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植物細胞工程
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植物細胞工程

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作者簡介
目次

商品簡介

植物細胞工程是在植物組織培養基礎上發展起來的新學科,具有基礎理論與實驗技術並舉的特點。本書以植物細胞工程的基本概念、基本原理和基本技術為主線,系統闡述了植物細胞工程的原理和技術,同時介紹了該學科領域的發展動態。

作者簡介

◎陳其昌 台灣大學生化系教授

細胞工程是一門綜合性的生物技術學科。細胞工程的研究物件是所有以細胞為基

礎的生物體,其研究目標是在細胞、組織和器官水準上對生物進行遺傳改良,生

長發育調控,或進行特殊產物的生產。由於生物的遺傳、生長發育和物質代謝等

是生命科學研究的基礎範疇,因此,細胞工程學科的發展速度也隨著分子生物學

、細胞生物學、發育生物學、生理學、遺傳學及其它生物類學科的飛速發展而加

快,同時也與電腦科學、材料科學等應用學科的進步密切相關。細胞工程學科的

發展反過來又為其他生命學科提供了橋樑和載體,促進了這些學科的發展與進步

。植物細胞工程是細胞工程的主要分支,在這樣一種多學科相互滲透的背景下,

要建立一個相對獨立而又與其他學科有機聯繫的植物細胞工程學科的知識體系,

既是本書試圖解決的重點,同時由於這是一門正處於快速發展階段的新興學科,

因此也是本書編寫過程中所一直面對的一個難點。

 

植物細胞工程的理論基礎是細胞全能性學說,其研究技術涉及細胞器、細胞、組

織和器官水準在利用工程技術原理和手段進行的各類體外操作。因此,本書以基

本原理介紹為切入點,以不同類型的技術範疇為骨架,構建成本書的基本結構。

在各章節編寫時,力求理論闡述與技術介紹並重,使本書在作為教材使用的同時

,也具備工具書的性質;注重將現有技術歸納與發展趨勢介紹相結合,客觀地反

映本學科相關領域的重點和尚待研究解決的科學問題,使之對專業人士具有一定

的參考作用;強調本學科知識的系統性及其與其他相關學科相輔相成的關係,以

體現細胞工程作為一門綜合性技術學科所存在的多學科滲透融合的內涵,幫助讀

者正確理解和解釋本學科所涉及的科學現象。

 

本書由緒論和另外十章組成。緒論重點介紹了植物細胞工程的概念、發展歷史及

與其他學科的相互關係,論述了細胞工程在現代生物技術中的地位與作用。前三

章是細胞工程的基本技術和原理,相當於總論。第一章從植物細胞工程的理論基

礎出發,介紹了細胞全能性的概念和離體條件下器官發生的機理,從理論上認識

細胞工程技術產生、發展和應用的原理。第二章重點闡述了離體條件下的遺傳變

異與調控,以瞭解和科學分析植物細胞工程技術應用過程中的生命現象,為後面

介紹專門技術奠定基礎。第三章是植物細胞工程研究的基本技術介紹,重點討論

了離體培養對環境和營養條件的要求等一些共性問題。因為細胞工程從廣義上講

包括細胞、組織和器官培養,而細胞培養與其他培養在目的和應用的技術上都存

在差異,因此第四章專門論述了主要的植物組織和器官培養技術,包括植物莖尖

分生組織培養、病毒脫除與快速繁殖,花藥與花粉培養,胚胎與子房培養等。第

五章至第七章分類介紹了目前研究較多、應用較廣泛的主要植物細胞培養技術,

包括植物細胞培養與次生代謝產物生產、植物原生質體培養和體細胞雜交等,這

些是植物細胞工程技術在遺傳改良和代謝調控方面取得了重要成就的領域,屬於

典型的單細胞培養與操作技術範疇。第八章和第九章分別介紹了細胞工程在植物

人工種子生產和遺傳種質保存方面的應用原理與技術,屬於離體培養與其它技術

綜合應用的領域。作為基因工程下游技術的重要環節,從技術上說植物遺傳轉化

體系的建立屬於細胞工程的範疇,從應用上講又是現代生物學各個領域在分子水

準上從事研究的重要技術途徑。為使讀者充分瞭解本學科技術在遺傳轉化方面的

應用,明確基因工程對作為轉基因載體的細胞工程技術的特殊要求,第十章專門

介紹了植物遺傳轉化受體系統的建立。

 

植物細胞工程的知識體系還需要不斷發展和完善。為了方便讀者對本書所涉及的

科學和技術問題進行更深入的探討,書中較詳盡地列出了所引用資料的來源,其

主要部分以參考文獻形式列於書後,以便查閱。對於所涉及的專門名詞,書中盡

可能地附上了相應的英文名稱,並以中英文名詞對照的形式匯總於書後。由於細

胞工程技術的研究和應用目前還受到植物物種和品種的限制,本書還給出了所涉

及的植物材料的中文和拉丁文植物學名稱,且集錄於書後,以供讀者參考。

本書由謝從華和柳俊主編,相關高校從事細胞工程教學和科研的中青年教師參加

了本書的編寫。除此之外,華中農業大學園藝林學學院蔡興奎博士幫助進行了體

細胞雜交一章中部分資料和圖片的整理;博士研究生張遲參與了原生質體培養一

章中部分示意圖的繪製;胡建斌協助收集了有關形態發生的部分資料。同時,本

書還被惠許使用了華中農業大學馬鈴薯實驗室的有關圖片資料。因此,本書的完

稿是集體勞動的結果。

 

編寫國家“十五”規劃教材對於編寫組來說是一個嘗試與挑戰,尤其是在生命科

學和生物技術快速發展的今天。雖然各位同仁力圖將最新的學科進展全面而系統

地介紹出來,但受知識、經驗和時間的限制,恐掛一漏萬;對科學現象的認識亦

或木林相淆;在內容和形式上的疏漏也在所難免。我們殷請使用本書的師生和讀

者不吝指正。

 

編者

目次

緒 論1

第一節 細胞工程在生物技術領域中的地位2

一、生物技術概述2

二、細胞工程的概念及研究範疇3

三、細胞工程與其他相關學科的關係3

1.細胞工程學科的建立依賴於相關學科理論的發展3

2.細胞工程為生物學研究提供新的實驗體系4

3.細胞工程必須與其他生物技術相結合才能更好地發揮作用4

四、細胞工程在現代生物技術中的地位及其實踐意義4

1.改善農業生產技術4

2.保護自然資源,維護生態平衡5

3.生物醫藥開發5

第二節 植物細胞工程的發展5

一、植物細胞工程的發展5

1.探索階段6

2.培養技術建立階段6

3.應用研究階段7

二、大陸植物細胞工程的研究進展8

第三節 植物細胞工程技術的類別及其應用10

一、植物細胞工程的類別10

二、植物細胞工程的應用11

1.在植物育種上的應用11

2.種苗脫病毒與快速繁殖11

3.細胞培養生產有用次生產物12

4.在細胞生物學和發育生物學研究中的應用12

5.在植物遺傳、生理生化以及植物病理等基礎研究中的應用13

第一章 細胞全能性與形態發生15

第一節 細胞全能性及其表達16

一、細胞全能性概述16

二、培養條件下的細胞脫分化17

1.細胞脫分化過程中的生理活動與細胞結構變化18

2.細胞脫分化的調控機理19

3.細胞分裂與癒傷組織形成24

三、細胞分化24

1.細胞分化與基因組變化25

2.極性與細胞分化26

3. TE細胞分化及其調控28

4.激素在細胞分化中的調控作用31

第二節 器官發生33

一、離體培養中器官發生的方式33

二、器官分化過程 34

三、起始材料對器官分化的影響36

1.母體植株的遺傳基礎36

2.外植體的類型36

四、激素對器官分化的調控 38

五、光照對器官分化的影響40

六、器官發生的基因調控40

第三節 體胚發生42

一、體胚的形成43

1.體胚從外植體上直接發生43

2.經過癒傷組織的體胚發生43

3.細胞懸浮培養的體胚發生44

二、體胚的結構與發育特點46

三、影響體胚發生的因素48

1.外源激素對體胚發生的調控48

2.培養基及培養條件對體胚形成的影響49

3.不同基因型間體胚形成能力的差異50

四、體胚發生的生化與分子基礎50

1.體胚形成過程中內源生長素的變化50

2.體胚發生過程中的特異蛋白質52

3.體胚形成的基因表達調控54

第二章 離體培養下的遺傳與變異57

第一節 離體培養中的遺傳與變異特點58

一、離體培養中的遺傳穩定性58

二、離體培養條件下遺傳變異的特點59

三、影響體細胞遺傳與變異的因素62

1.供體植物62

2.培養基及培養方式64

3.繼代培養的次數65

第二節 體細胞變異的細胞遺傳學基礎66

一、DNA在核內重複複製66

二、染色體斷裂與重排67

三、非正常有絲分裂68

第三節 體細胞變異的分子遺傳學基礎69

一、鹼基突變69

二、DNA序列的選擇性擴增與丟失69

三、轉座子活化71

四、DNA甲基化71

第四節 體細胞無性系變異的誘導與選擇72

一、體細胞無性系變異誘導材料的選擇73

二、離體培養細胞的自發變異73

三、離體培養細胞的誘變74

1.物理誘變74

2.化學誘變75

3.複合因子誘變75

4.轉座子插入誘變75

四、體細胞無性系突變體的篩選76

1.直接篩選法76

2.間接篩選法76

五、體細胞無性系變異的利用78

1.創造育種中間材料或直接篩選新品種78

2.遺傳研究79

3.發育生物學研究80

4.生化代謝途徑研究80

第三章 植物細胞工程技術原理83

第一節 實驗室設置84

一、實驗室組成84

1.基本實驗室84

2.輔助實驗室85

3.實驗室佈局85

二、基本設備配置86

1.常規設備86

2.滅菌設備87

3.無菌操作設備87

4.培養設備88

5.其他設備89

三、培養容器與用具89

1.培養容器89

2.金屬用具90

3.塑膠用具90

第二節 細胞工程的基本技術91

一、洗滌技術91

1.洗滌劑91

2.洗滌方法91

二、滅菌技術92

1.培養基滅菌92

2.玻璃器皿滅菌92

3.金屬用具滅菌93

4.操作環境滅菌93

第三節 培養基組成及配製93

一、培養基成分94

1.無機鹽類94

2.有機化合物94

3.生長調節物質95

4.水97

5.其他附加成分97

二、培養基配方及培養基選擇97

1.常用培養基配方97

2.培養基篩選101

三、培養基配製101

1.培養基母液配製101

2.培養基製備103

第四節 外植體取材及培養條件的控制104

一、外植體取材104

1.外植體的來源104

2.供體植株的管理104

二、外植體滅菌104

1.種子滅菌105

2.芽、葉片、莖等組織材料滅菌105

3.未成熟胚、子房及花藥滅菌106

三、接種培養及其培養條件的控制106

1.光照107

2.溫度107

3.培養基pH107

4.氣體調節108

第四章 植物組織和器官培養111

第一節 植物脫毒與快速繁殖112

一、植物脫毒和快速繁殖的意義112

1.植物脫毒和快速繁殖的概念112

2.植物脫毒和快速繁殖的意義112

二、植物脫毒的原理和技術114

1.基本原理114

2.植物脫毒的技術規程115

3.影響脫毒效果的因素119

三、離體繁殖120

1.離體繁殖的一般技術120

2.離體繁殖的使用範圍123

3.離體繁殖的遺傳變異與控制123

第二節 花藥及花粉培養124

一、基本概念124

1.花藥培養124

2.花粉培養124

3.單倍體125

二、花藥培養126

1.外植體的選擇126

2.材料的表面消毒126

3.接種127

4.培養127

5.植株再生127

6.生根和移栽127

三、花粉及小孢子培養129

1.取材時期的確定129

2.花粉的分離129

3.花粉培養方法130

四、花藥和花粉培養中花粉發育的途徑131

1.花藥和花粉培養中花粉發育的途徑131

2.影響花粉發育的因素132

3.花粉發育的誘導137

五、花藥和花粉培養中單倍體植株形成的途徑138

1.通過胚狀體形成單倍體植株139

2.通過癒傷組織形成單倍體植株140

六、花粉植株的倍性及染色體加倍140

1.花粉植株的倍性140

2.染色體加倍141

七、花藥和花粉培養中的白化苗142

1.影響白化苗形成的因素142

2.白化苗的細胞學和生理生化特性143

八、單倍體的應用143

1.迅速獲得純合型材料143

2.突變體選育144

3.體細胞融合144

4.獲得染色體異附加系和代換系144

5.遺傳研究144

6.遺傳工程受體145

第三節 胚培養145

一、胚培養的意義和類型145

1.胚培養的意義145

2.胚培養的類型146

二、幼胚培養146

1.幼胚培養的基本技術147

2.幼胚離體培養的生長發育方式147

三、幼胚培養條件148

1.培養基148

2.光照148

3.溫度148

第四節 子房培養148

一、材料的選擇150

1.品種間的差異150

2.胚囊發育時期150

二、培養基150

1.基本培養基150

2.植物激素的影響150

3.蔗糖濃度151

三、接種方式151

四、單倍體的來源和發育途徑151

1.助細胞或胚囊的無配子生殖產生單倍體151

2.卵細胞、助細胞和反足細胞發育產生單倍體151

3.非正常發育的大孢子四分體產生單倍體151

第五節 胚乳培養152

一、概況152

二、植物胚乳的發育特性152

1.核型胚乳153

2.細胞型胚乳153

3.沼生目型胚乳153

三、影響胚乳培養的因素154

1.胚乳的發育時期154

2.基因型154

3.培養條件154

4.胚因子154

四、胚乳培養的形態發生155

1.癒傷組織形成155

2.器官發生155

3.影響胚乳形態發生的因素155

第五章 植物細胞培養及次生代謝產物生產159

第一節 懸浮培養160

一、癒傷組織誘導160

二、懸浮系的建立與繼代培養161

三、懸浮細胞的生長動態161

四、懸浮培養細胞的同步化163

第二節 單細胞培養164

一、細胞平板培養164

二、看護培養165

三、微室培養166

四、其他單細胞培養技術167

第三節 植物細胞的規模培養167

一、概述167

二、植物細胞規模化培養體系的建立168

1.種子細胞的選擇168

2.種子細胞系的增殖與放大培養170

3.大規模培養體系的建立170

三、生物反應器類型及其特點171

1.攪拌式生物反應器172

2.氣動式生物反應器172

3.固定化細胞生物反應器173

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