植物细胞工程的基本技术(生物学)
植物细胞工程的基本技术
植物细胞工程的基本技术植物细胞工程是现代农业中的核心技术之一，它可以利用生物技术手段，将基因信息引入植物细胞中，从而制备出具有新型特性的植物品种。
植物细胞工程的基本技术主要包括以下几个方面：一、植物细胞培养技术植物细胞培养技术是植物细胞工程的重要基础，它可以将植物细胞从植物体中剥离出来，形成原代培养体，在适宜的培养条件下进行细胞培养和增殖。
该技术主要涉及到组织培养、细胞培养、愈伤组织培养以及悬浮细胞培养等多个方面。
其中，愈伤组织培养是最基础的培养技术，它可以通过愈伤组织的再生和分化，为后续的遗传转化和基因编辑提供可行的细胞模板。
二、基因克隆与重组技术基因克隆与重组技术是植物细胞工程中非常关键的环节，这个技术主要涉及到将特定的基因序列放入植物细胞中的过程。
通过基因克隆和重组，可以将外源性基因导入到细胞质或者染色体的特定位置，并实现基因结构的调整，从而产生具有新型特性的植物品种。
三、基因转化技术基因转化技术是植物细胞工程最重要的技术之一，它可以将基因克隆和重组的结果导入植物细胞中，并实现基因的表达。
基因转化技术主要分为两个类别：生物学的和物理学的。
其中，生物学的方法包括农杆菌介导的转化和农杆菌外介导的转化，物理学的方法包括基因炮和电穿孔等。
四、基因编辑技术基因编辑技术是近年来兴起的一种先进技术，它可以利用生物技术手段修改基因序列，从而实现有针对性的基因改造。
目前，基因编辑技术主要包括ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等多个基因编辑工具。
通过这些工具，可以实现基因串联、点突变等操作，并为后续的育种和遗传转化提供更多的技术手段。
总之，植物细胞工程是现代农业中的重要技术，它可以帮助我们制备出更具有良好农业生产性能的植物品种。
通过不断的技术创新与发展，相信我们能够在农业生产中发挥出更大的作用，并实现更好的农业可持续发展。
植物细胞工程的基本技术
1、原理 2、操作水平 3、结果
异 想 天 开
• 自然界中有一种含有叶绿体的原生动物 ──眼虫，说明植物的细胞器同样可以在 某些动物细胞中存活，请探讨：动物细胞 与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理 论上可行，请设计出具体实验方案。
• 为什么“番茄—马铃薯”超级杂种植株没有 如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下 结马铃薯？ • 主要原因是：生物基因的表达不是孤立的， 它们之间是相互调控、相互影响的，所以马 铃薯—番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个 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，杂交植株不能地 上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。
概念：细胞的全能性是指生物体的细胞具 有使后代细胞形成完整个体的潜能。
原因：是生物体的每一个细胞都含有该物 种所特有的全套遗传物质及发育为完 整个体所必需的全部基因。
分组排列以下细胞的全能性：
1、受精卵
2、植物细胞
体细胞
动物细胞
卵细胞
3、分化细胞
未分化细胞
细胞工程的概念
细胞工程是指应用 细胞生物学和分子生物 学的原理和方法，通过 细胞水平或细胞器水平 上的操作，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。
植物体细胞杂交过程
植物细胞A
去掉细胞壁
植物细胞B
去掉细胞壁
原生质体A
原生质体B
原生质体融合
杂合的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生质体
再生出细胞壁
杂种细胞
细胞分裂
愈伤组织
分化发育
杂种植株
植物体细胞杂交的概念
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）
植物细胞工程
1、植物繁殖的新途径 (1)微型繁殖——⽤于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
(2)作物脱毒：切取茎尖进⾏组织培养，再⽣的植株就有可能不带病毒，从⽽获得脱毒苗。
(3)⼈⼯种⼦——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。
思考： ①⼈⼯种⼦具有哪些优点？ ⼈⼯种⼦是通过植物组织培养(⽆性繁殖)得到的，可以完全保持优良品种的遗传特性，⽣产上不受季节的限制。
贮藏、运输⽅便。
②⼈⼯种⽪应具有哪些有效成份？ 针对植物种类和⼟壤等条件，在⼈⼯种⼦的包裹剂中可以加⼊适量的养分、⽆机盐、有机炭源以及农药、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。
2、作物新品种的培育 (1)单倍体育种：通过农药培养获得单倍体植株，染⾊体加倍后当年可得到稳定遗传的优良品种。
(2)突变体的利⽤：对植物组织培养过程中产⽣的突变体进⾏筛选，培育成新品种。
3、细胞产物的⼯⼚化⽣产 (1)细胞产物包括：蛋⽩质、脂肪、糖类、药物、⾹料、⽣物碱等。
(2)实例：我国⽣产的⼈参组织和⼈参皂甙⼲粉。
(3)展望：⽣产抗癌物质——柴杉醇。
课外拓展⼀、植物组织培养中的愈伤组织是如何形成及再分化的？ 植物组织培养中使⽤的外植体⼀般是⾼度分化了的细胞，在植物体中是不会再分裂繁殖的，只是执⾏某种功能直⾄死亡。
这些细胞在培养基上培养时会由原来的分化状态，变成分⽣状态的细胞，分裂产⽣愈伤组织，这个过程称为脱分化过程。
这种转变在细胞的形态结构和⽣理⽣化上都会产⽣⼀系列变化。
组织培养的研究结果表明分化细胞的脱分化需要两个条件，即创伤和外源激素。
⽬前⼈们对于脱分化过程的本质还不清楚。
分化细胞在细胞周期中是处于⼀种相对静⽌状态的细胞(G0期细胞)，脱分化是要打破这种状态，使细胞进⼊细胞周期中的G1期，并沿着G1期→S期→G2期→M期的循环进⾏细胞分裂，形成愈伤组织。
现在发现细胞周期受基因调控，⼀种称为编码细胞周期依赖性激酶CDK的基因和⼀种细胞周期蛋⽩可能与植物细胞脱分化的第⼀次分裂启动有关。
(完整版)植物细胞工程的基本技术
生物体的每一个细胞都含本物种的全套遗 传物质，都有发育成完整个体的全套基因。
【提示】 (1)植物细胞全能性的条件 ，除了离体外，还需要种类齐全、比 例合适的营养物质和一定植物激素， 另外操作中还要注意无菌、控制适宜 温度和光等。 (2)这不是全能性的反映，植物体上长 出新芽，这是细胞分化的结果(基因选
1、为什么诱导愈伤组织的过程中应避 光培养？
在有光时，往往容易形成维管组织， 而不易形成愈伤组织。
2、决定植物脱分化、再分化的关键因素是什么？ 植物激素
当细胞分裂素和生长素共同使用时， 能刺激愈伤组织的形成，而通过调 节二者的浓度比，就可以调控植物 细胞培养过程中芽和根的形成，称 为“激素杠杆”。(见P42)
1958年，美国科学家斯图尔 德（F.C.Steward）将胡 萝卜韧皮部的一些细胞进 行培养获得了完整的胡萝 卜新植株。
植物组织培养技术
切取
接种
培养室
愈伤组织的形成
试管苗
移栽
切取 形成层
移栽
无菌 脱分化 接种
培养室
诱导愈伤组织 的形成
再分化
试管苗的形成
(4)请根据上面的实验过程，概括出植物组 织培养技术的流程简图。
脱分化
遮光
愈伤组织
再分化
光照
根、芽
植物体
植物激素： 细胞分裂素、生长素
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。
强调几个概念：
一、愈伤组织：
离体的植物器官、组织或细胞， 在培养一段时间以后，通过细 胞分裂，形成一种高度液泡化、 无定形状态薄壁细胞组成的排 列疏松无规则的组织。
“植物细胞工程的基本技术”一节的教学设计
１ 教材分 析和教 学 目标
生质体融合 的方法 有哪些 ？一般 常用 的化学 试剂 是什
么？原生质体 可 以融合 的结 构基础是 什么？③再 生 出 细胞壁与哪种 细胞 器有密切关 系？ ④ 试用箭 头 和文字
表示植物体细胞 杂交的过程。
１ ． １ 教材 分析
“ 植物 细胞工程 的基 本技术 ” 是人 教
“ 小番茄 ” 的马铃薯 导人新课 ， 提问 ： ① 超级作 物“ 番茄
一
马铃薯 ” 利用传统有性 杂交方 法能实现 吗？为什么？
② 如果有其 他技 术能够 实现 的话 ， 这 项技术 必须 有什
么优势特 点？③一种植株 能同时具有 马铃薯和 番茄的 性状 ， 根本 原 因是什 么？组织 学生 展 开讨 论 。前 两 个 问题 引领 学生认 识到植 物细胞杂交 的优 势和使 用新技 术方法 的必要性 。第三个 问题 则给学生 大胆设 想提供 支架 ， 在此基础上 ， 展示荧光标 记的小 鼠细胞和 人的细 胞融合实 验示 意图 ， 引导学生大胆猜想 ： 番茄 一马铃薯
中， 遗传物 质的传 递是 否遵循 孟德尔 的遗 传定 律 ？为 什么 ？与必修 二的知识相联系 ， 加大思维深度 ， 深化本 节 内容 。
１ ． ２ 教学目 标 ① 知识 目标 ： 简述植物组织培养 技术 ； 简述植物体细胞杂交技术。② 能力 目标 ： 尝试用流程 图
归纳技术 过程 ； 运 用细胞 的基 础 知识 ， 分 析解决 问题 。 ③情感态度价值观 ： 认同细胞学基 础理论 研究与技术开
念、 表 现条件 、 原 因等方面复 习全 能性 的相关知识 。
展示 愈伤组织 、 胚状体照片 ， 让学生对 这些结 构有 感性认识 ， 在 此基础上 ， 请学生试用箭头 和文字表示 组 织培养 的过程 ， 并随后进行展示总结 。 ２ ． ３ 借 用流程 图小结 就 图进行提 问小 结 。
“植物细胞工程的基本技术”教学设计
・
３ ８・
生物学 教学 ２ ０ １ ３ 年（ 第３ ８ 卷） 第１ ０ 期
“ 基 因的表 达 ” 一节 的 问题 探 究式 Байду номын сангаас 学设 计
吕宇 良 （ 浙 江 省 东 阳 中 学 ３ ２ ２ １ ０ ０ ）
摘 要 从问题 引领、 激发兴趣、 体验探究、 总结强化 四个 方面来完成“ 基因 的表达 ” 一节 的探 究式教 学过程 ， 实现学生主动获取 ， 基 因的表达 问题探究 教学设计 巩固内化知识 ， 提高课 堂学 习效率 。 关键词
的理论基础 ， 但是相关 的实验技术难度较高 、 实验过程
么花瓣细胞在植物体内没有表现 出全能性 呢？引导学 生 回忆全能的概念 ， 并理解全能性的原 因， 同时教 师补
充有关细胞全能性大小 比较 的知识 。
抽象， 这会给学 生 的理解 带来 一定 的 困难 。教 学 中结 合 多媒体教学手 段 ， 采用 创设 情境 、 层 层设 疑、 小组 讨 论 等方法 ， 让学生完成知识的 自主构建 ， 并激发他 们的 科学探究意识 。 ２ 教学 目标 ２ ． １ 知识 目标
的内容 ， 涉及 的知识点主要有细胞 的全 能性 、 植 物组织
开想象 的翅膀 。接着 ， 教师提 问 ： 植物 的一 片叶子或一
片花瓣能长成一株完整的植株吗？
培养技术 和植 物体 细胞杂 交技术 ， 其 中植物 组织培 养 的原理 和过程 、 植物体细胞杂交 的过程是教 学的重点 ，
植 物组织培养 的实验 、 植 物体 细胞 杂交过程 是教学 的
３ ． ２ 植物细胞的全能性
多媒体展示 ： 科学 家利用菊
花的花瓣培育出的菊花植株 ， 并让学生思考 ： ①为什么
《植物细胞工程的基本技术》教学设计
《植物细胞工程的基本技术》教学设计一、教学目标1、知识目标：简述植物组织培养技术的原理和过程；简述植物体细胞杂交技术的原理和过程。
2、能力目标：尝试用流程图归纳技术过程。
3、情感目标：参与小组合作交流，体验合作学习的乐趣。
二、教学重点植物组织培养的原理和过程；植物体细胞杂交的过程。
三、教学难点植物组织培养的实验；植物体细胞杂交过程。
四、教学过程【活动一：导入】自然界中，无论是绚丽多姿的花草，还是碧绿参天的大树，大多都是通过种子播种或扦插枝条来繁殖的。
其实，利用它们的一片叶子或是花瓣，同样可以得到植株！【屏幕展示】如图，就是利用兰花的花瓣所培养出的植株。
兰花是中国传统名花，出来具较高的观赏价值外，还具有食用、药用等其他价值。
如果你是兰花养殖户，你要怎样繁殖兰花，才能短时间内得到大量具相同优良性状的兰花呢？【活动二：授新】利用兰花的一片花瓣培养出大量兰花，而这一过程所采用的技术，就属于细胞工程中的一项基本技术。
从今天开始，进入“专题2—细胞工程”的研究。
【问题】什么是细胞工程？并从概念出发，指出细胞工程①原理方法②研究水平③研究目的分别是什么？根据操作对象不同，可以分为植物细胞工程、动物细胞工程。
今天首先研究2.1.1植物细胞工程的基本技术。
植物细胞工程，包括许多操作技术，高中阶段只介绍2个，即植物组织培养、植物体细胞杂交。
且这两项技术所依据的理论基础，都为植物细胞的全能性。
【巩固基础】平板电脑，展示题目必修一已研究过细胞的全能性，通过几个判断来检测下基础知识掌握情况。
找同学读题、判断、说明理由！一、植物组织培养技术从学生自查结果，了解学生对基础知识的掌握情况。
【播放视频】通过一段视频，对新接触的植物组织培养技术有个初步了解。
由视频可知，利用植物体任何一部分细胞，在适宜条件下都能培养成一株完整植株。
下面我们跟随教材，以胡萝卜形成层为材料，先从理论上分析组织培养原理及过程，之后在实验课上再进行实际操作。
高中生物人教版选修三同步导学：2.1.1 植物细胞工程的基本技术(理解+掌握+应用)
2．1植物细胞工程2．1.1植物细胞工程的基本技术1．细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人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。
2．理论上每个活细胞都具有全能性。
3．细胞全能性的大小依次是：受精卵>生殖细胞>体细胞。
4．植物组织培养的理论基础是细胞的全能性。
5．植物体细胞杂交的理论基础是细胞膜的流动性和细胞的全能性。
6．人工诱导原生质体融合的方法有物理法(离心、振动、电激)和化学法(聚乙二醇处理)。
植物细胞的全能性[自读教材·夯基础]1．细胞工程的概念2．细胞的全能性(1)含义：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。
(2)影响全能性表达的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同组织和器官。
1．请比较基因工程和细胞工程的概念，总结二者的不同。
提示：(1)操作水平：基因工程是分子水平的操作，细胞工程是细胞水平或细胞器水平的操作。
(2)目的：基因工程的目的是创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品，细胞工程的目的是按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。
2．理论上每种活细胞都具有全能性，请分析细胞具有全能性的原因。
提示：活细胞都具有发育成该物种个体所需的全套遗传物质。
[跟随名师·解疑难]1．细胞全能性的实质已经分化的体细胞(或细胞核)仍具有本物种个体发育所需要的全套遗传物质，即每个细胞都有发育成个体所需要的全部基因。
2．细胞全能性大小的比较(1)植物细胞>动物细胞(动物细胞只有细胞核具有全能性)。
(2)受精卵>生殖细胞(精子、卵细胞)>体细胞。
(3)体细胞：分化程度低的>分化程度高的；细胞分裂能力强的>细胞分裂能力弱的；幼嫩的细胞>衰老的细胞。
(4)随着细胞分化程度的不断提高，细胞的全能性逐渐降低。
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1958年，美国科学家斯图尔德等 利用胡萝卜根的组织再次证明了 植物细胞的全能性。
1965年，沃索等在一定成分的培养基上， 由烟草的单细胞也得到了再生植物。
1970年，斯图尔德用悬浮培养的单个细胞 也培养出了可育的新植物，进一步证明了
细胞的全能性。
20世纪70年代，以植物克隆为代表的细胞 工程诞生。
随后，植物的花药培养、原生质体培养，以及植物体 细胞杂交技术得到了确立和发展，标志着植物细胞工
程技术进入了高速发展的阶段。
在植物学家辛勤探索的同时，各国的动物学家在动物 细胞工程领域也取得了长足的发展。
动物细胞工程技术的发展历程
1907年，美国生物学家哈里森用一滴淋巴液成功地培 养了蝌蚪的神经元。证明了动物组织体外培养的可能 性，首创了动物体外组织培养法。
通过某种工程学手段，在细胞整
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。是应用于细胞生物学和
程 分子生物学的原理和方法。
细胞工程与基因工程相比：
共同点：都是改变细胞内的遗传物质。 不同点： 后者是细胞水平或细胞器水平上生物技术, 前者是分子水平上的生物技术。
本专题将展开学习
•植物细胞工程的基本技术 •植物细胞工程的实际应用 •动物细胞培养的核移植技术 •动物细胞融合和单克隆抗体
2.1植物细胞工程
2.1.1植物细胞工程的基本技术
中国十大名花 珍稀、名贵
怎样快速、大量得到珍 稀品种？
怎样才能由一块组织通过培养得到 一株完整植株, 应该如何操作?
定向改造或生产人 类所需的蛋白质
生产自然界中已有的蛋白质 生产自然界没有的蛋白质
联系
蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的 第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制 造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合
出芽生殖
酵母菌
水螅
营养生殖
草莓
无性生殖
马铃薯 落地生根
有 性 生 殖
花药 （花粉产生精子）
项目
基因工程
蛋白质工程
操作起点
目的基因
预期的蛋白质功能
操作核心
基因表达载体
基因
过程
目标 结果
获取目的基因→ 构建表达载体→ 导入受体细胞→ 目的基因的检测与表达
预期蛋白质功能→ 设计蛋白质结构→ 推测氨基酸序列→ 推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质
定向改造生物的遗传特性， 获得人类所需的生物类型或 生物产品
补充知识——什么是克隆
无性繁殖的英文名称叫“Clone”，音译为 “克隆”。实际上，英文的“Clone”起源于希腊 文“Klone”，原意是用“嫩枝”或“插条”繁殖。 时至今日，“克隆”的含义已不仅仅是“无性繁 殖”，凡来自一个祖先，无性繁殖出的一群个体， 也叫“克隆”。这种来自一个祖先的无性繁殖的 后代群体也叫“无性繁殖系”，简称无性系。
细胞胞工程在动物方面的应用 （1）快速繁殖优良、濒危品种及新品种 （2）利用动殖物细胞培养生产活性产物、药品 （3）供医学器官修复或移植的组织工程 （4）转基因动物的生物反应器
这一切足以表明，细胞工 程技术已经进入了高速发展的阶 段，成为生物领域中一颗十分耀 眼的明珠。
近些年来，细胞工程的许 多技术已经渗入到我们的日常生 活和生产中。
多利的一生
姓名：多利 性别：雌 种族：动物界、脊索门、哺乳纲、 偶蹄目、牛科、羊亚科、绵羊属 生日：1996年7月5日 出生地：苏格兰 基因父亲：无 基因母亲：一只芬兰白绵羊 线粒体母亲：一只苏格兰黑脸羊 生育母亲：另一只苏格兰黑脸羊 进入社交圈时间：1997年2月23日 子女：生育6名，存活5名 死亡：2003年2月14日
2001年11月3日我国首只克隆牛“康康”在山 东莱阳农学院动物胚胎工程中心实验场出生
中国科学家首 次用iPS细胞(诱导 多功能干细胞)克隆 出完整的活体实验 鼠“小小”，从而 首次证实iPS细胞与 胚胎干细胞一样具 有全能性。
细胞工程技术的应用
细胞工程在植物方面的应用 （1）微繁殖技术的应用 （2）细胞大量培养与有用次生代谢产物生产 （3）单倍体技术的应用 （4）原生质体培养与体细胞杂交
植物体细胞杂交
地上长番茄 地下长土豆
思考：
1．菊花的一个花瓣通过组培可以发育成 完整的植株，说明什么？
2．克隆羊“多莉”的诞生说明了什么？ 3．什么是细胞的全能性？ 4 ．为什么细胞具有全能性？ 5 ．菊花体内的细胞为什么没有表现出全
能性，而是分化成不同的组织器官？
我们将带着这五个问题开始今天的学习！
我国科学家童第周，在20世纪60年代初就开展了鱼类 的细胞核移植，并取得了一些具有国际影响的成果。 把黑斑蛙红细胞的核转移到同种生物的去核卵中，得 到了正常发育的蝌蚪。
1975年，英国科学家米尔斯坦和德 国科学家科勒等用产生抗体的单个 细胞和肿瘤细胞杂交，创立了单克 隆抗体技术。
1996年7月，世界上第一只克隆羊多 利在英国诞生。在其后近两年的时间 ，克隆牛、克隆鼠也相继问世。
补充知识——什么是克隆
（内有卵细胞）
受精卵
胚胎
幼儿
老年
有
卵细胞 精子
性 生
殖
1996年7月5日,世界上第一只体细胞克隆 动物--克隆羊多利诞生于英国。
这样的生物技术属于什么生殖方式？何种生物工程？
通过对DNA分子人工 “剪
基 因 工
切”和“拼接”，对生物的 基因进行重新组合，然后导 入受体细胞使重组基因表达
程 ，产生所需的基因产物。
胞 工
细胞融合技术、细胞拆合技术、染 技术分类 色体导入技术、基因转移技术、胚
程
胎移植技术、细胞与组织培养技术
分类
植物细胞工程 理论基础 细胞的全能性
动物细胞工程
植物细胞工程技术的发展历程
1902年，德国科学家哈伯兰特提 出了细胞全能性的理论。
1937年，美国科学家怀特用烟草 茎段形成层作材料，在试管中培 养出了烟草植物。
思考:
克隆多莉羊技术是 细胞 水平上的技术， 培育抗虫棉是 分子 水平上的技术。
根据操作对象的不同，细细胞胞培工养程可分为
细胞融合
单克隆抗体
动物细胞工程
胚胎移植
核移 植
组织培养 植物细胞工程 体细胞杂交
应用的原理和方法
细胞生物学和
分子生物学
概念 研究的水平 细胞整体或细胞器水平
细
研究的目的
按意愿改变细胞的遗传 物质或获得细胞产品