植物组织培养细胞全能性与形态发生
植物组织培养的基本原理
细胞 再分化
形态建成 完整植细胞脱分化的影响因素
1 损伤 2 生长调节剂 3 光照 4 细胞位置 5 外植体的生理状态
1.2.3 植物细胞的再分化
再分化（redifferentiatiation）：是指离体培养的
植物细胞和组织可以由脱分化状态重新进行分化，
动、植物细胞全能性的表现程度存在明显的 差异。
1.1.2 植物细胞全能性表现
植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱:
营养生长中心 > 形成层 > 薄壁细胞 > 厚壁细胞(木
质化细胞) > 特化细胞(筛管、导管细胞)；
根据细胞所处的组织不同从强到弱为：
顶端分生组织 > 居间分生组织 > 侧生分生组织 >
的过程。
细胞分裂
幼年细胞
细胞分化
多细胞团
形态建成
完整植株
图1-1 高等植物细胞分化示意图
细胞分化的本质是基因选择性表达的结果
细胞分化的某些规律和机理
1 植物细胞的分化：生理生化分化、形态结构分化
2 植物在发育过程中细胞一直具有潜在的全能性
3 植物细胞分化的两个阶段：决定（ determination ） 、分化特征逐渐表现 4 极性（polarity） 5 生理隔离、机械隔离在细胞分化过程中的作用 6 细胞分裂对分化的作用 7 植物生长调节剂作用 8 细胞核染色体和DNA变化对细胞分化的作用
（1）先长芽，再长根，如小麦 （2）先形成根，再形成芽，如枸杞 （3）在愈伤组织不同部位分别形成芽和根，如 胡萝卜
（4）仅形成芽或根，如茶树
1.3.1.2 器官分化
2、器官分化的过程 （1）外植体经过诱导形成愈伤组织 （2）“生长中心”的形成 （3）器官原基及器官形成
植物组织培养
名词解释：1.外植体：离体培养的器官、组织、细胞、细胞器称外植体。
2.细胞全能性：植物体的每一个细胞都携带有一套完整的基因组，并具有发育成为完整植株的潜在能力。
3.脱分化：将已分化的不分裂的静止细胞，放在培养基上培养后，细胞重新进入分裂状态。
一个成熟的细胞转变为分生状态的过程叫脱分化。
4.再分化:经脱分化的组织或细胞在一定的培养条件下可有转变为各种不同细胞类型的能力。
5.继代培养：将初代培养得到的培养体移植于新鲜培养基中这种反复多次移植的培养，称为继代培养。
6.植物组织培养：是指用无菌方法使植物体的离体器官、组织和细胞在人为提供的条件下生长和发育的所有培养技术的总称，也称之为离体培养或试管培养。
7.MS培养基：它是1962年由Murashige和Skoog为培养烟草细胞而设计的。
特点是无机盐和离子浓度较高，为较稳定的平衡溶液。
其养分的数量和比例较合适，可满足植物的营养和生理需要。
它的硝酸盐含量较其他培养基为高，广泛地用于植物的器官、花药、细胞和原生质体培养，效果良好。
有些培养基是由它演变而来的。
8.胚培养：植物在受精后，受精卵形成合子，随即进行第一次分裂，进而形成分生组织和幼胚，再发育成成熟胚。
在这个过程，胚靠消耗胚乳的营养而发育，同时胚处在胚囊环境中，可吸收氨基酸、维生素等营养。
9.花粉培养：花粉培养是指把花粉从花药中分离出来，以单个花粉粒作为外植体进行离体培养的技术。
由于花粉已是单倍体细胞，诱发它经愈伤组织或胚状体发育成的植株都是单倍体植株。
10. 细胞胚的发生：指在组织培养中，由一个非合子细胞(体细胞)，经过胚胎发生和胚胎发育过程（经过原胚、球形胚、心形胚、鱼雷胚和子叶胚5个时期），形成的具有双极性的胚状结构。
胚状体途径：非合子细胞通过与合子胚相似的胚胎发生过程形成的胚状结构，经过球型期、鱼雷期、心型期、子叶期发育过程的成熟胚状体可以萌发成为植株。
11.器官发生途径：外植体先脱分化形成愈伤组织，再由愈伤组织分化成不定芽，最后不定芽伸长、生根培养形成小植株（间接途径）或者外植体不经过愈伤组织直接形成不定芽，再经伸长、生根培养形成植株（直接途径）。
植物组织培养
植物组织培养的含义：将植物的离体材料（器官、组织、细胞、原生质体等）无菌培养，使其生长、分化、繁殖，再生出完整植株或生产次生代谢物质的技术。
植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性：指一个完整的植物细胞拥有形成一个完整植株所必需的全部遗传信息，在适宜条件下具有发育成完整植株的能力。
外植体：在植物组织培养中，在活体植物上提取下来的，接种在培养基上的无菌细胞、组织、器官等均称为外植体。
外植体选择的原则：①、再生能力强；②、遗传稳定性好；③、来源丰富；④、灭菌容易。
植物组织培养的类型：根据培养材料（即外植体）的不同，可将植物组织培养划分为植株、胚胎、器官、组织、细胞和原生质体五个水平上的培养类型。
愈伤组织：原指植物在受伤后于伤口表面形成的一团薄壁细胞，在组织培养中，则指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。
植物组织培养的特点：①、培养材料经济；②、培养条件可以人为控制；③、生长周期短，繁殖率高；④、管理方便，利于工厂化生产和自动化控制。
White（1943）撰写的《植物组织培养》是第一部有关植物组织培养的专著。
PH值最适5.6，高温、高压灭菌后PH值会降低，配制时一般为5.7~5.8，若PH值偏高，培养基会偏硬，会不利于植物材料吸取营养；PH值偏低，培养基凝固不好，不利于植物材料的固定。
MS培养基特点：①、无机盐成分很高，硝酸盐、NH+、K+含量高；②、元素平衡较好；③、缓冲性能也比较好；④、微量元素、有机成分丰富、齐全。
无机盐母液适度冷藏保存。
维生素等有机营养元素在—20℃保存，使用前用温水溶解。
MS培养基母液的成分：大量元素母液、微量元素母液、铁盐母液、有机物母液。
CuSO4、CuCl2取25mg溶于10mL，制成2.5mg/mL溶液，配制50mL微量元素母液，吸取该溶液0.05mL。
灭菌的条件：培养基的成分：1、水分2、无机盐①、大量元素：指植物生长发育所需浓度大于0.5mmol/L的营养元素。
细胞分化和植物细胞的全能性
化学组成：合成各自特有的专一性蛋白质
2、定义
同一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源的细胞逐渐发生形态结构、生理功能和蛋白质 合成上的差异，这个过程称为细胞分化。
3、特点 稳定的，不可逆的
红细胞：
有利于携带氧气，作变形运动 细长形或呈梭形 有利于附着和伸缩 肌细胞： 表面有许多突起 有利于接受和传递信息 神经细胞 ： 双凹圆盘状
二、植物细胞的全能性 斯蒂瓦特的实验
胡萝卜根韧皮部细胞 （高度分化的细胞）
悬浮法培养 愈伤组织 继续培养
脱分化 （失去分化 再分化 的细胞团）
整株植株幼苗
花药离体培 养实验
植物细胞的全能性、植物组织培养的过程和条件
4.组织培养的过程一般可以归结为
√A.离体组织细胞—脱—分—化→愈伤组织—再—分—化→组织器官或胚状体—发—育→植物体
B.愈伤组织—再—分—化→组织器官或胚状体—脱—分—化→植物体 C.离体组织细胞—脱—分—化→组织器官或胚状体—再—分—化→愈伤组织—发—育→植物体 D.组织器官或胚状体—脱—分—化→愈伤组织—再—分—化→植物体
√A.①②过程中均发生了细胞分化
B.①②过程中均发生了细胞分裂 C.温度会影响①②过程进行的速度 D.图示过程体现了植物的体细胞具有全能性
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
解析 ①过程为脱分化，②过程为再分化，故只有②过程发生了细胞分 化，A错误； 脱分化和再分化过程中均发生了细胞分裂，B正确； 温度会影响相关酶的活性，进而影响①②过程进行的速度，C正确； 离体的植物组织、器官或细胞通过植物组织培养得到植物个体，体现了 植物细胞的全能性，D正确。
二、离体培养的条件
教材梳理
预习新知 夯实基础
1.无菌条件 (1)外植体表面需经 消毒 处理。常用的消毒剂是 次氯酸钠 或 次氯酸钠钙 、 氯化汞和酒精。 (2)接种器具和培养基一般用 高压蒸汽灭菌。 (3)接种室和操作台常用 紫外灯 照射灭菌。 (4)操作者要按照规范的 无菌操作 流程，在超净工作台中进行外植体的消 毒、切割和接种。
解析 该愈伤组织的细胞经诱导培养可以发育为完整植株，可以体现细 胞的全能性，B错误。
2.下列现象属于植物细胞脱分化的是
√A.将胡萝卜根薄片放在培养基上培养成愈伤组织
B.由愈伤组织形成芽的过程 C.受精卵形成种子的过程 D.由种子发育成植株
植物生理学 植物的生长生理
植物生理学植物的生长生理植物的生长生理一、植物生长和形态发生的细胞基础1.细胞的生长分化规律细胞周期:从亲代细胞分裂结束到子代细胞分裂结束的时期称为细胞周期。
细胞生长的控制细胞生长受多种因素的影响：受核质遗传基因的控制，因为细胞核与细胞质的数量比只能维持在一定的范围内；受细胞壁以及周围细胞作用力的影响；受环境因素的制约。
2.细胞分化的控制因素细胞分化的分子机理细胞分化的分子基础是细胞基因表达的差别。
同一植物体中的细胞都具有相同的基因，因为它们都是由同一受精卵分裂而来的，而且其中的每一个细胞在适宜的条件下有可能发育成与母体相似的植株。
在个体的发育过程中，细胞内的基因不是同时表达的，而往往只表达基因库中的极小部分。
这就是个体发育过程中基因在时间和空间上的顺序表达。
细胞的基因是如何有选择性地进行表达，合成特定蛋白质的，即基因是如何调控的，这是细胞分化的关键。
从某种意义上讲，具有相同基因的细胞而有着不同蛋白质产物的表达，即为细胞分化。
细胞分化的控制因素：（1）极性是细胞分化的前提极性是指细胞（也可指器官和植株）内的一端与另一端在形态结构和生理生化上的差异。
主要表现在: 细胞质浓度的不一，细胞器数量的多少，核位置的偏向等方面。
极性的建立会引发不均等分裂，使两个子细胞的大小和内含物不等，由此引起分裂细胞的分化。
(2)植物激素在细胞分化中的作用；植物激素可以诱导细胞分化。
3.细胞全能性与组织培养技术植物细胞的全能性是指植物的每个细胞都携带一个完整的基因组，具有发育成完整植物的潜力。
组织培养:指在无菌条件下，在培养基中离体分离培养植物组织(器官或细胞)的技术。
其理论基础是植物细胞的全能性。
（1）组织培养的概念与分类植物组织培养是指植物的离体器官、组织或细胞在人工控制的环境下培养发育再生成完整植株的技术。
用于离体培养的各种植物材料称为外植体。
根据外植体的类型，又可将组织培养分为：器官培养、组织培养、胚胎培养、细胞培养以及原生质体培养等。
植物细胞工程理论1
第一章 植物细胞全能性与形态发生教学目标 (1)掌握细胞离体培养的基本理论；(2)掌握培养条件下组织细胞脱分化和再分化的调控原理；(3)掌握植物的离体器官发生；(4)掌握体细胞胚胎发生与人工种子；(5)了解“挑战杯”获奖作品“红掌气生根再生快繁体系建立”研究的全过程培养学生的创新精神；(6)介绍相关科研论文的研究结果培养学生的科研意识。
引言 植物细胞工程的理论基础是植物细胞全能性，所以深入理解植物细胞全能性及其表达与调控对学习理解后几章内容非常重要，本章作为重点章节介绍。
一、植物细胞全能性（totipotency）的概念植物体每个正常细胞都含有该植物的全部遗传信息，在适宜的条件下能发育成完整的植株。
把这种生活的植物细胞所具有的产生完整植株的潜在能力称为植物细胞全能性。
植物细胞按分裂能力分为3类（参照动物细胞分类类型）：①周期细胞：始终保持分裂能力，从一个周期进入另一个周期，包括茎尖、根尖及形成层细胞。
②终端分化细胞：永久失去分裂能力的细胞，包括筛管导管、气孔保卫细胞等特化细胞。
③Go细胞：一般不分裂，但当受到外界刺激时可重新启动分裂，包括表皮细胞及薄壁细胞。
一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度，取决于它的分化程度。
差异：1、受精卵的全能性最高 2、受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的低。
植物细胞只要有一个完整的膜系统和一个有生命力的核，即使是已经高度成熟和分化的细胞，也还保持着回复到分生状态的能力，其回复过程取决于该细胞原来所处的自然部位、生理状态和外部环境条件。
营养生长中心 形成层细胞 伴胞及分泌细胞 薄壁细胞 厚壁细胞 纤维细胞 筛管不同类型细胞脱分化可能达到的程度根据细胞类型不同从强到弱：营养生长中心〉形成层〉薄壁细胞〉厚壁细胞（木质化细胞）〉特化细胞（筛管、导管细胞）；根据细胞所处的组织不同从强到弱：顶端分生组织〉居间分生组织〉侧生分生组织〉薄壁组织（基本组织）〉厚角组织〉输导组织〉厚壁组织。
植物组织培养
植物组织培养植物组织培养：在无菌的条件下，将离体的植物材料包括器官，组织，细胞以及原生质体在人工培养基上进行培养，使其再生发育成完整植株的过程，又称植物离体培养。
细胞全能性：植物体的任何一个细胞都携带该物种的全部遗传信息，离体细胞在一定的条件下具有发育成完整植株的潜在能力。
外植体：植物组织培养中离体的植物材料，包括植物器官，胚胎、组织、细胞和原生质体。
细胞分化：导致细胞形成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式改变的过程。
脱分化：已分化成熟的植物组织或器官回复到分生状态，细胞开始分裂形成无组织结构的细胞团或愈伤组织的过程。
再分化：是指在一定条件下，脱分化形成的愈伤组织转变成为具有一定结构、执行一定生理功能的细胞团和组织、并进一步形成完整植株的过程，即从愈伤组织再生形成完整植株的过程。
愈伤组织：植物体受伤后的伤口处或在植物组织培养中外植体切口处产生的一团不定型的薄壁组织。
离体无性繁殖：根据植物细胞全能性原理，在无菌条件先短时间内形成大量植株。
玻璃化苗：在植物组培中，茎叶形成透明矮小肿胀的形态，生根能力差。
问答题：1、无菌操作是贯穿于整个组织培养过程的一门关键技术，请根据自己的体会论述如何在植物组织培养过程中做到无菌？1〕取少菌的材料〔春夏，中午的幼芽〕 2〕严格灭菌3〕合理安排操作程序 4〕无菌保存 5〕操作标准2、组培在生产上的应用有哪些？学好植物组培的意义？1〕植物快速繁殖：增殖速度快，本钱低，易于批量生成和管理。
比方利用一小块叶片或一个茎尖，一年内可繁殖出1000-100000株幼苗2〕脱除病毒：植物在生长过程中几乎都要蒙受到病毒的危害，采用茎尖培养方法可以除去植物体内的病毒。
脱毒苗恢复了原有的优良种性，生长势明显增强，整齐一致。
3〕培养新品种：克服远缘杂交不亲合性；克服远缘杂交的不孕性；选择细胞突变体；单倍体育种；转基因育种。
4〕植物次生代谢产物生产：利用植物组织后细胞的大规模培养，可以生产一些天然有机化合物，这些次生代谢产物，往往具有一些特定的功能，对人类有重要的影响和作用。
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二、培养条件下的细胞脱分化
脱分化的概念： 通常认为，培养条件下，使一个已分化的细胞恢
复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程就是 细胞的脱分化。 脱分化与细胞分裂： 现在一般认为，脱分化发生在静止细胞第一次有 丝分裂之前，即G0期静止细胞接受外界信号刺激 后，由于细胞基因选择性表达，使细胞发生一系 列生理生化变化，脱离G0期重新进入细胞周期。 静止细胞启动分裂是分化细胞成功脱分化的重要 标志。
一、学习目的与要求 掌握植物细胞离体培养的基本理论基础及植物细胞全能性的特点，从而深入理解培养条件下植物
细胞（组织）生长与分化的调控原理。 二、考核知识点与考核目标 （一）细胞全能性及其表达（重点） 识记：细胞学说的含义，细胞全能性的概念及其发展，植物细胞全能性的基本内容，G0细胞的概
念，根据分裂能力对植物细胞的分类，根据细胞全能性强弱对植物细胞及组织进行排序，细胞脱 分化与细胞再分化的概念，细胞脱分化的标志，愈伤组织的概念及形成过程，极性的概念 理解：细胞全能性与细胞分化程度之间的关系，细胞全能性表达与细胞脱分化及细胞再分化之间 的联系，细胞脱分化的三阶段以及在此过程中细胞的生理活动与结构变化，细胞脱分化调控的实 质，细胞周期蛋白和周期蛋白依赖激酶在细胞脱分化过程中的调控作用，相关基因表达与细胞脱 分化的关系，细胞分化过程中基因组的变化，细胞分化过程极性的产生，TE细胞分化过程及其调 控 应用：从基因型、植物种类及动植物细胞的差异等不同角度正确分析细胞全能性实现的绝对性与 相对性，根据不同激素的协同作用及对细胞分化的调控作用来指导实践 （二）器官发生（次重点） 识记：体细胞形态发生、器官发生的概念，不定根、不定芽、生长中心及器官原基的含义 理解：离体培养中通过器官发生形成再生植株的三种方式，经过愈伤组织再分化器官的过程，外 植体不经过愈伤组织直接形成器官原基的情况，光照对器官分化的影响，器官发生的基因调控原 理 应用：以母体植株的遗传基础与与外植体的类型对器官分化的影响为依据，选择适宜的离体培养 材料；离体条件下外源激素的调控总原则及其合理运用对器官分化的调节作用 （三）体细胞胚胎发生（次重点） 识记：体细胞胚胎的定义及界定，生理隔离的概念 理解：体细胞胚胎的形成途径，体细胞胚直接形成的两个阶段，经过愈伤组织的体细胞胚发生的 三个培养阶段，悬浮培养与体细胞胚发生的关系，体细胞胚胎的发育与结构特点，体细胞胚发育 再生植株与器官发生形成植物个体的区别，体细胞胚胎在形态结构和生理特性上与合子胚的区别， 体细胞胚胎形成过程中内源生长素的变化，特异蛋白质在体细胞胚发生过程中的作用，体细胞胚 形成的基因表达调控机制 应用：外源激素、培养基及培养条件、基因型等因素对体细胞胚发生的影响
1. 细胞脱分化过程中的生理活动 与结构变化
已分化细胞脱分化过程中结构变化：
植物体中分化细胞中薄壁细胞含量最多， 在形态学上，细胞核较小并位于细胞边缘， 细胞中央有大液泡，胞内核糖体浓度低， 质体为分化程度较高的叶绿体等。
胞质浓缩，出现液泡蛋白体，大液泡消失， 质体转变为原质体，核体积增大并逐步移 位至细胞中央，细胞器增多。
②
③ ①
植物细胞按其分裂能力分为三类：
周期性细胞: 始终保持分裂能力，如茎尖、根尖分生区及
形成层的细胞； 终端分化细胞:
永久失去分裂能力，如筛管、导管、气孔保 卫细胞等特化细胞； G0期细胞:
在通常情况下不分裂，但受到外界刺激后可 重新启动分裂，如表皮细胞及各种薄壁细胞。
2.结论：全能性表达的难易度主要取决于该细胞
的生理状态及结构特征。通常细胞分化程度越高、 结构越特化，其脱分化的难度就越大。
2、细胞全能性表达的前提
离体：正常生物体组织中的细胞是已经分 化后的成熟细胞，处在具有高度组织结构 分工的细胞整体中，其全能性受到限制。
激素：激素作用于离体组织细胞，通过细 胞信号转导，刺激细胞核，使基因重新编 程并表达，诱导细胞分裂与分化。
细胞说学： 1838年，德国科学家施莱登（J.Schleiden）、施旺
（T.Shwann）提出：一切生命有机体都是由细胞构成 的，细胞是生物体结构与功能的基本组成单位。
细胞全能性学说： 1902年，德国植物学家Hab每个生活细胞有可能在离体 培养时发育成完整植株。
Chapter 3.细胞全能性与形态发生
细胞全能性及其表达 细胞全能性的概念 细胞脱分化 细胞再分化
器官发生 器官发生方式 器官分化过程 器官分化的影响因素 器官分化的基因调控
体细胞胚发生 体细胞胚发生方式 体细胞胚结构与发育特点 体细胞胚发生的影响因素 体细胞胚发生的生化与分子基础
细胞学说与细胞全能性学说
一、植物细胞全能性
1、植物细胞全能性的相对性
植物细胞全能性是一个活细胞所具有的发育成 完整植株的潜在能力。
细胞全能性的证据：
1958 Steward 组织 1965 Vasil 单细胞 获得再生植株 1964 Guha 花药 1971 Takebe 原生质体
但是,细胞的再生潜力与其分化程度呈负相关， 即一个细胞的生理状态和形态决定它回复到分生态 的难易程度。极少数完全丧失分裂能力的细胞，不 能恢复其细胞全能性。
细胞脱分化过程的三个阶段：
（1）启动阶段：胞质增生，细胞质丝产生， 液泡蛋白体开始出现。
（2）演变阶段：核开始向向细胞中央移位， 质体演变为原质体。
（3）脱分化终结期：蛋白质合成达到高峰， 回复到分生状态，准备进入细胞周期启动 分裂。
2.细胞脱分化的调控机理
本质是G0期细胞回复到分列周期的过程。 细胞周期中的限制点（R point）：如Rb蛋白 细胞周期蛋白（cyclin） 细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）：cdc基因
的表达产物。 周期蛋白依赖性激酶抑制物（CKI）
Cyclin是调节亚单位（“油门”），CDK是 催化亚单位（“引擎”），CKI是“刹车”。