植物细胞的全能性
第3章 植物细胞全能性
• 激素在植物生长发育中具有重要的调控作用，也是离体培养 条件下调控细胞脱分化和再分化的主要因素，其中生长素和 细胞分裂素是两类主要的调控培养条件下细胞生长和分化的 植物激素。此外，在有些试验中也显示，GA3、ABA、乙烯等 也在细胞分化中起到一定的调节作用。
3.3离体培养条件下细胞的脱分化和再分化
3.1.3.2离体培养条件下的植物细胞全能性实现的几种途径
a.体细胞培养与植株再生
b.生殖细胞培养与植株再生
c.原生质体培养与植株再生
d.体细胞诱导融合与植株再生
e.转基因植株再生
3.1.4离体培养的植物细胞能体现物种的生物学特性
（一）、培养细胞的新陈代谢
在适宜条件下，离体细胞能够存活，则具有新陈代谢特性。
器官发生途径
胚 状 体 途 径
3.3.4动物细胞的分化与脱分化
3.3.5与脱分化有关的因子及其作用
任何具有完整的细胞核的植物细胞，都拥有形成一个 完整植株所必需的全部遗传信息，即细胞具有全能性。这 种植物所具有的全能性只是一种可能性，要使这种可能性 成为现实性，即使植物细胞、组织或器官离体后，经脱分 化，形成愈伤组织并再生植株，必须满足两个主要条件： 一是离体损伤刺激；二是营养物质及激素的刺激。除此外， 培养温度、光照等对脱分化也有影响。
3．TE细胞分化及其调控
• 作为维管系统的主要成分，管状分子（tracheary elements，TEs）在维管系统的形成中具有中心作用。在植 物系统发育条件下，TEs由根和芽的原形成层或次生形成层 细胞分化形成。在离体培养条件下，TEs则由愈伤组织薄壁 细胞分化形成，这也是愈伤组织细胞分化器官的前提。
3.3.1细胞脱分化和再分化的概念 细胞脱分化:已分化的细胞失去已分化细胞的典型特 征，或消除了细胞分工，使之回复到分生组织状态， 或胚性细胞状态。
植物细胞全能性
植物细胞全能性离体培养的植物器官、组织或细胞之所以经培养能够再生出完整植株，其原因在于植株细胞具有全能性。
1.全能性的概念植物细胞的全能性是指植株体内任何具有完整的细胞核的细胞都拥有形成一个完整植株所必须的全部遗传信息，即一套完整的基因组，并具有发育成完整植株的能力。
植物从一个受精卵进行有丝分裂，发育成具有一定形态、结构和功能的植株。
植物的体细胞染色体与受精卵是一致的，也即它们所携带的遗传信息是一样的，这样体细胞由于在植物体上所处的位置不同，表现不同的形态，承担一定的功能，这是由于它们受到具体器官或组织所在环境的束缚，是细胞核中DNA链上不同基因按一定顺序选择性地活化和阻止的结果，但遗传潜能并未丧失，具有发育成完整植株的能力。
植物细胞的全能性包括两方面的含义：一是植物细胞，无论是体细胞还是生殖细胞，都具有该物种全部的遗传信息；二是每个植物细胞具有发育成完整植株的潜在能力。
2.全能性的研究早在1839年，细胞学家施旺在他发表的细胞学说中就曾这样说过：“每个细胞应该可以独立生活和发展，假如具有的条件正如它存在于有机体内一样。
”1902年，德国著名植物学家哈伯兰特根据这个学说的理论，预言离体细胞在生理上、发育上具有潜在的“全能性”。
他这一预言阐明了一个理论：植物体内所有活的细胞都有在离体条件下，可以逐步失去原有的分化状态，转变为具有分化能力的胚胎细胞，增值分化成完整植株的潜在能力。
哈伯兰特本人以及以后的德国植物胚胎学家汉宁等人，用植物的根、茎、叶、花的小块组织或它们的细胞，进行离体的无菌培养试验，没有得到满意的结果。
1937年美国科学家怀特首先研制出了化学成分为已知化合物的培养基配方。
该培养基能促使细胞全能性体现。
他还发现了B族维生素对培养离体根的生长具有重要意义，并认识甙吲哚－3－乙酸在植物生长中调控作用。
同时，怀特和法国植物学家高斯雷特等人经过研究，第一次成功地用烟草的茎段形成层细胞和胡萝卜根的小块组织，在人工培养的条件下，使细胞增值和诱导形成愈伤组织。
植物细胞的全能性讲
植物细胞全能性的重要性
植物细胞全能性的研究有助于深入了解植物生长发育的机制，为植物育种和生物技 术提供理论支持。
植物细胞全能性的研究有助于探索植物的进化历程，揭示植物适应环境的能力和机 制。
植物细胞全能性的研究有助于解决农业生产中的问题，如提高作物产量、改良品质 和抗逆性等。
02
植物细胞全能性的表现
伦理问题
基因编辑的伦理考量
在植物细胞全能性的研究中，基因编 辑技术的使用涉及到伦理问题，需要 考虑技术的安全性、人道性以及对生 态环境的潜在影响。
潜在的生态风险
利用植物细胞全能性进行植物繁殖时， 可能产生新的生态风险，如基因污染、 物种入侵等，需要采取相应的预防措 施。
未来发展前景
提高作物抗逆性
植物细胞培养
次生代谢产物生产
通过植物细胞培养技术，可以在实验室 条件下大规模生产具有重要经济价值的 次生代谢产物，如药物、香料、色素等 。这种方法具有高效、环保、可调控等 优点，为工业生产提供了新的途径。
VS
有毒有害物质降解
利用植物细胞的全能性，可以培养出能够 降解有毒有害物质的植物细胞系。这些细 胞系可以用于处理工业废水、农药残留等 环境问题，为环境保护和治理提供有力支 持。
生物多样性保护
通过植物细胞全能性的研究，未来有 望培育出抗逆性更强、适应性更广的 作物品种，提高农业生产效益。
通过植物细胞全能性的研究，有望实 现濒危植物的繁殖与保护，为生物多 样性保护提供有力支持。
生物燃料与生物材料生产
利用植物细胞全能性，可以生产生物 燃料和生物材料，有助于实现可持续 能源和环保材料的发展。
04
植物细胞全能性的挑战与前景
技术挑战
1 2 3
《细胞具有全能性》 知识清单
《细胞具有全能性》知识清单一、什么是细胞的全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。
简单来说，就是一个细胞具备发育成完整个体的能力。
这种全能性在植物细胞中表现得较为明显。
比如，将植物的一小块组织或细胞培养在适当的条件下，它可以重新生长并发育成一棵完整的植株。
二、细胞全能性的证明1、植物细胞全能性的证明最经典的例子就是植物组织培养技术。
通过无菌操作，将植物的器官、组织或细胞接种在含有营养物质和植物激素的培养基上，它们能够脱分化形成愈伤组织，再经过再分化，最终形成完整的植株。
这一过程充分证明了植物细胞具有全能性。
2、动物细胞全能性的证明相较于植物细胞，动物细胞的全能性受到了一定的限制。
但细胞核仍具有全能性。
例如，多利羊的诞生就是一个有力的证明。
科学家将一只羊的乳腺细胞的细胞核取出，植入到另一只羊去核的卵细胞中，经过一系列的处理和培养，最终发育成了一只新的个体——多利羊。
这表明动物细胞的细胞核具有全能性，但要使已分化的动物体细胞表现出全能性，则比较困难。
三、细胞全能性的大小不同类型的细胞，其全能性的大小有所不同。
1、受精卵受精卵的全能性最高，它具有发育成一个完整个体所需的全部遗传信息，并且能够进行一系列的分裂和分化，形成各种组织和器官。
2、生殖细胞生殖细胞（如精子和卵子）的全能性也比较高，它们在受精过程中能够结合形成受精卵，进而发育成新的个体。
3、体细胞体细胞的全能性相对较低，但在特定条件下，一些体细胞也可以表现出一定的全能性。
例如，骨髓中的造血干细胞可以分化成各种血细胞。
四、影响细胞全能性表达的因素1、细胞的分化程度一般来说，细胞的分化程度越高，其全能性越难以表达。
未分化的细胞全能性较高，而高度分化的细胞全能性较低。
2、营养物质细胞在发育和分化过程中需要充足的营养物质来支持。
缺乏必要的营养物质会影响细胞全能性的表达。
3、植物激素在植物组织培养中，不同种类和比例的植物激素对细胞全能性的表达起着重要的调节作用。
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》PPT课件
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22
反馈练习
1.下列属于组织培养的是：（ A ）
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.未受精的卵发育成植株
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23
2.在离体的植物器官、组织或细胞脱 分化形成愈伤组织的过程中，下列
第二节 植 物 的 克 隆
植物克隆的技术基础是----植-物--组--织--培-养------，
理论基础是------植--物--细-胞--的--全--能-性-----------
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1
植物组织培养
脱分化
再分化
离体、消毒
的植物器官、脱分化 愈伤
组织或细胞
组织
再分化
胚 状 体
根、芽
植物体
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11
强调几个概念：
愈伤组织：
植物组织块切口处的细胞在创
伤的刺激下发生脱分化，继续
分裂增殖，形成一种相对没有
分化的活的薄壁细胞团组成的
新生组织。
植物细胞的脱分化：由高度分化的植物器官、组织
或细胞产生愈伤组织的过程，又称去分化。
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12
获取 外植体
移栽
无菌接种 脱分化 诱导愈伤组织
哪一项条件是不需要的（C ）
A.消毒灭菌
B.适宜的温度
C.充足的光照
D.适宜的养料和激素
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24
3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整
植株，不需要（ C ）
A.具有完整细胞核的细胞
B.离体状态
C.导入外源基因
2019-2020沪科版生物选修3第1单元 第2章 第2节 植物组织培养
第二节植物组织培养1．理解植物细胞全能性的含义。
2．简述植物组织培养的过程。
(重点)3．说出植物组织培养技术的应用。
(难点)知识点一| 植物细胞的全能性与植物组织培养技术1．植物细胞的全能性(1)含义植物体的每一个活细胞都具有形成完整植物体的遗传潜能。
(2)物质基础植物体的全部体细胞都具有发育为完整个体所必需的全套遗传物质。
(3)现实表现①在植物体内，细胞分化成为不同的组织和器官。
②原因：基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。
(4)体现全能性的必需条件①脱离原来组织器官的束缚，成为游离状态。
②一定的营养条件和植物激素的诱导。
2．植物组织培养技术(1)植物组织培养的概念①培养对象：外植体(即离体的植物器官、组织或细胞)。
②条件：a.无菌，b.含有营养物质的培养基，c.适宜的光照、温度、湿度等环境条件。
③结果：形成完整植株。
④核心：诱导脱分化和再分化。
(2)原理植物细胞的全能性。
(3)过程[合作探讨]探讨1：植物的种子能发育成完整的植株，是否体现了细胞的全能性？为什么？提示：没有，因为种子中的胚已完成了早期发育，相当于新植物体的幼体，发育成完整植株的过程，相当于植物的长大。
探讨2：美国科学家将分离得到的成熟胡萝卜根的韧皮部细胞进行培养，由单个细胞发育成了完整植株，培养过程如下图所示。
此实验说明了什么问题？提示：分化的植物细胞仍具有全能性。
探讨3：在菊花的组织培养操作完成了3～4天后，观察同一温室中的外植体，发现有的瓶内外植体正常生长，有的瓶内外植体死亡，你认为外植体死亡的原因可能有哪些？提示：接种时培养基灭菌不彻底；接种工具灼烧后未待冷却就接种外植体；培养过程中保持温度、pH 的适宜，但没有及时调整各种营养物质和激素的比例。
[思维升华]1．植物细胞全能性表达所需条件(1)体细胞未表现全能性的原因：基因的选择性表达。
(2)体现细胞全能性的条件：(1)无菌：植物组织培养成功的关键是避免微生物的污染，所有实验用具要严格灭菌，接种过程进行严格的无菌操作。
植物细胞的全能性
end...
——2012.03.04 ——2012.03.04
秦梦晓
1.细胞全能性的概念 1.细胞全能性的概念 2.实现全能性的方法与途径 2.实现全能性的方法与途径 3.优点. 3.优点.特点及应用 优点
1.细胞全能性的概念 1.细胞全能性的概念
植物细胞的全能性是指植株体内任何具有完整的细 植物细胞的全能性是指植株体内任何具有完整的细 胞核的细胞都拥有形成一个完整植株所必须的全部遗传 信息，即一套完整的基因组，并具有发育成完整植株的 信息，即一套完整的基因组，并具有发育成完整植株的 能力。 能力。
新植株 脱分化
离体的组织 或细胞
细胞分裂 愈伤组织 胚状体 细胞分化 发育
新植株
愈伤组织： 愈伤组织：
细胞排列疏松而无规则， 细胞排列疏松而无规则，是一种高度液泡化的 呈无定形状态的薄壁细胞。 呈无定形状态的薄壁细胞。
脱分化： 脱分化：
由高度分化的植物器官、 由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组 织的过程。 织的过程。
再分化： 再分化：
脱分化产生的愈伤组织重新分化成根或芽等器 官的过程。 官的过程。
2.实现全能性的方法与途径 2.实现全能性的方法与途径
肉质根薄片 在培养基中 离体培养
成熟的胡 试管苗 萝卜植株 胚状体发育
3.优点. 3.优点.特点及应用 优点
植物组织培养技术在研究植物生理方面： 植物组织培养技术在研究植物生理方面： 可以研究植物离体的组织或细胞在 不受植物体其他部分干扰的条件下的生 长和分化规律; 长和分化规律; 可以通过改变培养的条 件来影响它们的生长和分化。 件来影响它们的生长和分化。
3.优点. 3.优点.特点及应用 优点
可以保留亲本的一些优良性状, 可以保留亲本的一些优良性状,用于培育 植物优良品种; 植物优良品种; 可以快速繁殖植物,可用于大规模栽培; 可以快速繁殖植物,可用于大规模栽培; 快速繁殖植物 人为控制培养条件, 人为控制培养条件,不受自然条件影响 取材少,培养材料经济; 取材少,培养材料经济; 可以拯救濒危物种等。 可以拯救濒危物种等。
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有些植物在多次继代培养后，会丧失细胞全 能性的表达能力
• 原因：1.遗传物质发生不可逆转的改变 2.激素平衡被打破或外源激素作用的结果
克隆成功所需的条件（a） 1.探讨特定植物细胞全能性表达的条件(激素配比) 2.选择性能优良、细胞全能型表达充分的基因型
思考讨论：为什么体内细胞没有表现出 全能性，而是分化成为不同的组织、器官？
B
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
二、植物组织培养程序
1、配制半固体培养基
2、无菌操作切取一些 小块组织
脱分化
3、获得愈伤组织
4、诱导愈伤组织
通过调节营养物质和植物生 长调节剂的适当配比
5、再生新植株出现
3、表现全能性的条件有哪些？ 离体、提供营养物质、激素及其它适宜条件。
反馈练习
1.下列属于组织培养的是：（ A ）
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.未受精的卵发育成植株
2.在离体的植物器官、组织或细胞脱 分化形成愈伤组织的过程中，下列
哪一项条件是不需要的（C ）
植物组织培养的培养基
• 无机营养物质：植物所必需的大量元素及微量元素 • 有机营养物质
① 含N物质：包括维生素和氨基酸 ② 碳源：2%—5%的蔗糖 ③ 琼脂：起凝固支持作用 植物生长调节剂：（生长素，细胞分裂素） PH值：5.0－6.0
愈伤组织
强调几个概念：
愈伤组织：
植物组织块切口处的细胞在创 伤的刺激下发生脱分化，继续 分裂增殖，形成一种相对没有 分化的活的薄壁细胞团组成的 新生组织。 植物细胞的脱分化：由高度分化的植物器官、组
织或细胞产生愈伤组织的过程，又称去分化。
获取 外植体
移栽
无菌接种 脱分化 诱导愈伤组织
的形成
试管苗的形成 再分化 扩大培养
例2、当植物细胞脱离了原来所在植物体的器
官或组织而处于离体状态时，下列有可能使其表
现出全能性，发育成完整的植株的是（D ）
A、细胞分裂素
B、生长素
C、一定的营养物质 D、以上三者均是
2、原生质体培养和植物细胞工程
五、植物克隆的发展
练习：
1、为何已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能？ 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。
2、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？ 体内的细胞在特定的时间和空间条件下，基因选 择性表达的结果。
3、原生质体培养
原生质体：去除细胞壁后的植物细胞。
用适当方法进行原生质体培养，也可以获得新植株。
4、单倍体培养
用花药离体培养方法获得单倍体植株。
植物激素的不同配比
植物 细胞
愈伤 组织
芽、根
植株
植物激素的不同配比
单细胞 胚状体 植株
植物激素的不同配比
原生质体培养技术
植物细胞结构图
如何剥 离细胞 壁呢？
下图是植物组织培养的简略表示。据此回答：
（1）①表示 离体的器官、组织或细胞 ，它能被培养成为④的
根本原因是 植物细胞的全能性。。
（2）②表示愈伤组织，它与①相比分化程度 低 ，全能性 高 。
（3）若想制作人工种子，应该选用（填编号） ③
。
（4）若①是花药，则④是单倍体植株，继续对其使用 秋水仙素处
用纤维 素酶和 果胶酶 啊！！
原生质体培养
为什么要加较 高渗透压的甘
露醇呢?
0.5~0.6mol/L的甘露醇
植物
(较高渗透压)
球型的
植
细胞
纤维素酶
原生质体
株
和果胶酶
防原物止生细原质胞生质体除体：去吸植壁水胀破 后的部分
植物细胞工程:
1．借助基因工程方法，将外源基因导入受体细胞 2．通过细胞融合将不同来源的遗传物质重新组合 3．通过显微注射将不同来源的遗传物质重新组合
本课小结：
一、植物细胞的全能性
1、概念2、原因3、体现
二、植物组织培养程序
1、配置半固体培养基 2、无菌操作切取一些小块组织 3、获得愈伤组织 4、诱导愈伤组织
5、再生新植株出现
三、植物细胞培养主要几种技术
1、组织培养
2、悬浮细胞养
3、原生质体培养
4、单倍体培养
四、植物克隆的成就：
1、细胞培养和器官培养 3、多途径上的植物克隆实践
基因在特定空间和时间条件下选择性表达 的结果。在个体发育的不同时期，生物体不同 部位的细胞表达的基因是不同的，合成的蛋白 质也不一样，从而形成了不同的组织和器官。
细胞表现出全能性的条件
• 离体状态 • 有一定营养物质、激素和其他外界条件(如无菌、
温度、PH）
例1、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：
Ｂ．生物体内细胞由于分化全能性不能表达 Ｃ．卵细胞和受精卵一样，细胞未分化，全能
性很高 Ｄ．植物细胞离体培养在一定条件下能表现出
全能性
5.下列植物细胞全能性最高的是（ A ）
A.形成层细胞 B.韧皮部细胞
C.木质部细胞
D.叶肉细胞
6．下列细胞全能性最高的是（ C ）
A．植物的卵细胞 B．植物的精子细胞 C．被子植物的受精卵 D．被子植物的的叶肉细胞
1、概念 植物体的每个活细胞具有遗传上的全能
性,都具有发育为完整植株的潜能，叫做 植物细胞全能性。
2、原因
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.
3、全能性的体现：
受精卵 ＞ 生殖细胞 ＞ 体细胞
植物细胞 > 动物细胞 不同种类植物或同种植物的不同基因型个体之间 因遗传性的差异,细胞全能性的表达程度大不相同.
例3、在生物体的所有细胞中，全能性最高的是D
A、卵细胞 B、植物花粉 C、体细胞 D、受精卵
三、植物细胞培养主要几种技术： 1、组织培养
通过调节营养物质和生长调节剂的适当配比，诱导愈 伤组织分化出芽和根的分生组织而形成再生新的植株。
2、悬浮细胞培养
通过液体悬浮培养使愈伤组织分散成单细胞，经适宜培养基中成 分的诱导，可发育成胚状体，从而形成新株。
第二节 植 物 的 克 隆
植物克隆的技术基础是----植-物--组--织--培-养------， 理论基础是------植--物--细-胞--的--全--能-性-----------
植物组织培养
脱分化
再分化
离体、消毒
的植物器官、脱分化 愈伤
组织或细胞
组织
再分化
胚 状 体
根、芽
植物体
一、植物细胞的全能性
植物细胞工程的概念和操作过程是：培养植 物细胞，借助基因工程方法，将外源DNA导入 受体细胞中，或通过细胞融合、显微注射将 不同的遗传重组，再通过对这些转基因细胞 或重组细胞进行培养，获得具有特定性状的 新植物。
反馈练习
1.下列属于组织培养的是：（ A ）
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.未受精的卵发育成植株
7.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。
本课结束
原生质体培养成功后，植物细胞工程得以发 展。这是在原生质体培养的基础上，由原生 质体融合和基因工程技术结合的研究领域。
A.消毒灭菌
B.适宜的温度
C.充足的光照
D.适宜的养料和激素
3.要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完
整植株，不需要（C ）
A.具有完整细胞核的细胞
B.离体状态
C.导入外源基因
D.一定的营养物质和激素
4、有关全能性的表述中，不正确的是（ C ）
Ａ．受精卵在自然条件下能使后代细胞形成完 整个体，因此全能性最高
理可获得 纯合 正常植株，该过程称为单倍体育种。
（5）若①是胡萝卜根尖细胞，则培养成的④的叶片的颜色是 绿色
这说明根尖细胞 含有叶绿体形成相关的基因 。