第2章　细胞工程 第1节　植物细胞工程课件PPT

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第1节　植物细胞工程目 标 素 养1.理解并掌握植物细胞全能性的概念、原因及其表现条件,形成结构与功能相适应的观点。2.运用归纳与概括的方法,总结植物组织培养技术的操作过程、原理、条件,并比较脱分化和再分化的异同。3.理解植物体细胞杂交技术的过程、原理、意义,运用比较的方法,对比植物体细胞杂交和植物组织培养的异同,并尝试构建植物体细胞杂交的流程图,形成知识迁移的能力。4.结合具体实例,说明植物细胞工程在快速繁殖、作物脱毒、作物新品种培育等方面的应用。知 识 概 览一、细胞工程1.应用原理应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法。2.操作水平细胞器、细胞或组织水平。3.操作目的有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品。二、细胞的全能性1.概念细胞经分裂和分化后,仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能,即细胞具有全能性。2.现实表现在生物的生长发育过程中,并不是所有的细胞都表现出全能性,比如,芽原基的细胞只能发育为芽,叶原基的细胞只能发育为叶。3.现实表现的原因在特定的时间和空间条件下,细胞中的基因会选择性地表达。微判断1棉花根尖细胞经诱导形成幼苗体现了细胞的全能性。( )√三、植物组织培养技术1.概念植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞(被称为外植体)等,培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其形成完整植株的技术。2.操作流程(1)流程图。(2)脱分化和再分化。①脱分化:在一定的激素和营养等条件的诱导下,已经分化的细胞失去其特有的结构和功能,转变成未分化的细胞,进而形成不定形的薄壁组织团块——愈伤组织。②再分化:愈伤组织重新分化成芽、根等器官。微点拨1植物组织培养过程中要严格控制光照,但不是全程需要光照。脱分化阶段诱导产生愈伤组织需避光,不需要给予光照;再分化阶段需要给予适当时间和强度的光照,以便于叶绿素的形成。微判断2愈伤组织是外植体通过脱分化和再分化形成的。( )×四、植物体细胞杂交技术1.概念:植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞,在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成新植物体的技术。2.操作流程、步骤 3.意义:植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。微点拨2植物细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁;植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株,而不是形成杂种细胞。微思考1从结果看,杂种植株遗传物质的来源有何特点?从杂种植株的染色体组成看,属于何种变异?提示:杂种植株的遗传物质来自两个亲本。杂种植株的染色体数目增加,属于染色体数目变异。微判断3用纤维素酶和果胶酶水解法获得的植物原生质体失去了全能性。( )×微训练下图所示为植物体细胞杂交技术的部分过程,下列叙述错误的是(　　)A.A细胞和B细胞诱导融合前要先去除细胞壁,可用纤维素酶和果胶酶处理B.从A细胞和B细胞到C细胞的过程中,常用离心、电融合或聚乙二醇(PEG)诱导融合C.A细胞和B细胞融合完成的标志是再生出新的细胞壁D.植物体细胞杂交技术的目的是获得杂种细胞答案:D解析:植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,因此细胞融合前需先用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁;诱导植物细胞融合时常用物理法或化学法;融合完成的标志是再生出新的细胞壁;植物体细胞杂交的目的是获得杂种植株。五、植物细胞工程的应用1.植物繁殖的新途径(1)快速繁殖。①优点:可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖,还可以保持优良品种的遗传特性。②实质:植物组织培养。③原理:植物细胞的全能性。(2)作物脱毒。①选材部位:植物顶端分生区附近(如茎尖)的病毒极少,甚至无病毒。②优点:获得脱毒苗,提高作物的产量和品质。2.作物新品种的培育(1)单倍体育种。①方法:花药或花粉离体培养→单倍体植株→诱导培育纯合二倍体植株。②优点:极大地缩短了育种的年限,节约了大量的人力和物力。(2)突变体的利用。①产生原因:在植物的组织培养过程中,培养细胞一直处于不断增殖的状态,因此容易受到培养条件和诱变因素(如射线、化学物质等)的影响而产生突变。②利用:从产生突变的个体中筛选出对人们有用的突变体,进而培育成新品种。3.细胞产物的工厂化生产(1)植物的代谢。①初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动,因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。②次生代谢不是生物生长所必需的,一般在特定的组织或器官中,并在一定的环境和时间条件下才进行。次生代谢物是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等),在植物抗病、抗虫等方面发挥作用,也是很多药物、香料和色素等的重要来源。(2)方法。利用植物细胞培养来获得目标产物,这个过程就是细胞产物的工厂化生产。植物细胞培养是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。(3)意义。对于社会、经济、环境保护具有重要意义。微点拨3单倍体育种不等于花药离体培养。单倍体育种包括花药离体培养和诱导染色体加倍两个过程。花药离体培养是单倍体育种的常用方法,该过程得到的植株是单倍体,表现为高度不育。而单倍体育种是在花药离体培养的基础上,用适当浓度的秋水仙素或低温处理,从而获得纯合二倍体植株的技术。微思考2快速繁殖是有性繁殖还是无性繁殖?提示:快速繁殖利用的是植物组织培养技术,属于无性繁殖。一 细胞的全能性重难归纳1.原理、实质已经分化的体细胞(或细胞核)仍具有本物种个体发育所需要的全套遗传物质,即每个细胞都有发育成本物种个体所需要的全套基因。易错警示 全能性的原理是细胞具有发育成完整个体所必需的“全套”基因而不是“全部”基因,而配子具有全套基因,同样具有全能性。2.植物细胞全能性表现的条件离体状态;适宜的条件(营养物质、植物激素、适宜的温度和光照等)。3.细胞全能性大小的比较一般来说,细胞分化程度越高,全能性越低;细胞分化程度越低,全能性越高。随着细胞分化程度的不断提高,细胞的分裂能力和全能性逐渐降低。(1)不同种生物细胞的全能性大小:植物细胞>动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。(2)同种生物不同细胞的全能性大小:受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。(3)同种生物不同体细胞的全能性大小:分化程度低的>分化程度高的;细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的;幼嫩的细胞>衰老的细胞。1958年,美国科学家斯图尔德利用植物组织培养技术将胡萝卜韧皮部的一些细胞进行离体培养,最终培育出了完整的新植株。这一科学实验证明了植物细胞具有全能性。某同学用胡萝卜的种子也培养出了胡萝卜植株,他高兴地表示他用实验证明了植物细胞的全能性。该同学的说法对吗?植物的种子发育成完整植株能否体现植物细胞的全能性?提示:不对。植物的种子发育成完整植株不能体现植物细胞的全能性。因为种子中的胚是由受精卵发育而成的,相当于新植物体的幼体,这一过程并没有体现出细胞的全能性。典例剖析下列有关植物细胞全能性的叙述,正确的是(　　)A.植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因B.高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性C.愈伤组织细胞不具有全能性D.将紫色糯性玉米种子培育成植株,这体现了植物种子具有全能性B解析:细胞具有全能性的原因是细胞具有发育成完整个体所必需的全套基因,而配子也具有这样的全套基因,同样具有全能性,A项错误。植物细胞全能性表达的前提是细胞、组织或器官处于离体条件下,B项正确。愈伤组织细胞具有全能性,C项错误。种子发育成植株,是正常的生命历程,不能体现全能性,D项错误。学以致用生物体内的细胞没有表现出全能性,而是分化为不同的组织、器官,这是因为(　　)A.细胞丧失了全能性B.基因进行了选择性表达C.不同细胞内的基因不完全相同D.在个体发育的不同时期,细胞内的基因不同解析:生物体内的细胞不能表现出全能性,是因为基因进行了选择性表达而分化为不同的组织和器官。B二 植物组织培养技术重难归纳1.原理植物细胞的全能性。2.过程规律总结 (1)在植物组织培养过程中,一定要对离体的植物材料的表面进行消毒。植物组织培养过程中应做到无菌操作,对实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行,并且每次使用后的器械都要灭菌。(2)利用植物组织培养生产细胞产物时,有时只需将外植体培养到愈伤组织阶段,从愈伤组织中获取产物。3.脱分化与再分化过程的比较 4.培养基(1)植物组织培养的培养基为固体或半固体培养基,大多数都由无机营养成分、有机营养成分、激素和琼脂等组成。其中无机营养成分主要是水和矿质元素;有机营养成分主要是蔗糖、氨基酸、维生素等;激素主要是细胞分裂素和生长素。(2)培养顺序:将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上,先进行生芽培养,长出芽后再转接到诱导生根的培养基上,进行生根培养,最终诱导形成试管苗。某研究小组在进行植物组织培养时,配制了三种培养基,三种培养基的使用顺序及作用分别是诱导愈伤组织的形成、诱导生芽、诱导生根。培养期间进行了两次转接:将愈伤组织转接到生芽培养基上,先进行生芽培养,再转接到生根培养基上进行生根培养,最终诱导出试管苗。(1)植物组织培养的影响因素有哪些?提示:材料的种类、年龄和保存时间的长短,植物激素的浓度、使用顺序和用量比例,以及pH、温度、光照等都会影响植物组织培养的结果。(2)请分析生长素与细胞分裂素的使用比例和使用顺序对植物组织培养的影响。提示:①植物激素的使用比例对植物组织培养的影响 ②激素使用的先后顺序对细胞分裂和分化的影响 A.通常选取根尖、茎尖、形成层等诱导形成愈伤组织B.②→③再分化过程中,细胞增殖的方式为有丝分裂C.①→②→③过程中,应在培养基中加入水、无机盐、蔗糖、氨基酸、植物激素等物质D.将①经脱分化培养成②时,得到胚状体答案:D典例剖析 解析:外植体通常选用根尖、茎尖、形成层等容易诱导形成愈伤组织的部位,A项正确。②→③再分化过程中,细胞增殖的方式为有丝分裂,B项正确。①→②→③过程中,应在培养基中加入水、无机盐、蔗糖、氨基酸、植物激素等物质,C项正确。①经脱分化形成②愈伤组织,②经再分化形成③胚状体,D项错误。学以致用下图表示植物组织培养过程。下列有关叙述正确的是(　　)A.②的培养基中含有植物激素,不含有机物B.②中的细胞进行脱分化并以减数分裂的方式不断增殖C.调节③培养基中不同植物激素的比例可改变植物细胞分化方向D.④植株根尖中分生区细胞与成熟区细胞的全能性表达的难易程度相当答案:C解析:②的培养基中含有植物激素和有机物等,A项错误。②中的细胞进行的分裂方式是有丝分裂,B项错误。调节③培养基中不同植物激素的比例,可改变细胞分化方向,C项正确。细胞分化程度越低,全能性越高,④植株根尖中分生区细胞全能性的表达比成熟区细胞容易,D项错误。三 植物体细胞杂交技术重难归纳1.过程(1)过程a是利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得原生质体。(2)过程b是诱导原生质体融合,人工诱导的方法分为物理法和化学法。(3)过程c是原生质体融合后再生出细胞壁,这是原生质体融合成功的标志。(4)过程d是植物组织培养过程。(5)杂种细胞的筛选:体细胞融合成功以后,既有AB型杂种细胞,还有AA型和BB型两种融合细胞,但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所形成的杂种细胞,因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。2.两个原理(1)植物体细胞(原生质体)融合的原理:细胞膜的流动性。(2)植物组织培养(杂种细胞培养成杂种植株)的原理:植物细胞的全能性。3.意义:在打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等方面展示出独特的优势。特别提醒 (1)从生殖类型上看,植物体细胞杂交技术不涉及生殖细胞的形成和结合,属于无性生殖,变异类型应属于染色体数目变异。(2)植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株,而不是形成杂种细胞。杂种植株具备两种植物的遗传特性,原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。1.驱蚊香草含有香茅醛,能散发出一种特殊的香气,从而达到驱蚊且对人体无害的效果。驱蚊香草是由天竺葵和香茅草的叶肉细胞融合培育而成的。请比较此技术与植物组织培养技术的区别。提示: 2.若将两个不同物种的植物细胞(设为甲、乙)进行融合,甲细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb;乙细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd。(1)如果只考虑两个异种细胞杂交的话,则新植株应为几倍体?其体细胞中有几条染色体、几个染色体组?基因型是什么?提示:新植株应为异源四倍体;其体细胞中含有2x+2y条染色体,4个染色体组;基因型为AabbccDd。(2)分析通过植物体细胞杂交技术获得的杂种植株的遗传物质。提示:①杂种植株中含有两种植物的遗传物质,故杂种植株具备两种植物的遗传特性。②染色体组数=两种植物体细胞内染色体组数之和。典例剖析通过植物体细胞杂交技术可以获得“烟草—菠菜”——一种新型的植物品种。下图为培育杂种植株过程的示意图,下列操作错误的是(　　)A.在融合之前应先去除两种细胞的细胞壁B.原生质体先进行脱分化处理再融合C.原生质体融合后筛选出杂种细胞继续培养D.应先诱导杂种细胞形成愈伤组织再诱导分化成植株B解析:植物细胞具有细胞壁,细胞壁阻碍着细胞的杂交,因此,在进行植物体细胞杂交之前,必须先利用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,获得原生质体,A项正确。原生质体先融合形成杂种细胞,杂种细胞脱分化形成愈伤组织,再诱导分化成杂种植株,B项错误,D项正确。原生质体融合后,若仅考虑两两融合的情况,有三种类型,即烟草—烟草型,菠菜—菠菜型和烟草—菠菜型,故需筛选出我们需要的杂种细胞再继续培养,C项正确。学以致用下列关于植物体细胞杂交的叙述,错误的是(　　)A.不同种植物原生质体融合的过程属于植物体细胞杂交过程B.融合的原生质体仍具有再生细胞壁、连续分裂并长成完整植株的能力C.参与杂种细胞的细胞壁形成的细胞器主要是线粒体和核糖体D.原生质体融合成功的标志为杂种细胞再生出细胞壁C解析:植物体细胞杂交过程包括不同种植物原生质体的融合、融合原生质体再生出细胞壁形成杂种细胞、杂种细胞发育为杂种植株的过程,A、B两项正确。参与植物细胞壁形成的细胞器主要是高尔基体和线粒体,C项错误。杂种细胞再生出细胞壁是原生质体融合成功的标志,D项正确。1.下列有关细胞工程的叙述,错误的是(　　)A.细胞工程应用的是细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法B.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C.可以通过在细胞器、细胞或组织水平上的操作,有目的地获得细胞产品D.根据操作对象的不同,可以分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域 B解析:细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法,通过细胞器、细胞或组织水平上的操作,有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。2.下图为胡萝卜的离体组织在一定条件下培育形成试管苗的过程示意图。下列有关叙述正确的是(　　)A.①②过程中均发生细胞的增殖和分化B.愈伤组织失去了细胞的全能性C.①②过程所用培养基的激素种类与浓度相同D.此过程获得的试管苗可能是杂合子答案:D解析:题图中①为脱分化过程,在该过程中,细胞通过有丝分裂增殖,但不会发生分化;②为再分化过程,在该过程中,细胞也通过有丝分裂增殖,且不断分化。愈伤组织细胞含有该物种全套的遗传物质,仍具有全能性。①所用培养基是诱导脱分化的培养基,②所用培养基为诱导再分化的培养基,这两个过程所用培养基的激素种类相同,但浓度不同。经植物组织培养获得的试管苗的基因型与母体相同,若母体为杂合子,则试管苗也为杂合子,因此该过程获得的试管苗可能是杂合子。3.下图是利用植物体细胞杂交技术培育新植株的过程,植物细胞A和植物细胞B分别来源于二倍体植物甲和乙。下列有关分析正确的是(　 )A.过程①需要将植物细胞置于含纤维素酶和果胶酶的低渗溶液中B.过程②要用聚乙二醇等诱导原生质体融合,主要依据是细胞膜具有选择透过性C.将杂种细胞培育成新植物体过程中需要根据生长发育进程更换培养基D.最终得到的植株相对于甲、乙而言发生了染色体数目变异,不可育C解析:过程①为去除细胞壁,需要将植物细胞置于含有纤维素酶和果胶酶的等渗溶液中,A项错误。过程②采用聚乙二醇等诱导原生质体A、B融合,依据的原理是细胞膜的流动性,B项错误。将杂种细胞培育成新植物体的过程中,不同的发育阶段需要不同的培养基,C项正确。最终得到的植株相对于甲、乙来说,染色体数目发生了变异,但由于甲、乙都是二倍体,所以理论上得到的杂种植株是异源四倍体,是可育的,D项错误。4.通过植物组织培养技术培育农作物,其优点不包括(　　)A.加快培育速度　　　　 B.保持亲本的优良性状C.培育出无病毒植株 D.改变植物的基因型答案:D5.百合通过球茎进行无性繁殖,种植的世代多了以后往往会因感染病毒而减产,为此花农都希望得到无病毒的幼苗。在最短时间内获得大量无病毒幼苗的最佳方案是(　　)A.花药离体培养 B.选取成熟组织进行培养C.利用茎尖进行组织培养 D.人工诱导基因突变答案:C解析:因为植物顶端分生区附近(如茎尖)的病毒极少,甚至无病毒,故短时间内获得大量无病毒幼苗的方法是利用茎尖进行组织培养。6.下图是植物体细胞杂交过程示意图,如果两种植物均为二倍体,请据图回答下列问题。(1)图中所示过程的原理有　　　　　　　、　　　　　　　。(2)图中的①过程是　　　　　　　。 (3)植物体细胞融合成功的标志是形成　　　　　　　,其形成与细胞内的　　　　　　　　　(细胞器)有关。 (4)③和④过程分别是　　　　　　　和　　　　　　　的过程。该杂种植物有　　　　个染色体组。 (5)该杂种植株理论上是　　　　　的(填“可育”或“不可育”)。(6)该技术最显著的优势是  　。 答案:(1)细胞膜的流动性　植物细胞的全能性(2)去除细胞壁,制备原生质体(3)新的细胞壁　高尔基体和线粒体(4)脱分化　再分化　四(5)可育(6)打破生殖隔离,实现远缘杂交育种,培育植物新品种等