第1章细胞工程原理.ppt

1第一章第一章 细胞工程原理细胞工程原理 概述概述第一节第一节 细胞全能性细胞全能性 1、细胞全能性概念的发展 2、植物活细胞具有生命的特征属性第二节第二节 脱分化与再分化脱分化与再分化第三节第三节 再生植株形成途径再生植株形成途径 1、器官发生 2、胚胎发生第四节第四节 培养细胞的遗传与变异培养细胞的遗传与变异 1、变异增多现象及其价值 2、变异的遗传基础要求：了解要求：了解细胞全能性概念的发展细胞全能性概念的发展；植物活细胞具有生命特征属性；植物活细胞具有生命特征属性；掌握一些重要的掌握一些重要的概念（概念（植物细胞工程、植物细胞工程、细胞全能性、脱分化与再分化细胞全能性、脱分化与再分化、器官培养、胚胎培养、组织培器官培养、胚胎培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养等养、细胞培养、原生质体培养等)、再生植株形成途径及变异增多现象及其价值再生植株形成途径及变异增多现象及其价值。2第一节第一节 细胞全能性细胞全能性（Totipotency）一、细胞全能性概念的发展一、细胞全能性概念的发展 1902年年，德国植物学家，德国植物学家Haberlandt 发表发表了著名论文了著名论文植物细胞离体培养实验植物细胞离体培养实验，提出，提出了细胞全能性的观点。他认为，作为高等植物了细胞全能性的观点。他认为，作为高等植物的器官和组织基本单位的细胞有可能在离体培的器官和组织基本单位的细胞有可能在离体培养条件下实现分裂分化。并且预言：在未来，养条件下实现分裂分化。并且预言：在未来，人们可以成功地从体细胞培养出人工胚。由于人们可以成功地从体细胞培养出人工胚。由于当时的知识和技术水平的局限，他们的实验未当时的知识和技术水平的局限，他们的实验未能成功，但是却开辟了植物学研究的新领域能成功，但是却开辟了植物学研究的新领域植物组织和细胞培养。植物组织和细胞培养。Haberlandt3 1934年，年，White首次给细胞全能性下定义：首次给细胞全能性下定义：每个每个植物活细胞植物活细胞在合适的培养条件在合适的培养条件下，都有发育成为胚的能力。下，都有发育成为胚的能力。1958年，年，Steward等等 和和Reinert等从胡萝卜细胞培养物中获得了人工胚，进等从胡萝卜细胞培养物中获得了人工胚，进一步形成了完整的植株。一步形成了完整的植株。Guha等等(1964；1966)先后获得了曼陀罗的花粉胚和先后获得了曼陀罗的花粉胚和单倍体单倍体植株。植株。Srivastava等（等（1973）和）和Sethi等（等（1976）分别从寄生植物罗氏核实木胚乳）分别从寄生植物罗氏核实木胚乳和黑种草和黑种草胚乳三倍体组织获得了胚状体胚乳三倍体组织获得了胚状体。此后，又有众多植物种类的离体培养获得了胚状体。此后，又有众多植物种类的离体培养获得了胚状体。1960年，年，Sinnoit等认为：全能性意味着每一个细胞中包含着一个完整有机体的等认为：全能性意味着每一个细胞中包含着一个完整有机体的全部全部基因基因，在适合的条件下，一个细胞就会形成一个完全新的有机体。，在适合的条件下，一个细胞就会形成一个完全新的有机体。1984年，国际组织培养协会：细胞全能性是细胞的某种特性，有这种能力的年，国际组织培养协会：细胞全能性是细胞的某种特性，有这种能力的细胞保留了形成有机体所有细胞类型的能力。细胞保留了形成有机体所有细胞类型的能力。4细胞全能性细胞全能性：每个每个植物活细胞植物活细胞具有该物种的具有该物种的生命特征属生命特征属性性，在合适离体培养条件下，可以展现这些特征属性。，在合适离体培养条件下，可以展现这些特征属性。注意点注意点：虽然：虽然植物细胞都具有全能性植物细胞都具有全能性，但由于诸多原因（如基因型、分化程度、但由于诸多原因（如基因型、分化程度、生理状态等的差异），其再生能力、脱生理状态等的差异），其再生能力、脱分化能力及再分化能力可能都大不相同，分化能力及再分化能力可能都大不相同，培养难度差别很大甚至无法培养，应采培养难度差别很大甚至无法培养，应采用多种办法克服解决。用多种办法克服解决。5生命延续的方法生命延续的方法生命存在的基础生命存在的基础二、植物活细胞具有生命特征属性二、植物活细胞具有生命特征属性1、生命的基本特征属性、生命的基本特征属性 新陈代谢新陈代谢(metabolism)应激性应激性(irritability)自体复制自体复制(autoduplication)6 新陈代谢新陈代谢是维持生命各种活动（如生长、繁殖和运动等）是维持生命各种活动（如生长、繁殖和运动等）过程中的化学变化的总称过程中的化学变化的总称（或：（或：生物生物体内全部有序体内全部有序化学变化化学变化的的总称。它包括总称。它包括物质代谢物质代谢和和能量代谢能量代谢两个方面两个方面）。生物体总是不。生物体总是不断地从环境中摄取物质和能量，用以建造和维持自身。与此同断地从环境中摄取物质和能量，用以建造和维持自身。与此同时，又有同等数量的能量，以热和其他形式排出体外，并在环时，又有同等数量的能量，以热和其他形式排出体外，并在环境中迅速散布开来，增加环境的紊乱状态，也就是通常所说的境中迅速散布开来，增加环境的紊乱状态，也就是通常所说的使环境的使环境的“熵熵”值增加。一旦新陈代谢停止，生命活动也就停值增加。一旦新陈代谢停止，生命活动也就停止，生物体就会瓦解。止，生物体就会瓦解。1）新陈代谢新陈代谢7 应激性也是非常重要的生命特征属性，因为生命的存在应激性也是非常重要的生命特征属性，因为生命的存在离离不开环境条件，而环境条件又是在不断变化的，其中既有日不开环境条件，而环境条件又是在不断变化的，其中既有日夜夜交替、四季更迭的规律性变化，也有险敌突临、气候骤变等交替、四季更迭的规律性变化，也有险敌突临、气候骤变等突突发的非规律性变发的非规律性变 应激性就是生物体随环境变化的刺激而发生相应反应应激性就是生物体随环境变化的刺激而发生相应反应的特性。的特性。生物体具有生物体具有“某种机制某种机制”来感知和正确估计环境的变来感知和正确估计环境的变化，以便在其体内进行校正，保持体内平衡或对环境表现化，以便在其体内进行校正，保持体内平衡或对环境表现出有利于自身生存的反应。应激性的表现因物种的不同而出有利于自身生存的反应。应激性的表现因物种的不同而多种多样，例如，大肠杆菌在以乳糖作唯一碳源时的生存多种多样，例如，大肠杆菌在以乳糖作唯一碳源时的生存反应；反应；动物对险敌的逃避反应动物对险敌的逃避反应；植物的某些反应植物的某些反应，如通过，如通过休眠度过不利环境；在受到损伤时，休眠度过不利环境；在受到损伤时，部分器官部分器官可以脱落掉可以脱落掉并再生成新的个体，保持生命的延续。并再生成新的个体，保持生命的延续。2）应激性应激性8 自体复制是指生物体利用自身作为模板，通过代谢作自体复制是指生物体利用自身作为模板，通过代谢作用，复制出完全相同的结构，或产生具有相同的自体用，复制出完全相同的结构，或产生具有相同的自体繁殖能力的突变结构。前者，人们称之为繁殖能力的突变结构。前者，人们称之为“遗传遗传”，后者，则称之为后者，则称之为“变异变异”。自体复制是。自体复制是“生命的最鲜生命的最鲜明的特征明的特征”，可以看作生命状态的精华。藉此特征属，可以看作生命状态的精华。藉此特征属性，生物种群才能繁衍续存不致灭绝。性，生物种群才能繁衍续存不致灭绝。不同生物类群的自体复制方式不尽相同。单细胞生物不同生物类群的自体复制方式不尽相同。单细胞生物通过简单的细胞分裂，即可实现自体复制。而高等生通过简单的细胞分裂，即可实现自体复制。而高等生物必须经历一个个体发育过程。即从受精卵开始，经物必须经历一个个体发育过程。即从受精卵开始，经细胞分裂分化、组织分化、器官形成、直至性成熟，细胞分裂分化、组织分化、器官形成、直至性成熟，产生配子，然后精、卵配子结合，形成合子，才能实产生配子，然后精、卵配子结合，形成合子，才能实现自体复制。现自体复制。3）自体复制自体复制92 2、植物植物细胞具有生命的基本特征属性细胞具有生命的基本特征属性 生物体由无生命的分子组成，组成生命的各种分子都服从非生物体由无生命的分子组成，组成生命的各种分子都服从非生命物质的有关定律。那么，生命的特征属性从何而来？生命物质的有关定律。那么，生命的特征属性从何而来？近代细胞生物学研究表明，近代细胞生物学研究表明，生命的特征属性来自细胞生命的特征属性来自细胞。虽然。虽然构成细胞的最重要的遗传物质构成细胞的最重要的遗传物质核酸，是可以自体复制的物核酸，是可以自体复制的物质，但当它单独存在时，并不表现生命的特征属性。质，但当它单独存在时，并不表现生命的特征属性。只有和蛋白只有和蛋白质结合时，才具有生命的特征。最典型的例子是，病毒核酸只有质结合时，才具有生命的特征。最典型的例子是，病毒核酸只有侵入宿主后，依靠宿主的一些机制（酶系统）才能繁殖，如果离侵入宿主后，依靠宿主的一些机制（酶系统）才能繁殖，如果离开细胞，则会失去生命的属性。由此可见，只有核酸和蛋白质与开细胞，则会失去生命的属性。由此可见，只有核酸和蛋白质与其他分子组成一定的遗传器（细胞），才能表现完整的生命活动。其他分子组成一定的遗传器（细胞），才能表现完整的生命活动。10那么，在一个多细胞植物体中，是不是每一个细胞都具有这那么，在一个多细胞植物体中，是不是每一个细胞都具有这些特征属性？这些特征属性都可以表现出来吗些特征属性？这些特征属性都可以表现出来吗?事实上，事实上，虽然每一个细胞都从合子得到同样的基因储备，但虽然每一个细胞都从合子得到同样的基因储备，但这些基因并没有全部开放。在某一特定的时间内，只有这些基因并没有全部开放。在某一特定的时间内，只有5-10%的的基因基因发挥作用，也就是说，只有一小部分的基因被转录和翻译，发挥作用，也就是说，只有一小部分的基因被转录和翻译，形成特异蛋白质，并导致细胞结构和功能的特化。这样，不同的形成特异蛋白质，并导致细胞结构和功能的特化。这样，不同的基因在不同的时空中起作用，导致结构和功能特化的细胞以一定基因在不同的时空中起作用，导致结构和功能特化的细胞以一定的方式装配成一个完整的个体。每个细胞被固定在特定的时空的方式装配成一个完整的个体。每个细胞被固定在特定的时空中，受到所处组织的制约，只表现出一小部分的生命特征属性。中，受到所处组织的制约，只表现出一小部分的生命特征属性。113、离体培养条件下的细胞具备相应的生命特征属性、离体培养条件下的细胞具备相应的生命特征属性 培养细胞的新陈代谢培养细胞的新陈代谢事实证明，细胞只要在培养条事实证明，细胞只要在培养条件下存活，就具有新陈代谢特性。例如，在合适的条件下，件下存活，就具有新陈代谢特性。例如，在合适的条件下，绿色细胞具有光自养能力，固氮植物的细胞具有固氮特性，绿色细胞具有光自养能力，固氮植物的细胞具有固氮特性，而药用植物细胞也会具有药物合成的能力，等等。而药用植物细胞也会具有药物合成的能力，等等。12培养细胞的应激性培养细胞的应激性当细胞被切离下来，培养于人工条件当细胞被切离下来，培养于人工条件下，就会表现出应激性：非绿色细胞脱离了自养的母体之后，下，就会表现出应激性：非绿色细胞脱离了自养的母体之后，应变出对人工的营养配方和环境条件的适应性，以异养方式应变出对人工的营养配方和环境条件的适应性，以异养方式生存发展；脱离母体时的切割损伤以及应激于培养条件而出生存发展；脱离母体时的切割损伤以及应激于培养条件而出现脱分化，并在合适的条件下进行再分化，都是植物应激性现脱分化，并在合适的条件下进行再分化，都是植物应激性的典型表现。所以，培养细胞具备应激性。的典型表现。所以，培养细胞具备应激性。13培养细胞的自体复制培养细胞的自体复制 培养细胞的分裂能力在每一个成功的离体培养实验系统中均得到证培养细胞的分裂能力在每一个成功的离体培养实验系统中均得到证实。另外，大量的研究表明，比完整细胞略小的细胞结构原生实。另外，大量的研究表明，比完整细胞略小的细胞结构原生质体，也