第五章 植物细胞工程

第三节 植物细胞培养的基本技术
一、植物材料的准备 用于植物组织培养的外植体，必须是无杂菌 材料。微生物在接触培养基时会大量繁殖， 抑制培养物的生长，因此需灭菌处理。
许多化学试剂均能作为表面灭菌剂使用，原
则上应尽可能选择那些灭菌后易于除去或容 易分解的试剂。
灭菌剂的选择和处理时间的长短取决于
无菌水冲洗，再剖除内部组 织的种子 无菌水洗3次
获得无菌苗
自来水洗净， 茎切段 再用酒精洗
储藏器官
自来水洗
20g/L次氯酸钠浸 20~30min
无菌水洗3次，滤纸吸干 选取嫩叶、平 放在琼脂上
叶片
自来水，吸 干，纯酒精
1g/L氯化汞浸1min
无菌水反复冲洗，滤纸吸干
植物材料灭菌后，即可进行培养。接种的外
分生组织细胞。
9、外植体
用于植物组织（细胞）培养的器官或组织
（的切段）。
植物的各部位如根、茎、叶、花、果、穗、
胚珠、胚乳、花药和花粉等均可作为外植体 进行组织培养。
10、器官形成
指在组织培养或悬浮培养物中芽、根或花等
器官的分化与形成。
或者在先形成的小根基部迅速形成愈伤组织，
然后再形成芽；或者在不同部位分别形成芽 和根之后，再形成锥管组织而将二者连成一 个轴，最后形成小植株。
14、次级代谢和次级代谢产物
除了核酸、核苷、核苷酸、氨基酸、蛋白质
及糖类以外，具有如下特征的成分：有明显 的分类学区域界限；其合成需在一定的条件 下才能发生；缺乏明确的生理功能；是生命 的多余成分。
定义：次级代谢作用是特殊蛋白质内源化合
物的合成、代谢及分解作用的综合体现。生 物碱、黄酮体、萜类、有机酸、木质素等。
圆形和椭圆形；排列紧密的细胞多呈角形； 具有支持作用的细胞，细胞壁常增厚，呈类 圆形、纺锤形等；具有输导作用的细胞则多 呈管状。
植物细胞大小不一。植物基本组织细胞
体积较大，种子植物薄壁细胞的直径在 20~100微米之间；储藏组织细胞的直径 可达1mm。
二、植物细胞的结构特征
植物细胞包括细胞壁和原生质体两部分，原
植物组织、器官培养技术；
细胞培养技术； 植物细胞工程 原生质体融合与培养技术；
亚细胞水平的操作技术等。
目的：获得新性状、新个体、新物质。
第一节 基本概念
1、植物细胞的全能性

定义：生物体的细胞具有使后代细胞形成完整个体的潜能的 特性。即植物体活细胞在一定条件下具有发育成完整植株的 能力。 细胞全能性的原因：每个细胞含有该物种所特有的全套遗传 物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因。 全能性最高的细胞：受精卵。受精卵>生殖细胞>体细胞。 生物体内细胞没有表现出全能性的原因：生物不同细胞的基 因选择性表达结果。 如何使植物细胞表现出全能性？ 植物生长所需的营养物质、激素及适宜的温度、酸碱度等。
糖苷（glycosides）是指某些有机化合物和糖经苷
键结合而成的化合物，例如黄酮苷是黄酮苷元和糖 连接而成。

对疾病有很好的治疗作用，如洋地黄毒苷有强心作 用；大黄中的蒽醌苷有强烈的泻下作用；紫草中紫
草宁是紫草中蒽醌类化合物的总称，除作为天然色
素（如口红）外，还有抗癌活性。
（3）挥发油
挥发油（volatile
以植物细胞为基本单位，应用细胞生物学、分子生 物学等理论和技术，在离体条件下进行培养、繁殖或人
为的精细操作，使细胞的某些生物学特性按人们的意愿
发生改变，从而改良品种、创造新物种、加速繁殖植物
个体或获得有用物质的过程。
它是在植物组织培养的基础上发展起来的，因此植 物细胞工程也是广义概念上的植物组织培养。

时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同 的形态结构和功能；
空间上的分化：同一细胞后代，由于所处的环境不同而可 以有相异的形态结构和功能。 细胞分化是一个复杂的生物化学过程，它是以内部生理生 化变化为基础，同时又受到外界条件的调控，包括营养物 质和激素的种类和配比、光照等。


4、脱分化
剪切能力小，传统的搅拌式生物反应器 容易损坏植物细胞的细胞壁。
④
植物细胞培养基黏度比较高，且随培
养时间的延长，细胞数量呈指数上升。
⑤
所有的植物都是好气性的，因此培养
过程中需要不断地供氧。
⑥
大多数植物细胞液体培养的pH为5~7，在
此pH水平，通气速率过高会驱除二氧化碳
而抑制细胞生长，这个问题可通过在通气过
11、无性繁殖
又叫克隆，指使用母体培养物反复进行继代
培养时，通过同种外植体而获得越来越多的 无性繁殖后代。 12、突变体
细胞本身发生遗传变异或应用诱变处理发生
的遗传变异所得的新细胞。
13、继代培养
由最初的外植体上切下的新增殖的组织，培
养一代称为“第一代培养”，连续多代的培 养就称为继代培养。
酶（enzymes）是一种有机催化剂。酶反应一
般在常温、常压、中性水溶液中进行，高温、 强酸、强碱和某些重金属离子，会使其失活。
（2）维生素
维生素（vitamin）是一类复杂的有机
物，常参与酶的形成，对植物的生长、
呼吸和物质代谢有调节作用，如对难以
生根的植物，用维生素B12处理后可促
进不定根的生长。
自此植物器官与营养需求之间关系研究、原
生质体、培养基以及培养方法的研究获得了 高度重视，基因工程技术也被用于植物次级 代谢产物的生产中。
第三节 植物细胞的形态结构及生理特性
一、植物细胞的形态
植物细胞的形态多种多样，随植物种类、存
在部位和功能的不同而异。
游离的或排列疏松的薄壁细胞多呈球形、类
15、愈伤组织
指从植物受伤部位或组织培养物产生的由分
化和未分化细胞组成的一类薄壁组织。多为 淡黄色或白色，易于再生芽。
它由活的薄壁细胞组成。在离体培养条件下，
外植体中的活细胞经诱导脱分化，恢复其潜 在的全能性，转变为分生细胞，继而其衍生 的细胞分化为薄壁组织而形成愈伤组织。
第二节 植物细胞工程发展简史
产生杀菌的物质，称为植物杀菌素。
2、细胞后含物
（1）生物碱
生物碱（alkaloid）是一类含氮的有机化合
物，广布于植物界。
含生物碱较多的植物科有：茄科、罂粟科、
小檗科、豆科、夹竹桃科等。
中草药中含有多种生物碱，如麻黄碱、咖啡、
阿托品、喹啉、黄连素等，其生理活性都很 强。
（2）糖苷类

程中加入一定浓度的二氧化碳来解决。
⑦ ⑧
注意光照的影响，防止局部过热。 需要采用化学或机械的方法控制植物细
胞液体培养过程中的泡沫，否则，可能影响 混合和培养过程的稳定性。
⑨
在植物细胞液体培养过程中，细胞可
能会黏附于培养的反应器壁、电极或挡 板的表面上。通过改变培养基中某些离 子的成分，可使表面吸附问题得到一定 程度的改善。
生质体包括细胞质、细胞核、液泡。
与动物细胞及微生物细胞相比，植物细胞有3
个特点，即具有细胞壁、液泡和质体（如叶
绿体）。
植物细胞的基本特征是有细胞壁和液泡。
三、植物细胞后含物和生理活性物质
细胞中除含有生命的原生质体外，还有许多非
生命的物质，它们均为细胞代谢过程中的产物。
一类为生理活性物质，对细胞内生化代谢和生
已经分化的细胞、组织、器官在人工培
养的条件下又变成未分化的细胞和组织 的过程。 5、再分化
通过脱分化诱导形成的愈伤组织在适宜
的培养条件下可再分化称为胚状体或直 接分化出器官。
6、植物无菌培养

幼苗及较大植株的培养（植物培养）；

从植物体各种器官的外植体增殖而形成的愈伤组织
的培养（愈伤组织培养）； 能够保持较好分散性的离体细胞或较小细胞团的液 体培养（悬浮培养）； 离体器官的培养（器官培养）； 未成熟或成熟的胚胎的离体培养（胚胎培养）。
19世纪上半叶，Schleiden和Schwann提
出了细胞学说；
20世纪初，德国著名植物学家Haber
landt依据细胞理论，首次提出了高等
植物的器官和组织可以不断分割，直至
单个细胞的观点；
20世纪20年代初至30年代，在胚胎培养和器
官培养领域，Hanning首次在无机盐溶液及有 机营养成分的培养基上成功地培养了萝卜和 辣根菜的胚，观察到离体胚均能正常发育， 同时发现有促进提早萌发成苗的事实。
植体的形状和大小要根据试验目的及具体情 况而定。
如果所用外植体细胞多，得到愈伤组织的机
会也多。
如要定量研究愈伤组织，不仅外植体的大小
要一致，而且其形状及组织部位也应类似。
进行这类培养研究常选用较大材料，如人参、
胡萝卜或甜菜的贮藏根、马铃来自百度文库的块茎等。
二、培养基的及其组成
植物不同器官的灭菌时间和步骤
器官 种子 灭菌前处理
纯酒精中浸 10min，再用 无菌水漂洗
灭菌步骤 灭菌
100g/L次氯酸钙浸 20~30min，再用 10g/L溴水浸5min
灭菌后处理
无菌水洗3次，在无菌水中 发芽；或无菌水洗5次，在 湿无菌纸上发芽
备注
用幼根或幼芽 发生愈伤组织
果实
纯酒精漂洗
20g/L次氯酸钠浸 10min 20g/L次氯酸钠浸 5~30min



2、植物组织和细胞培养
植物组织和细胞培养是指在无菌和人工控制
的营养（培养基）及环境条件（光照、温度） 下，研究植物的细胞、组织和器官以及控制 其生长发育的技术。
离体器官、 组织或细胞
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
植物体
3、细胞分化
细胞分化，是指导致细胞形成不同结构，引起功能改变 或潜在发育方式改变的过程。是相同基因型的细胞所具有 的各个不同的表现型。 它包括：


7、细胞培养
利用单个细胞（愈伤组织）进行液体或固体
培养，诱导其增殖及分化。目的是为了得到 大量单细胞无性繁殖系。
调节培养基营养组织营养成分组成，愈伤组
织在传代培养若干代后，产生细胞群，该细 胞群能适应进一步的的悬浮培养，从而建立 稳定的悬浮培养植物细胞系。
8、分生组织培养
又称生长锥培养，在人工培养基上培养茎端
（3）植物激素
植物激素是植物细胞原生质体产生的一
类复杂的调节代谢的有机物质，对生理
过程（如细胞分裂和繁殖）产生作用，
其量虽微，但作用甚大。
（4）抗生素和植物杀菌素
抗生素（antibiotic）是由微生物（如
某些菌类植物）产生的能杀死或抑制某 些微生物生长的物质，如青霉素、链霉 素等。
高等植物如葱、蒜、辣椒、萝卜等也能
第五章 植物细胞工程制药
目录
第一节 第二节
第三节
第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
基本概念 植物细胞工程发展简史 植物细胞的形态及生理特性 植物细胞培养的基本技术 影响植物次级代谢产物积累的因素 植物细胞培养反应器 植物组织培养过程及应用 植物体细胞杂交
植物细胞工程的定义
杨酸、酒石酸等。
四、植物培养细胞的生理特性
①
由表5-4可以知道，植物培养细胞重量的增
加主要取决于对数期，而次级代谢产物的累 积则主要在稳定期完成。
②
植物细胞很少以单一细胞悬浮生长，而多
以非均相集合体的细胞团形式存在。细胞团 的细胞数目在2~200 之间，直径为2mm左右。
③
植物细胞的细胞壁抗张力强度大，抗
理活动起着调节作用，含量虽少，但其生理作 用却非常重要，如酶、维生素、植物激素和抗 生素等。
另一类是后含物，系储藏物质或废弃物质，分
布于液泡内，如糖类、盐类、生物碱、苷、有 机酸、挥发油等；
1、生理活性物质
生理活性物质是一类对细胞内的生化反应 和生理活动起调节作用的物质的总称。包括 酶、维生素、植物激素和抗生素等。 （1）酶类
oil）是一类具有芳香气
味，在常温下易于挥发的油类。在伞形科、 姜科、唇形科等植物中多有分布。
很多挥发油可作药用，如薄荷油、丁香油、
桉油等。
（4）有机酸
有机酸（organic
acid）是糖类代谢的中间
产物。植物果实中酸味以及细胞液的酸性反 应，主要是由于有机酸的存在。
常见的植物有机酸有：苹果酸、柠檬酸、水
所用材料对试剂的敏感性。对灭菌剂敏 感的外植体的灭菌时间不宜过长；而不 敏感的，灭菌时间则可适当延长。
常用灭菌剂的效果比较
灭菌剂
次氯酸 钙 次氯酸钠 过氧化氢 溴 水 硝 酸 银 氯 化 汞 抗 生 素 使用浓度/% 9 ~10 0.5 ~5 3~12 1~2 1 0.1~1 4~50mg/L 去除难易程度 易 易 最易 易 较难 较难 中 灭菌时间/min 效果 5~30 5~30 5~15 2~10 5~30 2~10 30~60 很好 很好 好 很好 好 最好 较好