植物细胞工程技术研究的现状及其对社会发展的影响

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植物细胞工程技术研究的现状及其对社会

发展的影响

摘 要：植物细胞工程是一门以植物组织和细胞的离体操作为基础的实验性学科。植物细胞工程是在植物组织培养的基础上发展起来的，因此，植物细胞工程亦是广义概念上的植物组织培养。植物细胞工程是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 研究现状及应用 对社会发展的影响

一、植物细胞工程的概念

植物细胞工程是建立在现代生物科学和工程技术基础上的科学技术。它的发展有赖于植物学、植物生理学、遗传学、分子生物学、植物营养学、环境工程学等学科的发展与进步，可为生物科学的基础研究提供重要的技术手段[1]

。

植物细胞工程是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。

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植物细胞工程实用技术，包括植物细胞组织培养技术、无性快繁技术及单倍体育种技术等。这些技术在脱毒苗生产、经济植物快繁、植物新品种选育及有用次生代谢产物生产等方面已得到了广泛的应用[2]。植物细胞工程具有科学和技术双重特征，经过多年的探索和发展，已成为当代生物科学中一个重要学科和现代生物技术的重要组成部分。

二、植物细胞工程的研究现状及相关应用 （一）、研究水平

目前植物离体培养研究以细胞水平上的居多, 分子水平上的研究相对较少。近年来随着现代分子生物学技术的发展, 已分离和鉴定出一批与植物花器官、茎、 叶和根器官发育有关的基因。植物离体培养中器官分化和胚状体的发育是基因差异表达的结果, 重新确立基因程序化表达是多种因素共同作用的结果。植物离体培养的细胞学和分子生物学方面的证据对揭示植物离体培养的分子机理有重要作用, 但目前获得的证据是不完整的, 还不能够描绘出基因程序化表达的蓝图。植物离体培养分子机理研究的深入,不仅可以丰富植物分子发育生物学的内容, 还可为植物器官发生和体细胞胚发生调控及植物组织培养技术改进提供依据。

（二）、分离与精制

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２万升规模的生物反应器中培养烟草细胞的能力。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。 (三）、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。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。

（四）、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。 （五）、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。 （六）、植物细胞工程在脱毒苗生产方面的应用

长期进行营养繁殖的农作物及果树、蔬菜等往往会积累许多病毒和类病毒，病毒和类病毒的感染常导致亲本性状退化，使农产品的产量和质量明显下降。植物细胞工程可应用于脱毒苗生产，一般多采用茎尖脱毒的方法，通过茎尖组织培养可以获得无病毒和类病毒感染的再生苗。如茎尖脱毒获得的脱番茄斑萎病毒（TSWV）脱黄瓜花叶病毒（CMV）及脱菊花病毒B（CVB）的再生苗等。近年来，中国相继出现了许多脱毒试管苗生产工厂，黑龙江、内蒙古、湖南、湖北、河南和甘肃等地都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 hm2，平均增产 50%以上。目前，草莓、苹果、柑橘和葡萄等经济植物都已建立了脱毒苗生产技术。

（七）、植物细胞工程在经济植物快繁方面的应用

植物快繁是指利用组织培养技术，将来自优良植株的植物组织或细胞进行离体培养，短期内获得大量遗传性状一致的个体的方法。植物快繁技术在农业上有着广泛的应用，如可以使生根困难的名贵花卉大量繁殖，还可应用于杂合植物材料的快繁，因为很多优良的观赏植物和经济植物都是杂种，一旦有性繁殖，其后代性状会发生分离，而通过无性繁殖则能够保持其杂合性，并可以大量生产性状均一的商品苗。目前已在木薯、马铃薯、咖啡、橡胶、菠萝、甘蔗和苹果等经济植物上建立了植物快繁技术[2]。

随着无性快繁技术的发展和植物细胞工程的应用，出现了植物快繁生物反应

器，为植物快繁技术带来了根本性变革，成为快繁技术发展的新方向。 生物反应器具有生产规模大、便于自动化控制、降低成本、减少污染及节约人力资源等优点，通过对营养成分、空气流量、温度、光照时间和光量子流量等外在因素的调节与控制，可使培育的植株生理性状基本一致 无病虫害，并提高了观赏价值。利用生物反应器生产大量的繁殖体和制作人工种子，可以实现人工种子的规模化，为植物快繁、杂种优势利用和种业发展带来革命性的变化。目前，植物快繁生物反应器已在多种植物上获得了成功[3]。 （八）、植物体细胞无性系变异与植物改良

体细胞无性系变异（somaclonal variation）是植物体细胞在植物组织培养过程中产生的变异。利用体细胞无性系技术可以选育植物优良的品种（品系），获得育种的中间材料或作为复合育种的一个中间环节，还可以利用突变体材料做遗传分析和生理生化等基础研究。体细胞无性系变异通常是单一或少数性状的变异，因此特别适合综合性状良好，但个别性状需要改良的品种。自20 世纪80 年代以来，国内外对体细胞无性系进行了大量研究，成为继花培技术之后又一实用化的细胞工程育种技术。目前体细胞无性系变异已广泛应用于植物抗病育种、抗除草剂育种、品质育种、抗非生物逆境（耐盐、耐旱、耐寒）育种，获得了一批农作物、园艺作物、林木新品种[4,5]。

利用人工诱变创造体细胞无性系变异，已成为植物细胞工程育种的重要技术。人工诱变方法包括物理诱变（γ射线、X 射线、中子、电子束、离子束、激光、紫外线、空间环境）、化学诱变（甲基磺酸乙酯、秋水仙素、叠氮化钠、平阳霉素、5-BU、EB等）和生物诱变（转座子插入突变、跳跃基因等）。利用诱变技术对植物的种子、组织、器官等进行处理，能够增加体细胞无性系变异，获得有益性状突变，结合离体诱变筛选技术，能够提高选择和育种的效率。国内外利用人工诱变结合组织培养技术，获得了一大批植物新品种和新材料，其中以离体辐射诱变取得的成果最为突出，开创了空间环境诱变的新领域[6]。 (九）、单倍体细胞培养与抗逆作物育种

传统的杂交育种在自交5代以后可以产生一些同质配子结合的纯合植株，经6-8代才可选育出新品系，而单倍体育种是通过单倍体培养迅速获得纯合二倍体，从而大大缩短了育种年限，有些单倍体育种只需要两年左右的时间。 花药培养

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