细胞工程的发展

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1、细胞工程的发展历史及最新进展【摘要】细胞工程作为现代生物技术的重要组成部分，无论在生命科学基础研究方面还是在 生物高科技产业领域，都已取得举世瞩目的成就，带来了巨大的经济效益和良好的社会效益。 本文回顾了细胞工程的发展历史，并举例介绍了其最新研究进展，预测和展望细胞工程在未 来各领域的发展前景。【关键词】细胞工程 发展历史 最新进展1. 细胞工程的定义和基本技术1.1细胞工程的定义细胞工程是以细胞生物学和分子生物学为基础理论，采用原生质体、细胞或组织培养等 试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性，以获得具有新的性状的细胞系或生 物体以及生物的次级代谢产物，并发展有关理论和技术方法的学

2、科。细胞工程涉及的范围很广。根据研究对象的不同，高等生物的细胞工程可分为植物细胞 工程和动物细胞工程。由于植物和动物在细胞结构、生长方式和营养要求等方面有很大差别， 尤其在全能性表现上存在差异，因此，虽然植物细胞和动物细胞的离体培养具有一定的相似 性，但是二者在培养技术、研究内容及深度等方面都存在一些差异。总的来讲，植物材料在离体培养条件下有较强的生长、分裂及分化能力，而且由于各种 外植体分化完整植株的全过程均可在体外完成;而动物组织在体外培养条件下的生长形式主 要以细胞的存活生长、有限增殖以及一定程度的分化为特征。培养的动物细胞虽然也能发生 脱分化现象，但在目前条件下，还不能像植物细胞那样重

3、返全能的未分化特征。一些高度分 化的动物细胞也很难在体外恢复分裂增殖活动，存活时间也很有限。1.2细胞工程中的基本技术1.2.1细胞培养技术细胞培养技术是生物技术各领域的基础技术，也是细胞工程、基因工程和生物医学工 程等的重要研究手段。大多数动植物的细胞，只要有适宜的条件，就能在体外的培养容器中 生长和增殖。细胞培养技术又分为植物细胞培养和动物细胞培养。不管培养或操作条件是植物胚胎、器官、组织或细胞，培养的目的都是为了使细胞全 能性向操作者所需的方向表达，对培养结果起决定作用的都是植物细胞具有全能性，因此， 所有类型的植物外植体的培养均属植物细胞培养。动物细胞培养有两种方式。一种是非贴壁培养，

4、采用类似于微生物培养的方式进行悬 浮培养；另一种是贴壁培养，大多数动物细胞需贴附在带有适量正电荷的固体或半固体表面 才能培养。1.2.2细胞融合技术在两个或多个细胞相互接触后，其细胞膜发生分子重排，导致细胞合并、染色体等遗 传物质重组的过程称为细胞融合。动物细胞融合与植物细胞融合的原理和步骤基本相似，不 同之处在于植物细胞融合前必须先脱壁制备原生质体。1.2.3其他技术近年来，动物克隆和干细胞发展技术等发展很快，已成为细胞工程中新的亮点。另外， 染色体工程、组织工程、胚胎工程和转基因技术等生物技术领域的高新技术也是在细胞工程 基础上发展起来，酶工程、生化工程等也离不开细胞工程，因此，从某种意义

5、上讲，细胞工 程是生物技术的基础，是生命科学领域中最具活力的技术之一。2. 细胞工程发展历史1902年，在Schleiden和Schwann创立的细胞学说基础上，德国植物生理学家Haberlandt 提出了植物细胞全能性概念，认为植物细胞有再生出完整植株的潜在能力。1934年，White正式提出植物细胞全能性学说并出版了植物组织培养手册，使植物 组织培养开始成为一门新兴学科。1958年，Steward等使悬浮培养的胡萝卜髓细胞形成了体细胞胚，并发育成完整植株。 该实验充分证明了植物细胞全能性学说，这是植物组织培养的第一大突破，影响深远。1907年，美国生物学家Harrison以淋巴液为培养基，

6、观察了蛙胚神经细胞突起的生长 过程，首创了体外组织培养法。1958年，冈田善雄发现，已经灭活的仙台病毒可以诱使艾氏腹水肿瘤细胞融合，从此 开创了动物细胞融合的崭新领域，植物细胞融合技术也是在动物细胞融合的基础上发展起来 的。1997年，Wilmut领导的小组用体细胞核克隆出“多莉”绵羊，使哺乳动物的克隆成为 现实。3. 最新发展现状3.1细胞工程在作物育种上的研究进展据北京科技报报道，中国棉花染色体育种获得重大突破。山西农业大学与中国农 科院棉花所合作，经过10年艰辛研究，终于用棉属中A染色体组的亚洲棉与G染色体组的 澳洲野生比克棉，人工合成AG复合染色体组亚比棉。经过专家鉴定，一致认为该项成

7、果属 于国际首创。亚比棉的育成，不仅增加了一个新的复合染色体组，而且培育成功棉花异源四 倍体新种质。新育成的亚比棉集棉、油、蛋白质多用途于一体，并具有抗病虫、鼠害的优良 种性，与采用常规方法育成的棉花品种相比，其推广应用前景更广。中国科学院遗传研究所与河北农林科学院合作，以小麦推广品种徐州211为供试材料， 通过调整培养基中还原氮的含量，交换使用不同的2,4-D等手段，首次育成的小麦原生质体 再生植株；由中国科学院遗传研究所与植物所合作，以多杆、多穗青饲玉米品种为供试材料， 采用液体浅层培养、看护培养和琼脂珠培养3种方法，并通过所建立的基因型筛选，愈伤组 织诱导，继代培养和细胞悬浮培养的原生质

8、体再生体系，培养成功中国首株玉米原生质体再 生植株。这两项研究成果，均达到国内先进水平。在水稻雄性不育系育种上，从1990年开始，福建农业大学通过釉粳交F1花培快速育 成偏釉保持系，经异地种植加代，转育成不育性稳定、异交特性好的新不育系辽A和农A。 中国水稻研究所进行了培矮64S/02128F1的花药培养，用珍汕97A对H1株系进行侧交， 选出了米质优良、具有保持特性的株系064B，将064B与珍汕97A连续多代回交，转育 成广亲和不育系064A，该不育系农艺性状良好，花粉镜检败育率为99.96%，广亲和性 强，配合力高。原西德、美国和日本等国家的专家，将番茄的叶肉细胞与马铃薯的块茎细胞相融合

9、， 选育成功“番茄薯”和“薯番茄”新品种，其中所育成的“番茄薯”新品种，地上部分能结 番茄，地下部分能结马铃薯。日本农林水产省蔬菜、茶叶试验场的专家采用体细胞杂交技术， 分别培育成功结球甘蓝与芫菁的种间杂交种。日本专家还将马铃薯野生种的细胞与栽培种的 细胞融合成功，育成体细胞杂交种。3.2细胞工程在盾叶薯蓣研究中进展盾叶薯蓣是一种极其重要的药用作物，是合成甾体激素类药物的重要原料。由于野生的 盾叶薯蓣资源日渐枯竭等原因，盾叶薯蓣的生产面临严重的挑战，而植物细胞工程技术的发 展，对解决盾叶薯蓣资源问题和促进盾叶薯蓣的研究和利用创造了很好的条件。对盾叶薯蓣的组织培养技术的研究始于20世纪70年代末

10、期。1978年，四川生物研 究所一室体细胞组对盾叶薯蓣的组织培养作了初步的试验，结果表明，用植株的不同部位作 外植体诱导愈伤组织的频率不一样。谢碧霞等利用正交优化培养条件，通过对不同培养基和培养条件的选择，根据愈伤组织 个体间生长速度和皂素含量的差异，进行了高产系的筛选，筛选出的优良高产盾叶薯蓣愈伤 组织无性系，其鲜质量增加速度为33.10mg/d,生长率高达1.11mg/(L.d),皂素含量达 3.7%，比原植株含量超出28.3%以上。毕世荣等对盾叶薯蓣克隆细胞进行大量培养，获得了具淡黄色、质地疏松、生长速度快 的31个薯蓣优良克隆细胞株，并筛选出18株高含量薯蓣皂素的克隆细胞系，为快速有效

11、 地筛选具有稳定高产的次生代谢细胞系，建立了良好的选择程序，从而用于细胞生长和产物 累最佳化试验，控制皂素合成途径及确定悬浮培养产皂素稳定性试验，为进行工业化生产皂 素奠定了必要条件。3.3细胞工程在菊花育种的进展菊花是仅次于玫瑰的第二大切花品种，为国际花卉市场最重要的商品之一，同时盆栽品 种和地栽品种也广受欢迎。因其观赏价值大，商业价值高，业界对菊花新品种的选育备受关 注。Hahn等对比了菊花节间在生物反应器中经液体培养基与凝胶培养腋芽的效果，发现液 体培养基中的腋芽鲜重、干重和长度等性状均优于后者。陈发禄统计了 2005年前菊科植物原生质体培养成功的种类，共计20多属50多种。 这些植株集

12、中在观赏种类、药用种类和经济作物。周菁等以酶解法获得了较高产量的菊花叶 肉原生质体，细胞活力在64.5%左右，经悬浮培养形成肉眼可见的愈伤后植板，植板率与 琼脂浓度和抗生素的浓度密切相关。Kumar用菊粗状壳针抱的滤出液筛选菊花品种“Snow Ball”的愈伤组织，从抗性愈伤 组织中得到了对菊花枯斑病显著抗性的再生苗。其他的植物诱导剂如农药、激素类物质、病 毒或毒物的培养液和纯化毒素等用于体细胞无性系的抗性筛选育种的研究也非常活跃。 3.4细胞工程在人椎间盘髓核组织工程中的进展尽管引起腰痛病的原因有许多，但是一个很明显的原因是与椎间盘的退变密切相关。将 细胞工程应用于组织工程中，提供了将已退变

13、的椎间盘恢复正常功能的方法。在最近的研究中，在髓核组织退变中应用脂肪干细胞，研究结果令人倍受鼓舞。Lu等 报道了将人类的脂肪干细胞和椎间盘细胞以微块方式共培养，导致脂肪干细胞向类髓核细胞 表现型分化。Tapp等透漏在三维培养的沙鼠脂肪干细胞用TGF-b处理或与人类的髓核细 胞共培养都可以明显刺激蛋白聚糖和I型胶原蛋白表达。Gorensek等将新西兰大白兔的髓核从椎间盘中移出，替代以耳部软骨来源的软骨细 胞。他们的研究显示，耳部软骨来源的细胞通过自体同源软骨细胞移植法能替代髓核。4. 前景展望细胞工程无论在生命科学基础研究方面还是在生物高科技产业领域，都已取得了举世瞩 目的进展，并为人类带来了巨

14、大的经济效益和良好的社会效益，而且还将获得更大的发展。 通过不断发展的分子生物学理论，加快植物细胞和基因工程方面的整合，继续深入研究生物 的生理生化机制、代谢机制、遗传转化及表观遗传现象的研究，都将大大推进细胞工程发展 的前进速度。当然，如何结合市场需求，缩短从实验室新品种的研发到大规模商业生产的距 离，需要广大科学者的不懈研究。参考文献【1】 殷红，细胞工程。化学工业出版社，2012.01【2】邙琦，余倩花，周厚高，植物细胞工程在菊花育种中的应用，北方园艺，2010（4）：220224【3】 汪勋清，刘录祥，植物细胞工程研究应用与展望。核农学报，2008,22（5）： 635639 【4】

15、黄永芳，植物细胞工程在盾叶薯蓣研究中的应用。河南农业科学，2006.07-0015-04 【5】 李培夫，李万云，细胞工程技术在作物育种上的研究与应用新进展。中国农学通报，第 22 卷 2006.02【6】张子言，颜华东，姜睿，人椎间盘髓核组织工程研究进展。中国老年学杂志，2013年3月第33卷【7】郝建平，陈柔如，植物细胞工程进展，河南科学，1999.06【8】何志旭，黄绍良，胚胎干细胞及细胞工程研究的最新进展，中华儿科杂志，2001.10【9】周在为，李莉，李雅礼，李新奇，细胞工程在水稻雄性不育系育种上的应用。杂交水稻，2010，25（4）： 5-8【10】孙毅，细胞工程的研究进展及前景展望。科技情报开发与经济，2006年第16卷第 12期