植物細胞工程概述

來源：www.cnbio.net作者：www.cnbio.net人氣：-發表時間：2012-01-12 14:22:00【大中小】

所謂細胞工程，是指以細胞為基本單位進行培養、增殖或按照人們的意愿改造細胞的某些生物學特性，從而創造新的生物和物種，以獲得具有經濟價值的生物產品。它主要由兩部分構成，其一是上游工程，包含細胞培養、細胞遺傳操作和細胞保藏三個步驟。另一個則是下游工程，是將已轉化的細胞應用到生產實踐中去，以生產生物產品的過程。顧名思義，植物細胞工程，當然就是針對植物細胞的細胞工程了，它是細胞工程的一個重要組成部分。

自１９０4年Hanning成功培養離體胚以來，伴隨著相關理論與技術的飛速發展，植物細胞工程也取得了巨大的成就。現在，我們已經可以利用細胞融合及DNA重組等現代生物技術從細胞和分子水平改良現有品種甚至于組建新品種。１９８３年轉基因植物問世，并于１９８６年起被批準進入田間試驗，美國APHIS到９７年１月３１日已批準多達兩千五百八十四例田間試驗。不僅如此，一些轉基因植物已經開始進行商業化生產。從１９９４年Calgene公司的延熟番茄FLAVRSAVRTM成為首例被批準進行商業化生產的轉基因作物開始，其后截止至１９９７年１月，美國已批準十七例，加拿大十八例，澳大利亞四例，日本七例。我國農業部也已于９７年上半年批準了轉基因延熟番茄的商業化。由此可見，植物細胞工程將對我們的生活產生越來越大的影響，我們應對此加以重視，了解一些新的研究成果及新技術，以求在生物工程這個二十一世紀的龍頭產業中占有一席之地。

植物細胞工程涉及諸多理論原理及實際操作技術，首當其沖的自然是培養技術，也就是將植物的器官、組織、細胞甚至細胞器進行離體地、無菌的培養。它是對細胞進行遺傳操作及細胞保藏的基礎。此類技術發展起步較早，相對而言已比較成熟，各種培養基制備及很多操作方法已經基本規范化。針對植物的培養主要有植物組織培養、植物細胞培養、花藥及花粉培養、離體胚培養以及原生質體培養這幾個大類，每一種都還可可以繼續細分為更具體的小類。組織培養首先將外植體分離出來，然后在無菌及適當條件下培養以誘導出愈傷組織，另外在愈傷組織隨外植體生長一段時間后還需要進行繼代培養，以避免代謝產物積累及水分散失等因素的影響。細胞培養可分為懸浮細胞培養、平板培養、飼養層培養和雙層濾紙植板幾類，它們都是將選定的植物細胞于適當的條件下進行培養，以得到大量基本同步化的細胞，為遺傳操作提供材料。花粉及花藥培養主要是使花粉改變正常發育途徑而轉向形成胚狀體和愈傷組織，從而產生單倍體植株。離體胚培養有幼胚與成熟胚培養兩類，通過使用相應的培養基使離體胚正常的萌發生殖，以供研究和操作使用。原生質體的培養則是一切利用原生質體進行遺傳操作的基礎，它是將取得的植物細胞去除細胞壁形成原生質體后進行培養，具體方法與細胞培養有一定的相似之處。作為后繼操作的基礎，培養技術的選擇是很重要的。采用適當的培養方法可以更好地進行遺傳操作和保存細胞，而錯誤的選擇是有可能影響結果甚至導致試驗和生產失敗，造成時間和金錢的浪費。

僅僅對細胞進行培養是不夠，要使培養的細胞能為人類服務，就要對其進行一定的改造，這就涉及到了細胞的遺傳操作。可以說，遺傳操作是整個細胞工程中較為重要也較具挑戰性的一環。它極大的依賴于理論原理、操作技術以及設備的發展。隨著基因組學的發展，各項基因組計劃正在緊鑼密鼓地進行，由于DNA序列分析方法的革新，諸如高效毛細管自動化測序、DNA芯片法以及大規模平行實測法的應用大大加快了基因組計劃的進程。擬南芥基因組計劃將于２００４年完成，水稻、番茄和玉米基因組的測序也正在進行。是類計劃所提供的信息將不斷定位大量有價值的基因，而近期的研究還表明影響作物產量的可以是單基因的改變而不僅僅是多基因決定。所有這一切的基礎研究都為遺傳操作提供了更多、更準確的理論依據。實驗技術的發展則使精確、高效的遺傳操作變得更加方便。將外源DNA導入靶細胞的方法不斷完善，除了以前經常使用的質粒載體、病毒載體、轉座因子和APC（酵母人工染色體）等途徑外，通過lipoplex\polyplex介導、裸DNA、"基因槍"、超聲波法和電注射法等非病毒方式轉換細胞的方法也開始被廣泛的使用；細胞融合方法已被不斷的改進，融合率增大；細胞誘變也取得了較大的進展，誘變方式不斷增加。這些理論和技術的發展都為更好的改造細胞創造了條件。

培養或改造好的細胞是進行研究和生產的基本材料，為了使其不致死亡并盡量保持優良的特性，就需要進行適當的保藏。一般是根據細胞的特點，人工創造條件使其生長代謝活動盡量降低，處于休眠狀態，以抑制增殖和減少變異。作為世界上較大的細胞庫，ATCC早在９２年就已經有了三千兩百多個細胞系入庫，而且數量還在不斷增加。此外還有CSH(美)、NCTC(英)、NRRL(英)、KCC(日)等保藏機構，國內也有一些較為大型的機構，足見各國對細胞保藏的重視。由于植物細胞有其自身的特點，因而其保藏方法不可能與微生物完全相同。通常采用的方法是液氮超低溫保藏方法。這種方法利用液氮的溫度可以達到零下一百九十六是使度，遠遠低于一般細胞新陳代謝作用停止的溫度（零下一百三十攝氏度）從而使細胞的代謝活動停止，化學作用隨之消失，達到長期保藏的目的。操作時要注意從常溫到低溫的過渡，以使細胞內的自由水通過膜滲出，避免其產生冰晶而損害細胞。另外還有低溫凍藏法及其他一些保藏方法，但多用于短期保藏。

細胞工程的目的，是得到人們所需要的生物產品。要使已經改造好的細胞產生大量具有經濟價值的產物，就必須依靠下游加工過程，也就是我們常說的下游工程。它的作用就是大量培養細胞，并從培養液中分離、精制出有關的生物化工產品。由于植物細胞的高度易碎性，對剪切力的敏感、細胞有去分化和聚集作用，增殖時間長等獨特性，使其大規模培養技術明顯比微生物和動物細胞的發展緩慢。但通過不懈的努力，現在已經具備在２萬升規模的生物反應器中培養煙草細胞的能力。而日本的三井石化也已經在使用七百五十升發酵罐通過培養植物細胞而生產紫草寧，且產量較高，可滿足全日本百分之四十上的需要。相信隨著理論以技術的不斷完善，植物細胞的大規模的培養將會很快的成為一種常規的生產手段。培養后的培養物經過處理后被分離、提純。分離和精制過程所需的費用在整個生產過程中的占有很大的比例，一般為百分之六十，有些甚至高達百分之八十至百分之九十，而且還有繼續加劇的取向。因此該過程的落后也可能阻礙細胞工程的發展。世界各國現在已經都比較重視這個問題，英國早在８３年就發起了生物分離計劃(BIOSEP)，專門研究分離與精制，我國也曾經召開過專門會議。分離與精制的困難是由于培養液自身的理化特性所決定，這就需要在上游工程時就考慮到這方面的問題，同時不斷推出新的分離純化技術及方法，從而簡化過程、降低成本，這在實際生產中是很重要的。

誠然，細胞工程的偉大和神奇確實令人驚嘆不已，但隨著這一類技術的迅猛發展，基因產品的廣泛應用，其安全性已引起了人們的廣泛關注。雖然從本質上來講，轉基因植物和常規育成的品種是一樣的，兩者都是在原有品種的基礎上對其一部分進行修飾，或增加新特性，和消除原來的不利性狀，但是，以前所用的有性雜交僅僅局限于種類和近緣種之間，而轉基因植物卻大膽突破了這一局限，其外源基因可以來自植物、微生物甚至動物。在這種情況下，人們對可能出現的新組合、新性狀是否會影響人類健康和生物環境還缺乏足夠的認識和經驗。至少從目前來說，我們還不可能很精確的預測某一個外源基因在新的遺傳背景中會產生什么樣的相互作用。并且，轉基因植物還可以對它所在的環境產生一定的影響。比如現在應用較多的抗除草劑基因就可能通過同屬野生植物異花傳粉而逐漸擴散進入自然界，從而使雜草的控制變得更加困難；而抗蟲、抗病基因也有可能通過類似的途徑轉移到環境，給野生種群帶來選擇優勢而變得無法收拾。雖然現在一般通過生殖隔離（設置緩沖作物帶和隔離區）來防止基因漂流至臨近作物，但若進行大規模生產和推廣時就會難于加以控制。另外，轉基因作物還可能造成對微生物的影響，Hoffman等就曾發現轉基因油菜中的基因可轉至黑曲霉中，雖然機制還不明確，但至少存在這個事實。自然界中存在著植物病毒間異源重組，病毒的異源包裝（轉移包裝）可以改變其宿主范圍。轉基因植物表達的病毒外殼蛋白在體外實驗中可以包裝入侵的另一種病毒的核酸，產生一種新病毒，雖然在小規模的田間實驗中并未發現這種情況，但長期的大規模生產應用中是否也是怎樣呢？此外，公眾對轉基因植物的接受性和標簽問題得到也是我們應該考慮的問題。

由此可見，細胞工程是一柄雙刃劍，在造福于人類的同時也可能毀滅人類，甚至整個地球。這就要求我們在大力發展的同時注意其安全性，不斷完善理論以技術，使其更好地為人類服務。