PAGE12-第一節細胞工程概述1．了解細胞工程的發展。2．駕馭細胞工程的基本技術。(重、難點)3．理解細胞工程的應用。(重點)學問點一|細胞工程及植物組織培育技術1．細胞工程的發展時間科學家試驗過程貢獻1907年哈里森用蓋玻片懸滴培育蛙胚神經組織開創了動物細胞培育的先河1937年高特里特離體培育胡蘿卜組織，并使細胞增殖勝利進行了植物組織培育1972年卡爾遜用硝酸鈉作為促融合因子，勝利地將2個不同種的煙草細胞原生質體進行融合獲得了世界上第一個體細胞雜交植株1996年韋爾穆特利用成年芬蘭白面母羊體細胞的細胞核與蘇格蘭黑面母羊的去核卵細胞融合培育首次克隆出綿羊“多莉”2.細胞工程的概念及分類(1)操作原理和方法：細胞生物學和分子生物學。(2)操作水平：細胞或細胞器水平。(3)操作條件：體外無菌條件下進行培育繁殖。(4)操作目的：依據人的意愿去變更細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的綜合性科學技術。(5)分類：①依據探討對象：a．植物細胞工程；b．動物細胞工程等。②依據運用技術：a．植物組織培育技術；b．細胞融合技術；c．細胞核移植技術等。3．植物組織培育技術(1)細胞全能性：含有一個物種全套遺傳物質的細胞都具有發育成為一個新的生物個體的潛能，細胞的這種特性稱為細胞全能性。(2)植物組織培育：指依據細胞全能性原理，在無菌條件下，分別植物的器官、組織、細胞或原生質體，并在培育基上培育，在相宜的條件下使其發育成部分或完整植株的技術。(3)培育材料：最常用的是植物的莖尖、根尖、幼嫩的葉片和花藥等，也稱外植體。(4)一般過程：外植體(分別的植物器官、組織、細胞或原生質體)(無菌，相宜的培育基)↓脫分化愈傷組織(一團沒有特定結構和功能并處于旺盛分裂狀態的薄壁細胞)↓再分化胚狀體或根和芽↓完整植物體(5)條件eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(用消毒劑除去外植體表面的微生物,無菌條件,相宜的培育基))(6)培育基的成分：通常包括水分、無機鹽、碳源、氮源、維生素等。(7)植物細胞的脫分化(或去分化)：由已經分化的植物細胞形成愈傷組織的過程。(8)再分化：愈傷組織接著培育，重新誘導分化形成胚狀體或根和芽等的過程。eq\a\vs4\al([合作探討])下圖所示為胡蘿卜的韌皮部細胞通過無菌操作，接入試管后，在肯定條件下，形成試管苗的培育過程，請據圖分析：探討eq\a\vs4\al(1)：在植物組織培育過程中，為什么要進行一系列的消毒、滅菌，并且要求無菌操作？提示：防止雜菌感染。探討eq\a\vs4\al(2)：圖中A是什么過程？為什么該過程要求“避光條件”下培育？B是什么過程？該過程也須要“避光條件”培育嗎？提示：脫分化；脫分化過程中，光照易誘導分化產生導管等組織，不利于形成愈傷組織。再分化；再分化過程中肯定要有光照，利于組織分化和分化出的芽、葉進行光合作用。探討eq\a\vs4\al(3)：植物組織培育所用的培育基中在脫分化和再分化中起關鍵作用的激素是什么？提示：細胞分裂素和生長素。探討eq\a\vs4\al(4)：從繁殖方式上看，植物組織培育屬于哪種繁殖方式？為什么？提示：無性繁殖。植物組織培育是在細胞有絲分裂和細胞分化的基礎上實現的，此過程并沒有生殖細胞的產生，所以是無性繁殖。eq\a\vs4\al([思維升華])1．對細胞全能性的理解(1)理論依據生物體的每一個細胞都包含有該物種所特有的全套遺傳物質，都有發育成為完整個體所必需的全部基因，從理論上講，生物體的每一個活細胞都應當具有全能性。(2)細胞全能性的內涵和緣由①內涵：高度分化的細胞仍具有發育成完整個體的潛能。②緣由：具有該物種的全部遺傳信息。(3)實現全能性的條件材料離體的植物細胞、組織或器官培育基種類齊全、比例合適的養分物質及肯定的植物激素外界條件無菌操作、光照(4)細胞全能性的標記：由細胞發育成完整的個體。(5)不同細胞的全能性比較①受精卵(全能性最高)＞卵細胞(具有較高的潛在全能性)＞體細胞(全能性較低)。②未分化或分化程度低的細胞＞分化程度高的體細胞。③植物細胞＞動物細胞；增殖細胞＞不增殖的細胞。④隨著細胞分化的程度不斷提高，細胞的全能性漸漸減小。(6)植物細胞表達全能性的條件①具有完整細胞結構，處于離體狀態。②在肯定的養分物質、植物激素(主要是生長素、細胞分裂素等)和其他外界條件的作用下，就可能表現出全能性，發育成完整的植株。[特殊提示]①在植物體內，細胞沒有表現出全能性，而是分化成為不同的組織和器官，這是基因在特定的時間和空間條件下選擇性表達的結果。但它們的遺傳潛力并沒有丟失，全部的遺傳信息仍舊被保存在DNA的序列中，一旦脫離原來組織和器官的束縛成為游離狀態的細胞，在肯定的養分條件下，并在植物激素的誘導下，就能表現出全能性，發育成完整的植株。②細胞全能性的針對對象是多細胞生物的細胞，而非單細胞生物的細胞。2．植物組織培育的培育基及培育過程(1)培育基的成分及作用成分主要內容作用水水(H2O)為細胞代謝供應液體條件，參加細胞代謝無機養分大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg、Na等微量元素：Fe、Mn、Mo、B、Cu、Zn滿意植物對各礦質元素的需求，參加各種物質合成、代謝調整，生長必需有機養分蔗糖供應碳源、調整滲透壓氨基酸供應氮源維生素如B1、B3、B5、B6等合成酶或輔酶自然附加物酵母提取物、玉米胚乳、麥芽浸出物、番茄汁有利于愈傷組織的誘導和再分化生長物質生長素、細胞分裂素等誘導脫分化形成愈傷組織，誘導愈傷組織再分化形成植株(2)培育過程①培育流程離體的植物器官、組織、細胞或原生質體eq\o(→,\s\up10(肯定的養分、激素),\s\do10(脫分化))愈傷組織eq\o(→,\s\up10(含有不同激素成分的培育基),\s\do10(再分化))胚狀體或叢芽(試管苗)eq\o(→,\s\up10(移栽))植株。②幾個生理過程的比較名稱過程形成體特點培育基中的主要激素光照條件條件脫分化由外植體成為愈傷組織排列疏松、高度液泡化的薄壁細胞團生長素或2，4-D(生長素類似物)避光(1)離體(2)供應養分物質(3)供應激素(4)供應其他相宜條件再分化由愈傷組織成為幼苗或胚狀體有根、芽或有生根發芽的實力生長素與細胞分裂素需光養分生長、生殖生長發育成完整的植物體由根、莖、葉、花、果實、種子組成自身產生的各種植物激素需光栽培1．下列對細胞全能性的表述，正確的是()A．離體的植物細胞均能表現出全能性B．肝臟細胞是高度分化的動物細胞，沒有全能性C．花粉可培育成單倍體植株是細胞全能性的表現D．植物體內細胞由于分化，全能性不能表達【解析】離體的植物細胞要表現出全能性還需養分物質、植物激素和其他相宜外界條件。肝臟細胞是高度分化的動物細胞，全能性受到限制，但其細胞核仍具有全能性。分化的植物細胞具有全能性，但細胞要表達全能性必須要在肯定條件下離體培育。【答案】C2．下圖是基因型為AaBb的菊花莖尖離體培育示意圖，據圖回答下列問題：菊花莖尖eq\o(→,\s\up10(取下),\s\do10(并放入))培育基中培育eq\o(→,\s\up10(脫分化))eq\x(A)eq\o(→,\s\up10(再分化))eq\x(B)→植物體(幼苗)(1)圖中B是________________。菊花莖尖培育成植物體的根本緣由是________________________________________________________________。(2)菊花的組織培育形成試管苗的過程中，其中應大量供應的元素是________________。試管苗形成過程中要賜予肯定光照，其目的是__________________________________________________________________________________________。要促進莖尖細胞分裂、分化和生長，培育基中應含有________________激素。(3)脫分化是指_________________________________________________________________________________________________________，脫分化和再分化這兩個過程的進行除必要的溫度和氧氣等外界條件外，還要保證____________。否則植物組織培育就不能勝利。(4)這樣培育成的試管苗的基因型是____________________。【解析】(1)離體的植物組織或細胞，在培育了一段時間以后，會通過細胞分裂，形成愈傷組織。脫分化產生的愈傷組織接著培育，又可以重新分化成根或芽等器官，這個過程叫做再分化。再分化形成的試管苗，移栽到地里，可以發育成完整的植物體。菊花莖尖培育成植物體的根本緣由是植物細胞具有全能性。(2)離體的植物組織和細胞，對養分、環境等條件的要求相對特殊，須要配制相宜的培育基。常用的一種培育基是MS培育基，其主要成分包括：大量元素，如N、P、K、Ca、Mg、S。試管苗形成過程中要每日用日光照耀12h，其目的是試管苗形成過程中要進行光合作用合成有機物。植物激素中生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵性激素，故培育基中要加入生長素和細胞分裂素。(3)由高度分化的植物器官、組織或細胞，通過離體培育產生愈傷組織的過程稱為植物細胞的脫分化，或者叫做去分化。脫分化和再分化這兩個過程的進行除必要的溫度、光照和氧氣等外界條件外，還要保證無菌。否則植物組織培育就不能勝利。(4)由于植物組織培育過程，細胞進行的是有絲分裂，故培育成的試管苗的基因型是AaBb。【答案】(1)具根、芽的胚狀體(叢芽、根和芽)植物細胞具有全能性(2)N、S、P、K、Ca、Mg試管苗形成過程中要進行光合作用合成有機物細胞分裂素和生長素(3)高度分化的植物器官、組織或細胞，通過離體培育產生愈傷組織的過程無菌(4)AaBb學問點二|細胞融合技術、植物體細胞雜交、細胞核移植及細胞工程的應用1．細胞融合技術(1)概念：細胞融合技術是采納自發或人工的方法使兩個或多個細胞融合為一個細胞的技術。(2)融合過程：在促融合因子的作用下，細胞膜發生粘連、裂開，細胞質發生融合，進而發生核融合，形成雜種細胞。(3)促融合方法：生物法(如病毒誘導融合法)、化學法(如聚乙二醇誘導融合法)、物理法(如電場誘導融合法)。2．植物體細胞雜交(1)概念：運用細胞融合技術，在肯定條件下把不同種植物的體細胞融合形成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術稱為植物體細胞雜交。(2)原生質體：是指去除植物細胞壁后袒露的植物細胞結構等。(3)植物細胞雜交過程不同來源植物細胞eq\o(→,\s\up10(纖維素酶),\s\do10(果膠酶))不同細胞原生質體eq\o(→,\s\up10(促融劑),\s\do10(處理))融合的原生質體eq\o(→,\s\up10(再生壁))雜種細胞eq\o(→,\s\up10(細胞培育))愈傷組織eq\o(→,\s\up10(轉移到),\s\do10(分化培育基中))雜種植株。(4)實例：白菜—甘藍品種的獲得。3．細胞核移植技術(1)動物細胞核移植技術：是把一個動物細胞的細胞核移入一個已經去除細胞核的卵母細胞中，使其重組并發育為一個新的胚胎，最終發育為一個動物個體的技術。(2)早期的核移植技術：利用顯微操作的方法將卵母細胞的細胞核取出，再注入其他細胞的細胞核。(3)隨著顯微技術的發展：用類似的技術移植細胞中的各種細胞器。4．細胞工程的應用(1)理論上：利用細胞工程技術不僅可以在不同的植物之間、動物之間、微生物之間進行物種間的雜交，甚至可以在植物、動物和微生物之間進行物種間的雜交以形成前所未有的新物種。(2)事實上：不僅在農業、林業生產中被廣泛應用，還在醫療領域得到廣泛應用。eq\a\vs4\al([合作探討])利用植物體細胞雜交技術將白菜和甘藍(均為二倍體)培育成“白菜—甘藍”雜種植株(如下圖所示)，請據圖分析：探討eq\a\vs4\al(1)：將白菜體細胞和甘藍體細胞融合時，首先遇到的障礙是什么？用什么方法可以解除此障礙？提示：細胞壁阻礙細胞間的融合。用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁。探討eq\a\vs4\al(2)：只考慮兩兩融合，原生質體A和B可以形成幾種融合細胞？哪種融合細胞才是符合要求的？提示：三種。AB才是符合要求的。探討eq\a\vs4\al(3)：細胞融合完成的標記與植物體細胞雜交完成的標記相同嗎？為什么？提示：不相同。細胞融合完成的標記是雜種細胞再生出細胞壁，而植物體細胞雜交完成的標記是培育出雜種植株，而不是形成雜種細胞。探討eq\a\vs4\al(4)：從結果上看雜種植株在遺傳上有何特點？從雜種植株的染色體組成上看屬于何種變異？提示：(1)遺傳物質來自兩個親本，具有雙親的遺傳性狀。(2)染色體數目增加，屬于染色體數目的變異。探討eq\a\vs4\al(5)：從新品種培育的角度分析，植物體細胞雜交技術最大的優點是什么？提示：克服了不同種植物遠緣雜交的障礙，使不同種植物雜交成為可能。eq\a\vs4\al([思維升華])1．細胞融合技術(1)融合原理：細胞膜的流淌性。(2)融合對象：2個或多個不同細胞。(3)促融合方法：生物法(如病毒誘導融合法)、化學法(如聚乙二醇誘導融合法)、物理法(如電場誘導融合法)。(4)幾種融合方法的比較：類型區分生物法化學法物理法誘導型皰疹病毒、仙臺病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等聚乙二醇、高濃度鈣離子等電場常用方法病毒誘導融合法聚乙二醇誘導融合法電場誘導融合法優點易培育，對各種動物細胞都相宜，融合率高運用便利，誘導細胞融合頻率高頻率高，對細胞無毒害，操作簡便，可重復性好缺點有些病毒(如仙臺病毒)不穩定，在保存過程中活性會降低；而且病毒進入細胞后，可能對細胞的生命活動產生干擾有些物質(如聚乙二醇)有肯定的毒性，對有些細胞(如卵細胞)不適用目前沒有發覺(5)融合結果：形成雜種細胞。(6)融合過程：2個或多個不同細胞的質膜發生粘連、裂開→細胞質發生融合→發生核融合→形成雜種細胞。(7)融合意義：突破有性雜交的局限，使遠緣雜交成為可能。2．植物體細胞雜交技術(1)原理：細胞膜的流淌性和細胞的全能性。(2)基礎：植物組織培育。(3)操作過程步驟方法原生質體的獲得酶解法(纖維素酶、果膠酶)去除細胞壁，得到原生質體雜種細胞的形成通過肯定的技術手段(電激、聚乙二醇誘導等)進行人工誘導實現原生質體的融合雜種植株的產生對雜種細胞用植物組織培育的方法進行培育(4)體細胞融合勝利以后，既有AB型雜種細胞，也能形成AA型和BB型兩種融合細胞，但只有AB型細胞是植物體細胞雜交所須要的雜種細胞，因此在雜種細胞形成后還應有一個篩選過程。(5)細胞融合完成的標記是產生新的細胞壁。(6)植物體細胞雜交完成的標記是獲得雜種植株而不是獲得雜種細胞。(7)優點：克服了植物遠緣雜交不親和的障礙，在培育作物新品種方面具有廣袤的應用前景，如科學家已經培育出了白菜—甘藍、煙草—海島煙草等種間雜種。[特殊提示]①雜種細胞產生的標記是新細胞壁的形成。②植物體細胞雜交技術包括植物細胞融合和植物組織培育兩個過程，結果是產生新的植株。③從生殖類型上看，植物體細胞雜交技術沒有有性生殖細胞的形成和結合，應屬于無性生殖；從變異類型上看，應是染色體數目變異。④假設用于體細胞雜交的雙方細胞都有2個染色體組，則雜種細胞及由雜種細胞發育而來的雜種植株有4個染色體組，被稱為四倍體。1．通過植物體細胞雜交可以獲得“煙草—菠菜”——一種新型的煙草品種。下圖為培育雜種植株過程的示意圖，下列操作不是必需的是()A．在融合之前除去兩種細胞的細胞壁B．原生質體先進行脫分化處理再融合C．原生質體融合后篩選雜種細胞接著培育D．誘導雜種細胞形成愈傷組織再分化成植株【解析】植物體細胞的雜交過程：在植物細胞融合之前除去兩種細胞的細胞壁，獲得具有活力的原生質體；原生質體融合后篩選雜種細胞接著培育；誘導雜種細胞形成愈傷組織再分化成植株。可見，原生質體先進行融合處理再進行脫分化。【答案】B2．下圖為“番茄—馬鈴薯”的培育過程示意圖，請據圖回答：(1)在“番茄—馬鈴薯”的培育過程中，主要運用了植物細胞工程中的______________技術，原理是________________________。(2)可用____________________對番茄和馬鈴薯細胞進行處理獲得原生質體；誘導番茄和馬鈴薯原生質體融合的化學試劑一般用___________________________。(3)愈傷組織常用作誘變育種的志向材料，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)不同物種生物之間存在著自然的__________，用傳統的有性雜交方法不行能得到二者的雜種后代，而體細胞雜交可以克服遠緣雜交不親和的障礙。(5)植物組織培育的培育基中除了含有肯定的養分物質之外，還必需含有__________從而促進愈傷組織的形成和再分化。【解析】(1)要形成番茄—馬鈴薯雜交植株，必需通過植物體細胞雜交。該技術運用了細胞膜具有流淌性的原理及植物細胞具有全能性的原理。(2)植物體細胞雜交時，首先要用酶解法去除細胞壁，形成原生質體，然后用促融方法促進原生質體融合，常用的化學促融劑是聚乙二醇(PEG)。(3)愈傷組織具有旺盛的分裂增殖實力，不斷進行DNA復制，簡單發生基因突變，因此，可施予一些誘導因素，使其發生更多的變異。(4)自然條件下，物種之間存在生殖隔離。(5)植物組織培育基除含有水、礦質離子、蔗糖、維生素等養分物質外，還必需含有肯定濃度的植物激素，如生長素、細胞分裂素，它們存在的比例不同，可分別誘導根或芽的分化。【答案】(1)植物體細胞雜交細胞膜的流淌性和細胞的全能性(2)纖維素酶和果膠酶聚乙二醇(PEG)(3)愈傷組織處于不斷地分生狀態，簡單受到培育條件的影響而產生基因突變(4)生殖隔離(5)植物激素(植物生長調整劑)[課堂小結]學問網絡構建核心語句歸納1.植物組織培育和細胞核移植技術的生物學原理是細胞全能性。2．細胞融合技術依據的生物學原理是細胞膜的流淌性。3．植物組織培育勝利的關鍵是避開微生物污染，因此應在無菌條件下進行。4．植物組織培育中植物激素是啟動細胞分裂、分化的關鍵因素。5．植物組織培育中常用的植物激素是生長素和細