植物细胞培养技术的发展与应用
李晓蕙 陈 蕾
(西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌712100)
摘要：本文简要介绍了利用植细胞技术生产有用代谢产物的优点和7种植物培养技术，提出了植物细胞培养技术的应用现状和前景。
关键词：植物细胞培养；优点；应用
中图分类号Q81 文献标识码B 文章编号1007—7731(2006)05—74—02
细胞工程是生物技术的四大领域之一[1]，随着社会的不断进步和科学的不断发展，细胞工程在生命科学研究中起着不可估量的作用。植物细胞培养技术作为细胞工程中的重要技术现已广泛应用于生命科学的各个研究领域，是生物技术最新发展的重要组成部分。 植物细胞离体培养包括细胞、组织和细胞融合。植物细胞的大量培养是利用植物细胞体系、通过现代生物工程手段，进行工业规模生产，以获得各种产品的一门新兴的跨学科技术。十九世纪九十年代，Haberlandt首先进行了植物细胞的培养；1939年，White，Nobecourt．Gau theret分别发表论文，提出非分化的植物细胞可以无限期地进行培养，为植物细胞培养的发展奠定了基础[2]。1942年，Gau theret发现植物细胞培养可产生次级代谢产物；1954年，Muir等第一次进行了植物细胞悬浮培养[3]；自从1956年，Routine和Nickel首次提出用植物细胞培养技术生产有用次级代谢产物以来，据不完全统计应用于植物细胞培养技术生产次生代谢产物的植物已达百种以上[4]。
l 利用植物细胞技术生产有用代谢产物的优点[5-14]
1．1 在完全人工控制的条件下一年四季不断进行生产，不受地区、季节、土壤及有害生物的影响；
1．2 代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物，例如通过新疆紫草的细胞培养获得了比原植株含量高6倍的紫草素；
1．3 在无菌条件下完成的，能排除病菌及虫害对药用植物的侵扰；
1．4 减少大量用于种植原料的农田，以便进行粮食作物的生产；
1．5 有利于研究植物的代谢途径，还可以利用基因工程手段探索或创造新的合成路线，得到新的有价值的物质。
1．6 对有效成分的合成路线进行遗传操作，以提高所需的次生代谢产物含量，也可以进行特定的生物转化反应，大规模生产我们所需的有效次生代谢产物；
1．7 有利于细胞筛选、生物转化、寻找新的有效成分；
1．8 作为解决资源问题的较为有效的途径而成为当代生物技术的重要发展领域。 2 植物细胞培养技术[4,15,16]
2．1 固定化培养技术 植物细胞固定化是将植物细胞包裹于一些多糖或多聚化合物上进行培养，并生产有用代谢物的技术。是由Brodelius等人于1979年首次生产植物次生代谢物应用成功的。与悬浮培养相比，它具有提高反应效率、延续反应时间及保持产物生产的稳定性等特点。
2．2 两相培养技术 在培养体系中加入水溶性或脂溶性有机物或者具有吸附作用的多聚物使培养体系分为上下两相，细胞或组织在水相中生长和合成次生代谢物质，次生代谢物质分泌出后再转移到有机相中，然后再从有机相分离植物次生代谢物的技术，称为两相培养技术。
2．3 反义技术 根据碱基互补原理，人工合成或生物体合成特定互补DNA或RNA片段，抑制或封闭某些基因表达的技术，通过此技术，可以将反义DNA或RNA片段导人植物细胞，使催化某一分支代谢的关键酶活性受抑制或加强，从而提高目的物的含量，同时抑制其他化合物合成。
2．4 冠瘿培养技术 利用根癌农杆菌感染植物可以将Ti质粒的T—DNA片段(含有诱导冠瘿组织发生的tms基因和tmr基因)整合进入植物细胞的基因组，诱导细胞冠瘿组织的发生。
2．5 毛状根培养技术 毛状根是双子叶植物各器官受发根土壤杆菌(A grobacterium rhizogenes)感染后产生的病态组织。感染过程中，发根农杆菌Ti质粒T —DNA转移
并整合到植物基因组中。具有激素自养，增殖速度快，次级代谢产物含量高且稳定等特点。
2．6 添加诱导子或引导物技术 诱导子是一种能引起植物过敏反应的物质，当它在与植物的相互作用时，能快速、高度专一和选择性地诱导植物特定基因的表达，进而活化特定次生代谢途径，积累特定地目的次生代谢物，从而提高植物次生代谢产物的产量。
2．7 植物细胞悬浮培养生物反应器技术 生物反应器技术具有很多优点：工作体积大、单位体积生产能力高、物理和化学条件控制方便等。
3 植物细胞培养的应用现状[17,20]
目前植物细胞大量培养主要应用于以下三个方面：
3．1 细胞代谢产物 主要集中在研究制药(如如抗癌药物紫杉醇、疗伤药物紫草宁、保健药物人参皂甙等)、油料(如如豆寇油、春黄菊油等)、食品添加剂(如生姜、香子兰等)、调味剂(如胡椒、留兰香等)、食用色素(如花青素等)、饮料(如咖啡、可可等)、树胶(如阿拉伯胶等)。
3．2 人工转化 通过植物细胞培养生产有用化合物的另一方面是植物细胞分泌的酶的催化—— 生物转化，但由于在酶的生物转化大规模培养方面遇到传代细胞变异的问题，难于实现大规模的工业生产，因此发展缓慢。
3．3 人工种子 人工种子一词是美国学者Murashige1978年在第四届植物组织及细胞培养会议上提出的。植物人工种子研制包括：体细胞胚诱导、体细胞胚胎发生的同步控制、体细胞胚大规模培养、人工种皮的研究、人工种子的包埋、人工种子的储存和干燥等六项。由于体细胞胚质量、人工种皮的营养供给及通气、抵抗污染等技术问题，人工种子的研究仍只处于实验室阶段。
4 展望
植物细胞培养进行有效成分的生产发展到现在，已经取得了令人瞩目的成就。自从20世纪90年代以来，利用植物细胞工程进行天然产物的生产进入了一个新的发展阶段，它与基因工程、快速繁殖形成了三大主流[21]。20世纪90年代全世界已经有1 000多种植物被进行过细胞培养方面的研究[22]。但是，植物细胞是一个复杂的体系，细胞内部存在多种的正反馈和负反馈调控机制，细胞的各种亚体系之间也存在着复杂的相互影响，相互偶联关系；植物细胞在培养过程中的生长缓慢、不耐剪切力、目标代谢产物含量低等自身特点同时也影响了其工业化生产的进程。随着科技的不断进步，我们有理由相信植物细胞培养这种方兴未艾的技术将在生命科学领域中发挥越来越大的作用。
参考文献
[1]刘国瑞，生物技术的现代概念，生物学通报，1997，32(1)：527
[2]Carow，D．P．，Staba，E．J．，L loydia，1965；28：l一26
[3]M uir_w．M．et a1．Science，1954，l19：877—878
[4]孑L祥海．植物次生代谢物的细胞培养技术研究进展．龙岩学院学报．2005，23(6)
[5]常钰，刘涤，胡之璧，植物细胞和器官大规模培养研究的进展，生物技术通讯，2001(1)3l一36
[6]宋关玲，杨谦，高兴喜，王琴，王岩．植物细胞培养中天然植物成分生产在工业上的应用．东北林业大学学报，2003，3l(5)：78— 8O
[7]邢建民，查丽杭，李佐虎等，植物细胞大规模培养生物反应器研制概况，生物工程进展，1997；17(5)：49—54
[8]郑光植，三七愈伤组织的培养，云南植物研究，1989；ll(3)：255— 262
[9]郑光植，植物次生代谢工程研究的新进展：第六界国际植物组织与细胞培养会议评述，植物生理学通讯，1987，2：75—79
[1O]郑光植，植物次生代谢细胞工程与资源开发利用，云南植物研究，1988(增刊)：125～134
[11]顾静文，当归组织培养的研究，药学学报，1982；17(2)：131一l38
[12]徐建峰，高山红景天愈伤组织颗粒悬浮培养生产红景天甙动力学与过程调控，大连理工大学博士学位论文，1996；3—2O
[13]刘颖，李冬杰，魏景芳，药用植物细胞生物反应器技术的研究进展，中国生物工程杂志，2005(增刊)；67—7O
[14]唐建军，项田夫，张禄源，何鸣筱，植物次生代谢、离体培养条件下次生代谢物积累及其调控研究进展，中国野生植物资源，1998：17(4)：l一6
[15]李永丽，周洲，李科友，细胞培养生产药用次生代谢物研究进展，安徽农业科学，2006，34(2)：219—22l
[16]马玉芳，许继宏，提高植物细胞培养中次生代谢产物产量的方法，云南大学学报(自然科学版)，2003；25(增刊)：142—145
[17]Fekeda Junko J，Exp．Bo1．1990，41(22)：749—755
[18]项雷文，郑建兵，植物细胞培养技术生产天然产物，食品研究与开发．2002；23(3)：4—7
[19]王亚珍，植物细胞培养研究的最新进展，沈阳农业大学学报，1998：29(2)：190—193
[2O]施季森，迎接2l世纪现代林木生物技术育种的挑战[J]，南京林业大学学报，2000，24(1)：l一6
[21]朱西儒，雷光富，药用植物细胞培养代谢全能性及产物检测技术的研究进展，广西科学院学报，1998；5(14)：l一6
[22]周立刚，郑光植，生产次生物质的植物细胞大量培养，生物工程进展，1991；ll(1)：29—34
植物细胞培养技术的发展与应用
李晓蕙 陈 蕾
(西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌712100)
摘要：本文简要介绍了利用植细胞技术生产有用代谢产物的优点和7种植物培养技术，提出了植物细胞培养技术的应用现状和前景。
关键词：植物细胞培养；优点；应用
中图分类号Q81 文献标识码B 文章编号1007—7731(2006)05—74—02
细胞工程是生物技术的四大领域之一[1]，随着社会的不断进步和科学的不断发展，细胞工程在生命科学研究中起着不可估量的作用。植物细胞培养技术作为细胞工程中的重要技术现已广泛应用于生命科学的各个研究领域，是生物技术最新发展的重要组成部分。 植物细胞离体培养包括细胞、组织和细胞融合。植物细胞的大量培养是利用植物细胞体系、通过现代生物工程手段，进行工业规模生产，以获得各种产品的一门新兴的跨学科技术。十九世纪九十年代，Haberlandt首先进行了植物细胞的培养；1939年，White，Nobecourt．Gau theret分别发表论文，提出非分化的植物细胞可以无限期地进行培养，为植物细胞培养的发展奠定了基础[2]。1942年，Gau theret发现植物细胞培养可产生次级代谢产物；1954年，Muir等第一次进行了植物细胞悬浮培养[3]；自从1956年，Routine和Nickel首次提出用植物细胞培养技术生产有用次级代谢产物以来，据不完全统计应用于植物细胞培养技术生产次生代谢产物的植物已达百种以上[4]。
l 利用植物细胞技术生产有用代谢产物的优点[5-14]
1．1 在完全人工控制的条件下一年四季不断进行生产，不受地区、季节、土壤及有害生物的影响；
1．2 代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物，例如通过新疆紫草的细胞培养获得了比原植株含量高6倍的紫草素；
1．3 在无菌条件下完成的，能排除病菌及虫害对药用植物的侵扰；
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1．5 有利于研究植物的代谢途径，还可以利用基因工程手段探索或创造新的合成路线，得到新的有价值的物质。
1．6 对有效成分的合成路线进行遗传操作，以提高所需的次生代谢产物含量，也可以进行特定的生物转化反应，大规模生产我们所需的有效次生代谢产物；
1．7 有利于细胞筛选、生物转化、寻找新的有效成分；
1．8 作为解决资源问题的较为有效的途径而成为当代生物技术的重要发展领域。 2 植物细胞培养技术[4,15,16]
2．1 固定化培养技术 植物细胞固定化是将植物细胞包裹于一些多糖或多聚化合物上进行培养，并生产有用代谢物的技术。是由Brodelius等人于1979年首次生产植物次生代谢物应用成功的。与悬浮培养相比，它具有提高反应效率、延续反应时间及保持产物生产的稳定性等特点。
2．2 两相培养技术 在培养体系中加入水溶性或脂溶性有机物或者具有吸附作用的多聚物使培养体系分为上下两相，细胞或组织在水相中生长和合成次生代谢物质，次生代谢物质分泌出后再转移到有机相中，然后再从有机相分离植物次生代谢物的技术，称为两相培养技术。
2．3 反义技术 根据碱基互补原理，人工合成或生物体合成特定互补DNA或RNA片段，抑制或封闭某些基因表达的技术，通过此技术，可以将反义DNA或RNA片段导人植物细胞，使催化某一分支代谢的关键酶活性受抑制或加强，从而提高目的物的含量，同时抑制其他化合物合成。
2．4 冠瘿培养技术 利用根癌农杆菌感染植物可以将Ti质粒的T—DNA片段(含有诱导冠瘿组织发生的tms基因和tmr基因)整合进入植物细胞的基因组，诱导细胞冠瘿组织的发生。
2．5 毛状根培养技术 毛状根是双子叶植物各器官受发根土壤杆菌(A grobacterium rhizogenes)感染后产生的病态组织。感染过程中，发根农杆菌Ti质粒T —DNA转移
并整合到植物基因组中。具有激素自养，增殖速度快，次级代谢产物含量高且稳定等特点。
2．6 添加诱导子或引导物技术 诱导子是一种能引起植物过敏反应的物质，当它在与植物的相互作用时，能快速、高度专一和选择性地诱导植物特定基因的表达，进而活化特定次生代谢途径，积累特定地目的次生代谢物，从而提高植物次生代谢产物的产量。
2．7 植物细胞悬浮培养生物反应器技术 生物反应器技术具有很多优点：工作体积大、单位体积生产能力高、物理和化学条件控制方便等。
3 植物细胞培养的应用现状[17,20]
目前植物细胞大量培养主要应用于以下三个方面：
3．1 细胞代谢产物 主要集中在研究制药(如如抗癌药物紫杉醇、疗伤药物紫草宁、保健药物人参皂甙等)、油料(如如豆寇油、春黄菊油等)、食品添加剂(如生姜、香子兰等)、调味剂(如胡椒、留兰香等)、食用色素(如花青素等)、饮料(如咖啡、可可等)、树胶(如阿拉伯胶等)。
3．2 人工转化 通过植物细胞培养生产有用化合物的另一方面是植物细胞分泌的酶的催化—— 生物转化，但由于在酶的生物转化大规模培养方面遇到传代细胞变异的问题，难于实现大规模的工业生产，因此发展缓慢。
3．3 人工种子 人工种子一词是美国学者Murashige1978年在第四届植物组织及细胞培养会议上提出的。植物人工种子研制包括：体细胞胚诱导、体细胞胚胎发生的同步控制、体细胞胚大规模培养、人工种皮的研究、人工种子的包埋、人工种子的储存和干燥等六项。由于体细胞胚质量、人工种皮的营养供给及通气、抵抗污染等技术问题，人工种子的研究仍只处于实验室阶段。
4 展望
植物细胞培养进行有效成分的生产发展到现在，已经取得了令人瞩目的成就。自从20世纪90年代以来，利用植物细胞工程进行天然产物的生产进入了一个新的发展阶段，它与基因工程、快速繁殖形成了三大主流[21]。20世纪90年代全世界已经有1 000多种植物被进行过细胞培养方面的研究[22]。但是，植物细胞是一个复杂的体系，细胞内部存在多种的正反馈和负反馈调控机制，细胞的各种亚体系之间也存在着复杂的相互影响，相互偶联关系；植物细胞在培养过程中的生长缓慢、不耐剪切力、目标代谢产物含量低等自身特点同时也影响了其工业化生产的进程。随着科技的不断进步，我们有理由相信植物细胞培养这种方兴未艾的技术将在生命科学领域中发挥越来越大的作用。
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[15]李永丽，周洲，李科友，细胞培养生产药用次生代谢物研究进展，安徽农业科学，2006，34(2)：219—22l
[16]马玉芳，许继宏，提高植物细胞培养中次生代谢产物产量的方法，云南大学学报(自然科学版)，2003；25(增刊)：142—145
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[19]王亚珍，植物细胞培养研究的最新进展，沈阳农业大学学报，1998：29(2)：190—193
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[21]朱西儒，雷光富，药用植物细胞培养代谢全能性及产物检测技术的研究进展，广西科学院学报，1998；5(14)：l一6
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