细胞工程论文

植物细胞工程研究应用与展望摘要：本文介绍了植物细胞工程基础研究的发展现状,，以及植物细胞工程的基础研究。

包括胚胎培养和试管受精，加倍单倍体技术，单倍体育种等。

关键词：植物细胞工程；研究应用；展望一、前景植物细胞工程（Plant cell engineering）是以植物细胞全能性为理论基础,以植物组织与细胞培养为技术支持,在细胞和亚细胞水平对植物进行遗传操作,实现植物改良和利用,或获得植物来源的生物产品的科学技术。

植物细胞工程具有科学和技术双重特征,经过多年的探索和发展,已成为当代生物科学中一个重要学科和现代生物技术的重要组成部分。

二、植物细胞工程基础研究植物细胞工程是建立在现代生物科学和工程技术基础上的科学技术。

它的发展有赖于植物学、植物论文生理学、遗传学、分子生物学、植物营养学、环境工程学等学科的发展与进步,可为生物科学的基础研究提供重要的技术手段[1]。

植物发育生物学是现代植物科学的重要研究内容。

离体培养的器官发生和体细胞胚发生及其调控已成为研究植物形态建成的良好实验体系,极大地丰富了植物发育生物学的内容,加速了其发展。

原生质体培养为单细胞研究提供了良好的实验技术体系,已应用于植物细胞分裂、基因表达、核质关系、细胞壁生物学、植物激素的作用机理、物质跨膜运输等研究领域。

利用离体突变技术,已分离和鉴定了许多与植物发育有关的基因,为揭示植物遗传与发育调控的分子机理奠定了基础。

利用花培加倍单倍体技术获得纯系的方法,为有性繁殖植物遗传分离群体的构建提供了有效途径,进而可为遗传图谱的构建、基因定位提供稳定的基础材料,促进了植物遗传学的发展。

同时植物组织培养技术也为植物矿质营养、有机营养代谢,植物病理学等研究提供技术手段。

建立植物高效再生体系是植物细胞工程研究的重要领域。

研究表明,植物再生能力表现出基因型依赖性(genotype-dependent),同时受到外植体生理状况、培养条件(培养基、培养环境)的影响。

植物激素诱导的信号传递在细胞分裂、极性确定、器官分化、胚状体的发育等离体培养过程中起重要作用。

在植物离体形态建成中,生长素与细胞分裂素的比例是重要因素,其他激素可以直接或间接影响形态建成。

尽管植物激素一直是植物离体培养研究的热点,但其作用还受到营养条件(培养基)、环境条件(光照、温度、湿度、气体)等的影响。

目前植物离体培养研究以细胞水平上的居多,分子水平上的研究相对较少。

近年来随着现代分子生物学技术的发展,已分离和鉴定出一批与植物花器官、茎、叶和根器官发育有关的基因[2]。

植物离体培养中器官分化和胚状体的发育是基因差异表达的结果,重新确立基因程序化表达是多种因素共同作用的结果。

植物离体培养的细胞学和分子生物学方面的证据对揭示植物离体培养的分子机理有重要作用,但目前获得的证据是不完整的,还不能够描绘出基因程序化表达的蓝图。

植物离体培养分子机理研究的深入,不仅可以丰富植物分子发育生物学的内容,还可为植物器官发生和体细胞胚发生调控及植物组织培养技术改进提供依据。

三、植物细胞工程技术及其应用3. 1 胚胎培养和试管受精胚胎培养技术主要应用于一些亚洲国家。

已经有100篇以上幼胚培养成为植株的报道,有40多个杂种胚培养成功。

印度科学家在栽培种菜豆、黄麻和花生的远缘杂交中获得了理想的重组体。

日本科学家获得了3个柑桔属、李属和芸苔属品种和5个百合栽培种。

中国农科院蔬菜所培养结球甘蓝和大白菜的杂种胚得到了种间杂种。

中科院植物所和北京市农科院合作育成早熟桃新品种“京早3号”,成熟期比一般早熟桃提前15-20天。

西北植物所得到了节节草和普通小麦的属向杂种。

中国农科院棉花所获得了栽培棉和野生棉的种间杂种。

大麦+小麦、大麦+提莫菲维小麦、小麦+冰草(育成新品种小堰6号)、小麦+大赖草、小麦+簇毛麦、小麦+黑麦、硬粒小麦+簇毛麦等也通过胚培养获得了杂种。

烟草属间杂种、水稻品种间杂种也已经得到。

3.2 加倍单倍体技术加倍单倍体技术及其应用加倍单倍体技术(Double haploid Technology)是指利用植物组织培养技术培养单倍体植物材料(花药、花粉、未受精的子房和胚珠)获得单倍体植物,然后通过自然或人工加倍的方法获得双倍体植株的技术,其中以花药和花粉培养应用最为广泛。

利用加倍单倍体技术进行花药和花粉培养,已在250多种植物上获得成功,中国、加拿大、澳大利亚、欧盟等在花培育种中取得了突出的研究成果。

我国在花药培养和单倍体育种方面总体上处于世界前列,由朱自清等研制的N6培养基广泛应用于禾本科植物的花药和花粉培养,已成为国内外花培的通用培养基[3]。

利用花培技术,我国在水稻、小麦、油菜、大麦、甜椒等作物上培养了许多新品种,中花系列水稻品种、京花系列小麦、华油一号油菜等一大批育成品种的推广,取得了较好的社会效益和经济效益。

利用花培技术获得染色体代换系、附加系,已应用于小麦、大麦以及一些茄科植物的遗传改良,大大提高了远缘杂交育种的效率。

雌核发育(Gynogenesis)是植物存在的自然现象,在离体条件下可以通过培养未受精的子房和胚珠产生单倍体植株,也可以在活体条件下通过授以不同种类的花粉或通过物理方法处理(如辐照处理)的花粉,诱导雌核发育[4],目前已在小麦、水稻、玉米、甜菜、向日葵、马铃薯、西葫芦、洋葱、黄瓜、非洲菊、百合、小黑杨、三叶橡胶、烟草、矮牵牛等10多种植物上获得成功。

离体条件下诱导孤雌生殖获得加倍单倍体的技术发展时间不长,现已开始应用于作物的改良、构建遗传分析和转基因的受体材料。

3.3 单倍体育种花粉和花药培养技术在育种上的应用研究,亚太地区一直处于领先的地位。

1964年,印度的Guha和Maheshwari培养毛叶曼陀罗花药获得了第一棵单倍体植株[5]。

印度科学家应用这种方法培育的水稻品系比对照提高产量15%-49%。

韩国获得了2个水稻新品种。

日本也培育了具有耐寒性和口味较好的水稻品种、具有耐寒性和形状一致的花茎甘蓝品种及具有特别的橙色的卷心菜品种等。

迄今为止,通过花粉和花药培养已获得了几百种植物的单倍体植株。

我国于1970年开始这方面的研究,并在70年代成为一个热点,也取得了很大的成果。

培育40种以上植物的花粉或花药发育成单倍体植株,其中小麦、黑麦、小冰麦、玉米、橡胶树、杨树、辣椒、甜菜、白菜、油菜、柑桔、甘蔗、大豆、葡萄和苹果等的单倍体植株为我国首创。

通过单倍体育种获得了水稻、小麦、烟草、辣椒和甜椒新品种,如单育1号、2号、3号烟草新品种,京花1号、2号等6个小麦新品种,中花8号、9号等15个水稻新品种,总种植面积达1000万亩。

玉米获得了100多个纯合的自交系,橡胶获得了二倍体和三倍体植株。

3.4 植物细胞工程技术及分支技术的研究进展植物细胞工程与植物来源生物产品的生产利用植物细胞工程技术生产植物来源的生物产品,是植物细胞工程的一个重要领域,应用范围包括生产天然药物(人参皂苷、地高辛、紫杉醇、长春碱、紫草宁等)、食品添加剂(花青素、胡萝卜素、甜菊苷等)、生物农药(鱼藤碱、印楝素、除虫菊酯等)和酶制剂(SOD酶、木瓜蛋白酶)等[6]。

利用细胞悬浮培养、固定化细胞培养和毛状根培养技术设计生物反应器,可以实现植物来源生物产品的规模化生产。

建立在植物细胞培养技术基础上的植物来源生物产品的生产,经过多年的研究与开发,已发展成为比较成熟的技术,其技术体系包括筛选高产细胞系、选用合适的培养基(基本培养基、生长调节物质、饲喂前体、诱导子等)、优化培养环境、发展固定化培养技术、改进产品的分离和提取技术。

发根农杆菌(Agrobacteriumrhizogens)能在无激素的条件下诱导植物产生毛状根并快速生长,已应用于次生代谢产物的生产。

目前毛状根生物反应器已在紫草、人参、金鸡纳、甘草、烟草等植物中得到应用,其中韩国已实现人参的不定根和毛状根的工厂化生产[6]。

植物细胞生物反应器由于技术、工艺和成本等原因,目前仅有少数产品(人参皂苷、紫草宁、紫红素、紫衫醇等)在韩国、日本、德国等国家实现了商业化应用。

随着技术的进一步完善和生产成本的降低,该技术在植物来源生物产品的生产方面将有广阔的发展前景。

四、植物细胞工程展望加强植物细胞工程基础研究植物细胞工程的发展有赖于基础科学的进步与发展。

应用现代分子生物学理论和技术研究植物细胞全能性表达、细胞脱分化、器官发生和形态建成相关基因的功能和表达调控,将揭示植物再生的分子基础,有利于实现植物再生的人工调控。

同时,加强植物代谢工程的基础研究,加快植物细胞工程与植物基因工程的整合,结合分子标记辅助育种技术,将大大推进转基因植物、植物生物反应器的研究和应用。

完善植物细胞工程技术体系植物细胞工程技术体系是植物组织培养技术的集成和优化。

培养和选育高效型的优良细胞株系,建立植物高频率再生体系,优化突变体筛选、无糖培养和快繁技术,开发适合规模生产的低成本培养基,优化植物细胞生物反应器的设计和工艺,加强计算机技术和自动化控制技术在植物细胞工程中的应用,形成一套集成创新的技术体系,将推动植物细胞工程技术向高效、可控和多样化的方向发展。

开拓新的研究和应用领域植物细胞工程技术是现代生物技术中发展比较成熟的技术,是植物改良的有效途径和方法。

随着现代农业的不断拓展,植物细胞工程技术应不断开拓新的应用领域,如推动植物细胞工程技术与空间技术的结合,发展空间细胞融合技术,加强海洋生物技术的应用,利用植物细胞工程技术培育海藻新品种,生产海洋来源的植物功能产品,开拓植物细胞工程在环境保护中的应用等。

加快植物细胞工程技术的应用植物细胞工程技术的应用,催生了一大批先进实用的研究成果和技术,培育了一批优良品种。

在大力推广常规脱毒和快繁技术的同时,加快发展植物快繁生物反应器和光自养微繁技术,将为种苗业带来新的变革。

生产微型营养器官的人工种子可能成为最先规模化应用的人工种子技术,以体细胞胚为繁殖体的人工种子技术需要进一步研究和完善。

应用植物细胞培养技术生产植物来源的生物产品,尽管目前仅在少数植物上实现了商业化生产,但随着植物细胞工程生物反应器技术的完善,其应用领域将进一步扩大。

重视植物细胞工程质量管理植物细胞工程技术呈现发展规模化、管理规范化和操作自动化的趋势。

目前国外一些国家在组织培养实验室、种苗快繁的质量管理以及植物来源生物产品的生产和质量管理中实行良好实验室规范(GLP)、良好生产规范(GMP)和危害分析和关键控制点(HACCP)系统,我国一些植物快繁企业也开展了GMP论证。

植物细胞工程技术在产生巨大的社会经济效益的同时,必然对其技术产品的质量管理提出更高的要求。

植物细胞工程的研究与应用,推动了现代生物技术的发展。

作为一个相对独立的学科和技术体系,植物细胞工程为高效、优质、可持续的现代农业做出了重大贡献。