脱分化
再分化
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,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、丛芽,最终形成完整的植株。
二、植物组织培养
1
、概念
离体的植物器官、组织或细胞
愈伤组织
根、芽
植物体
外植体
脱分化
植物激素:
细胞分裂素、生长素
再分化
2
、过程
植物组织培养条件
:
含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的
PH
、适时光照等。
实例:非洲紫罗兰的组织培养
强调几个概念
:
离体的植物器官、组织或细胞,在培养一段时间以后,通过细胞分裂,形成一种高度液泡化、无定形状态薄壁细胞组成的排列疏松无规则的组织。
一、愈伤组织:
由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程,又称去分化。
(
2
)脱分化的实质和结果分别是
什么?
实质是恢复细胞的全能性过程。
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重新分化根或芽等器官的过程。
二、(
1
)植物细胞的
脱分化
:
三、植物细胞的
再分化
:
1
、为什么诱导愈伤组织的过程中应避光培养?
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、再分化的关键因素是什么?
植物激素
当
细胞分裂素
和
生长素
共同使用时,能刺激愈伤组织的形成,而通过调节二者的浓度比,就可以调控植物细胞培养过程中芽和根的形成,称为“
激素杠杆
”。
(
见
P42)
知识拓展
能力提高
1.
下列属于组织培养的是:( )
A.
花粉培养成单倍体植株
B.
芽发育成枝条
C.
根尖分生区发育成成熟区
D.
未受精的卵发育成植株
A
反馈练习
2.
在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中,下列哪一项条件是不需要的( )
A.
消毒灭菌
B.
适宜的温度
C.
充足的光照
D.
适宜的养料和激素
C
3.
要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株,不需要( )
A.
具有完整细胞核的细胞
B.
离体状态
C.
导入外源基因
D.
一定的营养物质和激素
C
因为不同种生物之间存在着生殖隔离,所以用传统的有性杂交方法是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
这幅番茄
—
马铃薯图利用传统有性杂交方法能实现吗?为什么?
1972
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。
背景资料
1978
年梅尔彻斯
(Melchers)
等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种
——“
Potamato
”
。
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、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种上有用的新材料。
白菜
甘蓝
白菜-甘蓝
1
.你认为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?
2
.有没有一种温和的去壁方法呢?
3
.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?
4
.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?
5
.如何将杂种细胞培育成杂种植株?
请思考:
杂种植株
融合的原生质体
AB
再生出细胞壁
脱分化
愈伤组织
再分化
1
、过程
植物细胞的融合
植物组织培养
植物细胞
A
原生质体
B
原生质体
A
杂种细胞
AB
去 壁
去 壁
人
工
诱
导
方法?
促进融合的方法?
融合完成的
标志
植物细胞
B
三、植物体细胞杂交技术
去壁
去壁
纤维素酶果胶酶
原生质体
植物细胞
原生质体融合
离心、振动、电刺激、
聚乙二醇
再生细胞壁
杂种细胞
去分化
愈伤组织
杂种植株
激素
筛选
等量
激素
再分化
植物体细胞杂交
过程示意图
2
、概念
将不同种的植物体细胞,在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。
3
、优势和未解决的问题
优势
(
与有性杂交方法比较)
:打破了不同种生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。
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。
1.
为什么
“
番茄
—
马铃薯
”
超级杂种植株没有如科学家所想像的那样,地上长番茄、地下结马铃薯?
马铃薯
—
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:
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,
所以马铃薯
—
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、地下结马铃薯就是很自然的了。
2.
自然界中有一种含有叶绿体的原生动物──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。
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
植物体细胞杂交
植物细胞的全能性
小结
植物细胞工程的实际应用
一
、
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 状 体
人工种皮
人工胚乳
胚
种皮
胚乳
二
、
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
、
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
1
、下列细胞中,不具有细胞全能性特点的是:
A
、心肌细胞
B
、神经细胞
C
、茎的形成层细胞
D
、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:
A
、人参皂苷
B
、无病毒植物
C
、人工种子
D
、
A
,
B
,
C
均可
3
、科学家成功培育出“番茄马铃薯”,是采用下列哪一项生物技术:
A
、基因工程
B
、染色体工程
C
、酶工程
D
、细胞工程
D
D
D
4
、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
B
、都属于植物细胞工程技术
C
、都能形成杂种细胞
D
、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:
A
、细胞核发生融合
B
、细胞质发生融合
C
、细胞膜发生融合
D
、新的细胞壁产生
6
、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
B
、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生物的遗传物质
D
、通过细胞工程都能获得杂种生物
D
D
C
2.1.2
植物细胞工程的实际应用(一) 思考与探究
1.
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。
提示:
a.
拯救濒危植物;
b.
提供食品制作的原料;
c.
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,设计出制备技术的主要流程图。
提示:诱导植物愈伤组织
↓
体细胞胚的诱导
↓
体细胞胚的成熟
↓
体细胞胚的机械化包裹
↓
贮藏或种植
3.
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。
花药 花粉细胞培养 愈伤组织
分化出小植物 单倍体植株
正常植株
(二) 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苗生产,这是利用了该项技术的哪些特点?
提示:植物“微型”繁殖技术
具有高效性和可以保持种苗的优良遗传特性的优势
。工厂化大规模育苗生产正是利用了植物“微型”繁殖技术的这两方面优势。利用植物“微型”繁殖技术我们可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:
(
1
)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;天然种子在生产上受季节限制,一般每年只繁殖
1
~
2
次,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限制。
(
2
)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护作用的薄膜,类似天然种子的种皮,因此,可以很方便地贮藏和运输。
3.
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
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,但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“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”为题,与同学展开讨论,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。
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
正在研究利用植物细胞培养技术来大量培育红豆杉细胞
,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的研究,
红豆杉属的
11
种植物现都在进行组织培养
。
ESC Agenetics
公司宣布他们用细胞培养法所得紫杉醇的含量是树皮的
2
~
5
倍。国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作,
摸索了外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响。
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化生产紫杉醇的目标。
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