选修3课题2细胞工程学案设计Word下载.docx
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细胞分裂能力强>细胞分裂能力弱幼嫩细胞>衰老细胞分化程度低>分化程度高
(5)植物细胞全能性体现的条件
①前提条件:
处于离体状态下
②培养条件:
a.培养条件:
营养物质(水、无机盐、蔗糖、氨基酸和有机酸等)
b.激素(如细胞分裂素、生长素等)
c.其他条件(无菌、适宜的温度和pH等)。
【提醒】 卵细胞虽然分化程度较高,但是仍然具有较高的潜在全能性。
(二)植物组织培养技术
1.实验:
胡萝卜的组织培养P34
(1)原理:
(2)材料
(3)方法步骤
2.植物组织培养过程
(1)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。
(2)原理:
细胞的全能性
(3)过程
外植体(离体的植物组织、器官或细胞)
愈伤组织
胚状体或丛芽
试管苗→完整植株
(4)注意事项
①取材:
选取有形成层的部位最容易诱导形成愈伤组织。
②光照:
在愈伤组织的诱导阶段往往要暗培养,有利于细胞脱分化产生愈伤组织。
当愈伤组织分化出芽和叶时,一定要有光照,有利于叶片内叶绿素的合成。
(5)地位:
是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。
(6)培养条件
①离体
②含有全部营养成分的培养基(水、无机盐、蔗糖——维持渗透压)、激素
③一定的温度、空气、适合的PH值、适时光照
④无菌环境
(7)几组基本概念
①脱分化:
已经分化,并且具有一定功能的体细胞,丧失了原有的结构和功能,又重新恢复了分裂功能,即外植体→愈伤组织
②愈伤组织:
外植体通过脱分化形成的处于未分化状态,细胞排列疏松而无规则的一团无定形状态的薄壁细胞,称为愈伤组织。
③再分化:
处于脱分化状态的愈伤组织继续培养,愈伤组织就会重新进行分化,进而发育成一棵完整植株的过程。
④脱分化的实质:
基因选择性表达,恢复细胞全能性过程
⑤脱分化和再分化的比较
比较内容
脱分化
再分化
过程
外植体→愈伤组织
愈伤组织→幼苗
形成体特点
排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞
有根、芽
需要条件
a.离体b.适宜的营养c.生长素/细胞分裂素的比例适中d.不需光
a.离体b.适宜的营养c.生长素/细胞分裂素的比例高或低诱导生根或生芽d.光照
(8)植物激素的作用
①生长素类:
用于诱导细胞分裂和根的分化
②细胞分裂素类:
主要是促进组织细胞的分裂或从愈伤组织和器官上分化出不定芽
③赤霉素类:
刺激培养细胞的伸长,刺激分化的丛芽或小植株快速增高
④生长素与细胞分裂素的协同调控作用
a.当生长素含量高于细胞分裂素时,主要诱导植物组织脱分化和根原基形成。
b.当生长素含量低于细胞分裂素时,主要诱导植物组织再分化和芽原基形成。
c.当生长素含量等于细胞分裂素时,主要诱导愈伤组织的形成。
提醒:
①幼嫩的组织脱分化较为容易,如茎尖、根尖、形成层细胞易脱分化,而植物的茎、叶和成熟的组织则较难。
②对外植体要进行消毒处理,而对各种器械要彻底灭菌。
③植物组织培养中用到的有机碳源一般为蔗糖,用葡萄糖也可以,但后者的成本高。
④诱导愈伤组织再分化形成胚状体或丛芽及生根的过程中,要进行换瓶处理,以改变培养基中的激素配比及浓度。
(三)植物体细胞杂交技术
1.概念:
植物体细胞杂交就是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。
2.原理:
细胞膜的流动性和细胞的全能性。
3.植物体细胞杂交步骤
(1)去掉细胞壁,分离出有活力的原生质体。
目前最常用的去细胞壁的方法是酶解法,也就是在温和条件下用纤维素酶、果胶酶等分解植物细胞的细胞壁。
(2)不同植物体细胞原生质体融合,必须通过物理方法或化学方法来诱导融合。
①物理方法:
显微操作、离心、振动、电刺激等促使原生质体融合。
②化学方法:
是用聚乙二醇(PEG)等试剂作为诱导剂来诱导融合。
(3)用植物组织培养方法进行培育,可得到杂种植株。
4.技术流程
考点解读:
①杂种细胞的类型有三种:
AA、BB、AB,符合要求的只有AB,需要进行筛选。
②杂种细胞AB形成的标志:
新的细胞壁的生成。
③杂种植株遗传物质的变化:
细胞融合属于染色体变异,杂种植株的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和,形成异源多倍体。
5.该技术的目的:
植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株,而不是形成杂种细胞就结束。
杂种植株特征:
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。
6.该技术在育种上应用时最大的优点:
克服远缘杂交不亲和的障碍。
7.未解决的问题
目前还不能让杂种植物完全按人们的需要去表达亲代的优良性状,如番茄——马铃薯。
8.与传统有性杂交相比,其优越性表现在
传统杂交
细胞杂交
依据
杂种优势
细胞全能性、原生质体融合
自然发生,在母体完成胚发育
人工诱导融合,需组织培养
本质
精、卵两种生殖细胞结合,完成遗传物质的重新组合
不同生物的体细胞融合,完成遗传物质的融合
优点
杂种第一代生长整齐、植株健壮、产量高、抗虫抗病能力强
克服远源杂交不亲和障碍,实现不同种间的杂交
缺点
存在生殖隔离;
杂种第二代会出现生长不齐、产量下降等现象
很多理论、技术问题未解决,距离推广应用有一定差距
目的
获得杂种优势,提高产量
获得优良性状
应用范围
种内
种内、种间均可
※思维误区警示——易错分析——对植物体细胞杂交和有性杂交辨析不清
(1)植物体细胞杂交
若两个不同品种的植物细胞A、B进行融合,A含有2X条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,B含有2Y条染色体,2个染色体组,其基因型为ccDd,则新植株应为四倍体,其体细胞中染色体数为2X+2Y,基因型为AabbccDd,从中不难看出,体细胞杂交即两个细胞融合成一个细胞,不管染色体数、基因组还是染色体组都采用直接相加的方法。
(2)植物有性杂交
有性杂交的结果:
子代细胞中染色体数,基因型分别为“X+Y”、“AbcD”或“abcD”或“Abcd”或“abcd”,即先减半再相加。
(3)有性生殖过程中符合孟德尔遗传定律,而植物体细胞杂交则不符合孟德尔遗传定律。
【深挖教材】通过植物体细胞杂交形成的杂交植株是否一定可育?
提示:
是否可育看同源染色体能否正常联会。
若植物体细胞杂交过程得到的杂种植物存在同源染色体,能正常联会,则可育。
二、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
植物微型繁殖技术又叫快速繁殖技术,是指用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
(2)特点:
能保持亲本遗传特性;
高效快速地实现种苗的大量繁殖;
不受自然生长季节的限制。
(3)实质:
植物组织培养
(4)原理:
植物细胞全能性
(5)优点:
繁殖速度快,周期短,不受季节、气候、自然灾害等因素的影响,并可实现工厂化生产。
(6)实例:
优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物等,如荷兰的兰花。
2.作物脱毒
把已被病毒感染的植物进行脱毒的技术。
(2)常用方法:
茎尖组织培养技术
(3)作物脱毒的原因:
进行无性生殖的植物,因为无性繁殖时亲代传给子代的是体细胞,它们感染的病毒很容易传给后代,病毒在体内逐代繁殖、逐年积累,就会导致作物产量降低、品质变差。
(4)材料的选择:
农作物体内都带有病毒,但在茎尖、根尖组织中,由于代谢十分旺盛、细胞分裂速度快等原因而不含病毒。
用茎尖进行组织培养可以获得脱毒苗。
(5)方法:
组织培养(6)特点:
再生植株无病毒,提高产量
(7)结果:
脱毒苗
(8)例:
马铃薯、草莓等主要经济作物。
3.人工种子
人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,经过人工薄膜包装得到的种子。
(2)组成:
人工种子主要由三部分组成
一是胚状体,它相当于天然种子的胚,是有生命的物质结构;
二是供胚状体维持生命力和保证其在适宜的环境条件下生长发育的人工胚乳;
三是具有保护作用的“人工种皮”。
(3)优点:
可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖;
快速高效繁殖;
人为控制植物的生长发育与抗逆性;
不受季节限制;
不会造成遗传性状的改变;
成本低、贮藏运输方便、生产周期短等。
(4)原因:
①不少树木数年后才结果。
②优良杂种后代性状分离,失去优良性。
③种子生产受季节、气候、地域限制,且占土地。
(5)人工种皮是胚状体顺利生长的关键部分,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、还可以加植物生长调节剂等,以利于胚状体生长发育成幼苗。
【提醒】微型繁殖、作物脱毒、获得人工种子的本质是植物组织培养技术,属于无性生殖,产生的子代具有亲本的遗传特性,变异性小,容易保持亲本的优良性状。
(二).作物新品种的培育
杂交育种——优点:
操作简单
单倍体育种——优点:
明显缩短育种年限,后代不发生性状分离
筛选
1.单倍体育种:
花药离体培养过程就是植物组织培养过程。
(1)过程:
(2)优点:
是后代不发生性状分离,都是纯合子,能够稳定遗传,明显缩短了育种年限。
2.突变体的利用:
(1)产生原因:
在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,因此容易受到培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而发生突变。
(2)利用:
筛选突变体,培育成新品种。
(三).细胞产物的工厂化生产
1.原理:
植物细胞在代谢过程中,能够产生一些有机化合物,可以通过大规模培养植物细胞,从中提取这些物质。
2.技术:
植物组织培育技术
外植体(离体的植物器官、组织或细胞)→愈伤组织→细胞悬液→细胞产物
3.例子:
如人参皂甙、奎宁、紫杉醇,它们可以作为药物、杀虫剂、香料、色素等。
三、动物细胞培养
1.概念:
从动物机体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和增殖。
2.操作流程
3.培养条件
①无菌、无毒的环境——无菌处理(加抗生素杀菌)、定期更换培养液(细胞代谢产物)。
②营养——葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐和微量元素+血清或血浆等天然成分。
③温度和pH——(36.5±
0.5)℃和(7.2~7.4)。
④气体环境——95%空气+5%CO2。
易错点:
①CO2作用——调节培养基pH;
②空气中O2作用——细胞有氧呼吸;
③所用装置——CO2培养箱。
④动物细胞培养时,一般选取幼龄动物的组织、器官,其细胞的分化程序较低,增殖能力强,有丝分裂旺盛,容易培养。
⑤在动物细胞培养过程中,一般情况下10代以前的细胞核型不变,10代以后有些细胞核型发生改变,50代以后的细胞可能发生癌变。
⑥胰蛋白酶在动物细胞培养过程中的作用包括将组织分散成单个细胞,以及将贴壁细胞从瓶壁上分离下来,这样做的目的是避免动物细胞的接触抑制现象。
4.原理:
细胞增殖
5.应用
(1)生产细胞产品:
干扰素、疫苗、单克隆抗体。
(2)检测并判断某毒性物质毒性的大小。
(3)临床医学研究。
拓展提升:
植物组织培养与动物细胞培养的比较
比较项目
动物细胞培养
原理
细胞的增殖
细胞来源
离体的植物器官、组织或细胞(植物细嫩的部位或花药等)
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
培养基
培养基的物理性质
固体
液体(合成培养基)
培养基的成分
水、矿质元素、维生素、蔗糖、氨基酸、植物激素、有机添加剂、琼脂等
葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清等
器皿
锥形瓶
培养瓶
过程(简)
高度分化的组织→愈伤组织→幼根和芽→完整植株
动物组织→单个细胞→细胞悬液→原代培养→接触抑制→传代培养
生长特点
诱导形成愈伤组织,细胞增殖分化
贴壁生长,细胞增殖不分化
细胞进行异养需氧代谢
接种前处理
灭菌
灭菌、用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理,使组织分散成单个细胞
培养条件
常温、无菌、光照条件控制
恒温、无菌、无需光照
结果
新的植株或组织
新的细胞株或细胞系
①植株快速繁殖
②脱毒植株的培育
③人工种子
④生产药物、杀虫剂、食品添加剂、香料、色素等
⑤转基因植物的培育
①蛋白质生物制品的生产
②皮肤移植材料的培育
③检测有毒物质
④生理、病理、药理学研究
取材
其他条件
均为无菌操作,需要适宜的温度、pH、O2等条件
四、动物体细胞核移植和克隆动物
1.概念:
动物细胞核移植是将动物的细胞核移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育为动物个体。
用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。
2.操作流程
3.分类:
胚胎细胞核移植和体细胞核移植(难度大)
原因:
动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易。
4.原理(理论基础):
动物细胞核的全能性(不能说动物细胞全能性)。
5.该过程用到的技术手段:
动物细胞培养、动物细胞融合、早期胚胎培养和胚胎移植。
6.卵母细胞选择时期及原因
减Ⅱ中期的卵母细胞,此时具备受精能力,细胞质中合成与分裂、分化有关的物质能刺激融合后重组细胞进行分裂分化,形成重组胚胎。
7.选卵细胞作为受体细胞的原因
①大,易于操作;
②卵黄多,营养丰富,为发育提供充足的营养;
③能激发重组细胞分裂分化。
8.供体细胞:
取供体动物的体细胞培养,一般选用传代10代以内的细胞,因为10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型,保证了供体细胞正常的遗传基础。
9.动物体细胞不能经培养直接发育成完整个体,原因是动物体细胞的全能性受到限制。
用体细胞核移植技术能够得到克隆动物,说明动物体细胞的细胞核具有全能性。
10.核移植产生的克隆动物与提供细胞核的亲本不同的原因
①克隆动物细胞质基因来源于另一个亲本。
所以与植物组织培养不同(只来自于一个亲本),克隆动物遗传物质来自2个亲本。
②在发育过程中可能发生基因突变,染色体变异导致性状改变。
③外界环境条件的影响引起不可遗传的变异。
11.应用及存在问题
(1)应用:
加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育、保护濒危物种、克隆器官用于移植等。
(2)存在问题:
①成活率低;
②克隆动物的健康问题;
③克隆动物食品的安全性问题。
12.局限性:
克隆动物的细胞核基因型未变,因此只能繁殖单一性别的动物。
13.克隆人
(1)过程
(2)分类
类型项目
治疗性克隆
生殖性克隆
区别
治疗人类疾病
用于生育,产生新个体
水平
细胞水平
个体水平
联系
都属无性繁殖;
产生新个体、新组织,遗传信息相同
易错点——对克隆与组织培养、试管动物(婴儿)区分不清
克隆
组织培养
试管动物(婴儿)
生殖方式
无性
有性
遗传物质来源
2个亲本
1个亲本
性别决定
提供核亲本
一般没有
精子类型
用途
优良种畜快速繁育,可选择性别
快速繁殖无病毒植株
解决不孕不育
现状
不成熟
成熟
注:
克隆动物和试管动物的培育过程中均会用到的生物技术有动物细胞培养(早期胚胎培养)、胚胎移植。
五、动物细胞融合
1.概念:
动物细胞融合也称细胞杂交,是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。
融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞,称为杂交细胞。
2.原理:
生物膜的流动性。
3.方法:
聚乙二醇、灭活的病毒、电激等。
4.意义:
①突破有性杂交方法的局限,使远缘杂交成为可能;
②成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育等的重要手段;
③制备单克隆抗体。
六、单克隆抗体
1.过程示意图
※关键环节:
用胰蛋白酶使细胞分散开再诱导融合
2.技术原理:
①单个B淋巴细胞产生单一抗体(但不能无限增殖)
②肿瘤细胞能无限增殖(但不能分泌单一抗体)
③细胞融合技术杂交瘤细胞(既无限增殖又分泌单一抗体)
④动物细胞培养技术大量培养杂交瘤细胞(获取大量单克隆抗体)
原始获得抗体的方法——向动物体内反复注射某种抗原,使动物产生抗体,然后,从动物血清中分离所需抗体。
(缺点:
产量低、纯度低、特异性差)
3.原理:
细胞膜的流动性和细胞增殖。
4.单克隆抗体的特点:
特异性强、灵敏度高,并可以大量制备。
5.应用:
(1)制备单克隆抗体
(2)诊断、治疗、预防疾病。
例如:
单抗诊断盒、“生物导弹”治疗癌症。
6.易混易错点:
(1)取相应B细胞前必须先注射相应(特定)抗原,若是生物最好加上灭活字样,形象地说先“打针”,否则失败。
(2)诱导融合的两种细胞名称及作用:
免疫过的B淋巴细胞(浆细胞)——产生特异性抗体;
骨髓瘤细胞——无限增殖。
(3)诱导融合与原生质体融合的不同方法:
动物细胞诱导融合的特有方法——灭活的病毒诱导。
(4)两次筛选的目的及方法:
①在特定的选择培养基上,未融合的亲本细胞(浆细胞和骨髓瘤细胞)和融合的具有同种核的细胞(BB融合细胞、瘤瘤融合细胞)都会死亡,只有融合的杂种细胞(杂交瘤细胞)才能生长。
这种杂种细胞的特点是既能迅速大量繁殖,又能产生单一的特异性抗体。
②经选择性培养的杂交瘤细胞并非都是能分泌所需抗体的细胞(很多种杂交瘤细胞),需经克隆化培养和抗体检测,经多次筛选后就可获得足够数量的能分泌所需抗体的细胞。
(5)两种培养提取场所
①体外培养——培养液提取。
②体内小鼠腹腔中培养——小鼠腹水中提取。
(6)杂交细胞融合成功的标志——杂交细胞进行有丝分裂
(7)生物导弹的组成:
单克隆抗体+药物;
为了便于了解生物导弹的作用部位,常常对生物导弹中的成分进行同位素标记。
(8)体内培养与体外培养相比,优点是:
无需再提供营养物质以及无菌环境,操作简便。
【深挖教材】
(1)动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶的作用有何不同?
第一次使用胰蛋白酶处理剪碎的组织使之分散成单个细胞,第二次用胰蛋白酶的目的是使贴壁细胞从瓶壁上脱落下来,分散成单个细胞。
(2)动物体细胞核移植技术为何选用去核卵(母)细胞?
卵母细胞比较大,易操作;
卵(母)细胞细胞质多,营养丰富,含有促进细胞核全能性表达的物质。
(3)通过动物体细胞核移植技术获得的克隆动物,其遗传物质是否和供核细胞的遗传物质完全一样?
不完全一样。
细胞核遗传物质一样,但细胞质遗传物质和提供去核卵母细胞的个体几乎完全一样。
名师扩展——总结
(1)细胞工程的理论基础和繁殖方法的比较
类别
项目
植物细胞工程
动物细胞工程
细胞培养
体细胞杂交
细胞核移植
胚胎(分割)移植
细胞融合
繁殖方式
无性繁殖
有性繁殖
原理/理论基础
细胞膜的流动性
(2)植物部分育种方式的比较
自然种子
人工种子
植物体细胞杂交
转基因植物
方式
植物细胞的全能性
植物细胞的全能性、植物细胞膜的流动性
动物细胞核的全能性
方法
离体的植物器官、组织或细胞→愈伤组织→根、芽→植物体
去掉细胞壁→诱导原生质体融合→组织培养
核移植→胚胎移植
快速繁殖、培育无病毒植株等
克服远缘杂交不亲和的障碍,培育出作物新品种
繁殖优良品种,用于保存濒危物种,有选择地繁殖某性别的动物
技术要求高、培养条件严格
技术复杂,难度大;
需植物组织培养等技术
导致生物品系减少,个体生存能力下降。
举例
试管苗的培育、培养转基因植物
培育“番茄马铃薯”杂种植株
“多利”羊等克隆动物的培育
(3)比较
(4)动、植物细胞工程技术手段的原理和工具酶
比较
原理
①植物组织培养——细胞全能性
②植物体细胞杂交——细胞的全能性、细胞膜流动性
①动物细胞培养——细胞增殖
②体细胞核移植——动物细胞核的全能性
③单克隆抗体的制备——细胞膜的流动性、细胞增殖
④动物细胞融合——细胞膜流动性
工具酶
纤维素酶、果胶酶
胰蛋白酶、胶原蛋白酶
名师补充:
1.植物组织培养与植物体细胞杂交的区别与联系
名称
细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
选材
选取根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化
不同种的植物体细胞融合后形成杂种细胞
技术
操作
脱分化、再分化等
除脱分化、再分化外,还要用酶解法去除细胞壁,用一定的方法诱导原生质体融合
关系
植物组织培养是植物体细
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