大學課件 生物工程設(shè)備 植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器

1、第一節(jié)第一節(jié) 植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器 植物細胞（組織）培養(yǎng)植物細胞（組織）培養(yǎng) 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 植物組織培養(yǎng)反應器植物組織培養(yǎng)反應器 植物細胞培養(yǎng)技術(shù)包括植物器官（根、枝葉、發(fā)根、胚和冠植物細胞培養(yǎng)技術(shù)包括植物器官（根、枝葉、發(fā)根、胚和冠 癭組織等）、組織、細胞以及原生質(zhì)體培養(yǎng)，并以此發(fā)展起來癭組織等）、組織、細胞以及原生質(zhì)體培養(yǎng)，并以此發(fā)展起來 的各種植物細胞培養(yǎng)技術(shù)。的各種植物細胞培養(yǎng)技術(shù)。 植物細胞培植物細胞培 養(yǎng)養(yǎng) Gottleib Haberlandt 1902年德國植物學家年德國植物學家Haberlandt在營養(yǎng)液中成功地培育了單

2、在營養(yǎng)液中成功地培育了單 個植物細胞，盡管未能使其分裂生長，但為植物細胞培養(yǎng)翻開了個植物細胞，盡管未能使其分裂生長，但為植物細胞培養(yǎng)翻開了 新的一頁。新的一頁。 Haberlandt提出植物細胞的提出植物細胞的“全能性全能性”學說，植物細胞的全能學說，植物細胞的全能 性：植物的體細胞具有母體植株全部遺傳信息并發(fā)育成為完整個性：植物的體細胞具有母體植株全部遺傳信息并發(fā)育成為完整個 體的潛力，因而每一個植物細胞可以像胚胎細胞那樣，經(jīng)離體培體的潛力，因而每一個植物細胞可以像胚胎細胞那樣，經(jīng)離體培 養(yǎng)再生成植株。養(yǎng)再生成植株。 一般采用植物的體細胞一般采用植物的體細胞(二倍體細胞二倍體細胞)， 先經(jīng)纖

3、維素酶處理去掉細先經(jīng)纖維素酶處理去掉細 胞壁胞壁(原生質(zhì)體原生質(zhì)體)。將原生質(zhì)體放在合適的培養(yǎng)基上，經(jīng)過誘導分。將原生質(zhì)體放在合適的培養(yǎng)基上，經(jīng)過誘導分 化可以重新長成植株。原生質(zhì)體也可用于植物細胞融合，化可以重新長成植株。原生質(zhì)體也可用于植物細胞融合， 然后誘然后誘 導形成新的植株。導形成新的植株。 原生質(zhì)體培養(yǎng)原生質(zhì)體培養(yǎng) 植物原生質(zhì)體培養(yǎng)植物原生質(zhì)體培養(yǎng) 植物組織培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)(plant tissue culture) 植物組織培養(yǎng)：植物組織培養(yǎng)：愈傷組織：是一種能迅速增殖的無特定結(jié) 構(gòu)和功能的薄壁細胞團。 離體的植物離體的植物 器官、組織、器官、組織、 細胞細胞 植植 物物 體體

4、愈愈 傷傷 組組 織織 脫分化脫分化 根根 芽芽 再分化再分化 脫分化：脫分化：由高度分化的植物器官、由高度分化的植物器官、 組織或細胞產(chǎn)生愈傷組織的過程，稱組織或細胞產(chǎn)生愈傷組織的過程，稱 為植物細胞的脫分化。為植物細胞的脫分化。 再分化：再分化：脫分化產(chǎn)生的愈傷組織繼脫分化產(chǎn)生的愈傷組織繼 續(xù)進行培養(yǎng)又可以重新分化成根或芽續(xù)進行培養(yǎng)又可以重新分化成根或芽 等器官，這一過程稱為植物細胞的再等器官，這一過程稱為植物細胞的再 分化。分化。 植物組織培養(yǎng) (1) (1) (3) 植物體細胞雜交植物體細胞雜交 (5) 植物A細胞 植物B細胞 去壁 原生質(zhì)體A 原生質(zhì)體B 原生質(zhì)體融合 融合體 再生壁

5、 雜種細胞 細胞分裂 愈傷組織雜種植株 (2) (4) 植物細胞培養(yǎng)與微生物的區(qū)別：植物細胞培養(yǎng)與微生物的區(qū)別： 細胞的大小細胞的大小 細胞塊的形狀細胞塊的形狀 培養(yǎng)液的黏度培養(yǎng)液的黏度 需氧量需氧量 Kla 值比微生物培養(yǎng)的值比微生物培養(yǎng)的Kla值小得多值小得多 對剪切力敏感對剪切力敏感 需需CO2和光照和光照 植物細胞培養(yǎng)植物細胞培養(yǎng)(plant cell culture) 植物細胞培養(yǎng)具有的優(yōu)點：植物細胞培養(yǎng)具有的優(yōu)點： （1）代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)完全在人工控制條件下進行，）代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)完全在人工控制條件下進行， 可以通過改變培養(yǎng)條件和選擇優(yōu)良培養(yǎng)體系得到超可以通過改變培養(yǎng)條件和選擇優(yōu)良培養(yǎng)

6、體系得到超 整株植物產(chǎn)量的代謝產(chǎn)物；整株植物產(chǎn)量的代謝產(chǎn)物； （2）培養(yǎng)在無菌條件下進行，可排除病菌和蟲害侵）培養(yǎng)在無菌條件下進行，可排除病菌和蟲害侵 擾；擾； （3） 可以進行特定的生物轉(zhuǎn)化反應；可以進行特定的生物轉(zhuǎn)化反應； （4）可以探索新的合成路線和獲得新的有用物質(zhì)等。）可以探索新的合成路線和獲得新的有用物質(zhì)等。 植物細胞培養(yǎng)植物細胞培養(yǎng)(plant cell culture) 固定化細胞培養(yǎng) 懸浮培養(yǎng) 植物細胞培養(yǎng) 光生物反應器 組合式反應器 非機械攪拌反應器 機械攪拌反應器 懸浮培養(yǎng)反應器 膜反應器 流化床反應器 填充床反應器 固定化細胞培養(yǎng)反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應

7、器 Stirred Tank Bioreactors 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 機械攪拌式反應器機械攪拌式反應器 優(yōu)點：優(yōu)點： 混合性能好 傳氧效率高 操作彈性大 可用于細胞高密度培養(yǎng)； 缺點：缺點：剪切力大。 懸浮培養(yǎng)生物反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 機械攪拌式反應器機械攪拌式反應器 非攪拌式反應器所產(chǎn)生的剪切力較小，結(jié)構(gòu)簡單。其主要類型非攪拌式反應器所產(chǎn)生的剪切力較小，結(jié)構(gòu)簡單。其主要類型 有鼓泡式反應器、氣升式反應器等氣體攪拌式反應器有鼓泡式反應器、氣升式反應器等氣體攪拌式反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 非機械攪拌式反應器非機械攪拌式反應器 Ai

8、r inlet Gas outlet Culture medium Sieve plate Bubble Column Bioreactor 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 非機械攪拌式反應器非機械攪拌式反應器 Air-lift Bioreactor 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 紫草細胞培養(yǎng)紫草細胞培養(yǎng) 紫草種子無菌幼根 LS培養(yǎng)基培養(yǎng)基 愈傷組織 誘導培養(yǎng)誘導培養(yǎng) 懸浮細胞 懸浮培養(yǎng)懸浮培養(yǎng) 細胞增殖培養(yǎng)細胞增殖培養(yǎng) 一級培養(yǎng)一級培養(yǎng) 利用利用“ 優(yōu)勢互補優(yōu)勢互補”原則，將兩種反應器結(jié)合起來研究出組原則，將兩種反應器結(jié)合起來研究出組 合式反應器。帶有低速攪拌的氣升式發(fā)酵罐可彌

9、補低氣速合式反應器。帶有低速攪拌的氣升式發(fā)酵罐可彌補低氣速 時混合性差的弱點。時混合性差的弱點。 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 組合式反應器組合式反應器 光生物反應器光生物反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 固定化細胞生物反應器固定化細胞生物反應器 填充床反應器填充床反應器 流化床反應器流化床反應器 進口 出口 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 流化床反應器流化床反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 流化床反應器流化床反應器 植物細胞培養(yǎng)反應器植物細胞培養(yǎng)反應器 固定化細胞膜反應器固定化細胞膜反應器 中空纖維 螺旋卷繞反應器 植物組織培養(yǎng)反應器植物組織培養(yǎng)反應器

10、發(fā)狀根大規(guī)模培養(yǎng) 10 5 4 1 2 8 7 6 9 3 植物組織培養(yǎng)反應器植物組織培養(yǎng)反應器 小植物的大規(guī)模快速繁殖 淺層循環(huán)式植株快速繁殖器淺層循環(huán)式植株快速繁殖器 雙層板徑向流生物反應器雙層板徑向流生物反應器 植物組織培養(yǎng)反應器植物組織培養(yǎng)反應器 小植物的大規(guī)?？焖俜敝?內(nèi)環(huán)噴霧生物反應器內(nèi)環(huán)噴霧生物反應器 進進氣氣 排排氣氣 植物細胞培養(yǎng)的應用植物細胞培養(yǎng)的應用 西洋參細胞培養(yǎng)西洋參細胞培養(yǎng) 無菌根無菌根愈傷組織愈傷組織懸浮細胞懸浮細胞發(fā)酵液發(fā)酵液 乙醇消毒乙醇消毒誘導培養(yǎng)誘導培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)大量培養(yǎng)大量培養(yǎng) 西洋參根西洋參根 細胞細胞 過濾 西洋參細胞干粉成品西洋參細胞干粉成品 干干 燥燥 植物細胞的生產(chǎn) 藥物的生產(chǎn) 植物細胞產(chǎn)物產(chǎn)物作用 紫草細胞紫草寧抗炎劑、食用色素抗炎劑、食用色素 苦瓜細胞類胰島素治療糖尿病 長春花細胞長春花堿治療白血病藥 紅豆杉細胞紫杉醇抗癌藥物 毛地黃細胞毛地黃毒素強心劑 紫草種子紫草種子無菌幼根無菌幼根愈傷組織懸浮細胞細胞增殖培養(yǎng) LS培養(yǎng)基培養(yǎng)基 誘導培養(yǎng)誘導培養(yǎng) 懸浮培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)一級培養(yǎng)一級培養(yǎng) 產(chǎn)物培養(yǎng)產(chǎn)物培養(yǎng) 二級培養(yǎng)二級培養(yǎng) 發(fā)酵液細胞收集細胞收集 過濾過濾 產(chǎn)物提取產(chǎn)物提取 分離分離 成品 干干 燥燥 紫草細胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫草寧紫草細胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫草寧(Shikonin) 植物細胞培養(yǎng)的應用植物細胞培養(yǎng)的應用 代謝產(chǎn)物的生產(chǎn) 植