优良品种的快速繁殖
• 植物离体快速繁殖是植物组织培养在生产上应用最广泛，产生较大经济效益 的一项技术。其商业性应用始于20世纪70年代美国兰花工业，80年代已被认 为是能够带来全球经济利益的产业。组培快繁技术不受季节等条件的限制， 可周年生产，具有生长周期短、繁殖速度快、苗木整齐一致等优点。
• 通过离体快繁可在较短时期内迅速扩大植物的数量，在合适的条件下每年可 繁殖出几万倍，乃至百万倍的幼苗。如1个草莓芽1年可繁殖1亿个芽，1个兰 花原球茎1年可繁殖400万个原球茎，1株葡萄1年可繁殖3万株。快繁技术加 快了植物新品种的推广，以前靠常规方法推广一个新品种要几年甚至十多年， 而现在快的只要1~2年就可在世界范围内达到普及和应用。特别是对繁殖系数 低的“名、优、新、奇、特”植物品种的推广更为重要。
• 全世界组培苗的年产量从1985年的1.3亿株猛增到1991年的5.13亿株，现在 已超过10亿株。如美国的Wyford国际公司设有4个组培室，研究和培育出的 新品种达1000余个，年产观赏花卉、蔬菜、果树及林木等组培苗3000万株；
以色列的Benzur年产观赏植物组培苗800万株；印度Harrisons Malayalam有 限公司年产观赏植物组培苗400万株。
• 植物组培快繁技术在我国也得到了广泛的应用，到目前为止已报道有上千种 植物的快速繁殖获得成功，包括观赏植物、蔬菜、果树、大田作物及其它经 济作物。其中兰花、安祖花、马蹄莲、甘薯、草莓、香蕉、甘蔗、桉树、非 洲菊等经济植物已开始工厂化生产。
工厂化育苗车间
工厂化蔬菜育苗
茎尖脱毒培育无病毒苗
• 植物在生长过程中几乎都要遭受到病毒不同程度的危害，尤其是靠无 性繁殖的植物，如蒙受病毒病后，代代相传，越染越重，严重地影响 了产量和品质，给生产带来严重的损失。如草莓、马铃薯、甘薯、葡 萄、香蕉等植物感染病毒后会造成产量下降、品质变劣；兰花、菊花、 百合、康乃馨等观赏植物受病毒为害后，造成产花少、花小、花色暗 淡，大大影响其观赏价值。
• 自20世纪50年代发现采用茎尖培养方法可除去植物体内的病毒以来， 脱毒培养就成为解决病毒病危害的主要方法。由于植物生长点附近的 病毒浓度很低甚至是无病毒，切取一定大小的茎尖分生组织进行培养， 再生植株就可能脱除病毒，从而获得脱毒苗。脱毒苗恢复了原有优良 种性，生长势明显增强，整齐一致。如脱毒后的马铃薯、甘薯、甘蔗、 香蕉等植物可大幅度提高产量，改善品质，最高可增产300%，平均 增产也在30%以上；兰花、水仙、大丽花等观赏植物脱毒后植株生长 势强，花朵变大，产花量上升，色泽鲜艳。目前利用组织培养脱除植 物病毒的方法已广泛应用花卉、果树、蔬菜等植物上，并建立了脱毒 苗的繁殖系数。
无病毒苹果苗木
组织培养培育新品种
1.利用体细胞杂交获取远缘杂交新品种。
2、胚培养拯救杂种胚 3、利用突变体的筛选获取新植株 4、利用原生质体培养
此生代谢产物的产生
• 利用植物组织或细胞的大规模培养，可以生产一 些天然有机化合物，如蛋白质、糖类、脂肪、药 物、香料、生物碱及其他生物活性物质等。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。目前次生代谢产物的生产 主要集中在制药工业中一些价格高、产量低、需 求量大的化合物上（如紫杉醇、长春碱、紫草宁 等），其次是油料（如小豆蔻油、春黄菊油）、 食品添加剂（如生姜、洋姜等）、色素、调味剂、 饮料、树胶等。
植物种质资源的保存和交换
• 种质资源是农业生产的基础，常规的植物种质资 源保存方法耗资巨大，使得种质资源流失的情况 时有发生。通过抑制生长或超低温储存的方法离 体保存植物种质，可节约大量的人力、物力和土 地，还可挽救那些濒危物种。如一个0.28m3的普 通冰箱可存放2000支试管苗，可容纳相同数量的 苹果植株则需要近6hm2土地。离体保存还可避免 病虫害侵染和外界不利气候及其栽培因素的影响， 可长期保存，有利于种质资源材料的远距离之间 的交换。
1、中国热带农业科学院开发出多种热带植物离体保存 2、海南建成大型热带植物种质资源保存中心。
植物病毒
植物基因组学
Plant Genomics
概述
基因组学的定义
基因组 —— 细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因区域。染色体 上的DNA、细胞器中的DNA。基因组中不同的区域具有不 同的功能，有些是编码蛋白质的结构基因，有些是复制或转 录的调控信号，有些区域的功能还不清楚。
基因组学—— 研究基因组的一门学问。“基因组学”这个词最早于 1986年由美国科学家Thomas Roderick提出，是一门关于 基因组图、测序和基因组分析的科学。这门科学还在迅速发 展之中，但侧重点已经从当初的作图与测序，到基因组功能 的研究。为了反映这个转变，基因组分析可以分成“结构基 因组学”与“功能基因组学”两个大部分。
电子显微镜下面染色体的外观
Confocal显微镜下面植物染色体的外 观
为什么要研究基因组？
1、基因组研究的目的是从全局上阐明一种生 物中所有遗传信息的组织和功能。
2、基因组研究的内容包括所有水平上遗传信 息的加工及基因和基因产物之间的相 互作用，以及基因组的比较和进化。
结构基因组学和功能基因组学
结构基因组学：研究基因组的结构，是基因组 研究初始阶段的主要工作。最终目的是构建某 一个物种高分辨率的“遗传图”、“物理图”、 以及“转录本图谱”。某个物种最终的物理图 谱，是它的完整的DNA序列。
基因组图分别率
基因组图：细胞学图、遗传图、物理图、序列图， 分辨率逐级提高
基因组学
结构基因组学
功能基因组学
基因连锁分析 分子细胞学 物理作图 EST 测序
全基因组测序 全基因组的结构
基因的表达 正向遗传学 反向遗传学 生物信息学 比较基因组学 蛋白质组学
等等
基因组研究的特点
基因组研究是基因组学的核心内容。或者说，基因组学其实就 是基因组研究。基因组学是高效的遗传学。与传统的遗传学比较，基 因组学具有全局性、高效性、综合性和先进性的特点。
1、全局性（Overall, genome-wide）：以整个基因组为研究对象， 而非具体到单个特定的基因。
2、高效性（High-throughput）：研究方法是平行的、高通量的， 一次试验可产生大量的数据。
3、综合性：需要多学科的合作，包括生物学、化学、统计学、 机械技术、电子技术、信息技术等。
4、先进性：将现有各种最先进的技术应用到极至，同时也推动 了各种技术的高速发展。
真核生物与原核生物基因组的区别
基因组 染色体 着丝粒 染色体 基因组 重复
大小
端 结构 序列
真核生物 大 多条 有 线状
有 基因排列
高
松散 被内
含子间隔
原核生物
小 单染色 无 体环状
无 基因排列 没有或
紧密无内 含子
很低
真核生物与原核生物基因组的一些例子
裂殖酵母 支 原 体
布 鲁 氏 科 寄 生 菌
基因组的大小
基因组的大小：指的是物种单倍体基因组的大小。即 便是同一个物种，它不同的细胞，所携带的染色体倍 数是不同的：性细胞的染色体组数目是体细胞的一半。
基因组的大小可以通过C值来表示，C值的大小通过 DNA双链解开与复合的速率来测算。
基因组的大小 – C Value
基因组越大，DNA重 复序列越多
DNA双链退火重合 所需时间越长，C值 越高
基因组的大小 – C0T1/2
C0T1/2 =“DNA 浓度”与“双链退火复合所需时间一半”的乘积， 这个乘积直接与基因组内DNA的数量相关。
物理参数与实测碱基对数目间的相关性
物种之间基因组大小的差别
物种间基因组的大小差别巨大，从病毒基因组的 5x103 bp到植物的103 Mb。在哺乳动物之中，最大的 基因组只是最小的基因组的两倍；而在植物界，物种之 间基因组的大小差异达100倍之多。
物种之间基因组大小的差别
爬行
软骨质的鱼 棘皮类 甲壳类 软体动物
支原体
1 kb
10 kb 100 kb 1 Mb 10 Mb 100 Mb
1 Gb 10 Gb 100 Gb
部分植物基因组大小之比较
基因组序列的重复性
在一种生物类别中，基因的数目其实并不相差太大 ，而基因组的大小的差别却有100倍之多。例如，在 开花的植物之中，基因数目在3-5万个之间，而基因 组的大小却相差巨大，拟南芥的基因组是小麦的百分 之一。因为在大型的基因组中存在着大量的重复区域 。
一些物种基因组内不同序列类别的比例
斑马鱼
鼠
蛙
DNA重复序列
DNA重复序列：指在基因组中，超过一个拷贝的重复序列。
串联重复序列(Tandem repeats)：指在基因组中，前后相连 的重复序列。
分散的重复序列(Dispersed repeats)：指分散在基因组不同 区域的重复序列。
两种分散的DNA重复序列
SINES(Short Interspersed Elements)：片断小于 500 bp，重复次数在100,000-1000,000
LINES(Long Interspersed Elements): 片 断 大 于 5KB,重复次数10000次以上。
内含子与外显子
1、内含子(Intron): 不翻译成蛋白质的DNA序列 片断。最早在1977年的时候，鸡的蛋白清，以 及兔子、老鼠的血色素蛋白中发现。在原核生物 与低等的真核生物（如酵母）中，很少有内含子 。
2、外显子(Extron)：一个基因的编码区域。
不同物种基因外显子数目统计
三个物种基因内含子数目统计
酵母
果蝇
染色体上重复序列的位置
异染色质
常染色质
常染色质
异染色质
串联重复DNA微卫 星
串联重复
内含子、外显子、LINEs、 SINEs、微卫星与mini微
卫星
内含子、外显子、LINEs、 SINEs、微卫星与mini微
卫星
串联重复
小结
1、原核生物与真核生物的基因组大小相差极大。
2、在同一类生物之中，不同物种基因的数目相差并 不大，但基因组的大小差别却可以达到100倍之巨。
3、基因组的越大，重复序列的比例也越高。
4、越是高等生物，单个基因平均内含子与外显子的 数目也就越多。
Genome-wide analysis of gene expression
第一讲 基因的表达及全基因 组基因表达研究
1.1 何谓基因的表达 1.2 如何分析单个基因的表达 1.3 如何在全基因组水平上研究基因的表达
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） 操作规范
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，成本低，易于批量生成和管理。比如利用一小块叶片 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。
5） 植物种质资源的离体保存 6） 培育人工种子 7） 观赏价值
3、 如何理解组织培养在生物技术中的作用？
生物技术的核心是基因工程 2p 为基因工程提供受体。在细胞工程育种中诱变单倍体育 种。
4、 简述植物组织培养的理论依据？在组培工作中有何作用？
植物细胞全能性 指导作用，如：加激素诱导、培养基的营养提供和离体的植物组织等
5、 植物组培的优点
优点：1）实验材料来源单一，无性系遗传特性一致：遗传性状高度一致
2）生物技术的基础 3）可持续运行、周年实验或生产 4）生长周期短、生长速度快、重复性好：几何级数大量繁殖 5）技术含量高、误差小、人工控制能力强：成分，条件 缺点：成本比田间种植高；不能替代田间试验
6、 在组培中的常用灭菌方法有哪些？有何特点？
物理：干热灭菌 烘烤 灼烤
湿热灭菌（高压蒸锅） 射线灭菌 过滤灭菌
化学：84 消毒液，福尔马林 酒精，高锰酸钾 H2O2,次氯酸钡 升汞，漂白粉
7、 组培的环境条件主要指哪些？植物离体培养的环境条件以及对培养的影 响？
光线（光周期，光强，光质）；温度（25），培养基，气体，湿度，ph（6.5-7）渗透压 光——形态健长 温度——生长速度 ph——养分吸收 渗透压——植物<基 8、植物组培实验室的基本组成以及要求？植物组培室的常用设备和器械有哪些？ 准备室，接种室，培养室，驯化室，其他培养室 准备室：1）洗涤室 大水槽，浸泡池，晾瓶架，烘箱，注意防滑，排水通畅
2）药品室 干燥，通风，避免光照 3）称量间 4）缓冲间 5）培养基配置室 6）灭菌室 接种室：无菌 培养室：保持清洁，控制污染，有光照控温设备和定时设备，消毒，避免虫类侵杂 驯化室：一般为温室大棚 高压蒸汽灭菌锅，烘箱，微孔过滤灭菌器，紫外线杀菌灯，酒精灯，电热灭菌器 研钵，低速离心机，超净工作台，解剖镜，接种工具，培养架，培养箱，摇床，称量设 备，加热器，冰箱和冰柜，酸度计
9、 固体培养基的优缺点
优点：操作简便，通气问题易于解决，便于观察 缺点：不能充分利用培养基中的养分，排出的有害物质造成毒害作用
10、培养基的重要成分包括哪几类？在离体培养中的作用是什么？
水，无机盐，有机物，激素及培养基的支持材料 无机：提供除了 C 源以外几乎所有营养元素 有机：碳源，维生素以 的 激素：对 2w 生长分化起决定性作用 支持物：形成固定培养基
11、组织的过程包括哪些步骤？
取材，清洗，灭菌，接种，培养，驯化，移栽 12、简述植物细胞全能性的实现途径，植物细胞表现出全能性的必要条件是什么？
脱分化，再分化的途径 条件：离体的，有激素（无菌的） 13、如何配制？为什么在配制培养基时先要配成较浓的混合母液？
配制母液 大量元素 一定量母液 加入 0.7%琼脂 3%糖 有机物 激素 微量元素 铁盐
混合，定容，定 ph，分装，灭菌 一次配制多次使用，准确性强 14、在筛选培养基配方时，为什么首先考虑生长调节物质？如何调节离体植物的形态发生 根据是什么? 生长调节物质在 2p 中最为重要，起决定作用 生长素：促进细胞生长分裂，促进生根，抑制脱落等 细胞分裂素：影响细胞分裂，顶端优势的解除，和芽的分化 赤霉素：伸长 15、在 2p 中，为什么要进行一系列的消毒灭菌并且要求无菌操作？ 培养基营养物质浓度高，细菌生长速度快 外界细菌无处不在，有细菌会影响值得题营养吸收形成竞争 16、选择外植体是应该注意哪些问题？对于木本植物为什么要考虑其发育阶段？ ① 植物种质选择：生长快 ② 外植体的增殖能力：强 ③ 外植体的大小：0.5-1cm ④ 外植体的幼化程度：幼年植物，较低部位 ⑤ 取外植体的季节和时间：春夏季，中午 ⑥ 木本材料的特殊性：纯系组培材料难以获得，年龄效应，位置效应，发育阶段难培养 17、外植体表面灭菌常用的化学药品有哪些？ 84 消毒液，酒精，高锰酸钾，双氧水 18、外植体编码灭菌程序及灭菌方法如何进行外植体表面灭菌处理？ 选取，清洗，表面灭菌，冲洗（无菌水） 用 70%酒精浸泡数秒（30）用 84 消毒液浸泡（30-50min），无菌水冲洗 19,、简述获得无菌材料的一般技术过程，如何建立无菌培养体系，应注意哪些问题？ 同一题 接种室消毒，超净工作台灭菌，人员消毒，刀剪镊消毒灭菌，正确操作 20、高压灭菌锅的正确使用方法，高压灭菌锅在使用中为什么要排放冷气？ 1）冷气必须排尽 2）防止压力过高过低 3）在保持压力恒定的同时，严格遵守灭菌时间 4）培养容器内培养基不要过多，一般最多不过 70% 5）压力表指针回复 0 后才可开启 排放冷气未来使温度上下一致 21、超净工作台得工作原理是什么？
用于培养材料的消毒、切割、分离、转接，是植物组织培养最常用、最普及的无菌操作 设备。
射线灭菌，过滤灭菌 22、为什么在 2p 中大多数植物要经过分化培养和生根培养？依据是什么？ 外植体的培养目的不同，分化形成：芽
愈伤组织 其他 生根》》植株，有根才能成为独立生长的植株 23、决定植物细胞脱分化，再分化的关键因素是什么？脱分化和再分化的不同？ 激素 相反的两个过程 24、植物激素与器官分化有何关系？ 比例关系 25、离体的器官组织，或细胞如果不进行脱分化处理，能否培养成完整植物体？ 能 胚胎培养 原生质体培养 细胞培养 器官培养 26、利用组培方法繁殖苗木时，往往成本较高，如何才能降低成本？ 减少污染;提高繁殖系数，提高生根率 27、组培中常见问题及解决方法 污染：同题 1 褐化：1）选择合适的外植体和培养条件 2）连续转移（继代培养） 3） 加入抗氧化剂 玻璃苗：1）使用固体培养基 2）适当降低培养基中细胞分裂素和赤霉素的浓度 3）提高光照强度 4）使用透气性好的封口材料，改善氧气的供应状况 5）培养基中加入间苯三酚或根皮苷、青霉素钾、活性 炭、聚乙烯醇（PVA）均可有效抑制玻璃苗的发 生。
6）改变供氮形态，降低铵态氮浓度 7）提高培养基中无机盐含量 28、简述茎尖脱毒的原理，哪些因素影响茎尖培养的脱毒效果？ 感染病毒植株的体内病毒的分布并不均匀，病毒的数量随植株部位及年龄而异，越靠近 茎顶端区域的病毒的感染深度越低，生长点(约 0.1～1.0mm 区域)则几乎不含或含病毒很 少，这是因为分生区域内无维管束，病毒只能通过胞间连丝传递，赶不上细胞不断分裂 和活跃的生长速度。
病毒在植物茎尖分布位置，培养茎尖的大小
29、植物脱除病毒的技术和方法有哪些？茎尖培养与植物脱病毒有何关系？为什么？ 热处理
组织培养脱毒：1）微茎尖培养脱毒 2）愈伤组织培养脱毒 3）珠心组织培养脱毒
病毒在植物体内分布是不均一的，越接近生长点，病毒浓度越稀，因此有可能采用小的 茎尖离体培养而脱除植物病毒。这是因为分生区域内无维管束，病毒只能通过胞间连丝 传递，赶不上细胞不断分裂和活跃的生长速度。
30、炼苗对试管苗移栽有何影响？简述提高试管苗移栽成活率的方法？ 提高试管苗的光合作用能力和对环境的适应能力，使其生长更粗壮，提高抵抗能力，和 提高根的吸收能力 1） 将小苗进行分级 2） 要进行炼苗和驯化 3） 严格掌握移栽技术 4） 重视移栽后的管理 31、培养基污染的可能来源及防止措施？在组培过程中如何有效控制污染 手上消毒不彻底 工具消毒不彻底 同题 1 32、为什么通过组织培养能快繁苗木？为什么用于 2w 快繁的每个茎段都必须至少含有一个 生长点？ 材料多，繁殖系数高，周期短（1:400 万） 有芽好长，丛生芽，无变异 33、胚状体的三大特点 数量多 ，繁殖速度快，双极性 34、为什么组织培养中容易引起体细胞的变异？如何利用和防止？ 激素；次生代谢物积累，离体的，培养基成分，芽切太多 利用：好的分离保留 防止：继代不要做太多 35、你认为组织培养的关键是什么？ 无菌，激素调节，材料长的好，分化快 36、人工种子之神奇。由于它具有天然种子不可比拟的特点，其优点为？ 固定的杂种优势 快速高效育种，时间周期短 天然条件影响少 加大繁殖系数 种子保护强
7 CELL SUSPENSION CULTURE
教学目的与要求
深入了解植物细胞在离体条件下的生长特性，掌握植物细胞悬浮系的 建立以及种细胞的筛选方法。
What is a cell suspension culture? What is plant cell culture? Why plant cell suspension culture? What is secondary metabolite? What is a bioreactor?
7 CELL SUSPENSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.1 定义
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，得到分散 成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得 大量的细胞群体的一种技术。小规模的悬浮培养可在培养 瓶中进行。大规模的需要利用生物反应器生产。
植物细胞培养是在植物组织培养技术基础之上发展起来 的。理论基础是植物细胞的单个细胞内存在生命体的全部 能力（全能性）。
7 CELL SUSPENSION CULTURE
What is a bioreactor?
It is a culture vessel generally of a large volume which has provisions for aeration, stirring to achieve medium and cell mixing , contamination control, replacement of used medium and or cells
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.2 植物细胞培养的方法
根据培养对象，植物细胞培养主要有单细胞培养、单倍体培养、原 生质体培养等。根据培养系统可分为悬浮培养、液体培养、固体培养、 固定化培养等。
固体培养
琼脂培养
固定化培养
细胞培养
液体培养
摇瓶悬浮培养 反应器大规模培养
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.2 植物细胞培养的方法
▪ 固体培养是在微生物培养基础上发展起来的植 物细胞培养的方法。一般都是使用添加一定比例 的琼脂的培养基。
▪ 固定化培养是固体培养的一种，是在微生物和 酶的固定化培养基础上发展起来的。目前应用最 广泛的、能很好保持细胞活性的固定化方法是将 细胞包埋于海藻酸盐或卡拉胶中。
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
▪ 液体培养也是在微生物培养基础上发展起来的， 可分为静止与振荡培养两种。静止培养适合某些 原生质体的培养，范围较窄。振荡培养需要摇床 或转床等设备。
▪ 细胞悬浮培养属于液体培养的一种，是植物细 胞大规模培养的主要方式，可以通过机械或气体 搅拌实现细胞的悬浮，类似于微生物培养的发酵 工程技术。
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.3 植物细胞培养的意义
植物是天然化合物的宝库，在它们的细胞中包含着数以万计的化
合物。这些化合物可以分为初生代谢产物和次生代谢产物 两大类。初生代谢产物包括淀粉、糖类、脂肪、蛋白质、 氨基酸和维生素等，是人类食物的主要来源，有些也是重 要的工业原料。次生代谢产物包括许多种类的小分子化合 物，它们是由初生代谢产物经过一些独特的代谢途径而派 生出来的，种类繁多（保守估计已超过2万种），结构各 异，包括酚类、黄酮类、香豆素、木质素、生物碱、有机 酸、糖苷、萜类、皂苷和多炔类等。
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.3 植物细胞培养的意义
对于人类来说，植物次生代谢产物一直是药物和工业原料的重要来 源。以前采用传统的方法提取分离这些物质，但是长期以来，为了取 得这些产物，人们大量采挖资源植物，造成许多稀有野生资源植物的 短缺，甚至威胁到物种的生存，导致传统的提取分离途径很难满足人 类的需求。在20世纪50年代，人们就发现离体培养的高等植物细胞
具有合成并积累次生代谢产物的潜力。目前利用植物细胞培养 技术生产植物产品不仅成为工业化生产植物产品的一条有 效途径，也可摆脱对植物资源的依赖，保护了物种多样性 和生态环境。
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.3 植物细胞培养的意义
利用植物细胞培养生产的产品主要有：
1、药用代谢产物
产品成分 长春花碱
阿吗灵 奎宁
致热素 毛地黄
用途 治疗白血病 循环系统障碍药
治疗疟疾 杀虫剂
心脏病药
年销售额（亿美元） 18-20（美国） 5-25（全世界） 5-10（美国） 20（全世界） 20-55（美国）
三 七
中 草 药地
黄
红 花
石 刁 柏
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.3 植物细胞培养的意义
利用植物细胞培养生产的产品主要有：
2、天然食品添加剂
食品工业中，化学合成色素、甜味剂等越来越受到严 格限制。天然的食品添加剂越来越受到消费者的青睐。
利用植物细胞培养技术生产天然食品添加剂已展现了诱 人的前景。目前报道过的，用植物细胞培养的方法生产 的色素有胡萝卜素、叶黄素、单宁、黄酮体等，还有咖 啡碱、甜菜苷类红色素、甜菊苷甜味剂等。
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
利用植物细胞培养生产的产品主要有：
2、天然食品添加剂
7 植CE物LL细SU胞S培PE养NSION CULTURE
7.1 植物细胞培养的概念及意义 7.1.3 植物细胞培养的意义
利用植物细胞培养生产的产品主要有：
3、杀虫剂、杀菌剂
例如从万寿菊的培养组织或细胞中可以收获农药噻吩烷；从锦葵 叶愈伤组织细胞中可以收集生物碱等。
4、饲料、精细化工等产品
例如，通过培养桑、蓖麻、榆等植物的细胞，收获、混合后再配 合一些附加物如蔗糖、淀粉等制成饲料，可以很好地解决蚕饲养的 饲料供给问题。利用植物细胞培养技术可以从银胶菌愈伤组织细胞 中生产橡胶。
植物组织培养技术的应用
一 在植物脱毒和快速繁殖上的应用
植物脱毒和离体快速繁殖是目前植物组织培养应用最多、最有效的 一个方面。很多农作物如马铃薯、甘薯、大蒜等都带有病毒，但感病植株并非每 个部位都带病毒，White 早在 1943 年就发现植物生长点附近的病毒浓度很低甚 至无病毒。如果利用组织培养方法，取一定大小的茎尖进行培养再生可获得脱病 毒苗，再用脱毒苗进行繁殖，则种植的作物就不会或极少发生病毒。此法已在马 铃薯、草莓等多种作物上获得成功，并产生了明显的经济效益。
由于运用组织培养法繁殖植物的明显特点是快速，每年可以数以百 万倍的速度繁殖，因此，对一些繁殖系数低、不能用种子繁殖的名、优、特植物 品种的繁殖，意义尤为重大。目前，观赏植物、园艺作物、经济林木、无性繁殖 作物等部分或大部分都用离体快繁提供苗木，试管苗已出现在国际市场上并形成 产业化。
二 在植物育种上的应用
植物组织培养技术对培育优良作物品种开辟了新途径。目前，国内 外已把植物组织培养普遍应用于作物育种，并在以下几个方面取得了较大进展：
1 单倍体育种单倍体植株往往不能结实，在培养中用秋水仙素处 理，可使染色体加倍，成为纯合二倍体植株，这种培养技术在育种上的应用称为 单倍体育种。单倍体育种具有高速、高效率、基因型一次纯合等优点，因此，通 过花药或花粉培养的单倍体育种，已经作为一种崭新的
育种手段问世，自 1964 年 Guha 等获得曼陀罗的花药单倍体植株以 来，单倍体育种在国际上引起很大重视，各国纷纷开展这方面的研究工作，已先 后在水稻、小麦、玉米、辣椒以及许多药用植物如枸杞、人参、平贝母中获得单 倍体植株，共计 300 多种。其中许多已经应用于育种研究并得到了专利品种。我 国在 20 世纪 70 年代掀起了单倍体育种的高潮，在农作物上取得了一批有实用价 值的育种成果，特别是培育禾本科粮食作物，现在已经培育出水稻新品种 15 个、 小麦新品种 6 个。
2 胚、子房、胚珠离体培养植物胚培养是采用人工的方法在无菌条 件下从种子中将成熟胚和未成熟胚分离出来，在人工合成的培养基上培养，使它 发育成正常的植株，从而有效地克服远缘杂交不实的障碍，获得杂种植株。胚培 养已在 50 多个科属中获得成功，如亚麻、棉花、黄麻等。从玉米的离体子房培 养，经体外授粉也可获得种子。远缘杂交中，可把未受精的胚珠分离出来，在试 管内用异种花粉在胚珠上萌发受精，产生的杂种胚在试管中发育成完整植株，称 为“试管受精”。目前，在这一方面获得成功的自交或远缘杂交不亲和性植物有：
怀地黄、矮牵牛、普通小麦、黑麦草等。
3 体细胞杂交育种在转移胞质雄性不育特性，获得抗病及抗除草剂 特性方面都已取得显著进展，并为克服远缘杂交时有性生殖上的障碍提供一种新 的技术。美国科学家采用细胞融合技术将番茄和马铃薯的细胞融合在一起，培育 出称为“番茄薯”或“薯番茄”的新型植物。此外，获得成功的属间体细胞杂种 植物还有：烟草+大豆、烟草+龙葵、芥菜+油菜等，这些属间杂种无法用有性杂 交得到，这为远缘杂交育种开辟了新途径。
4 单细胞培养突变体的选择与应用 这是从细胞水平改造植物的 一条途径。用单细胞培养的方法诱导单细胞突变，筛选需要的突变体培养成植株， 经有性繁殖使遗传性状稳定下来。目前成功的例子有：已选育出抗花叶病毒的甘 蔗无性系；抗 1％ 一 2％NaC1 的野生烟草细胞株；抗除草剂的白三叶草细胞株 等。
三 在人工种子和种质低温保存方面的应用
组织培养物，如试管苗、愈伤组织等，在液氮(一 196~C)条件下， 加入冷冻保护剂，可有效降低代谢水平，利于长期保存。利用组织培养保存植物 种质资源具有体积小、保存数量多、条件可控制、避免病虫害再度侵染、节省人 力和土地等优点，是一种经济有效的种质保存方法。一些国家已建立了种质库， 而我国在这方面还有待发展。在国际上一个新动向是“人工种子”的试验。所谓 “人工种子”，是指以胚状体为材料，经过人工薄膜包装的种子在适宜条件下它 萌发长成幼苗。我国成功地研制成水稻人工种子。目前有 100 多种植物可以经组 织培养获得大量的胚状体，为制成人工种子用于生产提供了基础。可见，组织培 养将在遗传育种、作物改良和改革作物栽培中获得更大的成效” 。
四 在提取植物次生产物生产上的应用
植物次生代谢物是许多医药、食品、色素、农药和化工产品的重要 原料，其需求量逐年增加，组织培养技术对植物次生代谢产物的生产提供了有效 的途径。由于任何植物的离体细胞在人工培养下仍具有合成药物成分的能力，并 通过可通过调节培养条件有效地提高其含量和质量，为此，利用组织培养生产药 物，已发展成为组织培养再生产应用的主流之一。利用组织培养技术，可以大量 生产植物次生代谢物，以满
足目前的需求量，同时有效地保护日益短缺的野生药用植物资源。
仅从 20 世纪 90 年代以来的植物药用有效成分国际专利就达 50 多项，其中多为 抗病毒、抗癌化合物.
植物组织培养及其应用
植物组织培养的概念
狭义的组织培养是指：通过无菌操作分离植物体的一部分 组 织 （ 外 植 体 explant ） ， 接 种 到 培 养 基 上 ， 在 人 工 控 制 的 条件 下 （包括营养物、激素、温度 、光照、 湿度） 进行 培养，使其产生完整植株的过程。
广义的组织培养包括：原生质体、细胞、组织（愈伤组织、 茎尖分生组织）、器官（胚，花药，子房，根和茎，叶、 花及果实）的培养等。
植物组织培养的原理
植物细胞具有全能性。
“细胞全能性（cell totipotency ）指的是细 胞 的 某 种特 征 ，有 这 种 能力 的 细胞 保 留形 成 有机体所有细胞类型的能力。”（1984 年国 际组织培养协会）。
植物组织培养的理论基础就是植物细胞全 能 性的理论。
组织培养的发展简史
▪ 萌芽期 - 1839年，Schwann 提出细胞有机体的每一个生活细胞在适宜的外 部环境条件下都有独立发育的潜能。
▪ 摸索前期 - 1853年，Trecul 利用离体的茎段和根段进行组织培养，获得愈 伤组织。
▪ 细胞全能性的提出 - 1901年，Morgan首次提出了细胞全能性学说，与此 同 时White也提出了有机体的所有细胞具有全能性。
▪ 组织培养的诞生 - 1902 年，Haberlandt提出：任何具有完整细胞核的植物细 胞，都拥有形成一个完整植株所必须的全部遗传信息和发育成完整植株的能 力。首次采用组织培养技术，由于条件限制，也未进行消毒处理，实验并 未 成功，但同时提出了激素的作用与概念，为组织培养的发展奠定了基础， 距 今有116年的历史。
▪ 成功 - 1904 年，Hanning培养萝卜和辣根菜的胚成功；真正意义上的组 织 培养首次成功。距今有114年的历史。
▪ 理论 - 1943 年，White重新提出细胞全能性学说，并著了《植物组织培 养 手册》一书，成为组织培养的奠基人。
▪ 应 用与发展 - 20世纪 7 0年代以 后 ，植物 组织培养 进入了 迅速发展 阶段， 并 逐步走向生产应用，如遗传研究、快繁、脱毒、种质资源保存、次生代 谢产 物、细胞工程（人工种子、细胞融合）、基因工程（单倍体育种、转 基因育 种）、工厂化育苗
组织培养应用
▪ 育种上的应用（1、花药和花粉培养；2、胚胎培 养；3、细胞融合；4、基因工程；5、培养细胞突 变体；6、种质保存）
▪ 植物脱毒和快繁生产上的应用 ▪ 在植物有用产物生产上的应用（次生代谢产物、
药用植物）
▪ 在植物遗传、生理、生化和病理研究上的应用。
组培技术的优点
具有高度的遗传性 组培属于无性繁殖方式，可以保持母本 植物的优良性状。
繁殖速 度快 植物细胞具 有再生性，可 以在较小的空 间、较 短 的 时 间 内用 少 量 的母 本 生 产大 量 的 植株 ， 对自 然 繁 殖 率 低或不能满足需求的植物进行快速繁殖。
可去除病原菌（真菌、细菌、病毒），并繁殖与保存脱 病 原菌的植物，从而达到复壮和提高品质的效果。
不受自 然生长季节的 限制 组织培养主 要在室内进行 ，脱离 了 传 统 农 业的 生 产 模式 ， 不 像传 统 繁 殖所 受 自然 条 件 的 影 响，可以在一年四季进行工厂化生产。并且可以繁殖 原来 不能进行无性繁殖的植物。
组培技术的缺点
技术性强，成本高，要求严。
控制不好易产生变异。这个既是缺点也是优点。
异常的容器内的环境导致植株生理、形态的紊乱， 植株表现出生长发育延缓或提早。大量激素的使 用也可致使基因变异。在育种上可能成为新品种。
但在生产上可能又是个麻烦
植物组织培养的步骤
获得无菌外植体，建立起无菌培养体系 增殖培养。扩大克隆体系 生根培养。产生完整植株 组培苗移栽
植物组织培养的技术程序
母株（完整）→外植体（母株的一小 部分， 种子亦可） → 消毒处理 →接 种 到培养基上→长芽（继代增殖）→长 根（瓶外生根亦可）→炼苗，驯化→ 完整植株
培养基的组成
糖类 多种无机盐类
微量元素 氨基酸、酰胺、嘌呤
维生素 生长素类和细胞分离素类
附加物：如椰子汁、酵母提取液、水解酪蛋白、麦芽浸 出 液、马铃薯、香蕉等；
凝固剂：培养基中加入0．5～1％的琼脂或卡拉胶等凝 固 剂的即为静止培养的固体培养基，不加凝固剂为悬浮
培的液养体培养基。
母液 名称
大量 元素
微量 元素
铁盐 有机 元素
激素
MS培养基母液配方表
药品
NH4NO3 KNO3 KH2PO4
CaCl2•2H2O MgSO4•7H2O
MnSO4•4H2O ZnSO4•7H2O
H3BO3 KINaMo
O4•2H2O CuSO4 •5H2O CoCl2• 6H2O
FeSO4•7H2O Na2-EDTA
甘氨酸 盐 酸硫胺素VB 盐1 酸吡哆素VB 6
烟酸
吲哚乙酸IAA 6苄 基 嘌 呤6-BA 吲 哚 丁 酸IBA 奈 乙 酸NAA
规定量 (mg)
1650 1900 170 440 370
22.3 8.6 6.2 0.83 0.25 0.025 0.025
27.80 37.30
2 0.1 0.5 0.5
100 100 100 100
扩大倍数 10
100 100 100
称取量 (mg)
1650 1900 170 440 370
2230 860 620 83 25 2.5 2.5
2780 3730
200 10 50 50
100
母液体积 （ml）
配 制 1升 培养
基 所 取 母量 （ ml）
1000
100
1000
1000
1000
1000
培养基母液的配制
用1000毫升的量杯，取蒸馏水800-900毫升。
按母液名称，配方中的药品和称取量，称完一种药品倒入量杯中， 用 玻棒搅拌，完全溶解后再加入下一种药品，不然有的药品碰在一 起会 发生化学反应。一种母液的药品全配完后，缓缓加蒸馏水，用 量筒定 容到1 000毫升，装在小口容量瓶中置于冰箱里保存。按同样 的方法继 续称量配制下一种母液。其中大量元素、铁盐和肌醇用扭 力天平称， 其它的药品用分析天平称。
高二生物组：史新开
植物组织培养概念
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，就是植物组织培养。
教学过程
1958年美国科学家斯图尔德利用胡萝卜韧皮部的 细胞进行细胞培养
胡萝卜横切面示意图
皮层 韧皮层 形成层 木质层 取样部位
胡萝卜的组织培养
消毒
取材
接种
移栽大田，培养 成正常植株
试管苗的形成
愈伤组织的形成
胡 萝 卜 组 织 培 养 过 程
• 植物组织培养
脱分化
再分化
离体植 物细胞
愈伤组织
胚状体
根芽
植物体
合作学习
1 为什么运用植物组织培养技术能把植物组织或细胞 培养成完整的植株？（理论基础） 因为植物细胞具有全能性。
2 什么是细胞全能性？ 已分化的细胞仍然发育成完整新个体的潜能 3 生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而分化 成不同的组织器官？
是细胞内基因选择性表达的结果
外植体
脱分化：由已经分化的植物细胞形成 愈伤组织 的过 程，实质是恢复细胞的 全能性 过程
再分化：愈伤组织在培养基上继续培养，重新诱导分 化形成 胚状体的过程
植物愈伤组织的特点是什么？
没有特定结构和功能并处于旺盛分裂 状态的薄壁细胞
进行植物组织培养时需要注意的问题：
（1）所有实验用具严格 灭菌 ；接种过程严 格的 无菌 操作。因为植物组织培养中用到 的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养 物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面 迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现 象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长 的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且 这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物 有害的物质，导致培养物迅速死亡。
培养条件 (1) 离体的状态 (2) 无菌 条件，在适宜的培养基上培养 (3)需要植物激素（ 生长素和细胞分裂素 ） 植物组织培养的特点：保持亲本优良性状，快速 繁殖等。
植物组织培养应用
（1）试管苗的快速繁殖 （2）无病毒植物的培育 （3）植物细胞杂交培育新品种 （4）人工种子 （5）转基因植物的培育
利用植物体细胞杂交技术培育新品种
①如何温和地除去细胞壁？ 酶解法 ②什么是原生质体？
去除细胞壁的植物细胞
③如何诱导原生质体的融合？融 合利用了细胞的哪一生理特性？
物理法或化学法、 细胞膜的流 动性
④原生质体融合后，是否成活？
不一定，看有没有细胞壁的再生
小结
1、除去细胞壁 酶解法
2、原生质体 ①含义：除去 细胞壁 的植物细胞叫做原生质体；
②细胞工程原生质体的主要来源：
叶片、叶尖等部位 ；
③获得原生质体的过程：
先用 纤维素酶 去除，再利用低速离心 或用相对密度漂浮法对
原生质体进行分离纯化并鉴定其活性；。
④特点：具有 具有细胞全能性 ；
⑤用途：实现诱导融合、 基因转移 的良好的材料。
3、诱导融合 物理法 化学法
电场诱导 聚乙二醇（PEG）
4、细胞壁的形成的标志 植物体细胞杂交成功
5、植物组织培养
①植物体细胞杂交过程中运用了植物细胞工程中的哪些技 术？
植物细胞融合、植物组织培养
②你认为植物体细胞杂交技术利用了哪些生物学基本原理？ 细胞膜具有一定的流动性；细胞具有全能性 ③你认为用植物体细胞杂交技术有何现实意义？
打破生殖隔离，实现远源杂交。
课堂演练
1、植物的微型繁殖技术是指（ ）
A．植物体细胞杂交技术 B．嫁接
C．营养繁殖
D．植物组织培养
2、用植物组织培养技术，可以培养或生产(
)
A．食品添加剂
B．无病毒植物
C. 人工种子
D．前三项都是
3、下列四个选项中没有采取植物组织培养技术的是 （） A．花药离体培养得到单倍体植株 B．秋水仙素处理幼苗获得多倍体植株 C．人工种子的培育 D．“番茄——马铃薯”杂种植株的培育过程
4、马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多 了以后往往会感染病毒而减产，为此农户都希望得到 无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳办法 是（ ）
A．选择优良品种进行杂交
B．进行远缘植物体细胞杂交
C．利有芽尖进行组织培养
D．人工诱导基因突变
5、植物体细胞杂交过程中，细胞融合成功的标志是 （）
A.细胞膜发生融合 B.细胞质发生融合 C.细胞核发生融合 D.形成新的细胞壁
6、与有性杂交相比，植物体细胞杂交的优点是 （）
A.实现两个亲本优良性状的完全组合 B.打破生殖隔离，实现远源杂交 C.实现遗传性状的定向改变 D.降低科研成本，提高经济效益
如图是“白菜—甘蓝”杂种植株的培育过程。下 列说法正确的是 （ ）
A．上述过程去除细胞壁常用机械法 B．图示“白菜—甘蓝”杂种植株的形成克服了 远缘杂交不亲和的障碍，能结籽
C．上述过程包含着有丝分裂、细胞分化和减数 分裂等过程
D．“白菜—甘蓝”杂种植株培育过程中只需要 有生长素这一种植物激素
〖板书设计〗 一、 植物组织培养 原理 过程 条件 二 、植物体细胞杂交 （1）原理：细胞膜的流动性、细胞的全能性。
（2）过程：
（3）意义：打破生殖隔离，培育新品种
课件说明
制作人：史新开 制作软件：PowerPoint2007，转存PowerPoint2003
格式。
播放软件：PowerPoint2003以上版本，顺次浏览即可。
适用教材：苏教版高中生物 学科：高中生物选修Ⅱ第二章第2节 课题：植物组织培养技术
扩展阅读文章
推荐阅读文章
留琼范文网 www.bjcnart.com
Copyright © 2002-2018 . 留琼范文网 版权所有