植物细胞及原生质体培养

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B. 均一性好,细胞形状和细胞团大小大致相同。 C. 生长迅速,悬浮细胞的量一般2—3天甚至更短 时间便可增加一倍。
三、细胞培养的特性:
1. 植物细胞较微生物细胞大,具有纤维素细胞壁,抗 剪切力差; 2. 细胞生长速度慢,易受微生物污染,有时需用抗生 素;
3. 细胞生长的中期及对数期,易凝聚为直径达350 um一400 um 的团块,悬浮培养较困难;
原生质体培养包括原生质体的分离、培养、 植株再生等过程。
(一) 原生质体的制备:
1、材料来源与预处理:
(1)材料来源:
可以用各种组织和器官,但多应用叶片、 愈伤组织及悬浮培养细胞。以及茎尖、根 尖、子叶和胚性组织。
(2)预处理: A.预质壁分离:17-20 ℃ 酶液中静臵半小时,再于28—
34℃保温,或将材料臵于与酶液中糖浓度相同的溶液中预培养 1h左右,再浸于酶液中消化即可达到质壁分离目的;
2. 培养基:
(1)固体培养基:添加琼脂等
(2) 液体培养基:不加琼脂等
第二节 植物细胞培养的应用
一、植物次生代谢产物的生产 二、突变体的选择 三、诱导多倍体 四、生产人工种子
Synthetic seeds of Mulberry and banana
(云杉) (海藻酸钙凝胶)
第三节 植物原生质体培养及细胞融合
第 八 章 植物细胞及原生质体培养
Hale Waihona Puke Baidu
第一 节
植物细胞培养
植物细胞培养(plant cell culture):
指对植物器官或愈伤组织上分离出来的 单细胞(或小细胞团)进行培养,形成单细无 性系或再生植物的技术。
植物细胞培养的意义:
(1)研究细胞生理代谢过程及各种影响因子;
(2)用于植物品种的改良;
后再播种,从其植株叶片上分离的原生质体培养效果较佳。
2. 制备原生质体的酶类:
高等植物细胞壁主要成分为a-纤维素,其次为半纤维 素、果胶质及蛋白质。细胞生长的不同阶段及不同物种 的细胞壁组成与结构不同,木质化及次生加厚的细胞壁 不被酶消化,故选择材料和消化细胞壁的酶类是制备原 生质体关键。
常用的酶类有: A. 纤维素酶,如Onozuka R—10及RS,国内常用的为 EA3—867,其中含少量果胶酶; B. 果胶酶,如Macerozyme R—10 又叫离析酶,主要含 果胶酶,活力较高,其含杂酶较多,用量不超过2%,作 用时间长有毒害作用;此外亦用Pectalyase Y—23,也叫 离析软化酶,活力极高,叶片用量一般为0.1%,悬浮 细胞为0.05%; C. 崩溃酶(Driselase),为一种粗酶制剂,具有纤维素酶 及果胶酶活性;
(2)看护培养法:从悬浮培养物或脆弱愈伤组 织上用针或玻璃毛细管分离单细胞,每个细胞 放在一个方形滤纸片的上表面,而滤纸片放在 活跃生长的愈伤组织上进行培养的方法。
(3)微室培养法:悬浮单细胞接种于凹 玻片或玻璃环与盖玻片组成的微室内的 固体培养基中的培养方法。
(4)条件培养基培养:条件培养基是在
3.原生质体分离及纯化 (1)分离: 原生质体分离有机械法及酶消化法,
前者产量极低而不多用、后者又分一步法及二步法。
一步法是将材料在2l一28℃用纤维素酶及果胶酶 混合液一次性处理2—24h。
二步法是将材料先用果胶酶降解胞间胶层得到单 细胞,再用纤维素酶脱壁而释放原生质体。
(2)纯化
A. 沉降法: 原生质体混合物经微孔过滤后,低速 (150g)离心5min, 沉淀再用与酶液具相同糖浓度溶 液反复洗3-4次,后用培养液洗涤备用; B. 飘浮法: 离心法纯化的原生质体若含较多碎片及 少量老细胞时.可用20%蔗糖离心,原生质体浮于 液面.碎片及老细胞沉降而得以纯化,纯度高,但 产量低; C. 不连续梯度离心法:将原生质粗提液臵于不连续 浓度梯度的溶液中,经离心后分离不同比重的原生 质体。
(二)原生质体培养:
1. 培养方法: (1)固体培养:平板培养法,1. 2%琼脂。 (2)液体培养: A. 浅层培养法: 其过程是将1m1原生质体悬液臵 于直径4cm培养皿或25m1三角瓶中使成薄层后于培 养箱中培养.初期振摇1—2次,防止粘壁; B. 固液结合培养法:在混好原生质体的固体培养 基表面加一层相同成分的液体培养基进行培养。效 果较好。
D. 半纤维素酶,如Rhozyme HP150,用于悬浮细胞、豆 科根瘤、幼苗子叶及根细胞原生质体的分离;
E 蜗牛酶,主要用于体细胞原生质体分离。
酶液配制:
需加入甘露醇、山梨醇、蔗糖、葡萄糖、葡萄糖硫酸酯、 CaCl2· 20(0. 1mmol/l一10mo1/l)及KH2PO4 (0. 75mmol/l) 2H 等渗透稳定剂,以维持原生质体完整性。 酶液pH值相当重要,纤维素酶及果胶酶单独使用时,其 pH分别以5.4及5.8为宜;混合使用时pH5.4-pH5.6为宜,降 至4.8以下则原生质体破裂。酶液配制后需以0.45 um微孔 膜过滤除菌,而不可采用加热灭菌法。
基础。
(一)细胞培养过程:
1. 择适宜的外植体;
2. 诱导疏松愈伤组织;
3. 选择适宜的培养基;
4. 悬浮培养;
5. 悬浮细胞的继代与选择;
6. 悬浮细胞的同步化; 7. 悬浮愈伤组织形成及植株再生。
(二)悬浮培养类型:
1. 分批培养(Batch culture):
分批培养是在一个封闭的系统中进行细胞培养, 当培养物增加到一定量时,需继代培养,即取出少 量培养物转接于新鲜培养液中。
4.原生质体活力测定
纯化的原生质体需经活力测定后方可用于培养。 (1)根据形态待征判断其活力:原生质体呈绿色 (若来源于叶片)及圆而鼓者为活原生质体。 (2)荧光染料活体染色法:荧光素染料可自由透过 细胞膜,在细胞内被酯酶水解为荧光素,后者不能自 由透过细胞膜而滞留于细胞内,在荧光显微镜下根据 荧光强度即可判断原生质体死活。 (3)酚藏花红染色法:活原生质体能吸收呈红色, 无活性的则不能吸收而无色。
4. 培养时需供氧,培养液粘度大,不能耐受强力通风 搅拌;并具有群体效应 5. 培养细胞产物滞留于细胞内,且产量较低,培养过 程具有结构与功能全能性。
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四、 植物细胞培养的营养需求及培养基
1. 营养需求: 植物细胞生长所需营养较微生物细胞复杂, 除水分外,其它营养成分可分为如下几类:
(1) 无机营养: 如N、 P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo、I 等; (2)维生素:如维生素B1、B6、烟酸、肌醇、生物素、泛酸钙及叶酸等; (3) 碳源: 如蔗糖、葡萄糖、木糖、甘露糖及山梨醇等; (4)天然物: 如水解乳蛋白、水解酪蛋白、椰乳、酵母提取液、香蕉汁、 荸荠汁、生梨汁及苹果汁等;
随着细胞分裂及细胞团形成,已与常规细胞和 组织培养相同,故培养3—4周需添加含一定量低渗 稳定剂的新培养基,以满足细胞的营养,亦利于细 胞团及小愈伤组织的生长。
5. 植株再生
大多经愈伤组织诱导分化再生为完整植株。当愈伤 组织达到1—2mm时,转移至分化培养基上诱导器官分 化。分化培养基与原生质体培养基差别在于: (1) 只用蔗糖为碳源,不加渗透稳定剂;
生长过程与微生物类似,有延迟期、对数生长期、 减慢期及静止期等阶段。接种时细胞要达到一定细 胞浓度,通常为0. 25 x l06细胞/ml -0. 5 x 106细胞/ m1。
B. 连续培养(Continuous culture): 是用一定容积的非密闭系统进行细胞培 养的方法,在培养过程中不断注入新鲜培养 基,而使营养物连续得到补充,细胞生长和 增殖连续进行,同时有等体积的培养物排除 系统。 分为封闭型和开放型连续培养两种。
(2) 与原生质体培养基相反,细胞分裂素浓度高于生长 素;
(3) 在诱导器官分化过程中,一般采用15001x左右的高 光强。诱导器官分化的温度与原生质体培养基本相同。
(三) 原生质体培养的目的:
1、利用原生质体不具细胞壁的特性可以进行细胞器移 植和外源物的摄取,原生质体之间可以进行融合而产生 杂种细胞(即体细胞杂交)。 2、是植物基因工程的理想受体,用外源遗传物质对植 物原生质体进行改造和转化,然后诱导分裂、分化再生 出能育的完整基因工程植株。 3、也是研究细胞生物学、分子生物学、体细胞无性系 变异和植物病理学研究的有用工具。
(5) 植物激素: 如生长素 、赤霉素、细胞分裂素 、脱落酸;其它有油 菜素内酯、三十烷醇、肽类、半支莲醇、月光花素、石蒜素、玉米素 等; (6)氨基酸类: 如甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、丝氨酸、赖氨酸、亮 氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、组氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、苏氯酸、苏 氨酸、酪氨酿、精氨酸、丙氨酸及半胱氨酸等; (7) 核酸及其水解物: 如DNA、RNA、黄嘌呤、次黄嘌呤、腺嘌呤、 鸟嘌呤及胸腺嘧啶等; (8) 其它成分: 如氯化胆碱、胆质素、胶氨酸、苹果酸及反丁烯二酸等.
在原生质培养过程中,胞质增加,液泡减少,叶绿 体或颗粒内含物分散于泡质中或围绕于细胞核周围.常 在1一2周内发生第一次分裂。不同细胞分裂频率不同。
4、愈伤组织或胚状体形成
原生质体再生的细胞一旦开始分裂,就可能继续 生长: A 形成细胞团,发育成愈伤组织; B. 形成胚状体,再产生植株;
C. 形成愈伤组织,再形成胚状体。
(1)平板培养法:分散的植物细胞接种于含薄层固 体培养基的培养皿内的培养过程称为平板培养法。
方法是将经机械破碎过筛或酶(纤维素酶及果胶酶 等)消化分散纯化的细胞,经计数及稀释,接种到加 热熔化而刚冷却至35℃左右的固体培养基中充分混 匀,倾入培养皿中,石蜡密封,于25℃培养,约20 天后细胞即可生长成团。统计生长情况。


植物原生质培养和细胞融合可用产生远 缘杂种; 是目前植物细胞及基因工程的核心技术。
一、植物原生质体培养
通过一定方法除去细胞壁,而得到一个裸露 的植物细胞,即为原生质体(Protoplast)。游离 的原生质体像正常的植物细胞那样具有全能性, 在一定条件下培养可以重新再生出完整植株。
自1970年首次获得烟草原生质体再生植株 成功以来,通过原生质体获得再生植株的植 物约有280余种,其中有20种为我国首先报道。
B. 预培养: 将除去下表皮的叶片于诱导愈伤组织培养基上
培养7天,再用酶消化去壁,所得原生质体分裂频率较高;
C. 暗处理: 将室温下生长5—7个星期的植物材料在黑暗中
放臵30h以上,取其叶片制备的原生质体有活力;
D.光处理: 将叶片于日光或灯光下照射2—6h令其萎蔫,利
于撕除下表皮及原生质体分离;
E.低温处理: 夏季应用的实验材料其萌动种子应于4℃过夜
(3)用于植物次生代谢物质的生产。
单细胞培养 细胞的悬浮培养
一、单细胞培养(通常以叶片为材料) (一)单细胞的分离 分离方法:机械法和酶解法。各有优缺 点。
(二)单细胞培养 对分离得到的单个细胞进行培养,诱导 其分裂增殖,形成细胞团,再通过细胞分 化形成芽、根等器官或胚状体,直到长成 完整植株的技术。 培养方法:平板培养、看护培养、微室 培养、条件培养基培养法。
C . 半连续培养:
是利用培养罐等装臵进行细胞大量培养的 一种方式。在半连续培养时,当培养容器内细 胞增殖到一定数量后,倒出一半细胞悬浮液于 另一培养罐等容器,再分别加入新鲜培养基继 续培养。半连续培养能够重复获得大量均一的 培养细胞供进一步利用。
(三)优良悬浮培养体系要求:
A. 悬浮培养物分散性好,细胞团较小,一般由几 十个以下的细胞组成。
培养基中加入高密度的细胞进行培养。一
定时间后这些细胞就会向培养基中分泌一 些物质,使培养基条件化。这样的培养被 利用来进行某些单细胞的培养的方法。
二、细胞的悬浮培养(cell suspension culture)
是指将游离的植物细胞按一定的细胞密度,
悬浮在液体培养基中进行培养的方法。
适宜于大规模培养,细胞工程产业的技术
2. 培养条件:
密度: 平板培养103~104个/ml,
液体培养104~105个/ml
温度: 多数为25-28 oC, 少数16~37 oC
光照:500 lx,18h 或2800 lx 连续光照 多数要求 黑
暗或弱光
3. 细胞壁再生及细胞分裂:
l一3天即再生新细胞壁,表现为体积增加、膨大, 再由圆变椭圆。可用质壁分离法证实。也可用0. 1% ST 型或WBL型荧光增白剂染色,经前者染色,有细胞壁 者在荧光显微镜下呈蓝色荧光。经后者染色,有细胞壁 者发射绿色荧光。
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