人教版高中生物选修三专题二植物细胞工程

人教版高中生物选修三专题二植物细胞工程

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。