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细胞工程教学大纲(生物科学-2016)
 

细胞工程 

Cell Engineering

 

一、课程基本信息

    时:32

学  分:2.0

专    业:生物科学

考核方式:考试,平时成绩占总成绩的30%

课程简介:细胞工程学是应用细胞生物学和分子生物学的方法,通过类似工程学的步骤,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以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。细胞工程是在植物组织培养和动物胚胎工程、细胞融合技术等基础上发展起来的新型学科。细胞工程在现代生物工程学中占有重要地位,它与基因工程一起代表着现代生物工程的最新发展前沿。由于学科涉及领域较多,不同学科基础和专业特色的侧重面不同,从而使本课程的内容复杂化。

仲恺农业工程学院《细胞工程》课程主要面对生物技术和生物科学专业学生,所以在力求将理论原理的系统性和学科专业的特色上相互兼顾和协调的基础上,将本课程的细胞操作技术部分重点放在植物细胞领域,在此基础上介绍动物细胞操作技术。

二、教学目的与要求

细胞工程学是应用细胞生物学和分子生物学原理与方法,在细胞水平上研究改造生物遗传特性,以获得具有目标性状的细胞系或生物体的有关理论和技术的学科。它是一门现代生物科学理论和工程技术相结合的综合性学科。它是现代生物技术的重要组成部分,同时也是现代生物学研究的重要技术工具。

细胞工程学是生物技术的必修专业课以及生物科学专业的必选课程。先修主要基础课程有普通生物学、植物学、动物学、遗传学、和生物化学。要求学生通过本课程的学习掌握和了解植物细胞工程的基本理论、基本方法和基本思路,理解植物细胞工程的各种技术的基本原理,技术路线和方法,了解细胞工程最新进展和发展前景,了解细胞工程技术在农业、园艺和医药业等的应用,为从事生物学领域的相关研究及其与细胞工程有关的生物技术产业奠定良好的理论和技术基础。

三、教学方法与手段

    主要采用讲授法,并结合采用课堂提问、课堂讨论、分组讨论、启发式、问题情境法、文献研读总结、多媒体教学等多种教学方法和手段,同时建立课程网站,完善互动式教学。

四、教学内容及目标 

第一章  绪论  1学时)

(一)教学目标

1.掌握生物技术基本概念以及它们所研究的内容;

2.掌握细胞工程基本概念及其内容;

3.了解细胞工程与其他学科之间的关系;

4.了解细胞工程的发展历史;

5.了解生物工程和细胞工程在现实生活中的实际应用。

(二)教学内容

第一节  生物技术的基本概念及其内容

第二节  细胞工程的基本概念及其内容

第三节  细胞工程的发展史

第四节  细胞工程的应用潜力

(三)重点与难点

细胞工程的概念及主要研究内容;细胞工程的概念及与其他学科的关系;细胞工程发展上的几个关键事件;细胞工程在生产和生活中的应用及前景

(四)衡量学习是否达到目标的标准

下一堂课提问中学生能回答细胞工程的概念、研究范畴以及在生命科学中与其他学科的关系;植物细胞工程技术的发展阶段与标志性成就;植物细胞工程的作用与应用领域。

第二章 细胞工程研究的基本设备和操作技术  2学时)

 

(一)教学目标

1.掌握细胞工程实验室的基本组成及其作用;

2.熟练掌握常用仪器设备的种类和使用方法;

3.熟练掌握细胞工程的基本操作技术教学内容。

(二)教学内容

第一节  实验室的组成

第二节  常用的设备与器械

第三节  基本操作技术

    (三)重点与难点

细胞工程实验室的主要组成以及各部分的主要作用;各种仪器和用具的主要用途;灭菌的概念和掌握细胞工程实验过程的无菌操作技术。

(四)衡量学习是否达到目标的标准

1.学生在实践操作中能进行培养基、植物材料、接种用具和接种室等的灭菌并对不同灭菌方法灭菌效果进行对比,进行无菌操作技术训练。

2.下一堂课提问中学生能回答植物细胞工程实验室的基本组成与要求;常用仪器和用具的主要用途。

第三章  培养基及其配置 5学时)

(一)教学目标

1.掌握基本培养基的种类和特点; 

2.掌握培养基的组成成分与适宜剂量、特点与作用;

3.掌握培养基的配制过程;

4.掌握最佳组培方案的筛选方法

(二)教学内容

  第一节  培养基的种类和特点

第二节  培养基的组成

第三节  培养基的配制

第四节  培养基的选择

(三)重点与难点

培养基的基本概念以及常用的几种培养基(如MS、B5、N6等)的特点和应用;培养基的主要的组成成分和各成分的主要特点、作用和用量以及植物生长调节剂的种类和作用;培养基母液配制和保存方法以及常用植物生长调节剂的配制、灭菌和保存方法;培养基的配制、分装、灭菌方法以及注意事项;最适培养基的筛选等。

(四)衡量学习是否达到目标的标准

在实践教学中能进行培养基母液和培养基的配制与灭菌以及在实际应用中能够进行培养基的选择

第四章  外植体的选择与处理 8学时)

(一)教学目标

1.了解外植体的种类和基本特点; 

2.掌握选取外植体的基本原则及灭菌方法;

3.掌握外植体培养的方法;

(二)教学内容

第一节  外植体的选择与灭菌

第二节  外植体的接种与培养

第三节  外植体培养中三大问题

(三)重点与难点

外植体的基本概念以及外植体的种类与特点;取材季节、生理状态、大小以及其他一些因素对外植体培养的影响;外植体接种的基本方法和注意事项;污染、褐化、玻璃化现象的原因和预防措施

(四)衡量学习是否达到目标的标准

懂得如何获得大量、易于培养的外植体;懂得外植体接种的方法以及培养条件对外植体培养效果的影响;能够辨别外植体污染、褐化、玻璃化现象以及分析其原因以及懂得如何来减少污染、褐化、玻璃化现象等三大问题的发生。

第五章  细胞全能性与形态发生 5学时)

(一)教学目标

1.掌握细胞离体培养的基本理论基础

2.深入理解培养条件下组织细胞脱分化和再分化的调控原理

3.了解植物细胞形态建成的基本过程;

4.了解体细胞胚形成过程及其与合子胚的差异。

(二)教学内容

第一节  细胞全能性及其表达。

第二节  器官发生。

第三节  体细胞胚发生。

(三)重点与难点

细胞全能性的概念以及细胞全能性实现的条件和途径;脱分化、愈伤组织、分化与再分化的概念;脱分化、再分化的调控以及愈伤组织形成的过程;器官发生、不定根、不定芽的含义;离体培养中器官发生的方式;器官发生的过程以及器官发生的影响因素;体细胞胚的概念;体细胞胚的形成过程;体细胞胚的结构与发育特点;影响体细胞胚发生的因素以及体细胞胚发生的生化与分子基础。

(四)衡量学习是否达到目标的标准

能够通过外植体选择、最适培养基选择以及培养条件的优化进行愈伤组织的诱导、分化、体细胞胚的诱导等研究,并能够对其结果进行分析讨论。

第六章  离体培养下的遗传与变异 2学时)

(一)教学目标

1.掌握离体培养中体细胞变异的特点和规律;

2.了解体细胞变异的细胞遗传学和分子遗传学基础;

3.掌握体细胞变异的应用途径和选择方法。

(二)教学内容

第一节  离体培养中的遗传与变异特点。

第二节  体细胞变异的细胞遗传学基础。

第三节  体细胞变异的分子遗传学基础

第四节  体细胞无性系变异的诱导与选择。

(三)重点与难点

从细胞学和分子遗传学角度上解释体细胞变异的根源;通过组织培养的手段筛选获得突变体的方法以及体细胞无性变异系的利用。

 

(四)衡量学习是否达到目标的标准

在组织培养过程中能把握离体培养中细胞的遗传稳定性和变异性以及进行体细胞无性系变异的诱导和选择方法。

第七章  植物主要组织培养方法及其应用 11学时)

(一)教学目标

掌握植物组织培养的主要技术,特别是茎尖脱毒原理,花药培养获得单倍体以及幼胚培养技术的应用。

(二)教学内容

第一节  植物快速繁殖及脱毒技术

第二节  花药及花粉培养

第三节  植物胚胎培养

(三)重点与难点

离体快速繁殖的器官发生方式及程序和关键技术;植物脱毒技术的原理与方法以及植物脱病毒的技术规程;单倍体育种的基本方法;幼胚培养及其应用。

(四)衡量学习是否达到目标的标准

能够熟悉进行某种植物快速繁殖和脱毒以及利用花药培养和幼胚培养进行育种应用。

第八章  植物细胞培养次生代谢产物生产 5学时)

(一)教学目标

1.深入了解植物细胞在离体条件下的生长特性;

2.掌握植物细胞悬浮系的建立以及种细胞的筛选方法。

(二)教学内容

第一节  悬浮培养

第二节  单细胞培养

第三节  植物细胞规模培养

第四节  培养细胞的次生代谢及产物积累

(三)重点与难点

第一节

1.基本概念和知识点:细胞培养的基本概念及其意义;悬浮培养的概念及悬浮培养建立的基本程序;悬浮细胞的生长动态及影响因素;悬浮培养细胞的同步化

2.问题与应用(能力要求):掌握建立一个良好的悬浮细胞系的基本方法和操作过程。

 第二节

1.基本概念和知识点:单细胞培养及置板率等基本概念;单细胞分离方法;单细胞培养的基本方法;单细胞培养的影响因素。

2.问题与应用(能力要求):掌握单细胞的培养方法及了解影响单细胞培养的因素。

第三节

1.主要内容:植物细胞规模培养

2.基本概念和知识点:生物反应器的基本概念;植物细胞规模化培养体系的建立;生物反应器类型及其特点;植物细胞规模化培养中的有关工程技术问题。

3.问题与应用(能力要求):掌握种细胞筛选的基本方法。

第四节

1.主要内容:培养细胞的次生代谢及产物积累。

2.基本概念和知识点:植物次生代谢产物主要类型;培养条件下的植物细胞次生产物积累特性;植物细胞生产代谢物的基本流程;提高细胞次生产物产量的途径。

3.问题与应用(能力要求):掌握植物细胞生产代谢物的基本流程。

(三)实践教学与课后练习

1.实践教学:悬浮细胞系的建立与继代

2.课后练习:一个好的悬浮细胞系有哪些特征?用于建立悬浮细胞系的愈伤组织有何要求?建立悬浮细胞系的关键技术有哪些?悬浮细胞系在继代中的群体生长规律。单细胞培养的基本方法。细胞大规模培养有哪些培养系统?植物细胞规模培养与次生产物前景及需要解决的问题。

(四)教学方法与手段

采用启发式、讨论式、问题情境法、多媒体教学等教学方法和手段。

第九章  原生质体培养 2学时)

(一)目的与要求

1.深入了解植物细胞结构功能与细胞全能性表达的关系;

2.掌握原生质体的分离以及培养技术;

3.掌握原生质体的分离以及培养过程中渗透压和激素的调控原理与技术。

(二)教学内容

  第一节 

1.主要内容:原生质体概述

2.基本概念和知识点:原生质体、亚原生质体、微小原生质体等基本概念;原生质体的基本特征;原生质体的研究进展及意义。

3.问题与应用(能力要求):理解原生质体的基本概念。

      第二节

1.主要内容:原生质体分离

2.基本概念和知识点:原生质体分离的方法;分离原生质体的酶的种类与作用;植物材料的选择;原生质体的游离与纯化;原生质体活力的测定。

3.问题与应用(能力要求):掌握原生质体分离的过程和影响因素。

第三节

1.主要内容:原生质体培养

2.基本概念和知识点:原生质体培养培养基;原生质体培养方法和条件;原生质体的发育和植株再生

3.问题与应用(能力要求):了解影响原生质体培养的影响因素及原生质体的再生原理。

第四节

1.主要内容:原生质体再生植株的遗传性状及变异

2.基本概念和知识点:再生植株的倍性及染色体数目和结构的变异;再生植株的遗传性状及变异

第五节

1.主要内容:原生质体培养的生理问题

2.基本概念和知识点:逆境反应;修复机理;脱分化;细胞分裂与分化; 再生细胞壁;内吞作用和液泡;气孔生理

(三)实践教学与课后练习

1.实践教学:原生质体游离与培养

2.课后练习:原生质体、亚原生质体、微小原生质体的基本概念;原生质体培养为什么要在等渗培养基中?影响原生质体培养的主要因素。原生质体的培养方法有哪些?各有何优缺点。为什么说原生质体培养系统是现代生物技术的载体?

(四)教学方法与手段

采用启发式、问题情境法、多媒体教学等教学方法和手段。

第十章  植物体细胞杂交(2学时)

(一)目的与要求

深入了解细胞融合的基本原理,掌握电融合和PEG融合的基本方法。

(二)教学内容

  第一节 

1.主要内容:植物体细胞杂交的概述

2.基本概念和知识点:植物体细胞杂交、对称融合、非对称融合等概念;植物原生质体融合技术的发展;植物细胞杂交的类型。

3.问题与应用(能力要求):掌握体细胞杂交的相关概念。

      第二节

1.主要内容:原生质体融合

2.基本概念和知识点:融合方法;原生质体的融合过程;影响原生质体融合的因素。

3.问题与应用(能力要求):了解原生质体融合的方法及原理。

第三节

1.主要内容:杂种细胞的选择和体细胞杂种的鉴定

2.基本概念和知识点:原生质体的融合产物;杂种细胞的选择系统;杂种植株的鉴定;体细胞杂种的遗传特性。

3.问题与应用(能力要求):了解杂种细胞的选择方法。

第四节

1.主要内容:细胞质杂种

2.基本概念和知识点:细胞质杂种概念;细胞质杂种产生的途径

第五节

1.主要内容:原生质体的遗传饰变

2.基本概念和知识点:细胞核移植;叶绿体移植;染色体的摄取;外源DNA的摄取;微生物移植。

3.问题与应用(能力要求):原生质体的遗传饰变的基本方法

第六节

1.主要内容:体细胞杂交技术的应用

2.基本概念和知识点:通过体细胞杂交合成新物种;通过体细胞杂交培育作物新种质和新品种;通过体细胞杂交转移细胞质基因控制的性状。

3.问题与应用(能力要求):原生质体的遗传饰变的基本方法

第七节

1.主要内容:体细胞杂交研究的展望与局限性

2.基本概念和知识点:体细胞杂交研究的展望;体细胞杂交研究的局限性。

(三)实践教学与课后练习

1.实践教学:原生质体融合

2.课后练习:体细胞杂交的概念及类型。对称融合和非对称融合的概念及非对称融合的作用。PEG融合与电融合的原理及影响因素。杂种细胞的选择方法。如何用分子生物学方法鉴定杂种植株?通过哪些途径可以进行原生质体的遗传饰变?体细胞杂交技术的应用及还需要进一步研究解决的问题。

(四)教学方法与手段

采用启发式、问题情境法、多媒体教学等教学方法和手段。

第十一章  人工种子(0.5学时)

(一)目的与要求

1.了解植物人工种子的概念与发展概况;

2.掌握植物人工种子繁殖体的培养技术;

3.了解不同繁殖体的人工种子特点与制备方法。

(二)教学内容

  第一节 

1.主要内容:人工种子的概念

2.基本概念和知识点:人工种子的概念;人工种子的基本特点。

      第二节

1.主要内容:繁殖体的类型及其生产

2.基本概念和知识点:不同类型繁殖体比较;繁殖体的生产;微型营养变态器官繁殖体的培养;芽繁殖体的培养。

3.问题与应用(能力要求):了解繁殖体的类型和生产方式。

第三节

1.主要内容:人工种子包被

2.基本概念和知识点:繁殖体的预处理;繁殖体的包埋;人工种皮的研制。

3.问题与应用(能力要求):人工种子制备的基本方法和过程。

第四节

1.主要内容:人工种子研究及其应用前景

2.基本概念和知识点:微器官人工种子可能最先用于无性繁殖植物;人工种子可用于天然种子繁殖后代群体变异大的植物;以体细胞胚为繁殖体应用的可能性及需要注意的问题。

(三)课后练习

人工种子的概念和类型;人工种子对繁殖体有什么特殊要求?目前人工种子生产中需要研究解决的主要技术问题;目前人工种子最适于在哪些方面应用?

(四)教学方法与手段

采用启发式、问题情境法、多媒体教学等教学方法和手段。

第十二章  植物种质资源的超低温保存(0.5学时)

(一)目的与要求

1.解植物种质离体保存的类型与特点;

2.了解超低温保存的特点与方法;

3.植物种质低温保存的基本操作技术。

(二)教学内容

  第一节 

1.主要内容:植物种质低温保存的概述

2.基本概念和知识点:植物种质资源低温保存的重要性;超低温保存的概念;超低温保存的研究概况。

3.问题与应用(能力要求):掌握植物种质资源超低温保存的概念。

第二节

1.主要内容:超低温冻存的细胞学基础 

2.基本概念和知识点:细胞内外水的冻结状态是细胞冻存技术的关键;   植物细胞超低温保存过程中的致死损伤。

3.问题与应用(能力要求):了解植物材料超低温冻存的细胞学基础。

第三节

1.主要内容:超低温保存的方法

2.基本概念和知识点:传统的降温冰冻方法;玻璃化保存方法;其它超 低温冻存方法。

3.问题与应用(能力要求):了解超低温保存的方法及技术要点。

第四节

1.主要内容:影响超低温保存效果的主要因素

2.基本概念和知识点:材料的基本特性;预培养和低温锻炼;冰冻保护  剂的应用;化冻方法;再培养。

3.问题与应用(能力要求):了解影响超低温保存效果的主要因素。

第五节

1.主要内容:超低温保存过程中遗传变异及其检测技术。

(三)课后练习

      植物种质资源超低温保存的概念及常用的超低温方法;植物材料超低温冻存的细胞学基础;超低温保存的方法及其技术要点;影响超低温保存效果的主要因素及调控措施。

(四)教学方法与手段

采用启发式、问题情境法、多媒体教学等教学方法和手段。

第十三章  植物遗传转化 4学时)

(一)目的与要求

1.掌握植物转基因技术的基础理论;

2.掌握植物遗传转化受体系统的类型与建立方法;

3.掌握植物遗传转化的基本方法与原理。

(二)教学内容

  第一节 

1.主要内容:植物遗传转化的研究现状

2.基本概念和知识点:植物遗传转化的基本概念;植物遗传转化的应用领域;植物转基因的优越性;转基因植物的研发情况;转基因生物及其产品的生物安全性评价与管理。

3.问题与应用(能力要求):掌握植物遗传转化的概念。

第二节

1.主要内容:植物遗传转化的受体系统

2.基本概念和知识点:植物遗传转化受体系统的条件;植物遗传转化受体系统的类型及其特征;植物遗传转化受体系统的建立;植物遗传转化受体系统常见的问题及解决途径。

3.问题与应用(能力要求):了解植物遗传转化受体系统的类型及特征以及掌握受体系统建立的过程及技术要点。

第三节

1.主要内容:植物遗传转化的方法

2.基本概念和知识点:植物遗传转化的技术流程;目的基因获得的基本方法;植物遗传转化的方法及原理;以农杆菌转化法为例介绍植物遗传转化的基本操作过程以及影响其转化效率的因素及调控措施。

3.问题与应用(能力要求):了解植物遗传转化的基本方法、原理及基本操作过程。

第四节

1.主要内容:植物遗传转化前景展望

2.基本概念和知识点:转基因植物的研发情况;转基因生物及其产品的生物安全性评价与管理。

(三)实践教学及课后练习

      1.实践教学:农杆菌法介导抗虫基因转化植物愈伤组织

      2.课后练习:植物受体系统的概念、特点、类型及特征。植物遗传转化的方法及原理。农杆菌介导法转化植物的基本操作过程。影响植物转化效率的因素及调控措施。

(四)教学方法与手段

采用启发式、问题情境法、互动式、多媒体教学等教学方法和手段。

 

 

 

 

 

五、各教学环节学时分配

教学环节

 

教学时数

 

课程内容

 

实验

其他教学环节

 

第一章

1

 

 

 

 

1

第二章

2

 

 

 

 

2

第三章

2

 

 

3

 

5

第四章

2

 

 

6

 

8

第五章

2

 

 

3

 

5

第六章

2

 

 

 

 

2

第七章

4

 

1

6

 

11

第八章

2

 

 

3

 

5

第九章

2

 

 

 

 

2

第十章

2

 

 

 

 

2

第十一章

0.5

 

 

 

 

0.5

第十二章

0.5

 

 

 

 

0.5

第十三章

1

 

 

3

 

4

合计

23

 

1

24

 

48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

六、推荐教材和教学参考资源

1.李浚明. 植物组织培养教程. 北京农业大学出版社,1991 

2.孙勇如,安锡培. 植物原生质体培养. 科学出版社,1991

3.傅荣昭,孙勇如,贾士荣. 植物遗传转化技术手册. 中国科学技术出版社,1994

4.孙敬三,桂耀林. 植物细胞工程实验技术. 科学出版社,1995

5.胡道芬. 植物花培育种进展. 中国农业科技出版社,1996

6.许智宏. 植物生物技术. 上海科学出版社, 1998 

7.裘文达. 园艺植物组织培养. 上海科学技术出版社,1996

8.许智宏,卫志明. 植物原生质体培养和遗传操作. 上海科学技术出版社, 1997 

9.胡含,陈英. 植物体细胞遗传与作物改良. 北京大学出版社,1988

10.李广武,郑从义,唐兵主. 低温生物学. 湖南科学技术出版社,1998

11.瞿礼嘉,顾红雅,胡苹,陈章良. 现代生物技术导论. 高等教育出版社和施普林格出版社,1998

12.王关林,方宏筠. 植物基因工程原理与技术. 北京,科学出版社,1998

13.宋思扬,楼士林. 生物技术概论. 科学出版社,1999

14.贾士荣,郭三堆,安道昌. 转基因棉花. 北京,科学出版社, 2001

15.朱德蔚主编,植物组织培养与脱毒快繁技术。中国科学技术出版社,2001 

16.周维燕. 植物细胞工程原理与技术. 中国农业大学出版社,2001

17.邵健忠、陈晓萍、边红武. 改造生命之舟――细胞工程. 浙江大学出版社,2002

18.刘庆昌,吴国良. 植物细胞组织培养. 中国农业大学出版社,2002

19.罗立新,潘力,郑穗平. 细胞工程. 华南理工大学出版社,2003

20.李志勇. 细胞工程. 科学出版社,2003

21.朱至清. 植物细胞工程化学工业出版社,2003

22.谢从华,柳俊. 植物细胞工程,高等教育出版社,2004

 

大纲修订人:周玲艳                       修订日期:2016.10.12

大纲审定人:                             审定日期: