1、1920 第2章 第1节 细胞工程概述第一节细胞工程概述1了解细胞工程的发展。2掌握细胞工程的基本技术。(重、难点)3理解细胞工程的应用。(重点)知识点一| 细胞工程及植物组织培养技术1细胞工程的发展时间科学家实验过程贡献1907年哈里森用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织开创了动物细胞培养的先河1937年高特里特离体培养胡萝卜组织，并使细胞增殖成功进行了植物组织培养1972年卡尔逊用硝酸钠作为促融合因子，成功地将2个不同种的烟草细胞原生质体进行融合获得了世界上第一个体细胞杂交植株1996年韦尔穆特利用成年芬兰白面母羊体细胞的细胞核与苏格兰黑面母羊的去核卵细胞融合培养首次克隆出绵羊“多莉”2.细胞工程
2、的概念及分类(1)操作原理和方法：细胞生物学和分子生物学。(2)操作水平：细胞或细胞器水平。(3)操作条件：体外无菌条件下进行培养繁殖。(4)操作目的：按照人的意愿去改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的综合性科学技术。(5)分类：根据研究对象：a植物细胞工程；b动物细胞工程等。根据使用技术：a植物组织培养技术；b细胞融合技术；c细胞核移植技术等。3植物组织培养技术(1)细胞全能性：含有一个物种全套遗传物质的细胞都具有发育成为一个新的生物个体的潜能，细胞的这种特性称为细胞全能性。(2)植物组织培养：指依据细胞全能性原理，在无菌条件下，分离植物的器官、组织、细胞或原生质体，并在培养基上培养，在适宜
3、的条件下使其发育成部分或完整植株的技术。(3)培养材料：最常用的是植物的茎尖、根尖、幼嫩的叶片和花药等，也称外植体。(4)一般过程：外植体(分离的植物器官、组织、细胞或原生质体)(无菌，适宜的培养基)脱分化愈伤组织(一团没有特定结构和功能并处于旺盛分裂状态的薄壁细胞)再分化胚状体或根和芽完整植物体(5)条件(6)培养基的成分：通常包括水分、无机盐、碳源、氮源、维生素等。(7)植物细胞的脱分化(或去分化)：由已经分化的植物细胞形成愈伤组织的过程。(8)再分化：愈伤组织继续培养，重新诱导分化形成胚状体或根和芽等的过程。下图所示为胡萝卜的韧皮部细胞通过无菌操作，接入试管后，在一定条件下，形成试管苗的
4、培育过程，请据图分析：探讨：在植物组织培养过程中，为什么要进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作？提示：防止杂菌感染。探讨：图中A是什么过程？为什么该过程要求“避光条件”下培养？B是什么过程？该过程也需要“避光条件”培养吗？提示：脱分化；脱分化过程中，光照易诱导分化产生导管等组织，不利于形成愈伤组织。再分化；再分化过程中一定要有光照，利于组织分化和分化出的芽、叶进行光合作用。探讨：植物组织培养所用的培养基中在脱分化和再分化中起关键作用的激素是什么？ 提示：细胞分裂素和生长素。探讨：从繁殖方式上看，植物组织培养属于哪种繁殖方式？为什么？ 提示：无性繁殖。植物组织培养是在细胞有丝分裂和细胞分化的
5、基础上实现的，此过程并没有生殖细胞的产生，所以是无性繁殖。1对细胞全能性的理解(1)理论依据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。(2)细胞全能性的内涵和原因内涵：高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。原因：具有该物种的全部遗传信息。(3)实现全能性的条件材料离体的植物细胞、组织或器官培养基种类齐全、比例合适的营养物质及一定的植物激素外界条件无菌操作、光照(4)细胞全能性的标志：由细胞发育成完整的个体。(5)不同细胞的全能性比较受精卵(全能性最高)卵细胞(具有较高的潜在全能性)体细胞(全
6、能性较低)。未分化或分化程度低的细胞分化程度高的体细胞。植物细胞动物细胞；增殖细胞不增殖的细胞。随着细胞分化的程度不断提高，细胞的全能性逐渐减小。(6)植物细胞表达全能性的条件具有完整细胞结构，处于离体状态。在一定的营养物质、植物激素(主要是生长素、细胞分裂素等)和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。特别提醒在植物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织和器官，这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。但它们的遗传潜力并没有丧失，全部的遗传信息仍然被保存在DNA的序列中，一旦脱离原来组织和器官的束缚成为游离状态的细胞，在一定的营养条件下，并在植物激素的
7、诱导下，就能表现出全能性，发育成完整的植株。细胞全能性的针对对象是多细胞生物的细胞，而非单细胞生物的细胞。2植物组织培养的培养基及培养过程(1)培养基的成分及作用成分主要内容作用水水(H2O)为细胞代谢提供液体条件，参与细胞代谢无机营养大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg、Na等微量元素：Fe、Mn、Mo、B、Cu、Zn满足植物对各矿质元素的需求，参与各种物质合成、代谢调节，生长必需有机营养蔗糖提供碳源、调节渗透压氨基酸提供氮源维生素如B1、B3、B5、B6等合成酶或辅酶天然附加物酵母提取物、玉米胚乳、麦芽浸出物、番茄汁有利于愈伤组织的诱导和再分化生长物质生长素、细胞分裂素等诱导脱分化形成愈伤
8、组织，诱导愈伤组织再分化形成植株(2)培养过程培养流程离体的植物器官、组织、细胞或原生质体愈伤组织胚状体或丛芽(试管苗)植株。几个生理过程的比较名称过程形成体特点培养基中的主要激素光照条件条件脱分化由外植体成为愈伤组织排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团生长素或2，4D(生长素类似物)避光(1)离体(2)提供营养物质(3)提供激素(4)提供其他适宜条件再分化由愈伤组织成为幼苗或胚状体有根、芽或有生根发芽的能力生长素与细胞分裂素需光营养生长、生殖生长发育成完整的植物体由根、茎、叶、花、果实、种子组成自身产生的各种植物激素需光栽培1下列对细胞全能性的表述，正确的是()A离体的植物细胞均能表现出全能性B
9、肝脏细胞是高度分化的动物细胞，没有全能性C花粉可培育成单倍体植株是细胞全能性的表现D植物体内细胞由于分化，全能性不能表达【解析】离体的植物细胞要表现出全能性还需营养物质、植物激素和其他适宜外界条件。肝脏细胞是高度分化的动物细胞，全能性受到限制，但其细胞核仍具有全能性。分化的植物细胞具有全能性，但细胞要表达全能性必须要在一定条件下离体培养。【答案】C2下图是基因型为AaBb的菊花茎尖离体培养示意图，据图回答下列问题：菊花茎尖培养基中培养植物体(幼苗)(1)图中B是_。菊花茎尖培养成植物体的根本原因是_。(2)菊花的组织培养形成试管苗的过程中，其中应大量供给的元素是_。试管苗形成过程中要给予一定光
10、照，其目的是_。要促进茎尖细胞分裂、分化和生长，培养基中应含有_激素。(3)脱分化是指_，脱分化和再分化这两个过程的进行除必要的温度和氧气等外界条件外，还要保证_。否则植物组织培养就不能成功。(4)这样培养成的试管苗的基因型是_。【解析】(1)离体的植物组织或细胞，在培养了一段时间以后，会通过细胞分裂，形成愈伤组织。脱分化产生的愈伤组织继续培养，又可以重新分化成根或芽等器官，这个过程叫做再分化。再分化形成的试管苗，移栽到地里，可以发育成完整的植物体。菊花茎尖培养成植物体的根本原因是植物细胞具有全能性。(2)离体的植物组织和细胞，对营养、环境等条件的要求相对特殊，需要配制适宜的培养基。常用的一种
11、培养基是MS培养基，其主要成分包括：大量元素，如N、P、K、Ca、Mg、S。试管苗形成过程中要每日用日光照射12 h，其目的是试管苗形成过程中要进行光合作用合成有机物。植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，故培养基中要加入生长素和细胞分裂素。(3)由高度分化的植物器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程称为植物细胞的脱分化，或者叫做去分化。脱分化和再分化这两个过程的进行除必要的温度、光照和氧气等外界条件外，还要保证无菌。否则植物组织培养就不能成功。(4)由于植物组织培养过程，细胞进行的是有丝分裂，故培育成的试管苗的基因型是AaBb。【答案】(1)具根、
12、芽的胚状体(丛芽、根和芽)植物细胞具有全能性(2)N、S、P、K、Ca、Mg试管苗形成过程中要进行光合作用合成有机物细胞分裂素和生长素(3)高度分化的植物器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程无菌 (4)AaBb知识点二| 细胞融合技术、植物体细胞杂交、细胞核移植及细胞工程的应用1细胞融合技术(1)概念：细胞融合技术是采用自发或人工的方法使两个或多个细胞融合为一个细胞的技术。(2)融合过程：在促融合因子的作用下，细胞膜发生粘连、破裂，细胞质发生融合，进而发生核融合，形成杂种细胞。(3)促融合方法：生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)。
13、2植物体细胞杂交(1)概念：运用细胞融合技术，在一定条件下把不同种植物的体细胞融合形成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术称为植物体细胞杂交。(2)原生质体：是指去除植物细胞壁后裸露的植物细胞结构等。(3)植物细胞杂交过程不同来源植物细胞不同细胞原生质体融合的原生质体杂种细胞愈伤组织杂种植株。(4)实例：白菜甘蓝品种的获得。3细胞核移植技术(1)动物细胞核移植技术：是把一个动物细胞的细胞核移入一个已经去除细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育为一个新的胚胎，最终发育为一个动物个体的技术。(2)早期的核移植技术：利用显微操作的方法将卵母细胞的细胞核取出，再注入其他细胞的细胞核。(3)随着显微
14、技术的发展：用类似的技术移植细胞中的各种细胞器。4细胞工程的应用(1)理论上：利用细胞工程技术不仅可以在不同的植物之间、动物之间、微生物之间进行物种间的杂交，甚至可以在植物、动物和微生物之间进行物种间的杂交以形成前所未有的新物种。(2)实际上：不仅在农业、林业生产中被广泛应用，还在医疗领域得到广泛应用。利用植物体细胞杂交技术将白菜和甘蓝(均为二倍体)培育成“白菜甘蓝”杂种植株(如下图所示)，请据图分析：探讨：将白菜体细胞和甘蓝体细胞融合时，首先遇到的障碍是什么？用什么方法可以解除此障碍？提示：细胞壁阻碍细胞间的融合。用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。探讨：只考虑两两融合，原生质体A和B可以形成几种
15、融合细胞？哪种融合细胞才是符合要求的？提示：三种。AB才是符合要求的。探讨：细胞融合完成的标志与植物体细胞杂交完成的标志相同吗？为什么？ 提示：不相同。细胞融合完成的标志是杂种细胞再生出细胞壁，而植物体细胞杂交完成的标志是培育出杂种植株，而不是形成杂种细胞。探讨：从结果上看杂种植株在遗传上有何特点？从杂种植株的染色体组成上看属于何种变异？ 提示：(1)遗传物质来自两个亲本，具有双亲的遗传性状。(2)染色体数目增加，属于染色体数目的变异。探讨：从新品种培育的角度分析，植物体细胞杂交技术最大的优点是什么？提示：克服了不同种植物远缘杂交的障碍，使不同种植物杂交成为可能。1细胞融合技术(1)融合原理：
16、细胞膜的流动性。(2)融合对象：2个或多个不同细胞。(3)促融合方法：生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)。(4)几种融合方法的比较：类型 区别生物法化学法物理法诱导型疱疹病毒、仙台病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等聚乙二醇、高浓度钙离子等电场常用方法病毒诱导融合法聚乙二醇诱导融合法电场诱导融合法优点易培养，对各种动物细胞都适宜，融合率高使用方便，诱导细胞融合频率高频率高，对细胞无毒害，操作简便，可重复性好缺点有些病毒(如仙台病毒)不稳定，在保存过程中活性会降低；而且病毒进入细胞后，可能对细胞的生命活动产生干扰有些物质(如聚乙二醇)有一定的毒性，对有
17、些细胞(如卵细胞)不适用目前没有发现(5)融合结果：形成杂种细胞。(6)融合过程：2个或多个不同细胞的质膜发生粘连、破裂细胞质发生融合发生核融合形成杂种细胞。(7)融合意义：突破有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。2植物体细胞杂交技术(1)原理：细胞膜的流动性和细胞的全能性。(2)基础：植物组织培养。(3)操作过程步骤方法原生质体的获得酶解法(纤维素酶、果胶酶)去除细胞壁，得到原生质体杂种细胞的形成通过一定的技术手段(电激、聚乙二醇诱导等)进行人工诱导实现原生质体的融合杂种植株的产生对杂种细胞用植物组织培养的方法进行培育(4)体细胞融合成功以后，既有AB型杂种细胞，也能形成AA型和BB型两种融
18、合细胞，但只有AB型细胞是植物体细胞杂交所需要的杂种细胞，因此在杂种细胞形成后还应有一个筛选过程。(5)细胞融合完成的标志是产生新的细胞壁。(6)植物体细胞杂交完成的标志是获得杂种植株而不是获得杂种细胞。(7)优点：克服了植物远缘杂交不亲和的障碍，在培育作物新品种方面具有广阔的应用前景，如科学家已经培育出了白菜甘蓝、烟草海岛烟草等种间杂种。特别提醒杂种细胞产生的标志是新细胞壁的形成。植物体细胞杂交技术包括植物细胞融合和植物组织培养两个过程，结果是产生新的植株。从生殖类型上看，植物体细胞杂交技术没有有性生殖细胞的形成和结合，应属于无性生殖；从变异类型上看，应是染色体数目变异。假设用于体细胞杂交的
19、双方细胞都有2个染色体组，则杂种细胞及由杂种细胞发育而来的杂种植株有4个染色体组，被称为四倍体。1通过植物体细胞杂交可以获得“烟草菠菜”一种新型的烟草品种。下图为培育杂种植株过程的示意图，下列操作不是必需的是()A在融合之前除去两种细胞的细胞壁B原生质体先进行脱分化处理再融合C原生质体融合后筛选杂种细胞继续培养D诱导杂种细胞形成愈伤组织再分化成植株【解析】植物体细胞的杂交过程：在植物细胞融合之前除去两种细胞的细胞壁，获得具有活力的原生质体；原生质体融合后筛选杂种细胞继续培养；诱导杂种细胞形成愈伤组织再分化成植株。可见，原生质体先进行融合处理再进行脱分化。【答案】B2下图为“番茄马铃薯”的培育过
20、程示意图，请据图回答：(1)在“番茄马铃薯”的培育过程中，主要运用了植物细胞工程中的_技术，原理是_。(2)可用_对番茄和马铃薯细胞进行处理获得原生质体；诱导番茄和马铃薯原生质体融合的化学试剂一般用_。(3)愈伤组织常用作诱变育种的理想材料，理由是_。(4)不同物种生物之间存在着天然的_，用传统的有性杂交方法不可能得到二者的杂种后代，而体细胞杂交可以克服远缘杂交不亲和的障碍。(5)植物组织培养的培养基中除了含有一定的营养物质之外，还必须含有_从而促进愈伤组织的形成和再分化。【解析】(1)要形成番茄马铃薯杂交植株，必须通过植物体细胞杂交。该技术运用了细胞膜具有流动性的原理及植物细胞具有全能性的原
21、理。(2)植物体细胞杂交时，首先要用酶解法去除细胞壁，形成原生质体，然后用促融方法促进原生质体融合，常用的化学促融剂是聚乙二醇(PEG)。(3)愈伤组织具有旺盛的分裂增殖能力，不断进行DNA复制，容易发生基因突变，因此，可施予一些诱导因素，使其发生更多的变异。(4)自然条件下，物种之间存在生殖隔离。(5)植物组织培养基除含有水、矿质离子、蔗糖、维生素等营养物质外，还必须含有一定浓度的植物激素，如生长素、细胞分裂素，它们存在的比例不同，可分别诱导根或芽的分化。【答案】(1)植物体细胞杂交细胞膜的流动性和细胞的全能性(2)纤维素酶和果胶酶聚乙二醇(PEG)(3)愈伤组织处于不断地分生状态，容易受到
22、培养条件的影响而产生基因突变(4)生殖隔离(5)植物激素(植物生长调节剂)课堂小结知识网络构建核心语句归纳1.植物组织培养和细胞核移植技术的生物学原理是细胞全能性。2细胞融合技术依据的生物学原理是细胞膜的流动性。3植物组织培养成功的关键是避免微生物污染，因此应在无菌条件下进行。4植物组织培养中植物激素是启动细胞分裂、分化的关键因素。5植物组织培养中常用的植物激素是生长素和细胞分裂素。1下面哪一位科学家获得了世界上第一个体细胞杂交植株()A哈里森 B高特里特C卡尔逊 D韦尔穆特【解析】哈里森成功地培养蛙胚神经组织并存活数周，这一工作开创了动物细胞培养的先河。高特里特离体培养胡萝卜组织，首次成功进
23、行了植物组织培养。卡尔逊成功将两个不同种的烟草细胞原生质体进行融合，获得了世界上第一个体细胞杂交植株。韦尔穆特克隆出“多莉”羊。【答案】C2细胞工程是一门综合科学技术，下列哪些技术属于细胞工程()有性杂交细胞融合组织培养细胞核移植染色体工程蛋白质工程A B C D【解析】本题考查细胞工程技术的类型。有性杂交不属于细胞工程技术，蛋白质工程属于基因工程。【答案】C3植物细胞的全能性是指()A具有核、膜、质，细胞结构完整，能进行各种生理活动B只具有膜和质，同样能进行各种生理活动C植物体细胞所具有的发育成完整个体的潜能D具有本物种全套遗传物质的特定细胞【解析】具有某种植物全部遗传物质的任何一个细胞，都
24、有发育成完整新植物体的潜能，也就是说，每个植物细胞都具有全能性。【答案】C4下列属于植物组织培养的是()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受精卵发育成植株【解析】花粉经离体培养成单倍体植株利用的是植物组织培养技术。芽发育成枝条、根尖分生区发育成成熟区都是植物的正常生长发育过程，是细胞分裂和分化的结果；植物经传粉受精后形成受精卵，受精卵最终发育成植物体，属于有性生殖。【答案】A5在促进细胞融合的促融合因子的作用下，不同细胞可完成融合，正确的融合过程顺序是()不同细胞的细胞核融合杂种细胞的形成细胞质膜粘连、破裂细胞质融合A B C D【解析】在促融合因子的作用下，不同细胞之间的质膜发生粘连、破裂，然后细胞质融合，进而发生细胞核的融合，最终形成杂种细胞。【答案】C
