植物生物技术概念

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1、绪论一、植物生物技术的概念v 广义植物生物技术：提高和改良植物产量和品质的所有技术。它主要包括植物组织培养（植物细胞工程）、植物基因工程和分子标记及其辅助育种三大部分。v 狭义的植物生物技术：利用植物器官、组织、细胞以及分子水平上的操作，促进植物繁殖、有用物质生产和品种遗传改良的技术。3、基因工程改良的目标v 投入特征& 主要是指帮助植物降低成本、提高产量或减少使用防治病虫害以及杂草的各种费用。研究内容： 抗各种虫害的危害；抗各种除草剂；抗病毒、细菌、真菌等各种病害；忍耐高温、低温、涝害以及高盐胁迫等各种环境胁迫。v 产出特征 主要是指帮助植物提高品质和增加产量。v 附加特征五、细胞工程的应用

2、细胞工程的应用（1）快速繁殖 细胞工程的应用(2) 脱毒苗的生产细胞工程的应用（3）胚培养细胞工程的应用（4） 单倍体和多倍体的培养细胞工程在育种上的应用（5）原生质体培养与体细胞杂交细胞工程的应用（6） 种质资源的离体保存细胞工程的应用（7）次生代谢物的生产 细胞工程的应用（8）人工种子的生产第一章 植物组织培养实验室的建设和离体操作技术一植物组织培养的概述（一）植物组织培养的几个基本概念 植物组织培养（Plant tissue culture） 通过无菌操作，把植物体的器官、组织、细胞甚至原生质体，接种于人工配制的培养基上，在人工控制的环境条件下进行培养，使之生长、繁殖或长出完整植株的技术

3、和方法。用来培养的材料即外植体通常是离体的，所以又叫植物离体培养(plant in vitro culture)。 外植体 ( Explant ) 从活体上切取下来用于培养的那部分组织、器官或细胞。 植物细胞全能性(totipotency)：一个生活细胞具有的产生完整生物个体的潜在能力称之为细胞的全能性（植物组织培养的理论基础） 脱分化(dedifferentiation) ：一个成熟细胞转变为分生状态的过程。 去分化(redifferentiation) ：离体培养的植物组织和细胞形成的处于脱分化状态的细胞（愈伤组织），再度分化成另一种或几种类型的细胞、组织、器官，甚至最终再生成完整植株的过

4、程。（二）植物组织培养的分类 培养方式1 . 根据培养方式 固体培养（Solid culture ） 液体培养（Liquid culture ） 液体培养又有液体悬浮培养与静置培养之分。 固液培养（Solid- liquid culture ） 看护培养（ Nurse culture ） 饲喂层培养 (Feeder layer culture) 微室培养 (Microchamber culture) 最常用的是固体培养和液体培养，它们相比，各自的优缺点表现为：固体培养 优点：通气性较好，若有污染，只污染局部 缺点：使培养材料与培养基接触不充分，有毒物质易积累。 液体培养 优点：有利于培养材料与

5、培养基充分接触且有毒物质不易积累。缺点：一旦污染，则材料全部污染，且通气性不好。 2 根据培养过程 初代培养(Primary culture) 从活体植株上切取下来进行的第一次培养。 继代培养（Subculture） 经过初代培养的材料，转移到新鲜培养基上进行培养的过程。 3. 根据培养材料(外植体) 组织培养 器官培养 胚胎培养 细胞培养 原生质体培养二、植物组织培养的培养基1. 无机营养(Inorganic element) 根据国际植物生理协会的建议：将植物所需元素的浓度以0.5 mmol/L为标准分为大量元素与微量元素。 2.有机化合物 糖是组培材料必不可少的碳源和能源，此外糖类的添加

6、还有调节培养基的渗透压的功能。最常用的碳源是蔗糖，葡萄糖、果糖也是较好的碳源。3。植物生长调节剂生长素与细胞分裂素的比例决定着形态分化的方向。4. 凝固剂、pH和其他成分第二章 植物细胞形态建成一、愈伤组织的诱导1、概念n 愈伤组织:原指植物组织受到伤害后表面形成的保护组织。n 愈伤组织:在组织培养中,是指在培养基上由外植体长出来的一团活跃生长的薄壁细胞。用途：愈伤组织可以通过液体悬浮培养产生单细胞， 也可以在适当的培养条件下再生出完整的植株。2、诱导1）. 外植体的选择大小要适宜,不宜太小。外植体的组织块要达到2万个细胞（5-10mg）以上才容易成活；同一植物不同部位的外植体，其细胞的分化能

7、力、分化条件及分化类型有相当大的差别；通常植物胚与幼龄组织器官比老化组织、器官更容易去分化，产生大量的愈伤组织；不同物种相同部位的外植体其分化能力可能大不一样。理论上讲用于培养的外植体包括根、茎、叶、果实、子房、花粉、花瓣等各种器官或组织。但外植体的选择一般以幼嫩的组织或器官为宜。2）. 外植体的消毒3）. 愈伤组织诱导过程n 起动期 又称为诱导期，是愈伤组织形成的起点。这时在外观上虽然未见明显变化，但实际上细胞内一些大分子代谢动态已发生明显的改变，细胞正积极为下一步分裂进行准备。 n 分裂期 外植体切口边缘开始膨大，外层细胞通过一分为二的方式进行分裂，从而形成一团具有分生组织状态细胞的过程。

8、这时组织细胞代谢十分活跃，发生了一系列生理生化及形态的变化。n 形成期 是指外植体的细胞经过诱导、分裂形成了具有无序结构的愈伤组织时期。这个时期特征是细胞大小不再发生变化，愈伤组织表层的分裂逐渐减慢和停止，接着内部组织细胞开始分裂，细胞数目进一步增加。4）. 愈伤组织的形态特征 质地不同的愈伤组织之间有时是可以互换的，有时则是不可逆的。 不同类型之间的愈伤组织互换主要通过改变激素浓度的方法来实现。培养基中加入高浓度的生长物质，可使坚实的愈伤组织变为松脆；反之，减少或去除生长物质，则使松脆的愈伤组织转变为坚实的愈伤组织。二、继代培养n 愈伤组织培养一段时间后必须转移到新鲜培养基上以保持培养物的继

9、续正常生长，更换一次培养基称为一代继代培养(subculture) 。 为什么要进行继代培养？n 培养基中的养分大量消耗；n 培养基中的水分散失；n 琼脂培养基褐化或发黑(因为植物组织在培养前几周有时会产生毒素物质，这些物质会扩散进入培养基);n 由于植物材料的原因使培养基pH降低，导致培养基液化；n 生长物已充满培养瓶，培养物扩繁的需要；三、器官建成 形态建成，又叫形态发生，指有机体生长发育中组织结构和生理功能发生一系列变化，形成或再生成特定结构和器官的过程。 器官建成：又叫器官发生，指培养细胞在适宜的诱导培养条件下产生不定芽和不定根等器官的过程。1. 器官发生在适合的激素浓度和配比以及温光

10、条件下，愈伤组织细胞会发生生理代谢上的改变，促使细胞分裂部位和方向改变，首先出现分生细胞，经细胞分裂逐渐形成分生细胞团和分生组织，进一步再分化形成维管结节直至分化成芽和根等器官。2. 植株再生的方式 先芽后根 根芽同生 先根后芽3. 影响器官建成的因素影响器官建成的因素1外植体p 物种、种、甚至品种间再生能力是不同的p 同一植株不同器官或同一器官不同部位的外植体，其再生能力不同；p 外植体在原植物体上所达到的发育程度和结构与功能对器官离体再生也有较大差异；p 取材时间（季节）不同再生能力不同；p 外植体的大小对再生也有较大影响。影响器官建成的因素2培养基成分p 植物激素的浓度、比例p 乙烯p

11、碳源的种类和浓度影响器官建成的因素3培养环境条件p 培养基的物理状态液固状态、渗透压p 培养基的化学性质pHp 光照光照时间、光照强度、光照周期 （连续/间隔）、光质p 温度四、体细胞胚胎建成n 体细胞胚胎建成：又叫体细胞胚胎发生，指诱导体细胞形成体细胞胚，并进一步再生出完整植株的过程。体细胞胚又叫胚状体，是组织培养中起源于一个非合子细胞，经过胚胎发生和胚胎发育过程形成的具有双极性的胚状结构 。n 从胚状体的这个概念可以看出：n 胚状体不同于合子胚，因为它不是两性细胞融合的产物；n 胚状体不同于孤雌胚或孤雄胚，因为它不是无融合生殖的产物；n 胚状体不同于组织培养中通过器官发生途径形成的茎芽和根

12、，因为它的形成须经历与合子胚相似的发育过程，而且成熟的胚状体是一个双极性结构。1.体细胞胚胎的产生方式n 胚状体一般来源于单细胞，可以从愈伤组织表面产生，也可以从外植体表面或内部已分化的细胞或悬浮培养的单个细胞产生。2. 体细胞胚的发育n 一个正常胚的发育一般要经过球形、心形、鱼雷形和子叶形的胚胎发育时期，最后发育成完整的小植株。但有些植物如柑橘胚培养胚状体的发育可能缺乏某一形态时期，这种胚状体有时称为畸形胚。五、人工种子人工种子：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类似种子的单位。n 胚（胚状体）：胚状体、不定芽、顶芽和腋n 人工胚乳的成分：培养基+

13、植物激素+有益微生物+杀虫剂+除草剂+。n 人工种皮：要求不但能控制种子内水分和营养物质的流失, 而且能通气和具有机械保护作用。如，藻酸钠。2. 人工种子的特点n 不受季节限制，可周年生产；n 短期内可以获得大量材料，可对一些“珍、稀、奇、特”以及基因工程植物进行大量繁殖；n 不会造成性状改变，方便运输和储藏；n 目前，生产成本较高尚不能进行商业化生产。第三章、植物离体快繁技术一、概念植物离体快繁又叫微繁，是指利用植物组织培养技术对外植体进行离体培养，使其短期内获得遗传性一致的大量再生植株的方法。 二、离体快繁的一般方法l 无菌培养物的建立1、采样外植体的选择原则：外植体类型的选择，一定程度上

14、是由所要采用的茎芽繁殖方式决定的。外植体的生理状态对茎芽的反应能力有明显的影响 选取相对较为幼嫩、生长能力较强的部位的材料2、消毒根据外植体的特点选择适宜的消毒剂种类、浓度和消毒时间进行外植体的表面消毒。参考第一章外植体的消毒技术。3、接种4、培养l 茎芽的增殖1、原球茎途径 原球茎：是兰花的种子发芽过程中特有的一种形态学结构，是缩短的、成珠状、由胚性细胞组织的类似嫩茎的器官。 在组培中常从茎尖或侧芽的培养中产生。2、胚状体途径利用体细胞胚状体来进行无性系的大量繁殖具有极大的潜力。其特点是：繁殖系数高、成苗快、结构完整不存在嵌合现象3、不定芽途径叶腋和茎尖以外的任何其他地方所形成的芽，由愈伤组织分化出的茎芽也称为不定芽。4、顶芽和腋芽萌发途径l 无根苗的生根1、试管内生根方法：把大于1cm的芽苗，接入生根培养基诱导生根。诱导条件：（1）较低的无机盐浓度 常采用1/2或1/4强度的MS培养基或低无机盐的White培养基。（2）生长素 加入适量的生长素（较常用的是NAA和IBA） ，可促进根的诱导 。（3）较低的糖浓度 降低糖浓度也有利于根的诱导。（4）一定的光照强度 有研究表明，较强的光照能促进根的发育，并使植株变得坚忍。 绝大多数植物在2-4周内即可生根 .2、试管外生根离体条件下形