植物细胞工程制药技术的认知和发展趋势

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：植物组织和器官培养植物组织和器官培养是指在无菌和人工控制条件下，研究植物的细胞、组织和器官以及控制其生长发育的技术。它由活的薄壁细胞组成，可起源于植物体任何器官内各种组织的活细胞。现多指切取植物体的一部分，置于含有生长素和细胞分裂素的培养液中培养，诱导产生的无定形的组织团块。其目的是为了得到单细胞无性繁殖系。上述作用导致了次级代谢产物的产生。植物细胞的大小差别很大。

一、基本概念

（1）植物细胞的全能性　植物体中任何一个具有完整细胞核（完整染色体组）的细胞，在一定条件下都可以重新再分化形成原来的个体。

（2）植物组织和器官培养　植物组织和器官培养是指在无菌和人工控制条件下（培养基、光照、温度等），研究植物的细胞、组织和器官以及控制其生长发育的技术。

（3）愈伤组织　愈伤组织原指植物体的局部受到创伤刺激后，在伤口表面新生的组织。它由活的薄壁细胞组成，可起源于植物体任何器官内各种组织的活细胞。现多指切取植物体的一部分，置于含有生长素和细胞分裂素的培养液中培养，诱导产生的无定形的组织团块。

（4）植物的分化　植物在生长过程中，不同的细胞各自具有了不同的功能，它们在形态、结构上也逐渐发生变化，结果就逐渐形成了不同的组织。

（5）脱分化　脱分化是指已经分化的细胞、组织和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。

（6）再分化　经过脱分化的细胞和组织，重新分化形成不同的组织。

（7）植物无菌培养　植物无菌培养主要包括：①幼苗及较大植株的培养，即植物培养；②从植物体的各种组织、器官等外植体，经脱分化而形成的细胞聚集体的培养，称为愈伤组织培养；③能够保持良好分散性的单细胞和较小细胞团的液体培养，称为悬浮培养，在此培养条件下组织化水平较低；④植物离体器官的培养，如茎尖、根尖、叶片、花器官各部分原基或未成熟的花器官各部分以及未成熟果实的培养，称为器官培养；⑤未成熟或成熟的胚胎的离体培养，称为胚胎培养。

（8）细胞培养　细胞培养是指利用单个细胞进行液体或固体培养，诱导其增殖及分化的培养试验。其目的是为了得到单细胞无性繁殖系。

（9）分生组织培养　分生组织培养又称生长锥培养，是指在人工培养基上培养茎端分生组织细胞。分生组织，如茎尖分生组织仅限于顶端圆锥区，其长度不超过0.1 mm。但实际通过组织培养技术进行植物的快速繁殖试验时往往并不是利用这么小的外植体，而是利用较大的茎尖组织，通常包括1～2个叶原基。

（10）外植体　外植体是指用于植物组织（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。

（11）无性繁殖系　无性繁殖系又叫克隆，在植物细胞工程中是指使用母体培养物反复进行继代培养，通过同一外植体而获得越来越多的无性繁殖后代，如根无性系、组织无性系、悬浮培养物无性系等。在此培养过程中，局部组织在结构、生长速度以及颜色方面都表现出明显的区别，继续进行选择培养，则可从同一无性系分离形成两个或多个不同的系列，该系列称为无性系的变异体。

（12）突变体　经过确证已发生遗传变异或新的培养物至少是通过一种诱变处理而发生变异所得的新细胞，即为突变体。为了与上述无性系相区别，由单细胞形成的无性系称为单细胞无性系；如果这种单细胞无性系是从同一组织分离得到的，并彼此不同，则称为单细胞变异体。

（13）继代培养　将由最初的外植体上切下的新增殖的组织培养一代时，称为第一代培养。连续多代的培养即为继代培养，有时又称连续培养。但习惯上“连续培养”一词多用于不断加入新的培养基，并连续收集培养物以保持平衡而进行的长期不转移的悬浮培养。

（14）次级代谢作用和次级代谢产物　次级代谢作用是由特异蛋白质调控产生内源化合物进行合成、代谢及分解作用的综合过程。上述作用导致了次级代谢产物的产生。次级代谢产物种类很多，主要有生物碱、黄酮体、萜类、有机酸、木质素等。需要强调的是，随着科学技术的不断发展，很多过去认为“无用”的次生代谢成分（如萜类、多元酚类、皂苷类等）也显示出其明显（甚至独特的）的生理活性。越来越多生命活性物质的发现，进一步扩大了医药学家研制开发新药的筛选范围。

二、植物细胞的形态和生理特性

（一）植物细胞的形态

植物细胞是构成植物体的基本单位。而藻类中的衣藻、小球藻以及菌类中的细菌则属于单细胞植物。植物细胞的形状多种多样，随植物种类、存在部位和机能的不同而异。游离的或排列疏松的薄壁细胞多呈球形、类圆形和椭圆形；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。

植物细胞的大小差别很大。种子植物薄壁细胞的直径在20～100 μm，储藏组织细胞的直径可达1 mm。苎麻纤维细胞长度一般为200 mm，有的可达500 mm以上。最长的细胞是无节乳管，长达数米至数十米不等。

（二）植物细胞的生理特性

由于植物细胞自身的特性，所以植物细胞培养的操作条件与微生物培养差别很大。表1-1-6总结了植物细胞与哺乳动物细胞和微生物细胞的主要异同点。

表1-1-6　哺乳动物细胞、植物细胞和微生物细胞的区别

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续表

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三、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。如果不是取自种子库，而是来自温室甚至生长在大田植物的种子、幼苗、器官、组织等，由于其可能带有多种生长非常迅速的微生物，在培养基中会大量繁殖，从而抑制培养物的生长，因此培养前必须对外植体进行严格的灭菌处理。

（二）培养基及其组成

培养基实际上是植物离体器官、组织或细胞等的“无菌土壤”。其特点是营养成分的可调控性。植物组织和细胞培养所用培养基种类较多，但通常都含有无机盐、碳源、有机氮源、植物生长激素、维生素等化学成分。

（三）单细胞培养

单细胞培养就是对分离得到的单个细胞进行培养，诱导其分裂增殖，形成细胞团，再通过细胞分化形成芽、根等器官或胚状体，直至长成完整植株的技术。

（1）单细胞的分离　在细胞培养中，既可从植物器官、组织中分离单细胞，又可以从愈伤组织中分离单细胞。常用的分离方法有机械法、酶解法和由愈伤组织分离单细胞等。

（2）单细胞的培养　单细胞的培养方法有看护培养、平板培养和微室培养等。

（3）影响单细胞培养的主要因素　影响单细胞培养的主要因素包括培养基成分、细胞密度。

（四）细胞悬浮培养

细胞悬浮培养是将离体的植物细胞悬浮在液体培养基中进行培养的一种方式。它是在愈伤组织液体培养技术基础上发展起来的一种新的培养技术。这些细胞和小细胞团可来源于愈伤组织，也可来自幼嫩植株、花粉或其他组织、器官。悬浮培养能大量提供较为均匀一致的植物细胞，并且细胞增殖速度比愈伤组织快，适合进行大规模的细胞培养，因此在植物产品工业化生产中有巨大的应用潜力。

四、植物细胞大规模培养的方法

植物细胞的培养方法很多，其分类也不尽相同。如按培养对象，可分为原生质体培养、单倍体细胞培养等；按培养基类型，可分为固体培养和液体培养；按培养方式，可分为悬浮细胞培养和固定化细胞培养。

五、影响植物次级代谢产物累积的因素

在植物组织和细胞培养过程中，影响植物次级代谢产物产生和累积的因素主要有：①生物条件，如外植体、季节、休眠、分化等；②物理条件，如温度、光（光照时间、光强、光质）、通气（O2）、pH和渗透压等；③化学条件，如无机盐（N、P、K等）、碳源、植物生长调节剂、维生素、氨基酸、核酸、抗生素、天然物质、前体等；④工业培养条件，如培养罐类型、通气、搅拌和培养方法等。

植物细胞工程制药技术的认知和发展趋势

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