植物原生质体培养及细胞融合总结

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◆低温处理
龙胆试管苗的叶片只有用4℃低温处理后,分离得到的原生质体才能分裂。
(在很多情况下材料不必经过专门的预处理)
(二)原生质体分离方法
1. 机械法
Klercker 于1892年最早进行分离高等植物原生质体的研究。
其方法是把细胞置于一种高渗的糖溶液中,使细胞发生质壁分离, 原生质体收缩成球形,然后用利刃切割,
1968年, 纤维素酶和离析酶 商品化生产 后, 大量进行植物原生质体的研究。
现在
果胶酶处理 → 单细胞--纤维素酶处理 → 原生质体
分离原生质体 最有效方法。
细胞壁的组成
纤维素 半纤维素 果胶质
25-50% 53%
5%
纤维素酶 半纤维素酶 果胶酶
少量蛋白质
酶的种类及特点
◆ 纤维素酶
主要含有 纤维素酶 C ,作用于天然 的和结晶的纤维素,具有分解天然纤维素的作用, 还含纤维素酶CX,作用于定形的纤维素,可分解短链纤维素, 另含有纤维素二糖酶、木聚糖酶、萄聚糖酶、 果胶酶、脂肪酶、磷脂酶、 核酸酶、溶菌酶等,
Piwowarczyk (1978 )改进了上述方法 两液相 下层:培养基,含 500mM/L 蔗糖 中层:培养基,含 140mM/L 蔗糖,360mM/L 山梨醇 上层:含原生质体酶液,含 300mM/L 山梨醇 和100mM/L CaCl 2
现在用不同连续梯度 Ficoll (聚蔗糖)溶液 , 上面为酶 -原生质体混合液, 经离心( 150g ,5min ), 不同比重的原生质体漂浮在不同浓度梯度的界面上。
缺点
原生质体易受热伤害,易破碎。
五、低密度培养
与细胞培养相似, 原生质体初始植板密度对植板效率有显著的影响。
原生质体培养的一般密度为 104-105。
高密度下, 个别原生质体形成的细胞团在相当早时就交织在一起, 如果原生质体群体在遗传上是异质的,就会形成 嵌合体组织。
在体细胞杂交和诱发突变的研究中, 最好能获得个别细胞的无性系。 需要低密度(100-500)原生质体培养。
◆渗透稳定剂
如果溶液中的渗透压和细胞内的渗透压不同, 原生质体有可能涨破或收缩, 因此在酶液、洗液和培养液中 渗透压 应大致和原生质体内的相同,或者比细胞内渗透压略大些。
较高水平的渗透剂可以阻止原生质体的破裂和出芽, 但同时也可能抑制原生质体的分裂。
①糖溶液系统
包括甘露醇、山梨醇、蔗糖和葡萄糖等,浓度约在 0.40-0.80mol/L。 可促进分离的原生质体 再生 细胞壁并继续 分裂;
优点
原生质体分布均匀,利于分裂,容易获得单胞株系; 可定位观察。
缺点
原生质体易受热伤害,易破碎; 原生质体始终处于高渗透压胁迫下 生长发育缓慢,植板率低。
3. (固、液)双层培养
原生质体采用平板培养方法包埋在培养皿底层; 上面再加入相同成分的液体培养基,
暗培养。 需更换新鲜液体培养基。
优点
原生质体分布均匀,有利于分裂, 易获单细胞株系; 能除去抑制分裂的有害物质,细胞植板率高。
(叶段漂浮其上)
保温8hr

⑤离心 2次,
原生质体
原 生
第2次离心前重新悬浮于 高蔗糖清洗液 中 悬浮于 清洗液 中





⑥重新悬浮于培养基中
以适当的植板密度

取少量样品用血球板计数 重新悬浮于 培养基 中

吸掉酶液
二、原生质体的纯化与活力测定
(一)原生质体的纯化 1. 沉降法(过滤离心法)-应用最广
两室
大的内室:很多小穴,加入原生质体悬浮液( 0.25-0.5μl); 小的外室:注入无菌水,保持培养皿内湿度。
可进行单个原生质体培养。
六、细胞壁的形成
培养2-4天,原生质体失去其特有的球型外观,这是再生新壁的象征。
研究认为,
旋花科植物原生质体只有在外源供应 一种易于代谢的碳源(蔗糖)时, 细胞壁才能再生。
材料预处理
意义
▲提高原生质体的分裂频率; ▲逐步提高植物材料的渗透压,以 适应培养基中的高渗环境。
方法 ◆暗处理
豌豆枝条取下后,分离原生质体前,先在 黑暗中(一定湿度)放1-2d, 提高原生质体存活率高,并能继续分裂;
◆预培养
羽衣甘蓝先去叶下表皮,再在诱导愈伤组织的 培养基中预培养7d,再去壁, 原生质体高度液泡化,叶绿体也解体;
发生质壁分离的细胞壁被切去后释放出原生质体。
缺点
◆原生质体的产量低; ◆方法繁琐费力; ◆对分生细胞和其它液泡化程度不高的细胞 不适用。
未得到广泛应用。
优点
能够排除外加酶对离体原生质体的结构和代谢活性的 有害影响。
2. 酶分离法
1960年, Cocking 首先利用纤维素酶处理番茄根尖, 分离得到收率高、活力强、完整性好的原生质体。
Ca Cl2促进细胞分裂。 钙可增强原生质体稳定性,提高分裂频率,
明显改变细胞质内外的离子交换。 NH 4NO 3降低细胞分裂频率。
2. 生长调节物质
生长素/细胞分裂素类。 针对不同的研究对象, 培养基中生长素和细胞分裂素的水平要做 适当调整。
3. 渗压剂
在没有再生出一个坚韧的细胞壁之前,原生质必须有培养基渗透压的保护 。 高渗溶液,培养时一般逐步过渡。 通常的渗透剂是甘露醇和山梨醇。 MS+NAA 2.0ppm +BA 0.5ppm +3%蔗糖+9%甘露醇
原生质体包括
▲ 细胞质膜 ▲ 膜内细胞质 ▲ 其他具有生命活性的细胞器,
如细胞核、线粒体和高尔基体等。
原生质体培养意义
是植物细胞工程的核心技术。
1. 除去了细胞壁, 为植物细胞之间的融合扫平了障碍, 实现体细胞杂交,为制造新杂种开辟了道路。 (克服远缘杂交不亲和性)
2. 原生质体是各种遗传操作的 理想受体, 从而可以进行品种的遗传改良。 可摄入外源DNA,细胞器、细菌或病毒颗粒, 为高等植物的遗传饰变打下基础。
优点:收获的原生质体 大小均匀一致 。 缺点:收率低。
纯化后的叶肉原生质体
(二)原生质体,
但对在细胞周围携有大量叶绿体的 叶肉细胞原生质体来说, 这种方法的作用不大;
2.以氧的摄入量作指标,
摄入量可通过一个能指示呼吸代谢强度的 氧电极进行测定。
3.以光合活性作指标。
当pH 值提高到6.0时,最初原生质体却产生少, 但与pH 值为5.0时处理同样时间后相比,原生质体数量显著增加。
原始pH 值提高到7.0时, 生活的原生质体数量进一步增加, 损伤的原生质体也少得多。
分离叶肉原生质体的完整流程
表面灭菌的叶片 ①撕去下表皮
酶溶液及渗压稳定剂 ②抽真空、振荡 原生质体沉于培养皿 底
3. 获得细胞无性系和选育突变体的优良起始材料。
第一节 原生质体的分离与纯化
一、原生质体的分离
(一)材料来源
植物的茎、叶、胚、子叶、下胚轴等 器官组织 以及愈伤组织和悬浮培养细胞均可作为原生质体分离的材料。
目前较多采用叶片分离原生质体, 但分裂旺盛的、再分化能力强的 愈伤组织或悬浮细胞系, 尤其是胚性愈伤组织或胚性悬浮细胞系 是最理想的原生质体分离材料。
利用比重原理,低速离心使原生质体沉于底部。
过滤酶处理混合液,30-40μm微孔滤膜, 低速离心,150g以下,3-5min ,弃上清, 用液体培养基或甘露醇溶液悬浮 洗涤, 重复2-3次, 1-2ml 液体培养基悬浮原生质体,备用。
优点:操作方便;损失少。 缺点:纯度不高
2. 漂浮法
利用比重大于原生质体的高渗蔗糖溶液,离心后 原生质体位于蔗糖溶液和原生质体悬浮培养基的 界面上, 残渣碎屑沉到管底。
日本产的Onozuka 纤维素酶常和果胶酶结合使用。
◆一步分离法 一定量的纤维素酶和果胶酶组成混合酶液,对材料进行一次性处理。
上海植物生理研究所生产的 ZA3-867纤维酶是多种酶的复合物, 含有纤维素酶,果胶酶,半纤维素酶等,分离细胞壁的效果较好。
酶液的配制
◆酶的配比和浓度
果胶酶/ 纤维素酶 纯度高, 但浓度不宜太高; 木本植物加入半纤维素酶。
先加蔗糖溶液(20% 左右), 酶处理混合液置于其上, 离心,150g,5min 用液体培养基或甘露醇溶液悬浮 洗涤2-3次, 1-2ml 液体培养基悬浮原生质体,备用。
优点:纯度高 缺点:收率低。
3. 界面法
采用2种或2种以上密度不同的溶液, 离心后使完整的原生质体处在 两液相的界面 。
最早Hughes(1978) 两液相 下层:450mM/L 蔗糖 上层:450mM/L 甘露醇
第七章 原生质体培养
内容
植物原生质体分离, 植物原生质体培养, 植物细胞融合。
要求
了解原生质分离、纯化、活力测定及其影响因素, 掌握植原生质体培养的方法、步骤和影响因素; 理解植物细胞融合的原理及方法。
原生质体(protoplast )
植物细胞中除去细胞壁的裸露的有生活力的部分。 除了没有细胞壁外,具有细胞的一切特征。
总体作用是降解纤维素 ,得到裸露的原生质体。
◆ 半纤维素酶 降解半纤维素 为单糖或单糖衍生物。
◆ 果胶酶 使细胞间的果胶质降解 ,把细胞从组织内分离出来。
此外,还有蜗牛酶(主要用于花粉母细胞和四分体细胞)等。
原生质体酶分离法
◆两步分离法 用果胶酶离析植物组织,收集细胞; 经洗涤后用纤维素酶解离细胞壁,然后获得原生质体。
1. 培养基 KM8p Kao&Michayluk (1975)
Vicia hajastana (一种蚕豆)单细胞再生出壁,并分裂形成愈伤;
在苜蓿、豌豆和Vicia 中培养中, 低密度下(小于100)分裂的更快;
培养马铃薯原生质体及 马铃薯/番茄原生质体融合产物 获得成功。
黑暗或近于黑暗(50lx)培养。
2.培养方法
1)饲养细胞层法
用X射线或紫外线照射细胞(106),抑制细胞分裂,但不破坏细胞代谢, 将其清洗, 植板在软琼脂培养基上,此平板称饲喂层, 然后将未照射处理的 原生质体 铺在饲喂层上。
特点
以一种植物细胞制成的平板, 支持另一种植物原生质体的生长。
饲喂层没有种的特异性。
烟草原生质体植板密度低于 104时,一般不能分裂, 用此方法,植板密度可低至 10-100。
②盐溶液系统
包括 KCl 、MgSO 4和 KH 2PO 4等。
此外,酶溶液里还可加入适量的 葡聚糖硫酸钾,
提高原生质体的稳定性;使RNA酶不活化;并使离子稳定。
◆pH
酶溶液的pH 值 对原生质体的产量和生活力 影响很大。
用菜豆叶片作培养材料时发现
原始pH 值为5.0时,原生质体产生得很快, 但损坏较严重,并且培养后大量破裂。
培养基中若存在 电解质渗透压调节剂 时会抑制壁的再生。
壁的形成与细胞分裂有直接关系, 凡是不能再生壁的原生质体就不能进行正常的有丝分裂。
愈伤组织形成后,转入不含渗透压调节剂的培养剂中, 其培养及植株再生与一般组织培养方法相同。
原 生 质 体 培 养 的 程 序
第三节 原生质体融合
一、原生质体融合意义
2)共培养法
2种类型的活跃代谢和正在分裂的原生质体 混合在液体培养基中一起培养。 用于某些物种原生质体或杂种细胞的培养。
条件 2个物种原生质体间能发生有效的 互馈; 其产生的愈伤组织形态上能彼此区分。
3)Cuprak 微滴法 高国楠(1977)及Gleba (1978) 设计特别培养皿培养单个原生质体及其再生的细胞。
4. pH :5.6-6.0
培养基 用醋酸纤维微孔滤膜过滤灭菌。
三、培养条件
新分离出来的原生质体 应在散射光或黑暗中培养。 培养温度一般在25-30℃下。
四、培养方法
1. 液体浅层培养
原生质体悬浮在 液体培养基 (约2×105/ml密度) —将原生质体悬浮液移到直径为6cm的培养皿中(2-3mm 为宜) —5-10天后开始原生质体分裂
4.以完整的质膜排斥伊凡蓝的能力作指标。
5.以荧光素双醋酸酯(FDA)的染色能力为指标。
第二节 原生质体培养
一、供体植物的选择
供体组织的生理状态很重要。
一般情况下, 在可控光、温、湿的环境条件下能得到重复的结果,
即在无菌条件下生长的幼苗制备原生质体较好。
二、原生质体培养基
1. 基本培养基 MS和B5,或其衍生的培养基。
优点
▲通气好; ▲原生质体代谢物易扩散,防止有害物质积累过多造成毒害; ▲转移添加新鲜培养基方便,便于观察和照相; ▲操作简单; ▲可微量培养,细胞植板率高。
缺点:原生质体沉淀, 分布不均;
细胞团聚集多,难成单细胞株系 。
2. 固体/平板培养
原生质体(密度为4×105/ml)与等量体积琼脂糖培养基均匀混合 —置于6cm培养皿(2-3mm ), —暗培养 —5-7天原生质体开始分裂。
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