细胞工程技术的应用

细胞工程技术的应用

【摘要】本文先介绍细胞工程技术的定义和发展状况，然后再论述现代细胞工

程技术的应用，主要包括细胞工程在植物方面和动物方面的应用，以及在能源、

环境保护等领域的应用，详细列举了细胞工程的技术应用，最后展望细胞

工程飞发张前景，预示了细胞工程讲得到更加广泛深入应用的必然趋势。

【关键词】细胞工程应用

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细胞工程是一个非常年轻且富有活力的学科，目前它与其他生物技术结合，

为世界境界发展、医疗技术的研发等注入了强大活力，产生了巨大的经济效益和

社会影响，相信随着人们对生命科学认识的不断深入，细胞工程技术会得到更快

的发展，为人类的繁荣进步作出更大的贡献。

一、细胞工程的定义

细胞工程是指应用细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学等

方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞后细胞器水平上按照人们的意愿

来改变细胞内的遗传物质，以获得新的生物物种、品种或特种细胞产品的

一门综合性技术

二、细胞工程的发展

细胞工程的理论基础是细胞学说和细胞全能性学说。1839年，和建立

了细胞学说，细胞学研究进入快速发展阶段。德国学者（1902年）在发表

的《植物细胞立体培养实验》的论文中提出了细胞全能性的观点。（1904

年）进行了幼胚的立体培养，在含有糖、无机盐、氨基酸和植物提取物的

培养基上，培养萝卜和辣根菜的幼胚，发现离体幼胚均可充分发育，并且

可以提前萌发成苗。

1925年，培养亚麻种间杂交幼胚获得成功，并得到杂交种。从20世纪20年代起，幼胚培养被用来挽救远缘杂交早期败育的胚胎，因此可以认为，幼胚培养和胚胎拯救（）技术是最早应用的植物细胞工程技术。

在动物学界，1907年美国生物学家哈里森用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织，存活数周，而且观察到细胞生长现象，开创了动物细胞培养的先河。细胞工程技术发展迅速，试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世。以色列用胚胎干细胞培养出人类心脏组织，可以正常跳动，以及美国培养的造血先驱细胞、中国培养的胃和肠粘膜组织等。1977年英国利用胚胎工程技术成功地培养出世界首例试管婴儿，1997年英国首次克隆出绵羊“多莉”，2001年英国又培育出首批转基因猪。

随着科学的发展和人们对生命科学的深入探索，细胞工程技术必将会在工业、农业、环境保护、资源利用等领域发挥越来越重要的作用。

三、细胞工程的应用

1．细胞工程在植物方面的应用

⑴微繁殖技术（）的应用

微繁殖技术，即以植物的器官、组织、细胞或原生质体为外植体，在离体培养条件下进行植株再生的技术。应用微繁殖技术既可用于克服高度杂合物种因有性繁殖而引起的后代严重分离，如澳大利亚的番木瓜；有可用于名优或濒危物种的快速繁殖，如凤梨、草莓。通过微繁技术已获再生植株的树种主要有番木瓜、柑橘、龙眼、荔枝、苹果、梨、葡萄等，草莓、香蕉等以实现了商品化生产。

通过茎尖培养或微嫁接技术，可以脱去植物体内的病毒，获得无病毒苗木，如苹果、草莓等。另外，在组织培养过程中，如愈伤组织培养、细胞悬浮培养、原生质体培养等，通过值、温度、离子浓度等条件的变化，可增加其变异，从中可筛选出优良的突变体，从而为新品种的选育开辟一条崭新的途径。

愈伤组织、悬浮细胞、原生质体等是基因转化的良好受体材料，并且在离体培养条件下进行植株再生也是实现植物遗传转化的重要环节。

此外，微繁技术为种质的保存（）提供了新方法。很多种质资源在离体培养条件下，通过减缓生长和低温处理而达到长期保存目的，并可进行不同国家、地区间的种质资源收集、互换、保存和应用，即建立“基因银行”（），实现种质资源的全球共享。例如，在比利时的研究中心有大量离体保存的香蕉种质库。

⑵细胞大量培养与有用次生代谢产物生产

细胞大量培养有用次生代谢产物是植物细胞工程另一个重要应用领域。通过细胞工程技术，刺激植物体内某些重要次生代谢产物的合成和积累，然后进行分离、提纯，如某些名贵药物、香精、色素等，实现植物产品的工业化生产。

早在1964年我国就开始进行人参细胞培养。1980年以后，我国研究者相继开展了紫草、三七、红豆杉、青蒿、红景天和水母雪莲等植物的细胞大量培养和研究，并利用生物反应器进行药用植物的细胞大量培养的小试和中试。其中新疆紫草中试的规模达到100L，并小批量生产了紫草素，用于研制化妆品及抗菌、抗病毒和抗肿瘤药物。红豆杉细胞大量培养在我国也获得初步成功，从细胞培养物中得到了珍贵的抗癌药物紫杉醇，但产率还有待提高。

⑶单倍体（）技术的应用

单倍体育种和相关研究在农业和园艺植物中得到了广泛的应用。用等（1922年）和（1941年）分别得到了单倍体植株单倍体有利于突变的检测和抗性细胞系的筛选，并且大大缩短了育种的时间。此外单倍体在基因图谱、基因转移研究中具有重要作用。

自然形成的单倍体是极少见的，并且仅限于几种植物。花药培养是单倍体形成的重要途径。自1964年第一例花药培养获得成功以来，花药培养技术已取得了显著的进展，尤其在水稻、小麦、玉米等作物中已获得巨大成功。现已取得成功的果树树种主要有番荔枝（等，1983年）、番木瓜（和，1978年）、4个柑橘品种（，1985年）、龙眼（和，1984年）、荔枝（和，1983年）、苹果（等，1990年）、梨（，1975年）、葡萄（和，1979年）等。薛光荣等（1980年）对东方草莓（四倍体）的单核期花粉进行培养，成功

的诱导出单倍体植株。

花药培养主要是受基因型、花药的发育阶段、预处理和培养条件的影响，其存在的主要问题是单倍体的诱导频率低，单倍体自发加倍形成的二倍体与体细胞组织形成的二倍体很难区分。例如，等（1971年）、等（1974年）和等（1975年）以八倍体草莓花药为材料诱导愈伤组织，并分化出植株，发现其再生植株仍为八倍体，这些八倍体是由无性器官发育而来，还是由单倍体自发加倍而成则难以区分。

除花药培养外，植物的卵细胞、助细胞、反足细胞等单倍体细胞通过离体培养可以分化成单倍体胚或愈伤组织。胚珠、子房培养也曾进行了大量尝试，但大多数情况下，在愈伤组织阶段生长停止。

⑷胚培养（）

胚的离体培养是直接应用于植物改良最早的组织培养技术。胚培养可以克服杂交后胚的衰亡，保证种内或种间杂交的成功，或用于无性繁殖困难的植物的培养。胚培养还可以克服种子的休眠和败育。等（1996年）和等（1997年）分别进行了番木瓜的种内杂交，得到合适的胚子后，进行了胚培养，以促进杂交成功。（1992年）得到了愈伤组织，但未得到再生植株。

澳大利亚国际农业技术研究中心对番木瓜和其野生种的杂交胚进行了培养研究，已获成功，并得到了杂交后代，野生种的抗性、高含糖量等优良性状得到了遗传。荔枝是较难进行离体培养的果树树种之一，等（1992年）培养了长度为3的荔枝幼胚。其他通过未成熟胚培养进行再生的树种有鳄梨、番荔枝和番木瓜等。姚强（1990年）对桃、油桃和番桃花后60d 的未成熟胚进行培养，获得了再生植株。等（1975年）利用甜橙种胚愈伤组织离体培养获得了完整植株。

⑸原生质体培养（）与体细胞杂交（）

原生质体是去掉细胞壁的单细胞，它是在离体培养条件下能够再生完整植株的最小单位。每个原生质体都含有该个体的全部遗传信息，在适宜的培养条件下，具有再生成与其亲本相似的个体的全能性。原生质体培养的主要目的是通过原生质体的融合，克服远缘杂交障碍，实现体细胞杂交，从而产生杂交后代。在原生质体培养过程中，往往产生大量的变异，可从