1、第四章第四章 植物组织与细胞培养植物组织与细胞培养 所采用技术所采用技术的理论基础的理论基础 植植物物细细胞胞工工程程 通常采用的通常采用的技 术 手 段技 术 手 段 植物组织培养植物组织培养 植物原生质体培植物原生质体培养与体细胞杂交养与体细胞杂交 植物细胞的全能性植物细胞的全能性 植物细胞培养植物细胞培养 第一节第一节 植物细胞工程概述植物细胞工程概述 第二节第二节 植物组织与器官培养植物组织与器官培养 第三节第三节 植物细胞培养植物细胞培养 第四节第四节 原生质体培养和体细胞杂交原生质体培养和体细胞杂交 第一节第一节 植物细胞工程概述植物细胞工程概述 一一 植物细胞工程的定义植物细胞工
2、程的定义 二二 植物细胞工程的内容植物细胞工程的内容 三三 存在的理论与生产问题存在的理论与生产问题 四四 植物组织培养与细胞培养的区别植物组织培养与细胞培养的区别 五五 植物细胞与组织培养技术内容与分类植物细胞与组织培养技术内容与分类 一一、植物细胞工程植物细胞工程（plant cell engineering）的定义：的定义：是在植物细胞全能性的基础上，以植物细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为的精细操作，使细胞的某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良品种或创制新种，或加速繁殖植物个体，或获得有用产物的过程。二、二、植物细胞工程的内容：植物细胞工程的内容：A、植物细胞工
3、程（对象或内容）植物细胞与组织培养技术 植物细胞融合技术 植物细胞质工程技术 植物染色体工程技术 转基因植物技术 B、植物细胞工程（目的或应用）植物细胞工程与育种 植物细胞工程与体外快速繁殖 植物细胞工程与优质种质体外保存 植物细胞工程与药物 食品工业化生产 三、存在的理论与生产问题三、存在的理论与生产问题 植物细胞全能性的本质 细胞分化机制和代谢途径的调控 理论 培养细胞中的生理、后成杂种和遗传的变异 问题 体细胞杂交和有性杂交的比较 不亲和性机制 细胞和组织培养方法 细胞器的分离和引入 技术 原生质体诱导融合 改进 细胞的培养筛选及鉴定 花粉和花药培养药物生产的中间试验 试管苗的大规模繁殖
4、和生产 四、植物组织培养与细胞培养的区别四、植物组织培养与细胞培养的区别 形成 时间 对象 培养 方式 目标 特点 植物组织培养 早 组织 或细胞 模拟体内体外培养 植物快速繁殖的组织培养技术 无性 繁殖 植物细胞培养 晚 细胞（不能形成组织）实验室无菌条件 生产次生代谢产物 五、植物细胞与组织培养技术内容与分类：五、植物细胞与组织培养技术内容与分类：试管苗、人工种子、单倍体诱导 植物组织培养技术（植物微繁殖技术）原生质体培养、体细胞杂交、体细胞变异、种质保存 植物细胞培养技术（植物细胞大量培养）植物细胞大量培养技术 根据对象不同，培养方式也可分为：根据水平不同：植株培养（plantlet c
5、ulture）植物胚胎培养(plant embryo culture)细胞类型（体、生殖细胞）植物器官培养(plant organ culture)单倍体、二倍体和多倍体 植物组织培养(plant tissue culture)离体、人工无菌环境 愈伤组织培养(callus culture)原生质体培养(plant protoplast culture)第二节第二节 植物组织与器官培养植物组织与器官培养 一、植物细胞的全能性一、植物细胞的全能性 二、植物组织与器官培养二、植物组织与器官培养 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
6、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.差异：植物细胞全能性动物细胞全能性 在植物细胞中 受精卵生殖细胞具有分化能力的细胞成熟的体细胞 一、植物细胞的全能性一、植物细胞的全能性 在生物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化为不同的组织、器官，是因为：A、细胞丧失了全能性 B、基因的表达有选择性 C、不同的细胞内基因不完全相同 D、在个体发育的不同时期，细胞内的基因发生 了变化。科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素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。人工条件下实现的这一过程
7、，就是植物组织培养。全能性表现的条件？全能性表现的条件？二、植物组织与器官培养二、植物组织与器官培养 再分化 脱分化 愈伤组织愈伤组织 外植体外植体 试管苗试管苗 植株植株 1 1.定义：定义：植物组织与器官培养是指在无菌条件下，将离体的植物器官（如根尖、茎尖、叶、花、未成熟的果实、种子等）、组织（如花药组织、胚乳、皮层等）、细胞（体细胞、生殖细胞等）、胚胎（如成熟和未成熟的胚）、原生质体等培养在人工配置的培养基上，给予适当的培养条件，诱发产生愈伤组织、潜伏芽，或者长成新的完整植株的一种实验技术。细胞离体、一定的营养物质、激素和其他外界条件 2.2.必要条件：必要条件：环境条件：温度：252
8、光照：光照强度、光质（光波长）、光周期 无机成分：N，P，K，S，Ca，Mg等大量元素及部分微量元素 碳源：2%5%的蔗糖 维生素：B族，Vc；0.110mg/L 植物生长物质：生长素类，细胞分裂素类 有机附加物：如水解酪蛋白（CH）、酵母提取物（YE）、麦芽提取物（ME）和椰子乳（CM）等 营养条件：3.3.发展历程：发展历程：19341934年年 4.4.几个概念几个概念 外植体（explantation）：是指植物组织培养中用来进行无菌培养的离体材料，可以是器官、组织、细胞和原生质体等。愈伤组织（callus）：是指由外植体组织增生的细胞产生的一团不定型的疏散排列的薄壁细胞。（细胞的大小
9、、形状、液泡化程度、胞质含量和细胞壁特性具很大差异；细胞水平已分化，但没有组织、器官水平分化，无组织结构）（去）脱分化（dedifferentiation）：一个已经停止分裂的成熟细胞转变为分生状态，并形成未分化的细胞团或愈伤组织的现象。再分化（redifferentiation）：指原已分化的细胞过脱分化后再次分化的现象，最终可进一步形成完整的小植株。继代培养（subculture）：是指愈伤组织在培养基上生长一段时间后，营养物枯竭，水分散失，并已积累了一些代谢产物，此时需要将这些组织转移到新的培养基上进行培养的方式。胚状体（embryoid）：是在植物组织培养中起源于非合子细胞，经过胚胎发
10、生和胚胎发育形成的胚状结构，其主要特征是有根、芽两极，和母体植物或外植体的维管组织无直接联系。5.5.植物组织培养基本步骤：植物组织培养基本步骤：培养材料的采集；培养材料的消毒；制备外植体；接种和培养；根的诱导；组织苗的练苗移栽。植物材料的采集和取材 外植体的制备 外植体：从活植物体上切下进行培养的那部分组织或器官。外植体灭菌消毒（根尖、茎、芽、嫩叶、种子、花粉等）；用消毒过的器械将外植体置于培养皿上；切取所需的外植体；将外植体接种于培养容器的培养基上。整个试验在超净工作台上进行，保持无菌！外植体经过一段时间在培养基上生长后，会形成愈伤组织。接种接种 6.6.愈伤组织培养的基本过程：愈伤组织培
11、养的基本过程：愈伤组织的形成；愈伤组织的生长；愈伤组织的分化和形态的发生。愈伤组织的形成愈伤组织的形成 愈伤组织：在人工培养基上由外植体长出来的一团无序生长的薄壁细胞（细胞排列疏松、无规则）。愈伤组织的形成 试管苗的形成 试管苗 培养室 移栽移栽 经过炼苗的小苗，可以和一般植物一样进行大规模栽培 试管苗大规模培养 实例：非洲紫罗兰的组织培养 植物组织培养过程 过程过程 离体的植物器官、组织或细胞离体的植物器官、组织或细胞 愈伤组织愈伤组织 根、芽根、芽 植物体植物体 外植体外植体 脱分化脱分化 植物激素：植物激素：细胞分裂素、生长素细胞分裂素、生长素 再分化再分化 植物组织培养植物组织培养 植
12、物组织培养条件植物组织培养条件：含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的pH、适时光照等。上述过程中细上述过程中细胞的全能性和营胞的全能性和营养类型发生了什养类型发生了什么变化？么变化？7.植物组织培养的应用植物组织培养的应用 1）植物离体快繁 2）培养无病毒植株（植株脱病毒）3）花药离体培养（单倍体育种）4）制作“人工种子”5）利用愈伤组织生产植物细胞产品 人工种子人工种子 用人工种皮包被体细胞胚，可以制造人工种子 人工种皮：藻酸钠 解决有些植物结子困难、发芽率低、繁殖困难等问题 人工种子 自然种子 胚状体 人工种皮 人工胚乳 胚 种皮 胚乳 制作过程制作过程 体细胞胚与
13、藻酸钠混合后，滴入到硝酸钙或CaCl2中，20分钟后，表面聚合，形成人工种子 细胞产物的工厂化生产 第三节第三节 植物细胞培养植物细胞培养 一一 概述概述 二二 植物细胞培养的培养基植物细胞培养的培养基 三三 植物细胞生物反应器大规模培养植物细胞生物反应器大规模培养 四四 植物细胞培养的应用植物细胞培养的应用 一、概述一、概述 1.概念 植物细胞培养：是指在离体条件下，将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中进行振荡培养，得到悬浮细胞，再通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量细胞群体的技术。它是在组培基础上发展起来的。细胞培养的目的不是使细胞形成组织以致更多的植物体，而是通过大规模的细胞培养
14、获得人类所需的细胞次生代谢产物。与组织培养不同的是：与组织培养不同的是：2.2.方法：方法：根据培养对象 根据培养基类型 单细胞培养 单倍体培养 原生质体培养 悬浮培养（液体培养）固体培养 3.3.分类：分类：二、植物细胞培养的培养基二、植物细胞培养的培养基 无机盐类：如硝酸盐、铵盐 碳源：如蔗糖、葡萄糖 植物生长激素：主要是生长素和细胞分裂素 有机氮源：如某些蛋白质的水解产物，谷氨酰胺或氨基酸混合物 复合物质：细胞生长调节剂，复杂物质。如：酵母抽提液、麦芽抽提液、椰子汁、水果汁如椰子汁 三、三、植物细胞生物反应器大规模培养植物细胞生物反应器大规模培养 1.培养特性培养特性 与微生物比较，植物
15、细胞大。悬浮培养时，植物细胞易结团（细胞数2200，直径2mm）；易分泌粘多糖（硅油降低粘度），易产生泡沫（需消泡）。细胞有壁，易受剪切力高的装置损伤。与微生物细胞相比，生长慢，周期长，分批需2-3周，半连续或连续需2-3个月。与微生物细胞比较，需光、好气，CO2/O2比要控制。单细胞3-5天内可分裂，1周后形成小细胞团，2周后可将小愈伤组织转移至分化培养基上，连续光照，3周后可分化出试管苗。植物悬浮细胞生长与增殖可分为：延迟、对数生长、直线生长、减缓、静止、衰亡期。2.2.培养过程培养过程 59 60 四、植物细胞培养的应用植物细胞培养的应用 第四节第四节 原生质体培养和体细胞杂交原生质体培
16、养和体细胞杂交 一、原生一、原生质体培养质体培养 （技术线路，以经济海藻红篱为例）原生质体：是指取出植物体细胞壁后获得的裸露的植物细胞。主要来源于各种植物的叶片、根尖等部位，也可从组织培养产生的愈伤组织中获得。1.1.定义：定义：用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。2.2.优势：优势：（与有性杂交方法比较与有性杂交方法比较）打破了不同种生物间的生殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。二、体细胞杂交体细胞杂交 3.基本步骤基本步骤(1)(1)(2)(3)(4)(5)植物体细胞杂交植物体细胞杂交过程示意图过程示意图 基本过程基本过程 获得原生质体 获得杂种细胞 获得杂种植株 细胞A 细胞B 原生质体A 原生质体B 融合原生质体 杂种细胞 愈伤组织 杂种植株 植物间的体细胞杂交所得到的杂交细胞，已达到了完整的植株水平，获得了新的杂交植物，使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达，这就打破了远缘生物不能杂交的屏障，提供了创造新物种的可能。4.意义意义 70 本章内容到此结束本章内容到此结束 谢谢大家谢谢大家 欢迎研讨欢迎研讨【复习思考题复习