细胞工程在动植物优良品种培育中的应用.docx

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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1min，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：

①化石能源；③水力、风力和潮汐能源；③原子能；④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：

①培育能高效转换太阳能的植物，即具有高效率光合作用的植物；②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。

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[5]李志勇．2003　细胞工程．北京：

科学出版社，７～13

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（Cellfusion）技术及细胞杂交（ce11hybridization），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（CellReconstitution）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20℃），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360x104hm2。

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。

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，（）：

（六）海洋与水产技术。

　　充分发挥我市在海洋资源和海洋科技方面的优势，重点开展海洋资源深度开发及可持续利用研究，突破一批产业化关键技术，培育新兴海洋产业，大幅度提高我市海洋技术领域的整体水平和原始创新能力。

　　1.培育、引进优良品种。

充分发挥市水产研究所、海洋生物工程技术研究中心等单位的作用，尽快突破黄金鮸、条斑星鲽等新品种的育苗与养成技术，集中力量进行金乌贼、西施舌、大竹蛏等地方名、优、特、新、珍、稀种类保护、繁育及规模养殖技术的研究和攻关，力争取得较大突破；研究推广高产抗逆养殖新品种，培育对虾、棱子蟹、栉孔扇贝、海参和鲍鱼等多倍体种苗，建设一批多倍体育种和养成技术开发示范基地。

　　6.海水资源综合利用技术。

研究应用海水淡化技术，引进低成本的新型海水淡化设备，建设海水淡化示范工程。

开展海水直接利用技术研究，推广海水冷却预处理、防腐蚀、阻垢、防生物附着等关键技术，建设海水直接利用示范基地。

　　（七）资源节约技术。

　　以可持续发展为目标，有重点地引进、消化、吸收、创新一批节能、节水、节材、节地和循环生产的关键共性技术，为建立节约型城市提供有力的科技支撑。

　　1.节能技术。

支持日照钢铁厂、日照发电厂、亚太森博等耗能企业开展节能技术攻关。

开展节能产品标准和节能监测等技术的研究与开发，加强城市垃圾等废弃物能源资源化技术的研究示范与推广。

加强节能型住宅、公共建筑的建筑体系及关键技术研究、应用，大力推广节能技术、节能监测、循环经济技术模式。

　　2.节水技术。

研究、推广农业高效用水、节水、雨水利用、旱地水肥优化利用与调控、污水净化利用等节水技术，大幅度提高水资源利用率。

支持电力、纸浆、钢铁、化工、纺织等高耗水行业的技术引进和技术改造。

　　3.原材料节约技术。

重点研究推广提高原材料利用率关键技术、再生材料替代技术、可回收利用材料和回收拆解技术、木材综合利用及节约替代技术。

　　（八）环境保护技术。

　　以环境友好为目标，开展环境保护技术研究，为“生态建市”提供技术支撑。

　　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。