选修三 植物组织培养技术

一、细胞的全能性
1、定义： 生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体
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、 原因： 生物体细胞含有本物种所特有的全套遗传
信息。
4、体内细胞未表现全能性的原因：
过
特点？ 无定形状态
愈伤组织
（未分化）
程 薄壁细胞
高度液泡化
再分化
排列疏松、无规则 丛芽（胚（分化）
状体）
植物体
3、胡萝卜的组织培养实验
（1）实验原理、目的、材料
（2）植物组织培养的培养基：
水、无机盐离子 有机小分子营养成分： ① 氮源：包括维生素和氨基酸
② 碳源：2%—5%的蔗糖溶液，调节渗透
压 ③ 琼脂：起支持作用
胞
变细胞内的遗传物质
工
或获得细胞产品
程
植物细胞工程
分类
动物细胞工程
与基因工程的比较：前者是细胞水平或细胞器 水平上生物技术,后者是分子水平上的生物技术。
植 所采用技术 物 的理论基础
细
胞 工 通常采用的 程 技术手段
植物细胞的全能性
植物组织培养 植物体细胞杂交
植植物物组织组培织养培养
植物体细胞杂交
的土地实现制种
讨论
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？
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。
单倍体育种
通过花粉培养获得单倍体植株，染色 体加倍后当年变可得到稳定遗传的优良品 种。
优点：极大地缩短了育种年限。
• 单倍体育种的实验流程。
花 接种 花粉细 脱分化 愈伤
药
胞培养
组织
正常 染色体加倍 单倍体
分化出
植株
植株 移栽 小植物
2.突变体的利用
(1)产生:植物组织培养过程中，由于培 养细胞一直处于不断的分生状态，易受到培养 条件和外界压力的影响而产生突变。
（1）要想让两个来自不同植物的体细胞融合 在一起，遇到的第一个障碍是什么？
（2）有没有一种温和的去细胞壁的方法？ （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融合
形成了杂种细胞，下一步该对此细胞做 何种处理？ （5）如何将杂种细胞培育成杂种植株？
（2）决定植物细胞脱分化、再分化的关键因素是什么？
激素诱导和营养物质
一、植物细胞的杂交技术
1、细胞杂交技术概念
将不同种植物的体细胞， 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。 （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）
2、相关问题
问题：为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有如科学家 所想的那样，地上长番茄地下结马铃薯？
主要原因：生物基因的表达不是孤立的，他们之 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。
⑤ 该技术最大的优点：克服远源杂交的不亲和障碍。 体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞，不管染色体
基因组还是染色体组都采用直接相加的方法
⑥ 该过程培育新品种的过程中，遗传物质的传递不遵 循孟德尔的遗传定律。
⑦ 目前还不能让杂种细胞完全按人们的需要去表达亲 代的优良性状
4、植物体细胞杂交技术的意义
❖ 克服远源杂交不亲和的障碍，培育出自然界 中没有的、具有优良品质的新品种。
二、植物组织培养
1、植物组织培养的概念
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。
脱分化
离体的植物器官、 组织或细胞
外植体
愈伤组织
脱分化：已经分化的细胞，经过诱导后，失去其 特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。 脱分化的细胞成为薄壁细胞，叫愈伤组织。
B、再分化 根、芽
植物体
植物激素：细胞分裂素、生长素
1、A过程进行有丝分裂 2、B过程进行有丝分裂同时 也进行分化 3、A不需光照，而B需光 照，叶绿素的合成需光照
分化程度低 去分化较易
①适宜温度、无光 照、 pH和无菌环 境。
离体的植物 器官、组织 或细胞
外植体 （分化）
脱分化 条件？
②无机、有机成分 和植物激素（生长 素，细胞分裂素和 赤霉素）
• 1.单倍体育种 • 2.突变体的利用 • （三）、细胞产物的工厂化生产
微型繁殖
• 概念：利用植物组织培养技术，快速培养 植物优良品种（也叫快速繁殖技术）
• 原理：植物细胞的全能性
• 优点：取材少，培养周期短； 繁殖速度快，可大批量生产； 无性生殖，保持优良性状。
试管苗大规模培养
有性生殖：经过两性生殖细胞结合成受精卵，再由 受精卵发育成新个体的生殖方式。 无性生殖：不经过两性生殖细胞结合，直接由母体 的一部分发育成新个体的生殖方式。
细胞工程的概念
指应用细胞生物学和分子生物学 的原理和方法，通过某种工程学手 段，在细胞整体水平或细胞器水平 上，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。
应用的原理和方法
细胞生物Biblioteka Baidu和 分子生物学
概念 研究的水平
细胞整体水平或细 胞器水平
细
研究的目的
按照人们的意愿来改
• 第一步，选择人参根作为外植体进行培养， 产生愈伤组织，经过培养选择找到增殖速度 快而且细胞内人参皂甙含量高的细胞株作为 种质，其中一部分作为保存用，以备下一次 生产用，一部分进行发酵生产。
• 第二步，将第一步选择到的细胞株在发酵罐 中的适合培养液中进行液体培养，增加细胞 数量。
提示：植物组织培养中用到的培养基含有丰富 的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂 菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培 养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染， 迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养， 而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物 有害的物质，导致培养物迅速死亡。
造成培养基污染的因素： 外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、 操作人员操作不规范等。
② 由于不同种的细胞其细胞膜的特点不一样，如不作 任何处理，把它们放在一起，让它们自然融合是不 可能的，所以原生质体间的融合必须要人工诱导。
③ 细胞融合为无性繁殖，细胞分裂方式为有丝分 裂，包含脱分化和再分化两个阶段。
④ 杂种植株的特征：具备两种植物的遗传特征，原因 是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。
再生出细胞壁（融合成功的标志）
细胞分裂
杂种细胞
愈伤组织
植物组织培养
杂种植株
植物体细胞杂交技术流程图进行总结， 重点理解以下内容。
① 流程图中为了简化，仅画了一个马铃薯的原生质体 与一个番茄的原生质体之间的融合，可真正在实际 操作过程中，是把许多马铃薯的原生质体和许多番 茄的原生质体放在一起，让它们自由融合，再从中 筛选出所需的杂种细胞。
2.在本实验中，切取胡萝卜块根时强调要切取含有 形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。 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？
提示：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，影响植物组织培养的因素有哪些？
生长素用量>细胞分裂素用量,有利于根的分化、抑 制芽的形成； 比值低时，有利于芽的分化，抑制根的形成； 比值适中时，促进愈伤组织的生长。
b、必要条件：确保无菌操作、细胞离体、生长
发育所需的全部营养物质：矿质元素、糖类、维生素
C、关键词：外植体、脱分化、再分化、愈伤组织
为什么选择 形成层？
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？
基因选择性表达的结果
细胞的全能性与细胞分化程度的关系：
全能性高则分化程度低。全能性最高的是受精卵， 还没有分化，个体发育其时就是受精卵不断分裂和 分化的过程，越往后细胞的分化程度越高，体细胞 是高度分化的细胞，也是全能性最低的细胞。
全植受体幼细全 植 受 体 幼 细能物精细嫩胞物精细嫩胞能性细卵胞细分细卵胞细分性的胞：胞裂>胞>：胞裂生的生大分能>>分能>>动衰殖殖动衰大小化力化力物老细细物老小：程强程强细细胞胞细细度的：度的胞胞（（胞 胞低>低>（精细精（细的的动细胞细动胞>>物胞分分胞物分分细裂化·细裂·化胞能程卵胞能卵程的力度细的力细度细弱高胞细弱胞高胞的·的胞的·的核配核配具子具子全）全）能>能>体体性性细细））胞胞
脱分化
再分化
外植体
愈伤组织
试管苗
植物体
脱分化：已经分化的细胞，经过诱导后，失去其 特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。 脱分化的细胞成为薄壁细胞，叫愈伤组织。
再分化：由愈伤组织从新分化出根、芽等器官， 形成完整植株的过程。
2、植物组织培养过程
离体的植物器官、组织或细胞
外植体
A、脱分化 愈伤组织
④ 激素：生长素、细胞分裂素、赤霉素
⑤ pH值：5.0－6.0
（3）方法步骤
1、 选取胡萝卜洗净，削皮，切段 2、酒精消毒、次氯酸钠杀菌 3、切取1立方厘米左右的形成层小块
4、接种，封盖扎紧 脱分化
5、定期观察和记录愈伤组织
再分化
6、诱导出试管苗，移栽
（4）注意事项
a、激素用量的比例影响实验结果：
营养成分：大量元素，微量元素，有机物（氨基酸、维生 素、蔗糖），水
激素：细胞分裂素和生长素。两者用量的比例影响植物 发育的方向。
细胞分裂素 ——————
生长素
>1 有利于芽的分化 =1 促进愈伤组织的形成 <1 有利于根的分化
光照：脱分化无光，再分化需光
（4）思考讨论
（1）离体的器官、组织或细胞如果不进行脱分化处理， 能否培养成完整植物体？ 不能
1，要想让两个来自不同植物的体细胞融合在一起，遇到 的第一个障碍是什么？如何温和 的消除这一障碍？
细胞壁 纤维素酶、果胶酶（酶解法） 原生质体
2，两个原生质体融合首先是什么融合？利用了什么 原理？什么方法？
细胞膜 细胞膜的流动性 物理法：离心，振动，电刺激 化学法：聚乙二醇（PEG）
3，植物细胞融合成功的标志是什么？
如：细菌的分裂生殖，酵母菌的出芽生殖，植物的 扦插嫁接
作物脱毒
• 脱毒的原因：长期进行无性繁殖的作物， 易积累感染的病毒，导致产量降低，品质 变差
• 脱毒的材料：植物茎间、根间的分生区组 织
• 脱毒的方法：利用植物的分生区组织进行 植物组织培养
人工种子
• 天然种子的局限： • 培育周期长; • 优良杂种的后代会发生性状分离而丧失其优良特性 • 生产会受到季节气候或地域的限制，需要占用大量
(2)利用:筛选对人们有利突变体,进而 培育新品种
（3）成就：20世纪70年代以来，各国的 科学家用这种方法已经筛选到抗病、抗盐、含 高蛋白，以及高产的突变体，有的已用于生产。
三、细胞产物的工厂化生产
• 1.细胞产物种类：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.
工厂化生产人参皂甙的基本过程是什么？
意义：打破了植物远缘杂交不亲和的障碍。扩大 了用于杂交的亲本组合范围。
思考与探究2 提示：根据眼虫的特点，动物细胞和植 物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。具体的实验
方案可以设计如下：
• （一）、植物繁殖的新途径 • 1.微型繁殖 • 2.作物脱毒 • 3.神奇的人工种子 • （二）、作物新品种的培育
杂种细胞产生了新的细胞壁
4，形成了杂种细胞后，如何形成杂种植株？ 植物组织培养技术 脱分化 再分化
3、植物体细胞杂交过程
植物细胞A 植物细胞B
纤维素酶
植 物
去细胞壁
酶解法 果胶酶
细
胞 融
原生质体A
合
原生质体B 原生质体融合
离心
人工诱 物理方法 振动
导方法
电刺激
正在融合的 原生质体
化学方法：聚乙二醇
愈伤组织：高度液泡化的、无定形状态， 细胞排列疏松而无规则，具有分生能力的 薄壁细胞。
脱分化
再分化
外植体
愈伤组织
试管苗
脱分化：已经分化的细胞，经过诱导后，失去其 特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。 脱分化的细胞成为薄壁细胞，叫愈伤组织。
再分化：由愈伤组织从新分化出根、芽等器官， 形成完整植株的过程。