第一章节植物细胞学技术幻灯片

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1、植物生物技术,杨柏云 南昌大学生命科学与食品工程学院,第一章：概述,一、植物生产的几次重要革命 绿色革命： 20世纪50-60年代以高秆改变为矮秆为标志的优质、高产“墨西哥小麦”的矮秆化和矮秆水稻良种的全面推广、使全世界粮食产量跃上了一个新的台阶 。为什么矮杆可以大幅度提高产量？（耐肥，抗倒，增加密度等） 杂种优势利用：70年代初，我国杂交水稻的培育成功，并大面积应用于生产，使水稻单产增长20%-30%，创造了农业奇迹 。（三系、两系、一系，资源挖掘） 生物技术的应用（基因革命时代的到来）：20世纪80年代初转基因作物投入生产标志着生物技术在农业上的成功应用。,二、生物技术的产生与发展 生物技

2、术的概念：生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），以现代生命科学技术成果为基础设计、改造生物体，生产人类需要的产品。 基因工程 Genetic engineering 细胞工程 Cell engineering 生物技术 酶工程 Enzyme engineering 发酵工程 Fermentation 蛋白质工程 Protein,生物技术的产生： 1953 DNA双螺旋的发现；60年代遗传密码的全部破译；1972重组DNA技术的建立（生物技术学科产生的关键技术） 介绍重组DNA技术在现代遗传学、分子生物学、生物技术研究中的意义。,三、转基因作物

3、在全球的应用状况,三、转基因作物在全球的应用状况,全球转基因作物的面积分布 2006年全球转基因作物的种植面积由1996年的170万公顷发展到1.02亿公顷，增长了60多倍，种植的国家达22个，还有29个国家批准转基因作物作为食品或饲料进口，种植的农户首次超过1000万，90%的受益者是发展中国家的贫困农民。最可喜的是，因种植转基因作物10年间累计减少使用杀虫剂22.4万吨。,纵观转基因作物的发展和应用,其推广速度和受农民欢迎程度可谓史无前例. 1983年首例转基因烟草问世； 1986年首批转基因棉花批准进入田间试验；1992年中国成为世界上第一个转基因烟草商业化种植的国家； 1994年美国第

4、一个转基因植物产品(番茄品种“Flavr-Savr”)批准上市； 1995年耐除草剂的杂种不育转基因油菜在加拿大获准大田推广； 1996年耐草甘膦的转基因大豆种子在阿根廷批准商业化生产； 2001年全球已正式批准生产的各种转基因作物达120多个品种(系).,发达国家与发展中国家的比较 美国作为转基因作物的先进国家，其种植面积历年位居世界第一，2006年持续快速增长，种植面积增加480万公顷；印度转基因作物取得全球最高增长率，达192%，成为全球第五大转基因作物种植国；欧洲和非洲的转基因作物种植也取得了飞速的发展，可以说生物技术作物的全球发展方兴未艾。 转基因作物在我国也得到大面积推广。以我国目

5、前种植面积最多的转基因抗虫棉为例，2006年种植面积已达400万公顷，从1996年以来推广面积达2170万公顷。,四、植物生物技术与应用,概念：植物生物技术（Plant Biotechnology）是指对植物品质和性状进行改造的生物技术 。 植物生物技术包括： 植物组织培养（或细胞工程）Plant Tissue Culture 基因克隆与转基因植物生产 Gene Cloning and Genetically Modified Crops （GM crops） 分子标记及辅助育种应用 Molecular markers and MAS 植物生物技术发展趋势：从“投入特征”的作物向“产出特征”的

6、作物转变 植物生物技术的农业应用：创造新材料；培育新品种；开发功能食品；快速繁殖稀有材料；材料的指纹分析、新基因挖掘、定位、辅助育种等。,五、植物生物技术与传统农业技术的关系,传统农业技术在农业生产中仍将发挥主导作用，不可用生物技术全面替代。如新品种选育。 生物技术与传统技术结合可以加速研究进程。 生物技术可以大幅度提高农产品的附加值。 生物技术产品的出现使大批农业公司被生物技术公司替代，使农业经营领域发生变革。,六. 植物生物技术的发展历史概况,1.理论准备和实验开创的时期 在这个时期中，下面几位科学家做了卓有成效的工作： （1） 18381839年施旺（Schwann）和施莱登（Schle

7、iden）创立 “细胞学说” (Cell theory)，其主要观点：细胞是生物体的基本结构单位，由它构成整个生物个体；同时认为植物细胞又是在生理上，发育上具有潜在的全能性功能单位。 （2）1902年，德国植物学家哈贝兰特（G.Haberlandt）依据细胞理论，提出高等植物的器官和组织可以不断分割直至单个细胞，而分离出的每一个细胞都有进一步分裂和发育的能力，为证明这一点，他培养了高等动植物的离休细胞，但未成功。但却对植物离体培养的发展起了先导的作用。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（3）1904年，亨宁（E.Hanning）选用萝卜和辣根菜的胚为材料，结果发现离体胚可以充分发育，并有提早

8、萌发开成小苗的现象。这是世界上胚胎培养最早获得成功的一例。 （4）1908年，西蒙（S.Simon）研究白杨嫩茎在培养中的发育，观察到愈伤组织的发生和根、芽的形成。 （5）1922年，科特（W.Kott）和罗宾斯（Robbins）分别获得离体根尖培养的某些成功，能生长很长一段时间，并进行了继代培养。同年，Knudson 采用胚培养法获得兰花幼苗，克服了兰花种子发芽困难的问题。,六. 植物生物技术的发展历史概况,2.技术与理论的发展时期 这个时期主要是在30年代末到50年代初，主要是下面几位科学家的工作，奠定了基础。 （1）1933年，我国学者李继侗和沈同进行银杏胚的离体培养时，发现银杏胚乳的提

9、取物能促进离体胚的生长，这是利用天然提取物获得成功的首次报道，从而启迪人们开始注意到离体培养条件下的营养需要。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（2）1934年，荷兰植物学家温特（F.W.Went）发现生长素，这是人类首先认识到的一类生长调节物质，生长素用于植物组织培养，大大推动了研究的进展。 同年，美国的怀特（P.R.White）用番茄根建立了第一个无性繁殖系，离体根的培养获得了真正的成功，他将番茄离体培养长达三十多年，以致他认为可以无限制地生长下去。同时用带有花叶病毒的烟草根离体培养，发现迅速生长的根尖病毒浓度很低，往后面成的熟区的根组织的病毒浓度逐渐升高。,六. 植物生物技术的发展历史

10、概况,（3）1937年，怀特（P.R.White）发现B族维生素和吲哚乙酸对离体根的生长具有重要作用，最先建立了植物组织培养的综合培养基。同年，法国的冈瑟莱特（Gautheret）也发现维生素、生长素等物质对培养物的生长发育起着促进作用。 30年代的主要发现有3点： 一是植物激素生长素的生现及其应用； 二是B族维生素对植物细胞生长的重要性被认识，并普遍采用； 三是由White所发展的基本方法。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（4）1938年，生长素的生现者Went提出“器官形成的特殊物质”的假设，对器官形成起控制作用，促使许多植物生理学家都致力于寻找这种“特殊物质”。 （5）1941年，V

11、an Overbeek在做使曼陀罗没有受精的卵细胞发育试验时，用椰乳作为培养基的附加物，发现椰乳可以促进曼陀罗胚的发育，使心形期幼胚能够离体培养到成熟。当时并不知道椰乳中含有细胞分裂素，但很快被许多研究者用来促进器官发生的研究。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（6）1943年，White 发表了植物组织培养手册 （A handbood of plant tissue culture），在书中又重新提出了细胞全能性，即每个细胞都具发育成为一个完整植株的潜能。这是世界上第一部有关植物组织培养技术专著。由于White 在植物组织培养方法等多方面的贡献，被誉为“植物组织培养之父”。 （7）1946

12、年，我国学者罗士韦在培养菟丝子时，发现有花的形成，从而导致了人们利用组织培养技术诱导花芽形成的研究。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（8）1948年，Skoog和我国的崔徵在烟草茎段和髓细胞的培养及其器官形成研究中，发现腺嘌呤或腺苷可以解除培养基中生长素（IAA）对芽的抑制作用，面诱导烟草茎段形成芽，从而确定了腺嘌呤/生长素的比例是控制芽和根形成的主要因素之一。 同年，英国的Steward开始进行胡萝卜离体培养研究，此后，他在1952年设计出一种培养装置，叫细胞增殖器（Auxophyton）,在1956年发表了可以利用愈伤组织液体培养产生悬浮细胞，悬浮细胞可以继代培养的论文。在1958年发

13、现胡萝卜悬浮细胞在含椰乳的培养基中观察到类似胚胎发生的结构（胚状体）。由胚状体生长根，后长芽，并形成完整植株，为植物细胞全能性的理论提供了有力的实验证据。这是植株再生的一种方式。 （9）1951年，Nitsch做了许多关于离体果实的培养工作 （10）1952年，法国的莫勒尔（G. Morel）等将感染病毒的大丽花茎尖切离培养，获得去病毒植株。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（11）1953年，米尔（Muir）将万寿菊和烟草的愈伤组织转移到液体培养基中，放在往复式摇床上振荡，获得由单细胞或细胞聚集体组成的细胞悬浮液。而且可以继代繁殖。这是最早报道细胞悬浮培养法，并提出了“看护培养”技术，建立

14、了单细胞培养系。 在20世纪40年代末至50年代末，许多科学家对离体培养技术方法作了大量的探索。除Muir外，还有德洛普（De Ropp 1955）发明的“微室培养法”；贝格曼（Bergmann 1960）建立的“琼脂平板培养法”。 微室培养、平板培养、看护培养都是单细胞的培养方法。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（12）1956年，米勒（Miller）和斯库格（Skoog）发现激动素，继而发现激动可代替腺嘌呤促进成芽，而且效果可提高3万倍。1957年Skoog发现生长素与激动素有同配比对植物生长和分化的作用，即激动素/生长素的比例高形成芽，而比例低则形成根，建立起离体培养中器官分化的激素

15、配比模式。在培养基中加入生长素，诱导外植体产生愈伤组织，随后在培养基中减少或取消生长素而加入细胞分裂素，则在愈伤组织上会形成大量的不定芽，切割不定芽移至含适量生长素的培养基中，不久即可生根，这是植株再生的又一种方式。这一规律的发现，不仅在植物离体培养中具有极其重要的意义，而且提示了植物生长发育生理学中的一个奥秘。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（13）1958年，M.Wicksont 与K.V.Thimann发现采用外源的细胞分裂素，可促使休眠的侧芽启动生长，形成一微型的多枝多芽的灌木丛状的结构，将嫩梢切割，可在短期内重复这一过程，嫩梢移到生根培养生根，这是植株再生的另一种方式。 （14）

16、1958年，Steward(斯图沃德 )和shantz用胡萝卜根韧皮部细胞悬浮培养，从中诱导出胚状体并使其发育成完整小植株。第一次证实Haberlandt提出的细胞全能性学说。,六. 植物生物技术的发展历史概况,3.生产应用的开始和研究工作深化时期 主要是在60年代以后 （1）1960年，法国的Morel采用兰属的茎尖培养，实现了去病毒和快速繁殖二个目的，这是经过茎尖原球茎小植株的方式再生的，是植株再生的又一方式，导致了全世界兰花工业的兴起。 （2）1960年，科金（E.C.Cooking）采用纤维素酶和果胶酶等酶制剂分离番茄幼根，获得大量的原生质体。 （3）1962年，K.Kanta完善了试管内传粉受精技术，这可克服发生在花粉与柱头间的两性不亲和现象。 （4）1962年，Merashige和Skoog发表了促进烟草组织快速生长的培养基成分，这就是目前非常流行的MS培养基。,六. 植物生物技术的发展历史概况,（5）1964年，S.Guha和S.C.Maheshwari培养南洋金花（毛曼陀罗）未成熟花药时，发现了由大量胚状体形成的小植株，证明源于花粉粒，是单倍体植株