植物细胞培养及其运用

植物细胞培养技术的应用及前景

09生物科学 叶跃磷

摘要：植物细胞培养技术是应用生物工程研究成果，在细胞水

平上生产植物生物制品的技术。细胞工程是生物技术的四大领域之一 ,随着社会的不断进步和科学的不断发展,细胞工程在生命科学研究中起着不可估量的作用。植物细胞培养技术作为细胞工程中的重要技术现已广泛应用于生命科学的各个研究领域,是生物技术最新发展的重要组成部分。本文着重介绍了植物细胞培养技术的应用及其发展前景。

关键词：植物细胞培养、次生代谢产物、技术、生物转化、植物、人工种子、植物细胞培养、应用

前言：植物细胞培养技术作为细胞工程中的重要技术现已广泛应用于生命科学的各个研究领域,是生物技术最新发展的重要组成部分。植物细胞离体培养包括细胞、组织和细胞融合。[2]植物细胞的大量培养是利用植物细胞体系、通过现代生物工程手段,进行工业规模生产,以获得各种产品的一门新兴的跨学科技术。十九世纪九十年代, Haberlandt首先进行了植物细胞的培养; 1939 年, White, Nobecourt, Gau theret分别发表论文, 提出非分化的植物细胞可以无限期地进行培养, 为植物细胞培养的发展奠定了基础 。1942 年,Gau theret发现植物细胞培养可产生次级代谢产物; 1954年,Muir等第一次进行了植

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物细胞悬浮培养 ; 自从1956年, Routine和Nickel首次提出用植物细胞培养技术生产有用次级代谢产物以来, 据不完全统计应用于植物细胞培养技术生产次生代谢产物的植物已达百种以上。

一、植物细胞培养的应用

1. 植物细胞培养合成次生代谢产物

细胞代谢产物方面的应用主要集中在研究制药(如如抗癌药物紫杉醇、疗伤药物紫草宁、保健药物人参皂甙等) 、油料(如如豆寇油、春黄菊油等) 、食品添加剂(如生姜、香子兰等) 、调味剂(如胡椒、留兰香等) 、食用色素(如花青素等) 、饮料(如咖啡、可可等) 、树胶(如阿拉伯胶等) 。利用植物细胞培养技术生产次生代谢产物近年来取得很大进展，但如何增加目的产物产量使该技术实现工业化生产是亟待解决的难题。从筛选高产细胞系、优化培养环境、调节营养水平、前体饲喂、诱导子添加及13一环糊精使用等方面综述了国内外最新的增产策略。另外毛状根培养、固定化培养和生物转化研究正成为工业化生产次生代谢产物的重要技术来源。

1.1 影响次生代谢产物合成的因素 1.1.1植物细胞本身的物质生产能力

如何提高植物细胞本身的物质生产能力，是植物细胞培养生产有用物质的关键问题。

1.1.1.1 诱导与选拔

利用细胞在某些特殊环境条件下的生理等现象， 如耐药性、耐高盐

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浓度、不需植物生长激素等特性， 来选拔高产细胞株。

1.1.1.2 器官与组织的培养

为培养细胞(未分化细胞)是经过从原植物悻列愈伤组织这一大脱分化生理变化而诱导得到的，所以有许多代谢产物在亲本植物的根、茎、叶、花或药等器官中能台成，而在培养细胞中就不能产生。

1.1.1.3 基因重组、转化及细胞融台

遥过基因重组、转化和细胞融台等现代生物育种方法，从根本上改变细胞的有用物质生产能力， 这是很有前途的技术，业已取得可喜的研究成果。[4]

1.1.2 影响植物细胞生长及物质生产的各种培养条件 A、 物理方面的条件；a.温度 b.搅拌 c.PH d.通气 e光 B、 化学方面条件：a.无机盐类；b．碳源 c．植物生长弼节物

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C、 (3)生物方面的条件a.细胞龄 b.接种量 1.2 生产次生代谢产物的方法 1.2.1 前体物饲喂及生物转化

前体化合物的供应不足影响次生代谢产物在植物体内的合成代谢. 植物体内可发生皂化、酯化、去甲基化及双键还原等反应,如在雷公藤细胞培养物中添加法尼醇(100μg/ mL) ,可使雷公藤羟 内酯产量增加3 倍以上,在紫草细胞培养物中添加L - 苯丙氨酸,可使紫草素产量增加3 倍.添加的前体物种类、浓度和时间对次生代谢 产物的影响在很多细胞培养中也得到体现. 山莨菪和曼陀罗培养物

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中,莨菪烷生物碱的产量。 1.2.2 细胞固定体系

细胞固定体系能保持反应槽内的细胞量,提高反应效率. 固定化使反应活性稳定且能够长期连续进行生产,易于与作为催化剂的细胞分离. 柱式或槽式反应器能连续运转,易于控制生产中的环境条件、基质浓度等。 1.2.3两步培养法

两步培养法较好地解决了细胞生物量增长与次生代谢产物积累之间的矛盾,大大提高了目的产物的产率 . 1.2.4 两相培养法

两相法培养可以避免次生代谢产物的质量效应而抑制其生物合成,使其免受培养基中催化酶或酸的影响.1.2.5抑制剂的使用及反义技术

年来利用基因工程技术调节代谢途径、提高次生代谢产物的产量

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成了研究的热点. 其中,反义技术在次生代谢产物的生产中应用越来越广泛.

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2、人工转化

通过植物细胞培养生产有用化合物的另一方面是植物细胞分泌的酶的催化——生物转化,但由于在酶的生物转化大规模培养方面遇到传代细胞变异的问题,难于实现大规模的工业生产,因此发展缓慢。

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3、植物细胞培养在人工种子方面的应用

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植物人工种子(plant artificial 8eed)概念最早Murashige(1978)提出，它是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。由于人工种子在本质上属于无性繁殖，其与天然种子相比，具有可工厂化大规模制备、贮藏和迅速推广优良种质资源等优点，因而受到许多国家重视。欧洲将植物人工种子列入尤里卡计划，我国也于1987年将其列入国家高技术研究与发展计划。经过近20年的研究，植物人工种子研究取得了很大进展，并成功地用于大田和温室的生产。完整的人工种子包括三大基本部分：体胚、人工胚乳、人工种皮。Red bau 等将人工种子生产的候选植物分为两大类：一类是技术基础强的植物，这类植物已有建立好的体细胞胚发生系统；另一类是商业基础强的植物。早期的植物人工种子研究一般仅限于前者，如胡萝 、苜蓿和芹菜等模式植物，都是利用包埋体细胞胚来制作人工种子，但实际上这些模式植物几乎没有必要用人工种子作为繁殖手段。真正有意义的是 些有较高经济价值的作，Kamada(1985)指出，若从经济角度出发，多年生或无性繁殖植物首先具有人工种子应用的潜力。但是，这类植物一般难以得到高质量胚状体，加之其体细胞胚存在无性系变异、幼苗期较长以及苗转化率较低等缺点，使人工种子技术在一些重要经济植物和珍稀濒危植物中的应用受到限制80年代末，人们开始采用胚类似物为材料进行人工种子的研究。所谓胚类似物，是指芽、短枝、愈伤组织、花粉胚等。陈德富等(1995)还将芽茎段、原球茎、粒状组织、

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