细胞工程在动植物优良品种培育中的应用

植物细胞工程的应用摘要：使用细胞大规模培养技术可以在可控的和可重复的条件下 生产天然产物，而不会受到病虫害、地理、气候、季节等因素的影响， 并且产物分离、提取操作相对简单。同时也将对保护人类的生存环境 起到重要作用。本文介绍了植物细胞工程在制药、食品、杀虫剂、化 工、环境等方面的应用,主要介绍了植物的次生代谢物质在上述一些 方面所占的重要地位。关键词：植物细胞工程 植物的次生代谢物质 生物制药 植物性 杀虫剂细胞工程学是以细胞生物，组织或器官为研究对象，运用工程学 原理，按照预定目标，改变生物形状，生产生物产品，为人类生产或 生活服务的科学。植物细胞工程是在植物细胞全能性的基础上，以植 物细胞为基本单位，在体外条件下进行培养，繁殖人为的精细操作， 使细胞的某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良品种或 创制新种，或加速繁殖植物个体，或获得有用产物的过程统称植物细 胞工程。植物中含有大量的次生代谢物质，可为人类提供药品、色素、调 味剂、香料、兴奋剂、杀虫剂等，仅就药物而言，美国现有一百二十 多种处方药是植物药，欧洲也约有四分之一的处方药来自植物。这些 天然产品与人类生活息息相关，有很大的实用价值；其中有部分具有 特殊用途，且极难得到，价格昂贵。从植物中生产这些物质存在很多 缺点，植物受气候地理和季节的限制，其质量和产量受不可预测的环 境因素影响，分离过程复杂而耗资很大。植物细胞培养主要集中在制 药工业中的一些价格高、产量低、需求量的的化合物上（如紫杉醇、 长春碱、紫草宁等），其次是油料（如小豆蔻油、春黄菊油等）、食 品添加剂（如生姜、洋葱、香子兰等）、色素（如番红花、姜黄等）、 调味剂（胡椒、留兰香等）、饮料（咖啡、可可等）、树胶（如阿拉 伯树胶等）等。二十世纪七八十年代以来 ,植物组织培养、植物原生质体培养等 各种植物培养技术与植物细胞培养技术共同发展 ,在培养基配方、环 境条件控制、悬浮培养技术等研究方面相互借鉴、相互促进;而大规 模培养技术方面 ,得益于微生物发酵技术的飞速发展 ,各种各样的 反应器如气升式、气泡柱式、模式等反应器相继得到应用,使得植物 细胞大量培养的研究迅速得到借鉴发展。目前，利用细胞工程生产药 物是细胞工程研究开发中最活跃、进展最快的一个产业。大规模植物 细胞培养技术经过几十年的努力研究 ,已取得很大的进展 ,有些药 用植物种类已实现工业化生产 ,如从希腊毛地黄细胞培养物通过生 物转化生产地高辛细胞培养、从日本黄连物中生产黄连碱、从人参根 细胞中生产人参皂甙等;相当种类的药用植物细胞大量培养已达到中 试水平 ,如长春花生产吲哚生物碱、丹参生产丹参酮、青蒿生产青蒿 素、红豆杉生产紫杉醇、紫草生产萘醌、三七生产皂甙等等。目前大 多数植物细胞大规模培养生产药物距商业化生产还有一定差距 ,主 要是由于:（1）植物细胞的生长周期长 ,易污染。 （ 2 ）植物细胞对 生物反应器的设计装置要求较高。（3）高产细胞株较难获得。目前 据报道只有二十多种植物的细胞培养物 ,其次生产物含量超过原植 物 ,原因被认为是培养细胞的形态分化受到抑制 , 而大多数次生产 物要在分化了的细胞中产生。由于以上的问题 ,加上与之相比 ,直接 提取法成本很低 ,所以在很大程度上限制了大规模植物细胞培养技 术生产药物走上商业化生产的步伐。但是 ,对一些不易栽培、稀少、 不能或难以化学合成、有很高应用价值的药物 ,如紫杉醇 ,用这种方 法开展研究进行生产还是很有商业价值的 ,而且从长远和环境保护 的角度看 ,它应该有非常广阔的商业前景。植物品种改良的主要目的是获得高产、优质和具有高抗性的优良 品种。植物细胞工程在育种方面、通过单倍体育种技术，已培育出二 百六十多种植物的单倍体植株；通过体细胞培养，筛选了多个具高抗 性和高营养的体细胞突变体；通过体细胞杂交已获得多个种间、属间 或科间的体细胞杂种植物。根据根瘤与豆科植物根系有共生关系的原 理使用根瘤菌接种花生、玉米等旱生作物，试验根瘤菌能否与旱生 作物有共生关系和共生条件；除豆科植物外，寻找在自然界中能与农 作物有共生关系的固氮菌，并研究有利于共生的条件；通过适应性变 异、原生质体融合等途径创造出能直接利用分子氮的谷类、蔬菜等作 物，降低农业成本，提高粮食与蔬菜中的蛋白质含量。光合作用是绿 色植物通过叶绿体把太阳能转换成化学能的生物合成过程。如果能通 过改造叶绿体的生物功能，培育出在沙漠、山坡、水涝和高盐等不同 自然条件下高效率转换太阳能的速生植物，将对发展畜牧业与生物能 源产生巨大的作用。再者，利用细胞工程进行抗旱和抗盐作物的研究 也具有十分诱人的前景。植物细胞工程是细胞工程中比较活跃、进展 比较快的一个领域，它和其他植物育种技术密切结合，已形成了一条 植物细胞植物的生产途径加速了植物品种改良。半个多世纪以来，有机合成杀虫剂的广泛使用，逐渐产生了严重 的 3R 问题，即害虫抗药性、残留、害虫在猖濒。因此人们把目光转 向了与环境有较高和谐度的植物性杀虫剂，由于利用植物细胞培养生 产具有杀虫、杀菌活性成分的植物源农药与传统的化学农药相比有许 多无可比拟的优点，所以细胞工程在这方面的应用也成为国内外研究 的热点。近二十年来，国内外都投入了大量的人力、物力致力于植物 园农药的研究与开发。国外对印柬、菖蒲、番荔枝等杀虫植物进行了 较多的研究，其中尤以对印间的研究最为深入系统。国内在此方面的 研究进展也较快，对川柬、苦皮藤、砂地柏、马桑、黄杜鹃、紫背金 盘、苦参、八角茴香等多种植物都进行了详细的研究。应用细胞工程 生产的新型农药在农作物病害的防治方而已取得一些可喜成果，番茄 花叶病是一种较普遍的病害。人们将番茄花叶病病毒经亚硝酸诱变， 培育成亚硝酸突变体N14,它是一种防治番茄花叶病病毒的弱毒疫 苗。在番茄幼苗移栽前，只要把幼苗根部浸入含有该弱毒苗的液体中 处理lmin,移栽后长出的番茄植株就有抗病能力。这种新型的植物 性杀虫基因期货形成分为天然物质,使用后以降解,对环境污染小； 对害虫不易产生抗药性；对人和高等动物无害且开发成本低,故可对 当今的环境污染有一定的缓解作用。当今食品使用的甜味剂主要是砂糖，由甘蔗与甜菜提取制备而 成：如何通过细胞工程生产新型甜味剂以及食用天然色素、维生素已 成为研究开发的重点。大规模培养植物细胞生产调味品、香料、维生 素和有机酸等将会有较大发展。自1984 年日本三进石油化学公司利 用紫草宁细胞培养生产的紫草宁色素研制出壳世界第一支生物口红 后，利用细胞培养生产色素及化妆品也有了很大的发展。如通过长春 花植物细胞悬浮培养可获得用于化妆品原料的高质量的熊果苷，用人 参细胞大规模培养生产的人参提取液及人参皂苷在化妆品中已广泛 地用作营养添加剂，此外还有植物细胞培养的甘草提取物等都在化妆 品中应用广泛。石油成为化工原料的主要来源是不可再生的有限资源，各国对化 工原料主要依靠石油的现状感到不安，而植物通过光合作用，合成 糖，再转化为淀粉、维生素、木质素等，都是再生资源，取之不尽， 用之不竭。人类日常生活和工农业生产上采用的能源主要有：化石 能源；水力、风力和潮汐能源；原子能；再生能源。再生能源 是指植物（包括农作物、树木、牧草和藻类等）利用太阳能进行光合作 用所积累的有机物，主要组分为纤维素、半纤维素和木质素等，这是 传统家庭生活的主要能源。也是今后值得重视并进行合理研究开发利 用的能源。再生能源的开发利用是细胞工程的研究热点之一。细胞工 程在再生能源开发利用上的作用表现在两个方面培育能高效转换 太阳能的植物，即具有咼效率光合作用的植物；和基因工程相结 合，培育出能高效发酵纤维素产生乙醇等替代能源的高效菌种。如果说二十世纪的植物细胞工程主要是科学研究阶段的工作，产 业建设尚处在初创阶段，那么。二十一世纪的植物细胞工程将进入广 泛的大规模产业化阶段，是对人类社会做出贡献的时期。在农业上， 植物细胞工程培育的高产、优质、抗逆的植物新品种，将与基因工程 技术培育的新品种一样，不断拉进农业生产的发展。医药卫生方面。 细胞工程药物（包括药物、疫苗和基因治疗等）将与化学药物和中医药 物三足鼎立，有效地为人类健康、延年益寿服务。特别是以基因工程 和细胞工程培育的动植物来大量生产药物、疫苗或其他生物产品，无 疑将会使传统的制药等工业生产方式发生重大变革。细胞工程在解决 环境和能源危机方面，也将发挥更大的作用并形成产业化。参考文献:1 王蒂.2003细胞工程学.北京：中国农业出版社,13162 陈志南.2005细胞工程.北京:科学出版社,3573993 远英进2003 植物细胞培养工程. 北京：化学工业出版社，2963004 程静，郭勇植物细胞工程药物生产的研究进展J.江西科学， 2000.18： 60625 李志勇.2003细胞工程.北京：科学出版社，713细胞工程研究的进展及一些应用摘要：简介了细胞工程的概念及基本操作，论述了其在若干重要 领域研究取得的重大进展。并且，阐述了细胞融合技术、细胞工程培 育海带、细胞工程在作物育种方面的应用。关键词：细胞工程；作物育种；应用研究1 细胞工程的概念及其基本操作细胞工程属于广义的遗传工程，是将一种生物细胞中携带的全套 遗传信息的基因或染色体整个导人另一种生物细胞，从而改变细胞的 遗传性，创造新的生物类型。它包括细胞融合、细胞重组、染色体工 程、细胞器移植、原生质体诱变及细胞和组织培养技术。因此，研究 者称细胞工程为细胞操作技术。近年来，在该领域的研究最引人注目的是细胞融合(Cell fusion) 技术及细胞杂交(cell hybridization)，并取得一些突破性研究进 展。细胞融合是应用经紫外线灭活的病毒(如仙台病毒)或以聚乙二醇 和溶血卵磷脂处理体外培养细胞，使其细胞质膜发生改变，导致细胞 互相合并而成多核体。同种细胞的融合称为同核体，不同种细胞的融 合称为异核体。后者在以后的分裂过程中，不同遗传型染色体混合产 生单核合核体。应用这一技术可以分析细胞的质核关系、基因表现的 调节和基因在染色体上的定位。应用细胞融合可以大量培育新的生物 类型。细胞杂交是应用细胞融合技术，使不同种细胞的细胞质和细胞 核合并。由不同种的体细胞经过细胞融合后形成双核细胞，染色体在 分裂过程中互混后产生的杂交单核子细胞便是杂交细胞，也称合核 体。运用此法，亦可改变生物性状，培育出大量适合人类需求的新品 系。新近细胞重组(Cell Reconstitution)在细胞工程开发与应用研 究方面发展较快，成果颇多。细胞重组是由不同细胞的核体与细胞质 在融合子介导下并合形成完整细胞，在研究真核细胞的核、质相互关 系及基因转移等方面具有重要价值。核体与胞质体在仙台病毒或聚乙 二醇的诱导下能合并成为完整的重组细胞。目前不仅能使大鼠核体与 小鼠胞质体并合成为新细胞，还能使人的核体与小鼠的胞质体并合成 为重组细胞。若将胞质与完整的细胞融合，构成一个含有亲本核和两 个亲本胞质的杂种细胞称为“胞质杂种”，就可以把一个亲本细胞的 胞质基因(如线粒体基因)转移到另一个亲本细胞内，这样又成了基因 重组育种新技术。这在细胞工程的研发上也取得了很多成果。2 细胞工程的发展现状2.1 细胞融合技术的研究进展应用细胞融合技术可以培育新型生物物种。它能打破只有同种生 物杂交才能育种的限制，实现了种问亦可育种的突破。目前细胞融合 技术不仅可以把不同种类的植物细胞、不同来源的动物细胞进行融 合，而且还可以把动植物细胞融合在一起。该细胞工程的实施对于创 造动物、植物、微生物新品种以及在医学领域都具有重要的应用价值。 2O 世纪60年代，法国的国家病毒学和细胞融合实验室，在进行两种 小鼠肿瘤细胞的研究实验时，观察到一种新类型细胞的形成。这种新 型细胞具有与亲本细胞不同的形态特征以及不同的生长方式。特别是 这种新型细胞的核所含的染色体数目等于亲本细胞染色体数的总和。 这个结论被进一步的重复实验观察所证实。在被推广到其他非肿瘤小 鼠细胞上也得到类似的结论。实验表明，这些细胞的融合率非常低， 介于lxl0和lxl04之间，后来，研究者采用日本血凝病毒(JHV)提 高了动物肿瘤细胞的融合率。这时研究人员进行新的实验时发现， JHV 病毒可受紫外线辐射而完全失活，尽管如此，它仍然保持诱发细胞融 合的能力。接着，日本的科学家在这方面研究又取得了新的进展，他 们通过实验证实，使用减活仙台病毒诱发人体Hela细胞和小鼠肿瘤 细胞融合取得了成功，属于不同目的脊椎动物细胞之间都能诱发体细 胞融合。专家们在评审这些实验新发现时指出，这既是细胞工程技术 上的一项重大突破，也是生命科学理论上的一大发展，它给遗传育种， 人为促进生物快速进化找到了一条新路。在这一新技术新理论的推动 下，细胞工程的新成果接踵出现。如英国科学家于 1975 年研制成功 了淋巴细胞杂交瘤技术，这是英国科学家KoMer和Milsten利用淋巴 细胞与骨髓细胞进行融合并从中筛选出的杂交瘤细胞株。英国科学家 还把免疫的小鼠 B 细胞，即能够分泌某种特殊抗体的细胞与小鼠骨髓 瘤细胞融合产生杂种细胞。它既能像B细胞那样产生并分泌免疫特异 抗体，又像骨髓细胞那样无限繁殖，这种纯系产生的抗体叫单克隆抗 体。单克隆抗体问世后很快就应用于临床实践，被称之为 2O 世纪 8O 年代的“生物导弹”。因为它能够引导药物定向和有选择地攻击癌细 胞。目前已用于治疗诊断癌症、艾滋病等多种疑难疾病，及快速诊断 人类、动物和农作物病害等方面，成为细胞工程在医学上最重要的成 就之一。2.2 细胞工程培育海带传统的海带育苗方法即夏苗培育法是以海带的生活史为依据，海 上培育种海带，七月份室内采抱子，在人工降温、流水、自然光条件 下使海带渡过其配子体世代，月中、下旬培育成1-2 厘米的幼抱子体， 待自然海水水温降到适宜时（低于20C），幼苗出库海上养殖，幼 苗需在育苗室低温培育3 个月左右。随着科学技术的进步，海带育苗方法由传统方式向生物技术细胞 工程转化已成为必然趋势。海带细胞系育苗是利用细胞系进行海带育 苗将室内培养的细胞系切割，使其附着于基质上，同样低温、流水、 自然光培育的一种育苗方式，这种全新的育苗方法较现行的育苗方法 有以下优点：一、工艺简单，育苗前的细胞系培养，在一定规模的器 皿中进行即可，减少了传统育苗需海上养殖及选择种海带环节，可节 省大量人力、物力、财力。二、细胞系育苗避免了大量种菜混合繁殖 对品种纯度的影响，能够长期保持品种的优良性状，较大程度上解决 目前海带品种退化、混杂问题。三、细胞系在室内人工条件下培养， 可随时根据生产需要进行采苗、育苗，而不受季节的严格限制，同时 也避免了种海带养殖中生长发育时常受到不利因素干扰而影响育苗 生产的问题。四、为杂种优势在生产上大面积应用，育种成果向生产 过渡提供了条件，为育种和新品种的快速推广探索出了一条有效途 径。以细胞系育苗工艺改革现有的海带海带细胞工程育苗的生产应用 研究育苗方式是实现海带产业可持续发展的重要环节，是科技成果转 化为生产力的具体体现。海带细胞系技术自二十世纪年代建立以来，我国的藻类工作者在 利用细胞系育苗方面进行了大量研究，一是提出了构想，即人工控制 温、光、盐，快速、大量繁殖海带配子体，并用以附苗和幼苗的培育 二是研究出了细胞系培养的适宜温、光、盐等因子三是进行了小型试 验。但迄今为止，有关配子体无性繁殖系的大规模培养所达到的水平 及相应的技术参数尚未见报道，细胞系生产性育苗尚无系统的技术工 艺，细胞系育苗中的脱苗难题也一直没有得到较好的解决，我国海带 苗种繁育仍然沿用抱子体采苗育苗模式。2.3 细胞工程用于作物育种近年来国内外将染色体工程技术在农作物育种上进行开发应用 研究后取得了较大进展，尤其在小麦育种上的成效尤为突出。美、英、 法、原西德与前苏联等国家，通过染色休丁程技术，已成功地从黑麦、 lll 羊草、偃麦草属的某些物种，向栽培小麦品种中转移并导入了抗 锈病、白粉病和条斑花叶病地等基因，育成了一批有应用价值的抗病 品种和品系，有的已在生产上大面积推广应用。在中国也通过植物染 色体工程技术育成了一批优良小麦新品种。如西北植物研究所的专家 将小麦与长穗偃麦草杂交育成了小偃 4 号、小偃 5 号、小偃 6 号，其 中小偃 6 号已成为中国北方冬麦区的主栽品种，累计推广面积超过 360xl04hm2。该品种的选育成果荣获国家发明一等奖。黑龙江农科院 通过小麦与中间偃麦草杂交育成新曙光等品种。此外，西北植物研究 所还利用植物染色体工程技术，进行异源染色体代换，育成 VE 小麦 雄性不育系，通过三属四种的杂交，创造了穗型较大的超矮杆小麦。3 细胞工程应用的展望据测算，优良品种对农作物增产的贡献率一般为33。因此，大 力推广优良品种，就成为实现中国农业“高产、优质、低耗”发展目 标的主要途径随着农业科技进步，农业生产的不断发展与人类对农产 品的日益增长的需要，必然要求育成更多高产、优质、多抗与用途多 样化的农作物品种用于农业生产。要实现上述育种目标，就必须采用 科学、先进与创新的育种新技术。通过以上染色体工程技术、原生质 体培养、花药培养与无性系变异筛选、组织与体细胞杂交技术在农作 物育种上开发应用所取得新进展的综述，充分展示了植物细胞工程技 术对加快农作物新品种的育种进程，缩短育种年限，扩大变异范围， 拓宽育种领域，打破种问杂交障碍，提高育种水平所起到的重要作用 因此，可以预测并展望细胞工程技术在加速21 世纪各种农作物育成 进程，促进农业生产的发展与农业高新技术的产业化，必将具有更为 广阔的开发应用前景。参考文献1林学颜.现代细胞与分子生物学M.北京：科学出版社，1999 2翟中和.细胞生物学M.北京：高等教育出版社，1995.3孙毅.生物技术研究的新进展J.科技信息杂志，1995(5)：10-11 .4王鸣.现代育种学的发展M北京：农业出版社。1974. 7284， 1411485赵军良，等.植物原生质体培养方法上的进展J. 山西农业科学， 1994， (1)： 55-586陈志贤.棉花组织培养与基因工程展望J山西棉花，1998,(2)： 23-287胡彦，等.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 Sup， 130-1348 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，199740-459 周元昌作物育种科学发展的趋势世界农业， 2003(7)： 38-4110 贾新合.高新技术在棉花遗传育种中的应用进展J.江西 棉花2004，26(2)： 3-711 王爱云植物细胞工程技术在油菜育种的应用现状与进展 J.中国农学通报,2005, 21(4)： 64-45812 刘新本.植物细胞融合研究J.世界农业，1994, (3)： 29-31_口 岛。口。_+口_工!_7。口口0_沢_工10口0。口1一Y。工丄个一岛口_0。口1干一oY岛口00。一丄。口$。化口 iDD_DDD0DDDiDHDD_DD_DUD0DDDDo+DDDDDO0o_O_iOoO_oOO+oOoY0oOOoi+OOi_OiOiYoOO0iO 0一 _ 、 _ . 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供技术支撑。1.海岸带环境保护技术。重点加强沿海防护林带、植被恢复与建 设技术、近海生态环境和有毒有害污染物检测治理技术、海洋生态环 境保护与生态修复及综合开发技术、海岸带综合治理和保护技术的研 究与应用，为保护“蓝天、碧海、金沙滩”提供技术支撑。2. 环境污染综合防治技术。重点研究、推广生物降解、过滤技术 和工业废水、生活污水处理技术及脱硫、除尘、固体废弃物、城市污 水和垃圾综合处理与利用技术，保持城市居民的良好生活环境。3. 生态系统的修复、重建与保护。积极开展退化生态系统的修复 重建技术研究与示范。开展石材加工废水综合处理技术研究。搞好山 区、丘陵、平原植被种植与综合利用技术、生态修复技术、土壤污染 形成机制与治理修复技术的研究与应用。