細(xì)胞工程作業(yè)植物細(xì)胞工程研究應(yīng)用綜述

1、植物細(xì)胞工程研究應(yīng)用的綜述植物細(xì)胞工程是以植物細(xì)胞全能性為理論基礎(chǔ)，以植物組織與細(xì)胞培養(yǎng)為技術(shù)支持，在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平對植物進(jìn)行遺傳操作，實(shí)現(xiàn)植物改良和利用，或獲得植物來源的生物產(chǎn)品的科學(xué)技術(shù)。植物細(xì)胞工程具有科學(xué)和技術(shù)雙重特征，經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，已成為當(dāng)代生物科學(xué)中一個重要學(xué)科和現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分。植物細(xì)胞工程是建立在現(xiàn)代生物科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)上的科學(xué)技術(shù)。它的發(fā)展有賴于植物學(xué)、植物生理學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、環(huán)境工程學(xué)等學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步，可為生物科學(xué)的基礎(chǔ)研究提供重要的技術(shù)手段。 植物發(fā)育生物學(xué)是現(xiàn)代植物科學(xué)的重要研究內(nèi)容。離體培養(yǎng)的器官發(fā)生和體細(xì)胞胚發(fā)生及其調(diào)控已

2、成為研究植物形態(tài)建成的良好實(shí)驗體系，極大地豐富了植物發(fā)育生物學(xué)的內(nèi)容，加速了其發(fā)展。植物薄層細(xì)胞培養(yǎng)已成為研究離體條件下植株再生、生理生化、遺傳轉(zhuǎn)化的技術(shù)。利用離體培養(yǎng)技術(shù)研究花器官發(fā)育，已在多種植物上實(shí)現(xiàn)了試管開花和結(jié)實(shí)。原生質(zhì)體培養(yǎng)為單細(xì)胞研究提供了良好的實(shí)驗技術(shù)體系，已應(yīng)用于植物細(xì)胞分裂、基因表達(dá)、核質(zhì)關(guān)系、細(xì)胞壁生物學(xué)、植物激素的作用機(jī)理、物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)妊芯款I(lǐng)域。利用離體突變技術(shù)，已分離和鑒定了許多與植物發(fā)育有關(guān)的基因，為揭示植物遺傳與發(fā)育調(diào)控的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。利用花培加倍單倍體技術(shù)獲得純系的方法，為有性繁殖植物遺傳分離群體的構(gòu)建提供了有效途徑，進(jìn)而可為遺傳圖譜的構(gòu)建、基因定位提供

3、穩(wěn)定的基礎(chǔ)材料，促進(jìn)了植物遺傳學(xué)的發(fā)展。同時植物組織培養(yǎng)技術(shù)也為植物礦質(zhì)營養(yǎng)、有機(jī)營養(yǎng)代謝，植物病理學(xué)等研究提供技術(shù)手段。 建立植物高效再生體系是植物細(xì)胞工程研究的重要領(lǐng)域。研究表明，植物再生能力表現(xiàn)出基因型依賴性，同時受到外植體生理狀況、培養(yǎng)條件(培養(yǎng)基、培養(yǎng)環(huán)境)的影響。植物激素誘導(dǎo)的信號傳遞在細(xì)胞分裂、極性確定、器官分化、胚狀體的發(fā)育等離體培養(yǎng)過程中起重要作用。在植物離體形態(tài)建成中，生長素與細(xì)胞分裂素的比例是重要因素，其他激素可以直接或問接影響形態(tài)建成。盡管植物激素一直是植物離體培養(yǎng)研究的熱點(diǎn)，但其作用還受到營養(yǎng)條件(培養(yǎng)基)、環(huán)境條件(光照、溫度、濕度、氣體)等的影響。目前植物離體培養(yǎng)

4、研究以細(xì)胞水平上的居多，分子水平上的研究相對較少。近年來隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已分離和鑒定出一批與植物花器官、莖、葉和根器官發(fā)育有關(guān)的基因。植物離體培養(yǎng)中器官分化和胚狀體的發(fā)育是基因差異表達(dá)的結(jié)果，重新確立基因程序化表達(dá)是多種因素共同作用的結(jié)果。植物離體培養(yǎng)的細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)方面的證據(jù)對揭示植物離體培養(yǎng)的分子機(jī)理有重要作用，但目前獲得的證據(jù)是不完整的，還不能夠描繪出基因程序化表達(dá)的藍(lán)圖。植物離體培養(yǎng)分子機(jī)理研究的深入，不僅可以豐富植物分子發(fā)育生物學(xué)的內(nèi)容，還可為植物器官發(fā)生和體細(xì)胞胚發(fā)生調(diào)控及植物組織培養(yǎng)技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)。胚胎培養(yǎng)技術(shù)及其應(yīng)用 植物胚胎培養(yǎng)是胚、胚珠、子房和胚乳的離體

5、培養(yǎng)技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括胚胎的發(fā)育機(jī)理、克服雜交不親合性和胚拯救、克服珠心胚的干擾、打破種子休眠，縮短育種周期，獲得體細(xì)胞胚和人工種子，建立植物高效再生體系等，并在農(nóng)作物、園藝作物、林木和藥用植物上廣泛應(yīng)用。 胚乳培養(yǎng)的主要目的是獲得具有利用價值的三倍體植株。目前有40多種植物的胚乳培養(yǎng)達(dá)到了不同程度的細(xì)胞分化和器官分化，不少植物已得到再生植株。我國在馬鈴薯、小麥、水稻、蘋果、桃、獼猴桃等10多種植物上得到了胚乳再生植株。胚乳培養(yǎng)還可作為研究淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)合成和代謝的實(shí)驗體系。通過胚乳培養(yǎng)產(chǎn)生的一些非整倍體，可以作為遺傳分析的材料。但相對于其他植物器官、組織和細(xì)胞的培養(yǎng)，胚乳培養(yǎng)相對較難，故應(yīng)

6、用并不普遍。植物離體受精可以通過離體柱頭授粉、離體子房授粉、離體胚珠授粉、離體精細(xì)胞和卵細(xì)胞融合等方法實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)可以克服植物授粉不親和的問題，同時也可以進(jìn)行胚胎、種子和果實(shí)發(fā)育機(jī)理等基礎(chǔ)研究。人工分離的精細(xì)胞和卵細(xì)胞融合后進(jìn)行合子胚培養(yǎng)，已在玉米等植物上獲得成功。植物離體受精技術(shù)是植物細(xì)胞工程中的重要實(shí)驗技術(shù)，為研究植物胚胎發(fā)育機(jī)理提供了新的實(shí)驗系統(tǒng)，為開發(fā)新的植物轉(zhuǎn)基因途徑提供了可能。加倍單倍體技術(shù)及其應(yīng)用加倍單倍體技術(shù)是指利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)單倍體植物材料(花藥、花粉、未受精的子房和胚珠)獲得單倍體植物，然后通過自然或人工加倍的方法（如秋水仙素處理）獲得雙倍體植株的技術(shù)，其中以花藥和

7、花粉培養(yǎng)應(yīng)用最為廣泛。利用加倍單倍體技術(shù)進(jìn)行花藥和花粉培養(yǎng)，已在250多種植物上獲得成功，中國、加拿大、澳大利亞、歐盟等在花培育種中取得了突出的研究成果。我國在花藥培養(yǎng)和單倍體育種方面總體上處于世界前列，由朱自清等研制的N6培養(yǎng)基廣泛應(yīng)用于禾本科植物的花藥和花粉培養(yǎng)，已成為國內(nèi)外花培的通用培養(yǎng)基。利用花培技術(shù)，我國在水稻、小麥、油菜、大麥、甜椒等作物上培養(yǎng)了許多新品種，中花系列水稻品種、京花系列小麥、華油一號油菜等一大批育成品種的推廣，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。利用花培技術(shù)獲得染色體代換系、附加系，已應(yīng)用于小麥、大麥以及一些茄科植物的遺傳改良，大大提高了遠(yuǎn)緣雜交育種的效率。雌核發(fā)育,俗稱

8、假受精，意指精子雖然正常地鉆入和激活卵子，但精子的細(xì)胞核并未參與卵球的發(fā)育，精子在染色體中很快消失，胚胎的發(fā)育僅在母體遺傳的控制下進(jìn)行的一種發(fā)育方式。它是植物存在的自然現(xiàn)象，在離體條件下可以通過培養(yǎng)未受精的子房和胚珠產(chǎn)生單倍體植株，也可以在活體條件下通過授以不同種類的花粉或通過物理方法處理(如輻照處理)的花粉，誘導(dǎo)雌核發(fā)育，目前已在小麥、水稻、玉米、甜菜、向日葵、馬鈴薯、西葫蘆、洋蔥、黃瓜、非洲菊、百合、小黑楊、三葉橡膠、煙草、矮牽牛等10多種植物上獲得成功。離體條件下誘導(dǎo)孤雌生殖獲得加倍單倍體的技術(shù)發(fā)展時間不長，現(xiàn)已開始應(yīng)用于作物的改良、構(gòu)建遺傳分析和轉(zhuǎn)基因的受體材料。原生質(zhì)體培養(yǎng)和體細(xì)胞雜

9、交 原生質(zhì)體培養(yǎng)和體細(xì)胞雜交是植物細(xì)胞工程的核心技術(shù)之一，為克服植物遠(yuǎn)緣雜交不親和性，創(chuàng)造新的種質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)植物遺傳轉(zhuǎn)化和進(jìn)行細(xì)胞學(xué)的基礎(chǔ)研究提供了重要的技術(shù)支撐。自1971年Takebe等首次報道獲得煙草葉肉原生質(zhì)體再生植株以來，原生質(zhì)體培養(yǎng)和體細(xì)胞雜交技術(shù)一直是植物細(xì)胞工程的重要研究領(lǐng)域，在分離原生質(zhì)體的材料選擇、培養(yǎng)基與培養(yǎng)環(huán)境控制、體細(xì)胞雜交技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究，建立了原生質(zhì)體培養(yǎng)和體細(xì)胞雜交的技術(shù)程序。原生質(zhì)體培養(yǎng)是將細(xì)胞去掉細(xì)胞壁得到裸露的原生質(zhì)體，在將原生質(zhì)體懸浮于液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，再經(jīng)過細(xì)胞壁再生、細(xì)胞分裂成細(xì)胞團(tuán)、愈傷組織（或胚狀體）、分化成芽和根、完整植株這幾個過程。目

10、前獲得的原生質(zhì)體再生植株包括糧食作物、蔬菜、果樹、花卉、林木、藥用植物以及真菌和海藻等。原生質(zhì)體培養(yǎng)一直以農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物為主，但近年來開始從一年生向多年生，從草本向木本，從高等植物向低等植物發(fā)展。我國在原生質(zhì)體培養(yǎng)、體細(xì)胞雜交、體細(xì)胞雜種評價和利用等方面開展了大量研究，首次獲得的原生質(zhì)體植株種類的數(shù)量處于世界前列，在原生質(zhì)體培養(yǎng)體系的建立和完善、體細(xì)胞雜種鑒定、新種質(zhì)的創(chuàng)制等方面取得了一批先進(jìn)適用的成果。原生質(zhì)體培養(yǎng)技術(shù)在植物細(xì)胞生理和遺傳學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)研究中也有應(yīng)用。植物細(xì)胞融合是指使用人工的方法使兩個或兩個以上的細(xì)胞合并成一個細(xì)胞的技術(shù)。它經(jīng)過兩原生質(zhì)體或細(xì)胞互相靠近、質(zhì)膜融合

11、形成細(xì)胞橋、胞質(zhì)滲透、細(xì)胞核融合等步驟。其中細(xì)胞橋的形成是細(xì)胞融合的關(guān)鍵。利用體細(xì)胞融合技術(shù)可以克服有性雜交不親和性，創(chuàng)造新的物種或類型，實(shí)現(xiàn)植物種間、屬間，以至科間的體細(xì)胞雜交，如番茄+馬鈴薯、甘薯栽培種+野生種、甘藍(lán)+白菜、擬南芥+甘藍(lán)型油菜、酸橙+甜橙，紅橘+枳殼的雜種培育等。利用細(xì)胞融合技術(shù)，還獲得了一些特異的新種質(zhì)，如細(xì)胞質(zhì)雄性不育水稻、細(xì)胞質(zhì)雄性不育煙草等。盡管目前已在多種植物上建立了體細(xì)胞雜交和遺傳操作的技術(shù)程序，但還有相當(dāng)多的植物在原生質(zhì)體培養(yǎng)上存在技術(shù)困難，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科的交叉研究以及技術(shù)集成和創(chuàng)新。植物體細(xì)胞無性系變異與植物改良 在植株上發(fā)生的體細(xì)胞變異，未必都能通過性

12、細(xì)胞傳遞到后代，也未必都能通過枝條等營養(yǎng)器官體現(xiàn)在無性繁殖的后代中。為了篩選那些潛在的有利變異，科學(xué)家試圖通過在植物體外培養(yǎng)植物細(xì)胞，使它們成為大群體的植株，從而將細(xì)胞發(fā)生的變異表現(xiàn)出來。這些體細(xì)胞通過形成愈傷組織然后再生的植株群體，稱為體細(xì)胞無性系，在該群體中出現(xiàn)的變異稱為體細(xì)胞無性系變異。體細(xì)胞無性系變異主要包括基因突變和染色體的結(jié)構(gòu)變異和數(shù)目變異?？砂l(fā)生在體外培養(yǎng)之前，也可發(fā)生在體外培養(yǎng)過程之中。通過篩選體細(xì)胞無性系變異，曾得到優(yōu)良的小麥品種和花色改變的菊花等。利用人工誘變創(chuàng)造體細(xì)胞無性系變異，已成為植物細(xì)胞工程育種的重要技術(shù)。人工誘變方法包括物理誘變(7射線、x射線、中子、電子束、離子

13、束、激光、紫外線、空間環(huán)境)、化學(xué)誘變(甲基磺酸乙酯、秋水仙素、疊氮化鈉、平陽霉素、5-BU、EB等)和生物誘變(轉(zhuǎn)座子插入突變、跳躍基因等)。利用誘變技術(shù)對植物的種子、組織、器官等進(jìn)行處理，能夠增加體細(xì)胞無性系變異，獲得有益性狀突變，結(jié)合離體誘變篩選技術(shù)，能夠提高選擇和育種的效率。國內(nèi)外利用人工誘變結(jié)合組織培養(yǎng)技術(shù)，獲得了一大批植物新品種和新材料，其中以離體輻射誘變?nèi)〉玫某晒顬橥怀?，開創(chuàng)了空間環(huán)境誘變的新領(lǐng)域。植物快繁技術(shù)及其應(yīng)用植物快繁技術(shù)應(yīng)用于高附加值經(jīng)濟(jì)植物、珍稀瀕危植物、轉(zhuǎn)基因植物、育種原種以及植物脫毒苗的快繁，是植物細(xì)胞工程中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。利用超低溫保

14、存種質(zhì)法結(jié)合快繁技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)植物種質(zhì)資源的中長期保存和利用。植物快繁技術(shù)在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家均有商業(yè)化應(yīng)用，F(xiàn)AO將植物快繁技術(shù)作為成本效益高效型技術(shù)向發(fā)展中國家推廣。通過莖尖培養(yǎng)或利用組織培養(yǎng)技術(shù)結(jié)合物理、化學(xué)方法獲得無毒苗，已成為植物細(xì)胞工程技術(shù)的重要方面。我國開展植物快繁研究較早，20世紀(jì)70年代中期開始規(guī)模化植物快繁脫毒研究和應(yīng)用，植物種類包括果樹、蔬菜、花卉、林木、藥用植物等，其中以脫毒馬鈴薯、蘭花、甘蔗、香蕉、葡萄、草莓、蘋果、柑橘、楊樹等規(guī)模較大。植物細(xì)胞工程與植物來源生物產(chǎn)品的生產(chǎn) 利用植物細(xì)胞工程技術(shù)生產(chǎn)植物來源的生物產(chǎn)品，是植物細(xì)胞工程的一個重要領(lǐng)域，應(yīng)用范圍包括生產(chǎn)天然

15、藥物(人參皂苷、地高辛、紫杉醇、長春堿、紫草寧等)、食品添加劑(花青素、胡蘿卜素、甜菊苷等)、生物農(nóng)藥(魚藤堿、印楝素、除蟲菊酯等)和酶制劑(SOD酶、木瓜蛋白酶)等。利用細(xì)胞懸浮培養(yǎng)、固定化細(xì)胞培養(yǎng)和毛狀根培養(yǎng)技術(shù)設(shè)計生物反應(yīng)器，可以實(shí)現(xiàn)植物來源生物產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。建立在植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的植物來源生物產(chǎn)品的生產(chǎn)，經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，已發(fā)展成為比較成熟的技術(shù)，其技術(shù)體系包括篩選高產(chǎn)細(xì)胞系、選用合適的培養(yǎng)基(基本培養(yǎng)基、生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、飼喂前體、誘導(dǎo)子等)、優(yōu)化培養(yǎng)環(huán)境、發(fā)展固定化培養(yǎng)技術(shù)、改進(jìn)產(chǎn)品的分離和提取技術(shù)。發(fā)根農(nóng)桿菌能在無激素的條件下誘導(dǎo)植物產(chǎn)生毛狀根并快速生長，已應(yīng)用于次生代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。目前毛狀根生物反應(yīng)器已在紫草、人參、金雞納、甘草、煙草等植物中得到應(yīng)用，其中韓國已實(shí)現(xiàn)人參的不定根和毛狀根的工廠化生產(chǎn)。植物細(xì)胞生物反應(yīng)器由于技術(shù)、工藝和成本等原因，目前僅有少數(shù)產(chǎn)品(人參皂苷、紫草寧、紫紅素、綮衫醇等)在韓國、日本、德國等國家實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善和生產(chǎn)成本的降低，該技術(shù)在植物來源生物產(chǎn)品的生產(chǎn)方面將有廣