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一. 教学内容： 蛋白质工程和植物细胞工程
二. 学习内容： 本周学习蛋白质工程和细胞工程中的植物细胞工程相关问题，了解蛋白质工程崛起的缘由，掌握蛋白质工程的原理，并能运用逆向思维分析和解决问题；掌握植物细胞细胞工程和植物组织培养技术，知道植物组织培养的应用，理解和掌握植物组织培养的操作过程，理解和掌握植物体细胞杂交的操作过程，理解植物细胞的全能性，了解植物细胞脱分化和再分化的结果，掌握植物组织培养的特点，理解植物体细胞杂交和植物细胞培养的联系。
三. 学习重点 教学重点 （1）为什么要开展蛋白质工程的研究？ （2）蛋白质工程的原理。 （3）植物组织培养的原理和过程。 （4）植物体细胞杂交的原理。 （5）植物细胞工程应用的实例。
四. 学习难点 教学难点 （1）蛋白质工程的原理。 （2）植物组织培养的实验。
五. 学习过程： 蛋白质工程的崛起 1. 知识结构
2. 为什么要开展蛋白质工程的研究 蛋白质工程：是指以蛋白质分子的结构规律以及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生活和生产要求。就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。 实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造蛋白质。 蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。 如：干扰素：作用明显，但保存时间短，若将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在零下70度时能保存半年。 赖氨酸生产：玉米赖氨酸含量低，因为合成过程中的关键酶，天冬氨酸激酶和二氢吡啶二酸合成酶活性受赖氨酸影响大，会被抑制；但将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬氨酸变成异亮氨酸，可以使玉米叶中赖氨酸含量提高5倍，种子中含量提高2倍。 3. 蛋白质工程与基因工程的区别： 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。蛋白质工程则更进一步。它可以根据对分子预先设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对它所编码的蛋白质进行改造。因此，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的、具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程而形成的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了进化的过程。 4. 蛋白质工程的原理 蛋白质合成过程：
蛋白质工程过程 预期功能→蛋白质三维结构→氨基酸序列（多肽链）→基因→具有预期功能的蛋白质
5. 蛋白质工程的进展 蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白的合成。蛋白工程还可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变 蛋白质工程主要通过对关键氨基酸残基的置换与增删进行，除此外，还可以是以某个典型的折叠进行“从头设计”的方法。1988年杜邦公司宣布，成功设计并合成了由四段反平行α—螺旋组成为73个氨基残基的成果。这显示，按人们预期要求，通过从头设计以折叠成新蛋白的目标已是可望又可及了。预测结构的模型法，在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构，包含着关于高级结构的信息这一点已日益明确。结合模型法，通过分子工程来预测高级结构，已成为人们所瞩目的问题了。蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用
植物细胞工程 1. 知识结构
2. 细胞工程概念：是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。根据细胞类型的不同，可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。 3. 植物细胞工程发展历程 4. 植物细胞工程 常用技术手段：植物组织培养，植物体细胞杂交。 理论基础：植物细胞的全能性 植物组织培养：在无菌条件和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。
植物组织培养技术的应用范围：快速繁殖、培育无病毒植物，通过大规模的植物细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等。 植物体细胞杂交：植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。 5. 理解细胞全能性的概念，把握细胞全能性的特点： 细胞全能性是指生物体的细胞具有形成完整个体的潜能的特性。受精卵、生殖细胞和已分化的体细胞均具有全能性。生物体的细胞具有全能性的根本原因是细胞内含有形成完整个体所需的全套基因。同一个体的每一个已分化的体细胞都由受精卵经有丝分裂而来，体细胞核内基因与受精卵一样，因此都具有全能性。分化的体细胞之所以没有表达出全能性，是因为基因选择性表达。在离体和适当的条件下，分化的体细胞也能表达其全能性。全能性表达的难易程度：受精卵＞生殖细胞＞体细胞；植物细胞＞动物细胞。 6. 植物组织培养操作的特点： （1）选择外植体时，由于外植体的脱分化难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而有很大差异。花和幼嫩的组织脱分化较为容易，而植物的茎、叶和成熟的老组织则较难。另外制备外植体时应选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化。 （2）消毒。植物组织培养要想取得成功，必须有效防止细菌等的污染。因为如果培养基上有细菌等微生物存在时，它们比植物细胞生长、繁殖得更快，而且它们会产生毒素，使培养的植物细胞很快中毒死亡。因此在培养过程中要求进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作。 （3）光照。离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时，需避光处理。愈伤组织再分化形成植物幼苗时，需光照处理。 （4）激素调控：生长素含量高于细胞分裂素时，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成；当细胞分裂素的效应高于生长素时，主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。 7. 植物体细胞杂交杂种细胞的筛选和培养： 以烟草与大豆细胞融合为例。烟草与大豆的原生质体融合后，将原生质体转移到适当的培养基上培养，使原生质体再生出细胞壁。这时，在细胞混合物中，不仅有烟草—大豆细胞，还有烟草细胞、大豆细胞、烟草—烟草细胞、大豆—大豆细胞，因此需要对杂种细胞进行筛选。得到烟草—大豆细胞后，再通过植物组织培养技术，培育杂种植株。 8. 植物细胞工程的应用： （1）植物繁殖的新途径 ① 微型繁殖：快速繁殖优良品种的植物组织培养 优点：保持优良品种的特性，高效快速实现种苗的大量繁殖 ② 作物脱毒：通过茎尖组织培养获得植株 优点：生长良好、保持产量、保持品质 ③ 人工种子：以植物组培得到的胚状体、不定芽顶芽、腋芽为材料，经人工膜包装得到种子 优点：克服部分树木不产生种子、产生种子少或周期长的缺点，克服杂交产生的性状分离，降低季节、气候、地域对种子生产的限制，节约土地。 （2）作物新品种的培育 ① 单倍体育种：花药离体培养获单倍体，染色体加倍后获得稳定遗传品种 优点：缩短育种年限，节约人力物力 ② 突变体的利用：培育过程中易受影响而产生突变体 优点：筛选出更多的优良突变体 （3）细胞产物的工厂化生产 优点：提高产量、提高品质、
【模拟试题】 1. 蛋白质工程的实质是（ ） A. 改变氨基酸结构 B. 改造蛋白质结构 C. 改变肽链结构 D. 改造基因结构 2. 基因工程的实质是（ ） A. 基因重组 B. 基因突变 C. 产生新的蛋白质 D. 产生新的基因 3. 干扰素经过改造可长期储存，从蛋白质水平上应改变的是（ ） A. 光氨酸 B. 精氨酸 C. 谷氨酸 D. 半光氨酸 4. 蛋白质工程制造的蛋白质是（ ） A. 天然蛋白质 B. 稀有蛋白质 C. 自然界中不存在的蛋白质 D. 血红蛋白质 5. 蛋白质工程的基础是（ ） A. 基因工程 B. 细胞工程 C. 酶工程 D. 发酵工程 6. 玉米是生产赖氨酸的好材料，可是产量低，需要改变什么结构就能提高产量（ ） A. 天冬氨酸激酶 B. 二氢吡啶二羧合成酶 C. 肽酶 D. A、B都是 7. 天然蛋白质合成遵循的法则是（ ） A. 中心法则 B. 转录 C. 翻译 D. 复制 8. 关于蛋白质工程的说法错误的是（ ） A. 蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要 B. 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构 C. 蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D. 蛋白质工程又称为第二代基因工程 9. 蛋白质工程的基本操作程序正确的是（ ） ① 蛋白质分子结构合成 ② DNA合成 ③ mRNA合成 ④ 蛋白质的预期功能 ⑤ 根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A. ①→②→③→④→⑤→① B. ⑤→④→③→②→①→② C. ④→①→⑤→②→③→① D. ②→③→⑤→①→②→④ 10. 下列各项与蛋白质结构多样性无关的是（ ） A. 氨基酸的种类、数目、排列顺序 B. 构成蛋白质的多肽链的数目 C. 构成蛋白质的肽链的空间结构 D. 氨基酸至少含一个氨基和一个羧基 11. 蛋白质工程中直接操作的对象是（ ） A. 氨基酸的结构 B. 蛋白质空间结构 C. 肽链结构 D. 基因结构 12. 当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是（ ） A. 都与天然产物完全相同 B. 都与天然产物不相同 C. 基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同 D. 基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同 13. 植物组织培养是指（ ） A. 离体的植物器官或细胞培育成愈伤组织 B. 愈伤组织培育成植株 C. 离体的植物器官、组织或细胞培养成完整植物体 D. 愈伤组织形成高度液泡化组织 14. 植物体细胞杂交要先去除细胞壁的原因是（ ） A. 植物体细胞的结构组成中不包括细胞壁 B. 细胞壁使原生质体失去活力 C. 细胞壁阻碍了原生质体的融合 D. 细胞壁不是原生质的组成部分 15. 植物体细胞杂交的结果是（ ） A. 产生杂种植株 B. 产生杂种细胞 C. 原生质体融合 D. 形成愈伤组织 16. 科学家把天竺葵的原生质体和香茅草的原生质体进行诱导融合，培育出的驱蚊草含有香茅醛，能散发出一种特殊的达到驱蚊且对人体无害的效果。下列关于驱蚊草培育的叙述中，错误的是（ ） A. 驱蚊草的培育属于细胞工程育种，其优点是能克服远源杂交不亲和的障碍 B. 驱蚊草培育过程要用到纤维素酶、果胶酶、PEG等试剂或离心、振动、电刺激等方法 C. 驱蚊草培育过程是植物体细胞杂交，不同于植物组织培养，无愈伤组织和试管苗形成 D. 驱蚊草不能通过天竺葵和香茅草杂交而获得是因为不同物种间存在生殖隔离 17. 将胡萝卜韧皮部细胞培养成幼苗时，下列条件中不需要的是（ ） A. 具有完整细胞核的细胞 B. 一定的营养物质和植物激素 C. 离体状态 D. 导入指定基因 18. 植物体细胞杂交的目的中错误的是（ ） A. 把两个植物体的优良性状集中在杂种植株上 B. 获得杂种植株 C. 克服远源杂交不亲和的障碍 D. 实现原生质体的融合 19. 植物组织培养的用途中不正确的是（ ） A. 快速繁殖 B. 生产新品种 C. 生产生物碱 D. 生产白细胞介素－2 20. A种植物的细胞和B种植物细胞的结构如下图所示（仅显示细胞核），将A、B两种植物细胞去掉细胞壁后，诱导二者的原生质体融合，形成单核的杂种细胞，若经过组织培养后得到了杂种植株，则该杂种植株是（ ） A. 二倍体；基因型是DdYyRr B. 三倍体；基因型是DdYyRr C. 四倍体；基因型是DdYyRr D. 四倍体；基因型是DdddYYyyRRrr
21. 以下关于原生质的叙述，正确的是（ ） A. 原生质泛指细胞内的基质 B. 原生质就是细胞质 C. 一个动物细胞就是一团原生质 D. 细胞膜、细胞核和细胞壁是原生质 22. 不能人工诱导原生质体融合的方法是（ ） A. 振动 B. 电刺激 C. PEG试剂 D. 重压 23. 植物细胞表现出全能性的必要条件是（ ） A. 给予适宜的营养和外界条件 B. 导入其他植物细胞的基因 C. 脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件 D. 将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内 24. 细胞具有全能性的原因是（ ） A. 生物体细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能 B. 生物体的每一个细胞都具有全能性 C. 生物体的每一个细胞都含有个体发育的全部基因 D. 生物体的每一个细胞都是由受精卵发育来的 25. 植物组织培养过程中的脱分化是指（ ） A. 植物体的分生组织通过细胞分裂产生新细胞 B. 未成熟的种子经过处理培育出幼苗的过程 C. 植物的器官、组织或细胞，通过离体培养产生愈伤组织的过程 26. 下列植物细胞全能性最高的是（ ） A. 形成层细胞 B. 韧皮部细胞 C. 木质部细胞 D. 叶肉细胞 27. 植物组织培养过程的顺序是（ ） ① 离体的植物器官、组织或细胞 ② 根、芽 ③ 愈伤组织 ④ 脱分化 ⑤ 再分化 ⑥ 植物体 A. ①④③⑤②⑥ B. ①④③②⑤⑥ C. ①⑤④③②⑥ D. ⑥①④③⑤② 28. 将胡萝卜韧皮部细胞培养成幼苗时，下列条件中不需要的是（ ） A. 具有完整细胞核的细胞 B. 一定的营养物质和植物激素 C. 离体状态 D. 导入指定基因 29. 下列有关细胞工程的叙述不正确的是（ ） A. 在细胞整体水平上定向改变遗传物质 B. 在细胞器水平上定向改变遗传物质 C. 在细胞器水平上定向改变细胞核的遗传物质 D. 在细胞整体水平上获得细胞产品 30. 下列细胞全能性最高的是（ ） A. 植物的卵细胞 B. 植物的精子细胞 C. 被子植物的受精卵 D. 被子植物的的叶肉细胞 31. 植物体细胞杂交的目的是（ ） A. 用酶解法去掉细胞壁分离出有活力的原生质体 B. 以人工诱导法使两个不同植物的原生质体融合 C. 用植物组织培养法培养融合的原生质体得到杂种植株 D. 通过以上三者来完成 32. 下列提法正确的是（ ） A. 原生质专指细胞质 B. 人体内的水都属于原生质 C. 细胞核不是原生质 D. 一个动物细胞就是一团原生质 33.（多选）有关原生质体的下列叙述中，正确的是（ ） A. 组成原生质体的主要生命物质是蛋白质和核酸 B. 原生质体包括细胞膜、液泡膜及两者之间的原生质 C. 被脱掉细胞壁的植物裸露细胞是原生质体 D. 原生质体只能用于植物细胞工程 34.（多选）下图为植物组织培养过程示意图，则下列叙述正确的是（ ）
A. 植物组织培养依据的生物学原理是细胞的全能性 B. ③→④过程是指植物的营养生长和生殖生长阶段 C. 将①经脱分化培养成②时，再植上人造种皮即可获得人工种子 D. ②→③的再分化过程中，诱导②生根的激素为细胞分裂素和生长素 二. 非选择题 1. 蛋白质工程的目标是根据对蛋白质 的特定需求，对蛋白质 进行分子设计，根据 法则便可以改造天然蛋白质，例如：玉米的赖氨酸含量低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键的酶 、 的活性受赖氨酸浓度的影响，如果我们将 中的第352位的苏氨酸变为 ，把 中第104位的天冬酰氨变成 ，就可以提高玉米中的赖氨酸含量提高2—5倍。 2. 下图是植物组织培养的简略表示。据此回答： 脱分化 再分化 ①——→②——→③——→④ （1）①表示 ，它能被培养成为④的根本原因是 。 （2）②表示 ，它与①相比分化程度 ，全能性 。 （3）若想制作人工种子，应该选用（填编号） 。 （4）若①是花药，则④是 ，继续对其使用 处理可获得 正常植株，该过程称为 。 （5）若①是胡萝卜根尖细胞，则培养成的④的叶片的颜色是 ，这说明根尖细胞 。 （6）若利用此项技术制造治疗烫伤、割伤的药物——紫草素，培养将进行到（填编号） 。 3. 下图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：
（1）步骤①是 ，最常用的方法是 。 （2）步骤③一般常用的化学试剂是 ，目的是 。 （3）在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是 ，其中步骤④相当于 ，步骤⑤相当于 。 （4）植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株。使 能够在新的植物体上有所表现，其根本原因 。 （5）若远源杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植株为 倍体。 （6）从理论上讲，杂种植株的育性为 。若运用传统有性杂交方法能否实现？ _ ，原因是 。因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于 。 （7）利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？ 。 4. 紫草素是紫草细胞的代谢产物，可作为生产治疗烫伤药物的原料。用组织培养技术可以在生物反应器中通过培养紫草细胞生产紫草素。下图记录了生物反应器中紫草细胞产量、紫草素产量随培养时间发生的变化。
（1）在生产前，需先加入紫草细胞作为反应器中的“种子”。这些“种子”是应用组织培养技术，将紫草叶肉细胞经过________而获得的。这项技术的理论基础是___________。 （2）从图中可以看出：反应器中紫草细胞的生长呈现___________规律；影响紫草素产量的因素是_____________和____________。 （3）在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是__________和_________。
 【试题答案】 一. 选择题： 1. D 2. A 3. D 4. C 5. A 6. D 7. A 8. B 9. C 10. D 11. D 12. C 13. C 14. C 15. A 16. C 17. D 18. D 19. D 20. C 21. C 22. D 23. C 24. C 25. C 26. A 27. A 28. D 29. C 30. C 31. C 32. D 33. AC 34. ABD
二. 非选择题： 1. 功能、结构 中心法则、天冬氨酸激酶、二氢吡啶二羧酸合成酶、天冬氨酸激酶、异亮氨酸、二氢吡啶二羧酸合成酶、异亮氨酸 2.（1）离体的植物器官、组织或细胞 植物的全能性 （2）愈伤组织 低 高 （3）③ （4）单倍体植株 秋水仙素 纯合 单倍体育种 （5）绿色 含有与叶绿体形成相关的基因（6）② 3.（1）去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体 酶解法 （2）PEG 诱导不同植物体细胞的原生质体融合 （3）植物组织培养 脱分化 再分化 （4）远源杂交亲本的遗传特征 杂种植株获得双亲的遗传物质 （5）四 （6）可育 不能 因为不同种生物之间存在生殖隔离 克服远源杂交不亲和的障碍 （7）否 有性生殖的过程中进行减数分裂，才遵循孟德尔的遗传规律 4.（1）脱分化（或脱分化形成愈伤组织） 细胞的全能性 （2）S型增长 细胞数量 细胞所处的生长期 （3）保证氧气供应充足 使细胞与培养液充分接触 |
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