第2章 细胞工程——【期末复习】高二下学期生物章节知识点梳理（人教版2019选择性必修3）

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第二章 细胞工程
第一节 植物细胞工程
一、细胞工程概念及植物组织培养技术
1．细胞工程的含义
原理和方法
细胞生物学、分子生物学和发育生物学等
操作水平
细胞水平、细胞器水平或组织水平
目的
获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品
分类
植物细胞工程和动物细胞工程

2. 细胞的全能性
(1)定义：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。
(2)在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性，这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
3. 细胞具有全能性的原因（物质基础）
生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质_，都有_发育成为完整个体所需的全部遗传信息_。
4. 生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因（不离体的细胞无法表现出全能性的原因）
在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达
5. 全能性大小比较
（1）受精卵＞生殖细胞＞体细胞____
（2）分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞_____
（3）_分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞
（4）_植物细胞＞动物细胞
（5）幼嫩的细胞＞衰老的细胞____
二、植物细胞工程的基本技术
（一）植物组织培养技术
1. 概念：植物组织培养是指将_离体_的植物_器官__、_组织_或_细胞_（称为_外植体_）等，培养在人工配制的_培养基_上，给予_适宜的培养条件_，诱导其形成__完整植株_的技术。
2. 原理：__植物细胞的全能性__
3. 生殖方式：_无性生殖__
4. 分裂方式：__有丝分裂__
5. 过程：
脱分化：在一定的_激素_和_营养_等条件的_诱导_下，_已经分化_的细胞_失去其特有的结构和功能__，转变成_未分化的细胞__的过程。
再分化：_愈伤组织_能重新_分化_成_芽、根等器官_的过程。

探究.实践：菊花的组织培养
（1）原理
①植物细胞一般具有_全能性__；
②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过_脱分化_和__再分化__，形成_胚状体__，长出__芽和根_，进而发育成_完整的植株_；
③植物激素中_生长素_和__细胞分裂素_是启动_细胞分裂_、_脱分化__和_再分化_的关键激素，它们的_浓度_、_比例_等都会影响植物细胞的发育方向。
生长素用量与细胞分裂素用来的比值
结果
比值高
有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低
有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中
促进愈伤组织的形成
（2）材料用具
①外植体：_幼嫩的菊花茎段__：经常选择根尖（分生区）、茎的韧皮部（形成层）等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织。
②体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒。
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒。
④无菌水：清洗外植体。
⑤培养基：包括无机营养成分（水和无机盐）、有机营养成分（蔗糖、氨基酸、维生素等）、特定浓度和比例的激素（主要是生长素和细胞分裂素）。
（3）方法步骤
①消毒—②外植体切段—③接种—④脱分化—⑤再分化—⑥移栽培养
6.植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
（1）离体 （最关键）；
（2）严格的无菌条件 ；
（3）适宜的培养条件；
（4）适宜 浓度和比例 的激素；
（5）一定的营养条件；

（二）、植物体细胞杂交技术
1.概念：植物体细胞杂交是指将__不同来源_的_植物体细胞_，在一定条件下_融合_成__杂种细胞__，并把__杂种细胞__培育成_新植物体_的技术；
2.原理：__植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性__
3.生殖方式：_无性生殖_
4.分裂方式：__有丝分裂__
5.可遗传变异类型：_染色体（数目）变异__
6.意义：__打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种__
8.过程：
―→―→―→―→

（1）去除细胞壁
①去壁原因：_细胞壁阻碍着细胞间的杂交__
②方法：_酶解法_
③所用酶：_纤维素酶和果胶酶__
（2）原生质体间的融合
①原理：__细胞膜具有一定的流动性_
②方法：物理法：_电融合法、离心法__；化学法； 聚乙二醇（PEG）融合法、高Ca2+-高pH融合法 。
（3）再生出新的细胞壁
再生出新的细胞壁 、高尔基体和线粒体。
（4）植物组织培养——脱分化、再分化
①原理：_植物细胞的全能性__
②植物体细胞杂交完成的标志：_培育出杂种植株__

二、植物细胞工程的应用
（一）植物繁殖的新途径
1.微型繁殖
（1）概念：用于_快速繁殖优良品种_的__植物组织培养技术_；
（2）优点：①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖_；②可以保持优良品种的遗传特性_。
（3）实例：观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物__。
2.作物脱毒
（1）适用范围_无性繁殖的作物__
（2）进行作物脱毒的原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差_。
（3）外植体选材部位：植物顶端分生区附近部位，如茎尖。
（4）选分生区的原因：植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒__。
（5）优点：脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物。
3.单倍体育种
（1）定义：通过_花药_（或_花粉_）培养获得__单倍体植株___，然后经过__诱导染色体加倍__，_当年__就能培育出__遗传性状相对稳定_的__纯合二倍体植株__。
（2）原理：_染色体（数目）变异__和_植物细胞的全能性_
（3）优点：
①_大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。
②可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
4.突变体的利用
（1）过程：

（2）诱变处理对象：一般为_愈伤组织_。
（3）原因：在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变。
（4）原理：__基因突变_和__植物细胞的全能性__。
（5）优点：通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程__。
（6）缺点：突变具有不定向性和低频性，因此需大量处理实验材料。
5.细胞产物的工厂化生产
（1）植物的代谢产物分类：
①初生代谢产物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动；
产物：糖类、脂质、蛋白质、核酸 等
②次生代谢产物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行；
产物：一类小分子有机化合物：如酚类、萜类和含氮化合物 等
（2）细胞产物的工厂化生产的目标产物：__次生代谢产物__
（3）技术—_植物细胞培养_
在_离体_条件下对_单个植物细胞_或_细胞团_进行培养使其增殖_的技术。
（4）细胞产物的工厂化生产的一般过程

（5）优点：不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。

第二节 动物细胞工程

一、动物细胞培养
1.概念：从动物体中_取出_相关的_组织_，将它__分散成单个细胞_，然后在__适宜的培养条件_下，让这些细胞_生长_和_增殖_的技术。
2.原理：__细胞增殖__
3.地位：__动物细胞工程的基础__
4.关键操作：_原代培养_和__传代培养_。
（一）动物细胞培养的条件

1.营养
（1）成分
①已知成分
将细胞所需的__营养物质_（糖类、氨基酸、无机盐、维生素等）按其_种类__和_所需量__严格配制而成的培养基，称为_合成培养基_。
②未知成分
使用合成培养基时，通常需加入_血清_等一些天然成分。
（2）培养基的物理性质
培养动物细胞一般使用_液体培养基__，也称为_培养液__。
2.无菌、无毒的环境
①对_培养液_和_所有培养用具_进行_灭菌_处理；②在_无菌环境__下进行操作；③还需要__定期更换培养液__。
3.温度、pH和渗透压
（1）适宜的温度：哺乳动物细胞培养的温度多以__36.5±0.5℃_为宜。
（2）适宜的pH：多数动物细胞生存的适宜pH为_7.2-7.4_。
（3）适宜的渗透压：维持适宜渗透压的目的_维持细胞正常的形态和功能__。
4.气体环境
（1）组成：动物细胞培养所需气体主要有_O2_和_CO2_。
（2）气体作用：①O2：_O2是细胞代谢所必需的_；②CO2：_CO2的主要作用维持培养液的pH__。

（二）动物细胞培养的过程

①原代培养：将__分瓶之前_的细胞培养，即动物组织经处理后的__初次培养__称为原代培养。
②传代培养：将_分瓶后_的细胞培养称为传代培养；
③细胞贴壁：__大多数_体外培养的细胞需要__贴附于某些基质表面__才能生长增殖，这类细胞往往贴附在培养瓶的_瓶壁_上，这种现象称为细胞贴壁；
④接触抑制：当_贴壁_细胞生长到_表面相互接触_时，细胞通常会_停止分裂增殖__。
1.取动物组织
（1）取材：__动物胚胎__或__幼龄动物__的组织、器官。
（2）取材原因：_细胞分化程度低，增殖能力强，容易培养___。
2.制成细胞悬液
（1）制成细胞悬液的步骤：①__将组织分散成单个细胞__；②__用培养液将细胞制成细胞悬液__
（2）将组织分散成单个细胞的原因：①从动物体取出的成块组织中，细胞与细胞__靠在一起__，彼此__限制了生长和增殖_；②能使细胞与培养液充分接触，更易进行物质交换_。
（3）将组织分散成单个细胞的方法：①__机械法__；②用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间。
3.原代培养
将_细胞悬液__放入__培养皿或培养瓶_内
4.分瓶、传代培养
悬浮生长类： __直接用离心法收集_；贴壁生长类：重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集；将收集的细胞制成 细胞悬液 ，分瓶培养。
5.植物组织培养与动物细胞培养的比较
比较项目
植物组织培养
动物细胞培养
理论基础
植物细胞全能性
细胞增殖
区
别
培养基
类型
固体或半固体培养基
液体 培养基

成分
水、矿质元素、维生素、植物激素、蔗糖、氨基酸、琼脂等
葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等

取材
离体植物器官、组织、细胞
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
关键环节
细胞的脱分化和再分化
细胞增殖和癌变
结果
新的组织或植株个体，可以体现全能性
新的细胞系或细胞株，不形成个体，不体现全能性
应用
①植株快速繁殖；②脱毒植株的培育；
③人工种子；④生产药物、杀虫剂等；
⑤转基因植物的培育
①蛋白质生物制品的生产；②皮肤移植材料的培育；③检测有毒物质；④生理、病理、药理等方面的研究
相同点
两种技术手段培养过程中细胞都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称克隆，都不涉及减数分裂；②均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件

（三）干细胞培养及其应用
1.分布
干细胞存在于_早期胚胎__、_骨髓_和__脐带血__等多种组织和器官中。
2.分类
干细胞包括__胚胎干细胞_和_成体干细胞__等
（1）胚胎干细胞（简称ES细胞 ）
①分布：存在于_早期胚胎_中
②特点：具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能___。
（2）成体干细胞
①分布：存在于_成体组织或器官内__中
②类别：包括_骨髓__中的_造血干细胞__、_神经系统_中的__神经干细胞__、_睾丸_中的__精原干细胞_等。
③特点：一般认为，成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。
3.干细胞的应用
（1）原理：干细胞有着_自我更新__能力及_分化_潜能的干细胞，与__组织、器官_的_发育、再生和修复_等密切相关。
（2）应用：
造血干细胞：治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病 。
神经干细胞：治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病等） 。
诱导多能干细胞（iPS细胞）：可治疗小鼠的镰状细胞贫血症，在治疗阿尔兹海默病、心血管疾病等领域 。

二、动物细胞融合与单克隆抗体技术
（一）动物细胞融合技术
1.概念：使_两个_或_多个_动物细胞结合形成_一个_细胞的技术。
2.结果：形成的_杂交细胞__具有原来两个或多个细胞的遗传信息_。
3.原理：_细胞膜具有一定的流动性__。
4.意义：突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。
5.诱导融合的常用方法：__电融合法__、_聚乙二醇PEG融合法__和__灭活病毒诱导法__。
6.融合实质及完成的标志：_细胞核的融合___。
7.应用：
①细胞融合技术已经成为研究__培育生物新品种_、_细胞遗传__、_细胞免疫_和__肿瘤_等的重要手段。
②利用动物细胞融合技术发展起来的__杂交瘤技术__，为__制造单克隆抗体_开辟了新途径。
8.动物细胞融合和植物体细胞杂交比较
项目
植物体细胞杂交
动物细胞融合
原理
细胞膜具有一定的流动性
植物细胞的全能性
细胞膜具有一定的流动性
细胞融合前的处理方法
用果胶酶和纤维素酶去除细胞壁
用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散成单个细胞
诱导细胞融合的方法
电融合法、离心法 、聚乙二醇（PEG）融合法 、高Ca2+-高pH融合法
PEG融合法 、电融合法 、灭活病毒诱导法
细胞融合成功的标志
再生出细胞壁
细胞核 的融合
主要用途
获得完整的杂种植株
主要用于制造单克隆抗体
意义
打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种
突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能

（二）单克隆抗体的制备
1.制备过程

2.突出优点：特异性强、灵敏度高，可大量制备。
3.实际应用：
（1）作为诊断试剂；①多种疾病的诊断②病原体的鉴定③其他类型诊断。
（2）用于治疗疾病和运载药物：与药物结合，制成__抗体-药物偶联物（ADC）__，杀伤癌细胞；ADC通常由_抗体_、__接头_和_药物_三部分组成。
（3）治疗疾病：单克隆抗体单独使用，也可直接用于治疗疾病。
三、动物细胞核移植技术和克隆动物
（一）动物细胞核移植技术
1.概念：将动物一个细胞的__细胞核__移入__去核的卵母细胞__中，使这个__重新组合的细胞__发育成_新胚胎_，继而发育成__动物个体_的技术。
2.结果：形成__重新组合的细胞__并发育成__新胚胎_，继而发育成__动物个体_。
3.原理：_动物细胞核的全能性__。
4.生殖方式：__无性生殖__。
5.哺乳动物核移植分类
①胚胎细胞核移植：动物胚胎细胞分化程度_低_，表现全能性_相对容易_。
②体细胞核移植：动物体细胞分化程度_高_，表现全能性_十分困难__。
6.非人灵长类动物体细胞核移植的困难原因
①_供体_细胞的__细胞核__在__去核卵母细胞__中_不能完全恢复_其__分化前的功能状态__，这导致了_胚胎发育率低__。
②对非人灵长类动物_胚胎_进行操作的技术尚不完善。
7.体细胞核移植的过程






（二）体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题

应用前景
畜牧生产
加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
保护濒危动物
有望增加濒危物种 的存活数量。
医药卫生
转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产珍贵的医用蛋白 。

治疗人类疾病
①转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体；
②以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免免疫 排斥反应。

科研
①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程；
②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因；
③克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病机制和开发相应的药物提供帮助；

存在的问题
①成功率非常低 ；
②各个技术环节有待进一步改进；
③绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷 。


第三节 胚胎工程工程

一、胚胎工程的伦理基础
（一）、受精和受精阶段
1．胚胎工程的概念
(1)操作对象：动物生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞。
(2)技术基础：如体外受精、胚胎移植、胚胎分割等。
(3)特点：经过多种显微操作和处理后获得的胚胎，还需移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。
(4)理论基础：哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律。
(5)实质：在体外条件下，对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。
2．受精
(1)概念：精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。
(2)场所：哺乳动物的输卵管内。
(3)过程
准备阶段
↓
受精阶段



（二）胚胎早期发育
原肠胚
卵裂
囊胚
有了 三胚层 的分化，是细胞分化最关键的时期。
细胞开始出现 分化  ,形成 内细胞团 和滋养层细胞，中间的空腔称为囊胚腔。该时期细胞的 全能性 仍比较高。内细胞团将来发育成 胎儿的各种组织 ,滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘 。
卵裂产生的子细胞形成致密的细胞团,形似桑葚。
桑葚胚及以前的细胞都具有全能性 。
胚胎发育早期，在 透明带内 进行。分裂方式为_有丝分裂 。细胞数目越来越多，胚胎总体积基本不变。
受精卵
桑葚胚















二、胚胎工程技术及其应用
（一）体外受精
1.过程：包括_卵母细胞的采集_、__精子的获取 _和_受精_等步骤。
2.意义：__是提高动物繁殖能力的有效措施，可以为胚胎移植提供可用胚胎__。


（二）胚胎移植
1.概念：指将通过_体外受精__及__其他方式_得到的胚胎，移植到_同种的__、__生理状态相同_的_雌性_动物体内，使之__继续发育为新个体_的技术。
（1）胚胎来源：_体外受精及其他方式得到的胚胎_。
（2）供体和受体：①提供胚胎的个体称为_供体_ ②接受胚胎的个体叫_受体_。
2.实质：_早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移_。
3.地位：__胚胎工程的最终技术环节__。
4.意义：
①__充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力__；
②__缩短了供体本身的繁殖周期__；
③对供体施行_超数排卵_处理后，可获得_多枚胚胎_，经__移植可得到多个后代__，使供体生产下的后代数量是自然繁殖的__十几倍到几十倍__。


5.过程：
供体、受体的选择和处理



配种或人工授精



胚胎的收集、检查、培养或保存




胚胎的移植



移植后的检查


（1）对供、受体的选择和处理
①对供、受体进行的相同处理：_同期发情处理_
②只对供体进行的操作：_超数排卵处理__
（2）配种或人工授精：应选择__同种的优良公牛_
（3）胚胎的收集、检查、培养或保存
①胚胎收集的基础：哺乳动物早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态___；②该阶段检查的目的：__检查胚胎的质量___；③胚胎保存的方法：__-196℃液氮中保存___
（4）胚胎的移植：一般选择移植__桑葚胚或囊胚阶段的胚胎__
（5）移植后的检查：第二次检查的目的：__对受体进行妊娠检查（检查受体是否妊娠）__
（三）胚胎分割
1.概念：采用_机械方法_将__早期胚胎_切割成__2等份、4等份或8等份__等，经移植获得__同卵双胎或多胎_的技术。
2.材料：应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
3.实质：胚胎分割可增加动物后代的数量，其实质是动物的无性繁殖或克隆。
4.操作要求：对 囊胚 阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割。
5.胚胎干细胞：
（1）来源：从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。
（2）特点
（3）应用
6.胚胎分割的优点：
①可以促进优良动物品种的繁殖；
②产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究 的宝贵材料；
③在胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查 等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代有重要意义。
7.胚胎移植的局限性
采用胚胎分割技术产生 同卵多胎 的可能性是有限的，分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小 ，目前仍然以二分胚胎 的分割和移植效率最高。