作业2.doc
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第八章植物体细胞培养技术
1、何谓脱分化和再分化?
什么是“细胞全能学说”?
答:
各种植物细胞在植物体内都处于分化状态。
要使植物细胞从分化状态过渡到有繁殖能力的分生状态,其细胞结构必须发生深刻的变化,否则无法完成这个过渡。
这种在植物体上已分化的细胞和组织,在培养条件下逐渐恢复到分生状态的过程,叫作脱分化。
已经脱分化的细胞在一定条件下,又可经过愈伤组织或胚状体,再分化出根和芽,形成完整植株,这一过程叫作再分化。
组织培养的过程,就是植物细胞的脱分化和再分化的过程,而这一过程又是在细胞全能性的基础上进行的,是细胞全能性发挥作用的结果。
细胞全能性:
在多细胞生物中每个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因,只要条件许可,都可发育成完整的个体。
胞全能性的特点:
①高度分化的植物体细胞具有全能性,植物细胞在离体的情况下,在一定营养的物质,激素和其他适宜的外界条件下,才能表现其全能性。
②动物已分化的体细胞全能性受限制,但细胞核仍具有全能性。
根据动物细胞全能性大小,可分为全能性细胞(如动物早期胚胎细胞),多能性(如原肠胚细胞),专能性(如造血干细胞);根据植物细胞表达全能性大小排列是:
受精卵、生殖细胞、体细胞;全能性的物质基础是细胞内含有本物种全套遗传物质。
一个生活的植物细胞,只要有完整的膜系统和细胞核,它就会有一整套发育成一个完整植株的遗传基础,在一个适当的条件下可以通过分裂、分化再生成一个完整植株,这就是所谓的植物细胞全能性(totipotency)。
这是植物组织培养的理论基础。
细胞全能性比较:
一般来说,细胞全能性高低与细胞分化程度有关,分化程度越高,细胞全能性越低,全能性表达越困难,克隆成功的可能性越小。
植物细胞全能性高于动物细胞,而生殖细胞全能性高于体细胞,在所有细胞中受精卵的全能性最高。
2、愈伤组织诱导过程中的激素和无机盐需求是什么?
答:
3、什么是不定芽途径?
它在现代生物技术是何意义?
答:
在高等植物正常的个体发育中,芽一般是只从茎尖或叶腋等的一定位置生出。
所以这种象顶芽、腋芽、副芽等均在一定部位生出的芽,称为定芽.与此相反,凡从叶、根、或茎节间或是离体培养的愈伤组织上等通常不形成芽的部位生出的芽,则统称为不定芽。
有关不定芽发生的研究主要集中在单基因的调控方面,缺乏转录组方面的系统研究.利用RNA-seq高通量测序技术在全基因组范围内检测了不定芽发生早期的基因表达谱,共检测到2457个差异表达基因.这些基因参与了激素代谢和信号转导、愈伤组织和侧根的形成、茎顶端分生组织的发育和光合作用等过程.进一步的途径富集分析表明,不定芽发生早期苯丙氨酸代谢和苯丙胺素合成等途径相关的基因显著富集.并且苯丙氨酸可以显著抑制不定芽的发生,暗示了苯丙氨酸代谢和苯丙胺素的合成可能在不定芽发生过程起着重要的作用.
4、什么是胚状体途径?
它在现代生物技术的作用是什么?
答:
离体培养条件下,没有经过受精过程,但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物,此现象无论在体细胞培养还是生殖细胞培养中均可以看到,因而统称为体细胞胚或胚状体。
在离体植物细胞、组织或器官培养过程中,由一个或一些体细胞,经过胚胎发生和发育过程,形成与合子胚相类似的结构。
胚状体一般专指在组织培养条件下产生的非合子胚以区别于自然发生的珠心胚及其他通过无融合生殖和由合子胚分裂产生的胚(见多胚现象)。
研究胚状体的主要意义是:
①增加繁殖系数。
因为它可以直接生长成小植株,成苗率高。
并且由愈伤组织、细胞或器官培养中,诱导胚状体的数量比诱导芽多得多。
②愈伤组织分化的芽不容易发育成小植株的培养物,可是诱导胚状体,就容易得到小植株。
③胚状体的维管束与合子胚一样,是独立产生的,与母体维管束不相连,因此可以得到无病植株。
④可应用于细胞全能性的理论研究。
不论是体细胞或小孢子或胚乳细胞都有再生成完整植株的全能性。
植物细胞的全能性可以在培养条件下表现出来。
研究这一特性对于建立植物的无性系,了解细胞分化和形态发生的机制都十分重要。
⑤可以利用胚状体进行同步分裂的研究,以了解细胞周期的真实过程和认识控制从亲代细胞到子细胞过程中生化变化系列的因子。
一般用生长激素和细胞分裂素控制细胞同步分裂。
5、什么是“早萌”?
如何在培养过程中控制“早萌”现象?
第九章植物体细胞培养的应用
1、什么是无性系变异?
它在植物育种中有何应用价值?
答:
体细胞无性系变异在培养植物的细胞和组织中,常常由于它们的染色体组成和数目发生变化,或基因水平上的变异,或转座子被激活的作用等原因,再生的植株中存在着特性的变异,这种变异称体细胞无性系的变异。
正植物育种家的主要任务,一是创造变异,二是依既定的目标对变异体进行选择。
虽然传统的杂交方法和诱发突变迄今仍然是育种家借以创造变异的主要途径,然而近年来人们逐渐意识到,植物细胞和组织培养可以成为遗传变异的第三个来源。
这是因为越来越多的证据表明,无论是无性繁殖植物还是种子繁殖植物,当它们的细胞或组织经历了一段既使是时间不长的离体培养之后,在由愈伤组织分化形成的再生植株中,常常产生明显的变异,变异的频率往往很高,远非辐射诱变所能比拟。
2、植物组织培养过程中的无性系变异的原因是什么?
答:
组织培养过程中产生的变异组织培养过程中产生的变异,即在细胞脱分化一再分化过程中所产生的变异。
1989年Karp把由愈伤组织产生的变异称之为“愈伤组织无性系变异”(callusclonalvariation),即经过愈伤组织或细胞悬浮培养,而不是经过分生组织的茎尖培养或微繁殖所产生的变异。
但组织培养过程中产生的变异并不限于愈伤组织脱分化和再分化过程中所产的后代,也存在于直接由胚胎发育而成的再生植株中。
植物组织培养中的体细胞无性系变异是组培过程中不同因素综合作用的结果,诱导变异发生的因素很多,如母株基因型、外植体类型、激素类型和配比离体培养时间、继代次数、选择压、嵌合性及其不同发育期、诱变剂类型、染色体倍性水平等,而且其发生频率同样受到许多因素影响。
3、植物组织培养过程中为何出现染色体加倍现象?
答:
植物在组织培养过程中诱发产生染色体畸变已有一些研究报道,Cionini(1978)曾报道过蚕豆愈伤组织中染色体畸变[1].但研究其在组织培养过程中自发产生染色体畸变的效因,目前国内外的报道尚少.植物组织培养中经常出现染色体的加倍和减倍现象(1950)曾从植物根尖中诱导产生单倍体[2],1961年Mitva和steward对Haplopappusgracilis在体细胞组织培养中,首次发现体细胞减数分裂[3].蚕豆组织培养中,已发现一定浓度的植物激素能引起较多的多体和单倍体细胞[4],同时蚕豆染色体大而少(2n=12),核型及带型的研究比较清楚,易于观察,因而本试验试图通过利用植物激素选择出单倍体或多倍体产生数量较多的培养基,并为单倍体或多倍体的愈伤组织诱发产生苗和缩短育种时间开辟一条新的途径.
4、简述植物细胞培养在现代生物工程应用价值。
答:
细胞工程是生物技术的四大领域之一[1],随着社会的不断进步和科学的不断发展,细胞工程在生命科学研究中起着不可估量的作用。
植物细胞培养技术作为细胞工程中的重要技术现已广泛应用于生命科学的各个研究领域,是生物技术最新发展的重要组成部分。
利用植物细胞技术生产有用代谢产物的优点:
1.1在完全人工控制的条件下一年四季不断进行生产,不受地区、季节、土壤及有害
生物的影响;
1.2代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行,可以通过改变培养条件和选择优良
培养体系得到超整株植物产量的代谢产物,例如通过新疆紫草的细胞培养获得了比原植株含量高6倍的紫草素;
1.3在无菌条件下完成的,能排除病菌及虫害对药用植物的侵扰;
1.4减少大量用于种植原料的农田,以便进行粮食作物的生产;
1.5有利于研究植物的代谢途径,还可以利用基因工程手段探索或创造新的合成路线,
得到新的有价值的物质。
1.6对有效成分的合成路线进行遗传操作,以提高所需的次生代谢产物含量,也可以
进行特定的生物转化反应,大规模生产我们所需的有效次生代谢产物;
1.7有利于细胞筛选、生物转化、寻找新的有效成分;
1.8作为解决资源问题的较为有效的途径而成为当代生物技术的重要发展领域。
植物细胞培养进行有效成分的生产发展到现在,已经取得了令人瞩目的成就。
自从20世纪90年代以来,利用植物细胞工程进行天然产物的生产进入了一个新的发展阶段,它与基因工程、快速繁殖形成了三大主流[21]。
20世纪90年代全世界已经有1000多种植物被进行过细胞培养方面的研究[22]。
但是,植物细胞是一个复杂的体系,细胞内部存在多种的正反馈和负反馈调控机制,细胞的各种亚体系之间也存在着复杂的相互影响,相互偶联关系;植物细胞在培养过程中的生长缓慢、不耐剪切力、目标代谢产物含量低等自身特点同时也影响了其工业化生产的进程。
随着科技的不断进步,我们有理由相信植物细胞培养这种方兴未艾的技术将在生命科学领域中发挥越来越大的作用。
第十章植物单倍体培养与应用
1、什么是花粉培养和花药培养?
简述二者之间的关系?
答:
花粉培养:
将处于一定发育阶段的花粉从花药中分离出来,再加以离体培养,也叫小孢子培养。
花药培养:
通过无菌操作技术,把发育到一定阶段的花药,接种在人工培养基上,进行诱导、分化,最终形成完整植株的技术。
花粉和花药培养的应用异同点:
相同点:
二者培养的目的一样,都是要诱导花粉细胞发育成单倍体细胞,最后发育成单倍体植株。
不同点:
花药培养属器官培养,花药是植物花的雄性器官,包括体细胞性质的药壁和药隔组织,以及雄性性细胞的花粉粒花粉培养属细胞培养:
花粉培养没有药壁组织干扰;可计数小孢子产胚率;可观察雄核发育的全过程;单倍体产量高。
但技术更复杂,比花药培养难度大。
、花药和花粉培养的应用1诱导形成单倍体,快速获得纯系,缩短育种周期;2提高目标基因型的选择效率花粉单倍体是纯合配子体,从来源于配子体的植株中选择某一种基因型的概率是1/2n,而从常规杂交F2代群体中,选择某一基因型的概率为1/22n,故单倍体育种的选择效率为常规育种的2n倍。
3诱变育种中的作用2、物种进化研究
2、简述植物单倍体培养在植物育种中的应用价值?
答:
单倍体植株经染色体加倍后,在一个世代中即可出现纯合的二倍体(一般情况下为纯合,但在亲本为多倍体情况下,得到的单倍体植株加倍后,子代可能为杂合。
)[1],从中选出的优良纯合系后代不分离,表现整齐一致,可缩短育种年限。
单倍体植株中由隐性基因控制的性状,虽经染色体加倍,但由于没有显性基因的掩盖而容易显现。
这对诱变育种和突变遗传研究很有好处。
在诱导频率较高时,单倍体能在植株上较充分地显现重组的配子类型,可提供新的遗传资源和选择材料。
中国首先应用单倍体育种法改良作物品种,已育成了一些烟草、水稻、小麦等优良品种。
单倍体育种如能进一步提高诱导频率并与杂交育种、诱变育种、远缘杂交等相结合应用,则在作物品种改良上的作用将更显著。
3、简述离体小孢子的发育途径。
答:
一般是离体培养花粉处于单核时期(小孢子)的花药。
通过培养使它离开正常的发育途径(即形成成熟花粉最后产生精子的途径)而分化成为单倍体植株,这是目前获得单倍体植株的主要方法。
大体上要经过制备培养基、接种花药和培养三步骤。
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