第2章細胞工程第1節植物細胞工程從社會中來“其芽葺葺，其葉青青，猶綠衣郎，挺節獨立，可敬可慕。迨夫花開，凝晴滾露，萬態千妍，薰風自來，四坐芬郁，豈非入蘭室乎!豈非有國香乎!”這是我國歷史上第一部蘭譜——《金漳蘭譜》(宋.趙時庚)中對蘭花的一段描述。從古至今，我國人民都把蘭花看作高潔、典雅的象征，很多人喜歡養蘭花。但是，蘭花種子通常發育不全，在自然條件下萌發率極低;傳統分株繁殖的方法又存在繁殖周期長、繁殖率低等問題，如果靠自然繁殖，蘭花的價格可想而知了。如何能讓名貴的蘭花大量、快速地繁殖，從而走入尋常百姓家呢?一植物細胞工程的基本技術一、細胞工程1.概念：應用細胞生物學、分子生物學和發育生物學等多學科的原理和方法，通過細胞器、細胞或組織水平上的操作，有目的地獲得特定的細胞、組織、器官、個體或其產品的一門綜合性的生物工程。2.分類：依據操作對象分植物細胞工程和動物細胞工程。二、植物組織培養技術1.細胞的全能性(1)定義：細胞經分裂和分化后，仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。(2)在生長發育過程中，細胞不能表現出全能性的原因：在特定的時間和空間條件下，細胞中的基因會選擇性地表達。2.植物組織培養：(1)概念：將離體的植物器官、組織或細胞等，培養在人工配制的培養基上，給予適宜的培養條件，誘導其形成完整植株的技術。(2)植物組織培養的流程：①接種外植體②誘導愈傷組織③誘導生芽④誘導生根⑤移栽成活再分化：愈傷組織重新分化成根、芽等器官的過程。外植體：用于植物組織培養的離體的植物器官、組織或細胞。愈傷組織：細胞排列疏松且無規則、高度液泡化、不定形的薄壁組織團塊。脫分化：已經分化的細胞，經過誘導，失去其特有的結構和功能而轉變成未分化細胞的過程。脫分化再分化菊花的組織培養探究·實踐消毒接種既要考慮消毒效果又要考慮植物的耐受力注意菊花莖段插入方向(形態學下端插入培養基)分割解剖刀使用前后均需滅菌菊花的組織培養探究·實踐移栽培養脫分化，一般不要光照再分化，每日需要適當時間和強度的光照培養既要充分清洗根系表面培養基，又不能傷及根系1.植物組織培養的理論基礎：植物細胞全能性。2．植物組織培養的條件：①離體；②無菌；③培養基；④適宜的培養條件。3．體現細胞全能性的條件核心歸納材料離體的細胞、組織或器官培養基種類齊全、比例合適的營養物質及一定比例的植物激素外界條件①無菌操作；②光照：誘導愈傷組織時一般不需要光照，再分化時需要光照4.生長素和細胞分裂素用量的比例對植物細胞發育方向的影響生長素用量與細胞分裂素用量的比值結果比值高有利于根的分化，抑制芽的形成比值低有利于芽的分化，抑制根的形成比值適中促進愈傷組織的形成三、植物體細胞雜交技術1．概念：將不同來源的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新植物體的技術。2．過程番茄——馬鈴薯想象圖光學顯微鏡下的煙草葉肉細胞原生質體(放大約200倍)在進行體細胞雜交之前，必須先利用纖維素酶和果膠酶去除這層細胞壁，獲得原生質體。2．過程A細胞B細胞A原生質體B原生質體正在融合的原生質體再生出細胞壁愈傷組織雜種植株移栽后的植株植物B細胞去除細胞壁A原生質體B原生質體誘導融合融合的原生質體再生出細胞壁雜種細胞脫分化愈傷組織再分化雜種植株植物A細胞(融合完成的標志)(2)人工誘導原生質體融合的方法①物理法：電融合法、離心法等。②化學法：聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。3．植物體細胞雜交的原理原生質體融合的過程利用了細胞膜的流動性，雜種細胞發育成雜種植株利用了植物細胞的全能性。4．意義：打破生殖隔離、實現遠緣雜交育種，培育植物新品種。思考·討論植物體細胞雜交技術1．A種原生質體與B種原生質體融合后，有哪幾種類型(只考慮兩兩融合)？而我們需要的是哪種類型？所以原生質體融合后，我們要進行怎樣的處理？有3種類型：AA、BB、AB；我們需要的是AB；因此要對融合后的原生質體進行篩選。2．若A細胞具有2x條染色體，2個染色體組，基因型為Aabb。B細胞含有2y條染色體，2個染色體組，基因型為ccDd，則通過植物體細胞雜交技術獲得的新植株的染色體條數：

；染色體組數：

個；基因型：

；屬于可遺傳變異類型中的

。2x＋2y4AabbccDd染色體數目變異植物體細胞雜交與植物組織培養的比較1.原理(1)植物體細胞雜交的原理：(2)植物組織培養的原理：2.過程植物體細胞雜交包括原生質體融合和植物組織培養等過程。3.繁殖方式植物組織培養和植物體細胞雜交都屬于無性繁殖；并且后者還能打破生殖隔離，實現遠緣雜交。思考·討論①細胞膜的流動性；②植物細胞的全能性。植物細胞的全能性。二植物細胞工程的應用一、植物繁殖的新途徑1．快速繁殖(1)概念：用于快速繁殖優良品種的植物組織培養技術，也叫作微型繁殖技術。(2)特點①高效、快速地實現種苗的大量鳘殖②無性繁殖，保持優良品種的遺傳特性③可實現產業化生產(3)實例：一些優良的觀賞植物、經濟林木、無性繁殖作物和瀕危植物等都實現了利用快速繁殖技術來提供苗木。甘蔗、桉樹和鐵皮石斛等試管苗的生產，已形成一定規模。2．作物脫毒(1)選材①部位：植物頂端分生區附近(如莖尖)。②原因：病毒極少，甚至無病毒。(2)優點：提高作物的產量和品質。(3)實例：采用莖尖組織培養技術脫去病毒，已在馬鈴薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠蘿和香蕉等許多作物上獲得成功。脫毒馬鈴薯田和被病毒感染的未脫毒的馬鈴薯葉片(左上)繁殖新途徑取材優點技術快速繁殖(微型繁殖)取材廣泛①高效、快速地實現種苗的大量繁殖；②保持優良品種的遺傳特性植物組織培養作物脫毒頂端分生區附近獲得高產、優質的無病毒植物比較兩種植物繁殖新途徑二、作物新品種的培育1．單倍體育種(1)原理：細胞的全能性和染色體變異。(2)過程：花藥(或花粉)單倍體植株人工誘導染色體加倍純合二倍體植株優良品種。單倍體純合二倍體優良品種選擇人工誘導染色體加倍離體培養花藥花粉(4)實例①世界上第一個單倍體作物新品種——單育1號煙草。②單倍體育種與常規育種相結合的新品種：水稻、玉米、油菜、甘藍和甜椒等。(3)優點①子代是能穩定遺傳的純合子。②極大地縮短了育種的年限。③是進行體細胞誘變育種和研究遺傳突變的理想材料。2．突變體的利用(1)原理：在植物的組織培養過程中，由于培養細胞一直處于不斷增殖的狀態，因此它們容易受到培養條件和誘變因素(如射線、化學物質等)的影響而產生突變。(2)利用：篩選出有用的突變體，培育新品種。如培育抗病、抗鹽、高產以及蛋白質含量高的突變體。(3)實例：抗花葉病毒的甘蔗、抗鹽堿的煙草等。3．細胞產物的工廠化生產(1)次生代謝物①定義：植物代謝產生的，一般認為不是植物基本生命活動所必需的產物。②本質：小分子有機化合物，如酚類、萜類和含氮化合物等。③作用：在植物抗病、抗蟲等方面發揮作用，還是藥物、香料和色素等的重要來源。(2)技術：植物細胞培養，指在離體條件下對單個植物細胞或細胞團進行培養使其增殖的技術。(3)實例：人參、三七、紫草和紅豆杉的細胞產物都已實現工廠化生產。(4)優勢：不占用耕地，幾乎不受季節、天氣等的限制，因此對于社會、經濟、環境保護具有重要意義。植物組織培養和植物細胞培養的比較比較項目植物組織培養植物細胞培養目的獲得植物體獲得細胞產物原理植物細胞的全能性細胞增殖過程應用快速繁殖、作物脫毒、單倍體育種等細胞產物的工廠化生產，如紫草寧、人參皂苷、紫杉醇等核心歸納四種育種方法的比較核心歸納育種方法原理