植物细胞工程应用及发展前景.docx

植物细胞工程在生产上的应用及发展前景姓名：何丹妮【摘要】本文主要阐述了植物细胞工程的发展前景及在农业、园林、医药、转基因技术中的应用现状。植物细胞工程是一门以植物组织培养为基础, 具有广泛应用前景和实用价值的生物技术。目前根据人们的需要已经相继完善和发展了一些具有特色的实用技术, 这些技术的发展和应用, 使植物细胞工程在人类现代生活中的地位更加突出, 并发挥着越来越重要的作用。 【关键词】植物细胞工程 应用 发展前景 前言：成体干细胞是成体组织中具有自我更新和分化能力的干细胞。近年来，成体干细胞因其可塑性而成为研究的热点，并使人们认识到，它可作为除胚胎干细胞外的另一种种子细胞来源。因其取材相对容易，来源丰富，可实现个体化治疗、避免免疫排斥反应及无伦理问题而具有广阔的应用前景。1. 植物细胞工程的概念以植物细胞为基本单位在体外条件下进行培养、繁殖和人为操作，改变细胞的某些生物学特性，从而改良品种加速繁育植物个体或获得有用物质的技术。植物体的细胞中，含有该植物所有的遗传信息。 在合适的条件下，一个细胞可以独立发育成完整的植物体。 利用细胞的这种全能性，生物学家通过组培来繁殖名贵花卉、消灭果树上的病毒，以及通过对细胞核物质的重新组合，进行植物遗传改造等。1.1植物细胞工程的简要概述在合适的条件下，一个细胞可以独立发育成完整的植物体。 利用细胞的这种全能性，生物学家通过组培来繁殖名贵花卉、消灭果树上的病毒，以及通过对细胞核物质的重新组合，进行植物遗传改造等。所谓细胞工程，是指以细胞为基本单位进行培养、增殖或按照人们的意愿改造细胞的某些生物学特性，从而创造新的生物和物种，以获得具有经济价值的生物产品。 细胞工程根据研究材料的不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。1.2植物细胞工程的目的细胞工程的目的，是得到人们所需要的生物产品。要使已经改造好的细胞产生大量具有经济价值的产物，就必须依靠下游加工过程，也就是我们常说的下游工程。它的作用就是大量培养细胞，并从培养液中分离、精制出有关的生物化工产品。由于植物细胞的高度易碎性，对剪切力的敏感、细胞有去分化和聚集作用，增殖时间长等独特性，使其大规模培养技术明显比微生物和动物细胞的发展缓慢。但通过不懈的努力，现在已经具备在万升规模的生物反应器中培养烟草细胞的能力。而日本的三井石化也已经在使用750L发酵罐通过培养植物细胞而生产紫草宁，且产量较高，可满足全日本百分之四十上的需要。相信随着理论以技术的不断完善，植物细胞的大规模的培养将会很快的成为一种常规的生产手段。培养后的培养物经过处理后被分离、提纯。分离和精制过程所需的费用在整个生产过程中的占有很大的比例，一般为60%，有些甚至高达80-90%，而且还有继续加剧的取向。因此该过程的落后也可能阻碍细胞工程的发展。世界各国现在已经都比较重视这个问题，英国早在83年就发起了生物分离计划(BIOSEP)，专门研究分离与精制，我国也曾经召开过专门会议。分离与精制的困难是由于培养液自身的理化特性所决定，这就需要在上游工程时就考虑到这方面的问题，同时不断推出新的分离纯化技术及方法，从而简化过程、降低成本，这在实际生产中是很重要的。1.3植物细胞工程的培养技术植物细胞工程涉及诸多理论原理及实际操作技术，最重要的自然是培养技术，也就是将植物的器官、组织、细胞甚至细胞器进行离体地、无菌的培养。它是对细胞进行遗传操作及细胞保藏的基础。此类技术发展起步较早，相对而言已比较成熟，各种培养基制备及很多操作方法已经基本规范化。针对植物的培养主要有植物组织培养、植物细胞培养、花药及花粉培养、离体胚培养以及原生质体培养这几个大类，每一种都还可可以继续细分为更具体的小类。组织培养首先将外植体分离出来，然后在无菌及适当条件下培养以诱导出愈伤组织，另外在愈伤组织随外植体生长一段时间后还需要进行继代培养，以避免代谢产物积累及水分散失等因素的影响。细胞培养可分为悬浮细胞培养、平板培养、饲养层培养和双层滤纸植板几类，它们都是将选定的植物细胞于适当的条件下进行培养，以得到大量基本同步化的细胞，为遗传操作提供材料。花粉及花药培养主要是使花粉改变正常发育途径而转向形成胚状体和愈伤组织，从而产生单倍体植株。离体胚培养有幼胚与成熟胚培养两类，通过使用相应的培养基使离体胚正常的萌发生殖，以供研究和操作使用。原生质体的培养则是一切利用原生质体进行遗传操作的基础，它是将取得的植物细胞去除细胞壁形成原生质体后进行培养，具体方法与细胞培养有一定的相似之处。作为后继操作的基础，培养技术的选择是非常重要的。采用适当的培养方法可以更好地进行遗传操作和保存细胞，而错误的选择是有可能影响结果甚至导致试验和生产失败，造成时间和金钱的浪费。1.4植物细胞工程对细胞的改造仅仅对细胞进行培养是不够，要使培养的细胞能为人类服务，就要对其进行一定的改造，这就涉及到了细胞的遗传操作。可以说，遗传操作是整个细胞工程中最为重要也最具挑战性的一环。它极大的依赖于理论原理、操作技术以及设备的发展。随着基因组学的发展，各项基因组计划正在紧锣密鼓地进行，由于DNA序列分析方法的革新，诸如高效毛细管自动化测序、DNA芯片法以及大规模平行实测法的应用大大加快了基因组计划的进程。拟南芥基因组计划将于年完成，水稻、番茄和玉米基因组的测序也正在进行。是类计划所提供的信息将不断定位大量有价值的基因，而最近的研究还表明影响作物产量的可以是单基因的改变而不仅仅是多基因决定。所有这一切的基础研究都为遗传操作提供了更多、更准确的理论依据。实验技术的发展则使精确、高效的遗传操作变得更加方便。将外源DNA导入靶细胞的方法不断完善，除了以前经常使用的质粒载体、病毒载体、转座因子和APC（酵母人工染色体）等途径外，通过lipoplexpolyplex介导、裸DNA、基因枪、超声波法和电注射法等非病毒方式转换细胞的方法也开始被广泛的使用；细胞融合方法已被不断的改进，融合率增大；细胞诱变也取得了较大的进展，诱变方式不断增加。2. 植物细胞工程的实际应用对于人类来说, 植物次生代谢产物一直是药物和工业原料的重要来源, 同时很多植物次生代谢产物又是优良的食品添加剂和名贵的化妆品原料, 甚至是生物毒素的主要来源, 可以用于杀虫、对环境和人畜无害。植物细胞培养作为重组蛋白生产系统, 集合了微生物发酵、动物细胞培养植株培养系统的很多优点。可以利用植物细胞培养、固定化培养及各种生物反应器实现次生产物尤其是药用植物成分的大量生产, 这对制药技术现代化具有重要意义。目前, 我国的药用细胞培养技术取得了很大进展。以细胞培养为主要手段的商品化生产药用植物天然产物的工业正在迅速崛起。如人参、毛地黄、萝芙木、黄连等已实现了工业化生产。人参根的培养以达到200升发酵罐。红花细胞培养的研究也进入了试验水平。除此之外, 我国科研人员还进行了当归、青蒿、长春花、紫背天葵、延胡索等药用植物的细胞工程研究。新疆紫草、人参的细胞培养静茹了工业化生产。据统计, 现在已经能从400中建立了植物组织和细胞培养物, 从中分离出 600多种代谢产物。但由于技术上的原因，与人类所需相比仅有少数的物质可以用细胞培养的方法来生产, 主要困难是在一些培养的组织细胞中次生代谢产物的含量极低。因此开展旨在提高药用有效成分的细胞培养及次生代谢调控工作是一项很有应用前景的探索性研究工作。其次，植物细胞工程的应用有植物无性快繁技术。植物无性快繁技术是指利用离体培养技术, 将快繁来自优良植株的茎尖、腋芽、叶片、鳞片等器官、组织和细胞进行离体培养，在短期内获得大量遗传性状的个体的方法。植物快繁的速率是相当惊人的。如大花蕙兰的快速繁殖, 在适宜的条件产方下, 一个大花蕙兰的圆球茎在一个半月里可以增殖6个原球茎。每年可继代培养8次，一年之内可以繁殖出2097152个圆球茎，这些圆球茎又可以进一步长成有商品价值的试管苗。另外，植物快速繁殖技术在园艺和农业上有广泛的应用。许多优良观赏植物和经济植物的所谓“品种”都是杂种，一旦有型生殖，后代性状分离则不能得到性状均一的植株, 通过无性繁殖能够保持杂合性, 并且大量生产性状均一的商品苗。其次可应用于脱病毒种苗生产。长时期营养繁殖的农作物和果树往往感染和积累了许多病毒, 通过茎尖培养可以脱除病毒, 并进行无毒苗的大量生产。近年来我国出现了许多脱毒试管苗工厂。广东新会和顺德已建立了两个年产百万株试管苗的工厂。新会的试管苗厂扩建后, 目前年生产能力达到 2000万株。同时对香蕉的主要病害香蕉花叶病和束顶病进行了研究。另外, 内蒙古、黑龙江、湖南、湖北、河南、甘肃等地建立了生产脱毒种薯的原种场。脱毒马铃薯已经推广了近 30万公顷, 平均增产 50%以上。目前, 草莓、苹果、柑橘、葡萄等经济作物都已建立了脱多种毒苗技术。3. 1植物细胞工程中胚胎的培养在种间杂交和属间杂交时, 杂种的合子和胚乳核均包含两个遗传结构不同的基因组。在形成胚和胚乳的过程中两个基因组的表达不协调, 导致杂种胚乳和胚发育不正常, 不能形成有萌发能力的种子。在多种情况下是杂种胚乳最先败育, 而胚仍然将是健康的, 此时进行离体胚培养, 可以将杂种幼胚中培养成植株, 称为胚胎拯救。胚胎拯救已经被广泛应用于各种经济植物的远源杂交育种, 获得了许多功效的用常规方法难以获得的稀有杂种。禾谷类植物远源杂交在作物育种中具重要作用, 然而其不孕率和败育率都很高, 因此近年来胚胎培养已经成为和谷类远源杂交必不可少的环节。例如小麦属与冰草属、小麦属与披碱草属、小麦属与早麦草属、小麦属赖草属等都借助胚胎培养获得了杂种植株。胚胎拯救培养在豆科杂种植物的获得中也有非常广泛的应用。3.2植物细胞工程中胚乳的培养胚乳培养是研究胚乳的功能、胚乳与胚的关系, 以及获得三倍体植株的一个手段。胚乳培养再生的植株理论上是三倍体, 实际上由于培乳细胞的分裂的不规则性, 胚乳植株中既有三倍体, 又有许多非整倍体。即使如此, 胚乳培养作为一种产生三倍体的手段, 仍然受到持续关注。三倍体植株在经济上有重要价值, 如可产生无子果实、生长速度快、生物量高等。产生三倍体的常规方法是先用秋水仙素诱导二倍体染色体加倍, 形成四倍体, 然后再用四倍体和二倍体杂交产生三倍体。但在有些情况下四倍体和二倍体杂交不能成功, 因而三倍体种子的来源就没有保障。对于木本植物来说, 四倍体经过多年的生长发育才能开花, 需要花费许多年才能配制三倍体, 通常这样做是行不通的。在这些情况下, 就可以尝试改用胚乳培养的途径产生三倍体目前, 已有40多种植物的胚乳培养达到了不同程度的细胞分化和器官分化, 不少植物已得到再生植株。我国在马铃薯、小麦、苹果等10多种植物上得到了胚乳再生植株。4植物细胞工程的前景植物细胞工程技术的应用, 催生了一大批先进实用的研究成果和技术, 培育了一批优良品种。随着现代农业的不断拓展, 植物细胞工程技术应不断拓展，植物细胞工程技术应不断开拓新的应用领域，如推动植物细胞工程技术与空间技术的结合，发展空间细胞融合技术，加强海洋生物技术的应用，利用植物细胞工程技术培育新品种，开拓植物细胞工程在环境保护中的应用等。参考文献1庞俊兰. 细胞工程 北京.高等教育出版社, 20072王泽清.细胞工程和基因工程在药用石斛研究上的应用,广东农业科学,2009,9.130-1313 胡彦.植物组织培养技术的应用J.陕西师范大学学报(自然科学版),32 Sun,130-1344 李思经，国际农业生物技术进展M.北京:中国农业科技出版社,1997.40-455 ShaneTurner, SiegfriedLKrauss, EricBunn, TissaSenaratna, etal Genetic fidelity and viability of Anigozanthos viridis following tissue culture, cold storage eand cryopreser vation PlantScience, 2001, 161: 10991106