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。