備課素材：植物細(xì)胞培養(yǎng)大量生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物 高二下生物人教版選擇性必修三

植物細(xì)胞培養(yǎng)大量生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物先看一道試題：

植物體在干旱、蟲害或微生物侵害等脅迫過程中會產(chǎn)生防御物質(zhì)，這類物質(zhì)屬于次生代謝產(chǎn)物。次生代謝產(chǎn)物在植物抗蟲、抗病等方面發(fā)揮作用，也是藥物、香料和色素等的重要來源。次生代謝產(chǎn)物X的研發(fā)流程如下：篩選高產(chǎn)細(xì)胞→細(xì)胞生長和產(chǎn)物X合成關(guān)系的確定→發(fā)酵生產(chǎn)X回答下列問題：（1）獲得高產(chǎn)細(xì)胞時(shí)，以X含量高的植物品種的器官和組織作為_____，經(jīng)脫分化形成愈傷組織，然后通過液體振蕩和用一定孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行_____獲得分散的單細(xì)胞。（2）對分離獲得的單細(xì)胞進(jìn)行_____培養(yǎng)，并通過添加_____或營養(yǎng)缺陷培養(yǎng)方法獲取細(xì)胞周期同步、遺傳和代謝穩(wěn)定、來源單一的細(xì)胞群。為進(jìn)一步提高目標(biāo)細(xì)胞的X含量，將微生物菌體或其產(chǎn)物作為誘導(dǎo)子加入到培養(yǎng)基中，該過程模擬了_____的脅迫。（3）在大規(guī)模培養(yǎng)高產(chǎn)細(xì)胞前，需了解植物細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的關(guān)系。培養(yǎng)細(xì)胞生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物的模型分為3種，如圖所示。若X只在細(xì)胞生長停止后才能合成，則X的合成符合圖_____（填“甲”“乙”“丙”），根據(jù)該圖所示的關(guān)系，從培養(yǎng)階段及其目標(biāo)角度，提出獲得大量X的方法。_____（4）多種次生代謝產(chǎn)物在根部合成與積累，如人參、三葉青等藥用植物，可通過_____培養(yǎng)替代細(xì)胞懸浮培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物。隨著基因組測序和功能基因組學(xué)的發(fā)展，在全面了解生物體合成某次生代謝產(chǎn)物的_____和_____的基礎(chǔ)上，可利用合成生物學(xué)的方法改造酵母菌等微生物，利用_____工程生產(chǎn)植物的次生代謝產(chǎn)物。

【解析】（1）植物體的器官和組織、細(xì)胞都可以作為外植體，經(jīng)脫分化形成愈傷組織，將愈傷組織進(jìn)行振蕩培養(yǎng)，使其分散成小的細(xì)胞團(tuán)或單細(xì)胞，然后用適當(dāng)孔徑的不銹鋼篩網(wǎng)過濾，除去大的細(xì)胞團(tuán)和殘?jiān)?，離心除去小的殘?jiān)?，得到單?xì)胞懸浮液。（2）分離獲得的單細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，并通過添加過量胸苷，（向細(xì)胞培養(yǎng)液中加入過量胸苷（TdR），處于S期的細(xì)胞立刻被抑制，洗去TdR后可恢復(fù)正常分裂，而處于其它時(shí)期的細(xì)胞不受過量TdR影響）或營養(yǎng)缺陷培養(yǎng)方法獲取細(xì)胞周期同步、遺傳和代謝穩(wěn)定、來源單一的細(xì)胞群。將微生物菌體或其產(chǎn)物作為誘導(dǎo)子加入到培養(yǎng)基中，模擬了微生物侵害的迫害條件。（3）由題可知X只在細(xì)胞生長停止后才能合成，所以丙圖符合。所以要獲得大量X的方法，是將細(xì)胞培養(yǎng)知穩(wěn)定期（即停止生長時(shí)期）一定時(shí)間后，通過分離提純獲得大量X。（4）由題知，多種次生代謝產(chǎn)物在根部合成與積累，所以要對根進(jìn)行培養(yǎng)，為了方便進(jìn)行次生代謝物的收集，可以對根進(jìn)行水培。要大量獲得次生代謝物可以通過基因工程，將相關(guān)基因轉(zhuǎn)入酵母菌體內(nèi)，然后通過發(fā)酵工程獲得，基因工程的前提是要了解生物體合成某次生代謝產(chǎn)物的相關(guān)基因組成和基因表達(dá)過程?！敬鸢浮浚?）外植體

過濾（2）擴(kuò)大

過量的胸苷

微生物侵害（3）丙

將細(xì)胞培養(yǎng)至穩(wěn)定期（即停止生長時(shí)期）一定時(shí)間后，通過分離提純獲得大量X（4）根的水培養(yǎng)

相關(guān)基因組成

基因表達(dá)過程

基因工程和發(fā)酵這是2024年6月浙江高考生物23題，涉及到次生代謝產(chǎn)物的合成。2020版高中生物學(xué)選擇性必修三簡單提到了利用利用植物細(xì)胞培養(yǎng)工廠化生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物：那么，如何利用利用植物細(xì)胞培養(yǎng)工廠化生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物？植物細(xì)胞大量培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物基本包括3個(gè)步驟：一是誘導(dǎo)植物產(chǎn)生旺盛生長的愈傷組織和懸浮細(xì)胞系；二是篩選高產(chǎn)細(xì)胞系；三是生物反應(yīng)器中大量培養(yǎng)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)，并適時(shí)采收。1.誘導(dǎo)植物產(chǎn)生旺盛生長的愈傷組織和懸浮細(xì)胞系選擇生長健壯的植株，一般在生長活躍、合成目的產(chǎn)物較多的部位取材，進(jìn)行愈傷組織的培養(yǎng)，此時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行培養(yǎng)基的選擇。愈傷組織長大后，轉(zhuǎn)移到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行振蕩培養(yǎng)以分散細(xì)胞得到懸浮細(xì)胞系。2.篩選高產(chǎn)細(xì)胞系和培養(yǎng)基的選擇利用單細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)方法獲得生長迅速的單細(xì)胞克隆產(chǎn)生的愈傷組織，然后檢測每一個(gè)克隆的特定次生代謝產(chǎn)物的含量，選擇高產(chǎn)的細(xì)胞系。將其繼代培養(yǎng)多次后，若產(chǎn)物的含量仍保持在高水平，即可認(rèn)為它們是穩(wěn)定的高產(chǎn)細(xì)胞系。但許多研究表明，適合細(xì)胞生長的培養(yǎng)基并不一定適合目的產(chǎn)物的生產(chǎn)。因此，在植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)中常采用兩步培養(yǎng)法。即首先將細(xì)胞培養(yǎng)在生長培養(yǎng)基上，促進(jìn)細(xì)胞快速增殖，然后轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)培養(yǎng)基上促進(jìn)細(xì)胞合成目的次生代謝產(chǎn)物。培養(yǎng)基中需要注意以下3個(gè)成分：植物生長物質(zhì)：對培養(yǎng)細(xì)胞中次生代謝物質(zhì)的合成起著重要作用，但其不同種類和濃度對各種次生代謝物質(zhì)的產(chǎn)生有不同的影響，在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定。例如，添加適當(dāng)濃度的BA和KT可提高紫杉醇的積累。前體：在利用植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物的過程中，有時(shí)目的產(chǎn)物的得率不理想，可能的原因之一就是缺少合成這種代謝物質(zhì)的前體物質(zhì)。在這種情況下，如果加入外源前體，就有可能使目的產(chǎn)物的產(chǎn)量大大提高。但是植物的次生代謝是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過程，對某一產(chǎn)物來講可能的多種前體，而同一種前體物質(zhì)又可能有多條代謝途徑，從而形成不同的產(chǎn)物。因此添加前體物質(zhì)應(yīng)該在充分了解目的產(chǎn)物代謝途徑的前提下，針對其合成的關(guān)鍵生化過程添加相應(yīng)的前體（選考試題填空的來源），當(dāng)然添加前體的量也很重要。誘導(dǎo)子：誘導(dǎo)子也叫激發(fā)子，是指能引起植物細(xì)胞某些代謝強(qiáng)度或代謝途徑改變的物質(zhì)。從來源上可以分為生物誘導(dǎo)子和非生物誘導(dǎo)子兩類：非生物誘導(dǎo)子指紫外線輻射、金屬離子等；生物誘導(dǎo)子多來源于微生物，如經(jīng)過處理的菌絲體、微生物提取物和微生物產(chǎn)生的多糖、蛋白質(zhì)及植物細(xì)胞壁的分離物，目前應(yīng)用較多的是真菌誘導(dǎo)子（試題中填空微生物脅迫來源）。在一些不良環(huán)境或微生物入侵的情況下，細(xì)胞的次生代謝活動顯著增強(qiáng)。而且研究顯示，由環(huán)境刺激引起的代謝及其積累的產(chǎn)物大多也是培養(yǎng)細(xì)胞的目的產(chǎn)物。因此，合理地利用這些誘導(dǎo)子就有可能提高目的產(chǎn)物的含量。3.生物反應(yīng)器中大量培養(yǎng)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)，并適時(shí)采收一般來說，適合植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的反應(yīng)器應(yīng)該具有合適的氧傳遞、良好的流動性和低的剪切力。目前已有多種類型的生物反應(yīng)器被用于植物細(xì)胞培養(yǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)植物細(xì)胞的種類和特點(diǎn)選擇。有攪拌式反應(yīng)器、氣動式生物反應(yīng)器、固定化細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)、霧化生物反應(yīng)器等。其中，攪拌式反應(yīng)器是傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)裝置，改進(jìn)后也可用于植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)。另外，培養(yǎng)條件的選擇也很重要，如光、溫度和pH等條件，很多研究表明，細(xì)胞培養(yǎng)中光照時(shí)間的長短以及光質(zhì)和光照對不少次生代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)都有影響。溫度通常在25℃左右，不同的細(xì)胞培養(yǎng)物的最適生長溫度不同，即使是同種細(xì)胞培養(yǎng)物，其產(chǎn)生目的產(chǎn)物的最適溫度和細(xì)胞生長的最適溫度也有可能不同，這種情況下，一般是先將植物組織培養(yǎng)在適宜于其生長的溫度條件下迅速增殖，然后在適于次生產(chǎn)物合成的溫度下大量產(chǎn)生的目的產(chǎn)物（詮釋了試題中出現(xiàn)的細(xì)胞生物量和產(chǎn)物的不同步，如何采取一定的獲取次生代謝產(chǎn)物）。植物細(xì)胞的培養(yǎng)pH一般在5.6～6.0范圍內(nèi)進(jìn)行。生產(chǎn)