植物细胞工程应用及发展前景

植物细胞工程应用及发展前景

摘要本文主要阐述了植物细胞工程的发展前景及在农业、园林、医药、转基因技术中的应用现状。植物细胞工程是一门以植物组织培养为基础, 具有广泛应用前景和实用价值的生物技术。目前根据人们的需要已经相继完善和发展了一些具有特色的实用技术, 这些技术的发展和应用, 使植物细胞工程在人类现代生活中的地位更加突出, 并发挥着越来越重要的用。关键词植物细胞工程应用发展前景

正文

植物细胞工程是一门以植物组织培养为基础,具有广泛应用前景和实用价值的生物技术。随着该技术的不断完善和发展, 植物细胞工程已经在部分经济植物的育种和繁殖中发挥着十分重要的作用。目前根据人们的需要已经相继完善和发展了一些具有特色的实用技术, 包括植物细胞培养技术、无性快繁技术、制备转基因植物、单倍体育种及胚胎培养等。这些技术的发展和应用, 使得植物细胞工程在人类的现代生活中的地位更加突出, 并在经济植物快繁、植物新品种选育和有用次生代谢产物的生产方面发挥了重要的作用。

1 培养植物细胞

获得生物产品对于人类来说, 植物次生代谢产物一直是药物和工业原料的重要来源, 同时很多植物次生代谢产物又是优良的食品添加剂和名贵的化妆品原料, 有些甚至是生物毒素的主要来源, 可以用于杀虫、杀菌而对环境和人畜无害。植物细胞培养作为重组蛋白的生产系统, 集合了微生物发酵、动物细胞培养和完整植株培养系统的很多优点。可以利用植物细胞悬浮培养、固定化培养及各种生物反应器实现次生代谢产物尤其是药用植物成分的大量生产, 这对实现中药技术现代化具有重要意义。目前, 我国的药用植物细胞培养技术取得了很大进展。以细胞培养技术为主要手段的商品化生产药用植物天然产物的工业正在迅速崛起。如人参、毛地黄、萝芙木、紫草、黄连等已实现了工业化生产。人参根的培养已达到了200升发酵罐。红花细胞培养的研究也进入了中间试验水平。除此之外, 我国科研人员还进行了当归、青蒿、长春花、紫背天葵、延胡索等药用植物的细胞工程研究。新疆紫草、人参的细胞培养进入了工业化生产。据统计, 现在已经能从400多种药用植物中建立了植物组织和细胞培养物, 从中分离出600 多种代谢产物。但由于技术上的原因, 与人类所需相比仅有少数的物质可用细胞培养的方法来生产, 主要困难是在一些培养的组织细胞中次生代谢产物的含量极低。因此开展旨在提高药用有效成分的细胞培养及次生代谢调控工作是一项很有应用前景的探索性研究工作。

2 植物无性快繁技术

植物无性快繁技术是指利用离体培养技术, 将来自优良植株的茎尖、腋芽、叶片、鳞片等器官、组织和细胞进行离体培养, 在短期内获得大量遗传性状一致的个体的方法[ 1 ] 。植物快繁的速率是相当惊人的。如大花蕙兰的快速繁殖, 在适宜的条件下, 一个大花蕙兰的圆球茎在一个半月里可以增殖出6个圆球茎, 每年可继代培养8次, 一年之内就可以繁殖出85 = 2097152个圆球茎, 这些圆球茎又可以进一步长成有商品价值的试管苗。植物快速繁殖技术在园艺和农业上有广泛的应用。首先, 可应用于杂合植物材料的大量繁殖, 许多优良观赏植物和经济植物的所谓! 品种∀都是杂种, 一旦有性繁殖, 后代性状分离则不能得到性状均一的植株, 通过无性繁殖能够保持杂合性, 并且大量生产性状均一的商品苗。其次可应用于脱病毒种苗生产。长时期营养繁殖的农作物和果树往往感染和积累了许病毒, 通过茎尖培养可以脱除病毒, 并进行无毒苗的大量生产。近年来我国出现了许多脱毒试管苗工厂。广东新会和顺德已建立了两个年产百万株试管苗的工厂。新会的试管苗厂扩建后, 目前年生产能力达到2000 万株。同时对香蕉的主要病害香蕉花叶病和束顶病进行了研究。另

外, 内蒙古、黑龙江、湖南、湖北、河南、甘肃等地建立了生产脱毒种薯的原种场。脱毒马

铃薯已经推广了近30 万公顷, 平均增产50% 以上。目前,草莓、苹果、柑橘、葡萄等经济作物都已建立了脱毒苗技术[ 2] 。随着快繁技术的发展及细胞工程与发酵工程的结合应用, 出现了植物快繁生物反应器, 为植物快60繁技术带来了根本性变革, 成为快繁技术发展的新方向[ 3] 。植物快繁技术具有生产规模大、便于自动化控制、显著降低玻璃苗的比例、降低成本和污染及节约人力资源等特点。目前已在木薯、马铃薯、咖啡、橡胶、菠萝、甘蔗、苹果等作物上获得成功。利用生物反应器生产大量的繁殖体和制作人工种子, 可以实现人工种子的规模化, 为植物快繁、杂种优势利用和种业发展带来革命性的变化。

3 植物遗传转化技术

植物遗传转化是植物细胞工程中一项十分重要的技术。它是指在人工控制条件下通过某种外源基因转移方法, 将含有目的基因和标记基因的重组质粒或DNA 片段导入植物不同生活状态的细胞、组织或器官中去, 在经过适宜条件的筛选, 以期获得带有特殊遗传性状的细胞株或转基因再生植株的一套系统工程技术。植物遗传转化技术是目前建立转基因再生植株的重要方法。可以通过农杆菌转化法、基因枪法、PEG 介导转化法、电孔击穿法、激光微束转化技术、植物生殖细胞转化法、超声波转化法、脂质体介导转化法、病毒介导转化法等方法建立多种转基因再生植株。例如通过农杆菌介导将甜菜碱醛脱氢酶基因导入豆瓣菜, 使转基因植物中甜菜碱醛脱氢酶活性和甜菜碱含量增高, 通过提高豆瓣菜的调渗能力而增加抗盐性, 使有预防肿瘤功效的豆瓣菜能够生长在盐碱地区。遗传转化技术对中药现代化也有很大促进作用, 例如石斛具有滋阴清热, 养胃生津, 润肺止咳, 益肾明目的功效,药用价值很高。石斛的育种一直以自然选育为主,随着转基因技术的发展, 目前可以通过基因枪转化法、PEG 介导转化法、农杆菌转化法、电孔击穿法等对其进行转基因育种, 能够得到更具有经济价值的品种[ 4] 。

4 单倍体育种

高等植物的孢子体一般都是二倍体, 而高等植物的配子体, 如被子植物的花粉和胚囊, 其细胞中只含有一套染色体, 为单倍体。在特定情况下, 被子植物的花粉或卵细胞未经受精作用也可以发育为植株, 是单倍体植株。单倍体植株经过染色体加倍后就成为加倍单倍体( DH 系) 或者纯合二倍体,不仅可育, 而且在遗传上是纯合的。由于DH 系或纯合二倍体在遗传上是高度纯合的, 如果在育种工作中把单倍体植株作为一个环节, 就能够很快获得纯系, 加快育种速度, 并能创造出植物的新类型。传统育种杂种自交5代以后可以产生一些同质配子结合的纯合植株, 6- 8代才可选育出新品系。将单倍体技术应用于常规育种,如花药培养或远源花粉授粉诱导孤雌生殖的方法,产生单倍体植株, 在经过染色体加倍, 就可以得到纯合二倍体。这样从杂交到获得不分离的纯系, 有些只需要2年时间, 大大缩短了育种年限。我国是最早利用花药培养和加倍花粉单倍体育成新品种的国家之一, 育成了数十种烟草、水稻、小麦、玉米和辣椒新品种。例如中国农业科学院李梅芳教授通过花药培养培育出一系列水稻新品种,具有高产、抗病和优质特性。2000 年以前国家级的科研计划一直支持单倍体诱导技术和单倍体育种的研究, 研究成果也处于世界前列。目前由于基因工程的安全性受到质疑, 转基因品种的应用受到许多限制。在这种情况下, 可以预料细胞工程作为一种高效、安全的!绿色生物技术∀仍将受到各国政府, 特别是育种公司的重视。

5 胚胎培养

5．1 胚胎拯救

在种间杂交和属间杂交时, 杂种的合子和胚乳核均包含两个遗传结构不同的基因组。在形成胚和胚乳的过程中两个基因组的表达不协调, 导致杂种胚乳和胚发育不正常, 不能形成有萌发能力的种子。在多种情况下是杂种胚乳最先败育, 而胚仍然是健康的, 此时进行离体胚培养, 可以将杂种幼胚培养成植株, 称为胚胎拯救。胚胎拯救已经被广泛应用于各种经济植物的远源杂交育种, 获得了许多用常规方法难以获得的稀有杂种。禾谷类植物远源杂交