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1、人教版 选修3现代生物技术专题专题2 细胞工程2.1 植物细胞工程,图,依据细胞生物学、分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平的操作，按照人们的愿望来改变细胞内的遗传物质或者获得细胞产品的技术就是细胞工程。根据操作对象的不同，细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。,1958年，美国科学家斯图尔德（F.C.Steward）等利用胡萝卜根的韧皮部细胞获得了可育的胡萝卜新植株。,图,问题1：为什么可以用高度分化的细胞、组织培育出完整的植株呢？其中的理论依据是什么？,细胞在分化过程中，其遗传物质并未发生变化；具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能（即：
2、细胞的全能性）。,注意：在植物的生长发育过程中，分化的细胞并不会表现出全能性，而是分化成各种组织和器官。这是为什么？,在特定的时间、空间条件下，细胞内的基因表达受到严格的调控（基因的选择性表达），所以细胞会按照一定的规律构成生物体的不同组织和器官。,早在1902年，哈伯兰特（Haberlandt）提出高等植物的器官和组织可以不断地分割，直至单个细胞的观点，预言植物体细胞在适宜的条件下有发育成完整植株的潜力，提出了植物细胞全能性的设想，并且用植物细胞组织进行了培养实验。他虽然未能获得再生植株，却是植物组织培养的开创者。1902年他发表了著名论文植物细胞离体培养实验，论文中提出的“植物细胞全能性”
3、 理论成为植物组织培养的理论基础。从哈伯兰特提出植物细胞全能性理论，到1958年斯图尔德（F.C.Steward）等人用胡萝卜根的韧皮部细胞证实了植物细胞的全能性，科学家们用了整整56年。,问题2、高度分化的植物细胞、组织怎样长成完整植株呢？,*相关概念辨析*“脱分化”：是指已经分化的细胞在特殊的离体条件下，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞的过程。“愈伤组织”：细胞脱分化后形成的具有旺盛分裂能力的细胞团；由一群薄壁细胞构成；一定培养条件下可以再分化出幼根和芽，最终形成完整的植株。,分化的细胞、组织,愈伤组织,完整植株,脱分化,再分化,愈伤组织的形成,细胞脱分化后形成的具有旺盛分裂能力的
4、细胞团；由一群排列疏松的薄壁细胞构成；一定培养条件下可以再分化出幼根和芽，最终形成完整的植株。,一、植物细胞工程的基本技术,1、植物组织培养,利用离体的植物器官、组织或细胞，在一定实验条件下培育出完整植株的技术。,问题3：如何操作才能把某种植物的一块组织、一个细胞培育成完整的植株呢？,【自主阅读】请认真阅读课本第34-35页实验：胡萝卜的组织培养，尝试回答以下问题：a、在组织培养实验中，为什么强调所用器械的灭菌和操作人员的无菌操作？b、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），是否也能培养成小植株？c、请根据本实验的过程，概括出植物组织培养技
5、术的流程简图。,实验：胡萝卜的组织培养,a、在组织培养实验中，为什么强调所用材料器具的消毒、灭菌等无菌操作？,胡萝卜消毒,植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。,b、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），是否也能培育成小植株？,切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。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。,形成层,实验：胡萝卜的组织培养,c
6、、请概括出植物组织培养技术的流程简图。,植物材料消毒,接种到诱导培养基,诱导出愈伤组织,愈伤组织接种到分化培养基,分化出幼苗（试管苗）,完整植株,实验：胡萝卜的组织培养,c、请概括出植物组织培养技术的流程简图。,植物材料消毒,接种到诱导培养基,诱导出愈伤组织,愈伤组织接种到分化培养基,分化出幼苗（试管苗）,完整植株,外植体：离体进行组织培养的植物组织或器官,脱分化,再分化,*脱分化和再分化是组织培养技术的两个基本环节。,外植体消毒常用的试剂有：酒精溶液、次氯酸钠溶液、升汞溶液等。,实验：胡萝卜的组织培养,c、请概括出植物组织培养技术的流程简图。,植物材料消毒,接种到诱导培养基,诱导出愈伤组织,
7、愈伤组织接种到分化培养基,分化出幼苗,完整植株,脱分化,再分化,实验：胡萝卜的组织培养,c、请概括出植物组织培养技术的流程简图。,植物材料消毒,接种到诱导培养基,诱导出愈伤组织,愈伤组织接种到分化培养基,分化出幼苗（试管苗）,完整植株,放在23-26恒温，避光条件下培养,需要光照,脱分化,再分化,在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养，这是因为暗培养有利于细胞脱分化产生愈伤组织。如果在光照条件下，很容易分化产生维管等组织，不利于产生大量的愈伤组织。再分化过程中一定要有光照，才能诱导绿叶素的合成。,实验：胡萝卜的组织培养,d、请根据实验过程，总结植物组织培养技术需要满足哪些条件？, 的植物组织和器官；
8、严格的 操作：消毒和灭菌；提供适宜的营养条件：需要配制特定的 ；控制适宜的环境条件：比如 、 、 等。,离体,无菌,培养基,温度,光照,激素,【小结】植物组织培养是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织和细胞，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，最终培育出完整植株的技术。,实验：胡萝卜的组织培养,1. 判断下列观点是否正确：（1）细胞工程可以通过在分子水平上的操作，按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质。 （2）植物的每个细胞在植物体内和体外都能表现出细胞的全能性。（3）在植物组织培养过程中需要给予光照，以诱导脱分化过程。（4）植物激素可以影响愈伤组织的
9、形成和再分化。,【检测练习】,正确,错误,错误,错误,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂交技术,在20世纪60年代，一些科学家就尝试将番茄和马铃薯杂交，试图培养出一种地上长番茄、地下结马铃薯的“超级作物”。但是，不同的两种生物之间存在着天然的生殖隔离，用传统的有性杂交方法不可能得到二者的杂种后代。经过长期的实践，科学家们采用体细胞杂交的方法终于得到了番茄-马铃薯的杂种植株。科学家们怎样得到杂种植株的呢？,（1）番茄和马铃薯的体细胞杂交时，首先遇到的障碍是什么？用什么方法可以解除这一障碍？,细胞壁会阻碍植物细胞之间的融合。由于细胞壁主要由纤维素和果胶构成，所以可以用纤维素酶和果胶酶去除
10、细胞壁，获得有生命活力的原生质体。,注意：原生质体虽然没有细胞壁，但是具有活细胞的一切特征。酶解法获得原生质体条件温和，原生质体完整性好，活力高。,原生质体,（2）诱导原生质体融合的常用方法有哪些？,由于不同种的细胞其细胞膜的特点不一样，如果不作任何处理，把它们放在一起，自然融合是不可能的，所以原生质体间的融合必须要人工诱导。常用的人工诱导方法可以分为两大类： 物理法-离心、振动、电激等 化学法-PEG（聚乙二醇）诱导,（3）只考虑原生质体间的两两融合，可以产生几种类型的融合细胞？哪种融合细胞才符合要求？,杂种细胞,*注意*：原生质体融合是植物体细胞杂交的一个基本环节。原生质体融合完成的标志是
11、再生出细胞壁。原生质体融合（细胞融合）的完成是否意味着植物体细胞杂交的完成呢？,当然不是。,植物体细胞杂交的目的是培育出新的杂交植株。,（4）概括出植物体细胞杂交的技术流程。,思考：植物体细胞杂交依据的生物学原理有哪些？,细胞膜的流动性,细胞的全能性,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂交技术,（1）概念：利用体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合形成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物个体的技术。,（2）原理：细胞膜的流动性、植物细胞的全能性,（3）流程：,包括去壁（原生质体制备）、原生质体融合、杂种细胞筛选、组织培养等过程,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂
12、交技术,【思考探究】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？,1978年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的体细胞杂种，所产生的杂交株被称为“马铃薯-番茄”。像大多数杂种一样，杂交植株同时具有马铃薯和番茄的形态特征，但是并没有产生可结实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济效益。,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂交技术,【思考探究】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？,生物基因的表达不是孤立的，它们之间相互调控、相互影
13、响。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可能会相互干扰。所以，它们的杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。,虽然科学家们原本的设想没有实现，但是植物体细胞杂交技术提供了一种新的遗传育种方法。这种技术克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物的杂交成为可能。,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂交技术,（1）概念：利用体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合形成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物个体的技术。,（2）原理：细胞膜的流动性、植物细胞的全能性,（3）流程：,包括去壁（原生质体制备）、原生质体融合、杂交细胞筛选、
14、组织培养等过程,（4）意义：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物的杂交成为可能,二、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）概念：快速繁殖优良品种的 技术。,植物组织培养,（2）特点： a. 无性繁殖，保持优良品种的遗传特性 b. 高效快速地实现种苗的大量繁殖 c. 可以实现工厂化生成,二、植物细胞工程的实际应用,(一）植物繁殖的新途径,2、作物脱毒,(1)选材部位：植物的 。(2)选材原因： 的病毒极少，甚至 。(3)实例：目前采用 培养技术来脱除病毒，在马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝、香蕉等主要经济作物上已获得成功。,分生区附件,分生区附件,无病毒,茎尖组织,
15、二、植物细胞工程的实际应用,(一）植物繁殖的新途径,3、人工种子,(1)概念：以植物组织培养得到的 、 、顶芽和 等为材料，经过人工 包装得到的种子。(2)特点：后代 。不受 、 和 限制。(3)实例：我国已成功地芹菜、花椰菜等的胚状体制备成了人工种子。,胚状体,不定芽,腋芽,薄膜,无性状分离,季节,气候,地域,二、植物细胞工程的实际应用,(二）作物新品种的培养,(1)过程： 离体培养 植株 纯合子植株。(2)优点：后代是纯合子，能 。明显缩短了 。,花药,单倍体,染色体加倍,稳定遗传,育种年限,1、单倍体育种,(1)产生原因：在植物的组织培养过程中，易受 和_(如射线、 等)的影响而 。(2
16、)利用：筛选出对人们有用的 ，进而培育成 。,二、植物细胞工程的实际应用,(二）作物新品种的培养,2、突变体的利用,新品种,培养条件,外界压力,化学物质,产生突变,突变体,二、植物细胞工程的实际应用,（三）细胞产物的工厂化生产,1、细胞产物种类： 、脂肪、糖类、 、香料、生物碱等。2、技术： 技术。3、实例：我国利用植物组织培养技术实现了大量生产_；另外，三七、紫草和银杏的 也都已经实现了工厂化生产。,蛋白质,药物,植物组织培养,人参皂甙干粉,细胞产物,【检测练习】 2.请判断以下说法是否正确：,（1）葡萄的扦插、桃树的嫁接都属于微型繁殖。（2）脱毒苗培育所选的组织培养材料可以来自植株的任何部
17、位。（3）人工种子长成的植株性状不分离。,错误,错误,正确,【小结】植物细胞工程,一、植物细胞工程的基本技术,二、植物细胞工程的实际应用,* 植物组织培养,* 植物体细胞杂交技术,* 细胞产物的工厂化生产,* 植物繁殖的新途径,* 作物新品种的培养,【作业】1.完成课后同步作业2.预习2.2动物细胞工程,2植物组织培养过程中的脱分化是指()A植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞的过程B未成熟的种子经过长期培养，长出幼苗的过程C植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程D取植物的枝芽培育成一株新植物的过程,【检测练习】,C,植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物
18、的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。 造成培养基污染的因素有很多，一般包括：植物表面带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定要规范进行无菌操作，避免带入杂菌。,（2）实验：胡萝卜的组织培养,a、在组织培养实验中，为什么强调所用材料器具的消毒、灭菌等无菌操作？,问题1、高度分化的植物细胞、组织是怎样长成完整植株的？,利用
19、高度分化的细胞、组织培育出新的植株，首先要通过细胞的脱分化过程得到愈伤组织，然后愈伤组织再分化形成新的植株。,*相关概念辨析*“脱分化”：是指已经分化的细胞在特殊的离体条件下，失去其特有的结构和功能，转变成未分化细胞的过程。“愈伤组织”：细胞脱分化后形成的具有旺盛分裂能力的细胞团；由一群薄壁细胞构成；一定培养条件下可以再分化出幼根和芽，最终形成完整的植株。,一、植物细胞工程的基本技术,2、植物体细胞杂交技术,【自主阅读】请认真阅读课本第36-37页，思考、回答以下问题：（1）番茄和马铃薯的体细胞杂交时，首先遇到的障碍是什么？用什么方法可以解除这一障碍？（2）诱导原生质体融合的常用方法有哪些？（3）只考虑细胞之间的两两融合，可能会产生几种类型的融合细胞？哪种融合细胞才符合要求？（4）概括出植物体细胞杂交的技术流程。,【自主阅读】请认真阅读课本第33-34页，思考、回答以下问题：1、高度分化的植物细胞、组织是怎样长成完整植株的？2、为什么可以用高度分化的细胞、组织培育出完整的植株呢？其中的理论依据是什么？,