植物细胞工程是指以植物组织细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖或人为的精细操作，使细胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而改良品种或创造新品种，或加速繁殖植物个体，或获得有用物质的过程。那么我们下面将简单的从发展历程和技术及其应用两方面来简单介绍一下植物细胞工程。

植物细胞工程的发展历程

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探索阶段（-）

19世纪30年代，细胞学说的确立。

年，德国著名植物生理学家Haberlandt,首次进行高等植物的细胞培养实验，但细胞未能发生细胞分裂和增殖。

年，Hanning对萝卜和辣根菜未成熟胚进行培养，离体胚可以充分发育并提早形成小苗。

年，Kundson采用胚培养法获得了兰花幼苗，克服兰花种子发芽困难的问题。

年，美国的Robbins和德国的Kotte分别报道了培养离体根尖获得的某些成功。这是有关根培养的最早的实验。

年Laibach把亚麻种间杂交形成的不能成活的种子中的胚剥出，人工培养至成熟。因此可以认为，幼胚培养和胚胎拯救（embyrorescue）技术是最早应用的植物细胞工程技术。

培养技术与理论的建立与发展阶段

（-）

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20世纪30年代，植物组织培养技术基本建立。李继侗（年）将3mm以上的银杏胚培养成功，并且发现加入胚乳汁可以促进离体胚的成长。

年美国的White等用番茄的根进行的组织培养，首次建立了活跃生长的无性繁殖系（所用培养基包含无机盐、酵母浸出液和蔗糖）；后来（）他用三种B族维生素（硫胺素、烟酸、吡哆醇）取代酵母浸出液获得成功。

年，法国Gautheret报道了在培养山毛榉、黑杨的形成层时，发现在含有葡萄糖和盐酸半胱氨酸的knop溶液中，这些组织也可以不断的增殖几个月；但只有在培养基中加入IAA和B族维生素等生长因子，使生长大为增加。

年，法国的Nobecourt培养胡萝卜根的形成层，也建立了连续生长的组织培养物使离体的植物组织可以在人工培养基上不断生长，从而奠定了现代组织培养的基础。

20世纪40-50年代：培养条件和培养基成分的广泛研究。

40－50年代，由于细胞分裂素的发现，从而建立起离体培养器官分化激素配比模式：即激动素／生长素的比例是控制芽和根形成的主要因素之一。

年，Steward等人和Reinert等以胡萝卜为材料，首次通过实验证实了Haberlandt的关于细胞全能性的设想。

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快速发展和实践应用阶段(年以后)

年Cocking等用真菌的纤维素酶，从番茄幼根中分离得原生质体。

Okata（年）发现仙台病毒（Sendalvirus）可诱发艾氏腹水瘤细胞融合，形成多核细胞，为动物细胞融合技术的发展奠定了基础。诺贝尔医学和生理学奖获得者CesarMilstein和GeogerKohler（年）将免疫小鼠的脾细胞和小鼠骨髓瘤细胞进行融合，获得了既能在体外无限繁殖，又能产生特异性抗体的杂交瘤细胞，有力的促进了免疫学的发展。年Takebe等从烟草叶肉细胞分离得原生质体，并培养成完整的植株。年Carlson对2个种的烟草原生质体进行了融合培养，并成功获得第一个体细胞杂交的杂种植株。

－年，Guha和Maheshwari，在毛曼陀罗花粉培养中，诱导未成熟花粉形成单倍体。

年，SanNoeum培养普通小麦的未授粉子房，获得了雌性单倍体植株。年，Srivastava等从罗氏核实木胚乳培养中，获得了三倍体植株。

至今，植物细胞工程技术已经发展的相当完善。它主要包括包括原生质体与体细胞杂交、胚胎培养和试管受精、植物来源生物产品生产技术、加倍单倍体技术、体细胞无性系变异、植物快速繁殖技术及转基因植物等。我们下面就分别简单的介绍一下这几个技术及其应用。

植物细胞工程技术及其应用

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植物细胞工程技术及其应用

原生质体培养和体细胞杂交是植物细胞工程的核心技术之一,为克服植物远缘杂交不亲和性,创造新的种质资源,实现植物遗传转化和进行细胞学的基础研究提供了重要的技术支撑。自年Takebe等首次报道获得烟草叶肉原生质体再生植株以来,原生质体培养和体细胞杂交技术一直是植物细胞工程的重要研究领域,在分离原生质体的材料选择、培养基与培养环境控制、体细胞杂交技术等方面进行了大量研究,建立了原生质体培养和体细胞杂交的技术程序。

目前获得的原生质体再生植株包括粮食作物、蔬菜、果树、花卉、林木、药用植物以及真菌和海藻等。原生质体培养一直以农作物和经济作物为主,但近年来开始从一年生向多年生,从草本向木本,从高等植物向低等植物发展。我国在原生质体培养、体细胞杂交、体细胞杂种评价和利用等方面开展了大量研究,首次获得的原生质体植株种类的数量处于世界前列,在原生质体培养体系的建立和完善、体细胞杂种鉴定、新种质的创制等方面取得了一批先进适用的成果。原生质体培养技术在植物细胞生理和遗传学、基因组学、蛋白质组学研究中也有应用。

利用体细胞融合技术可以克服有性杂交不亲和性,创造新的物种或类型,实现植物种间、属间,以至科间的体细胞杂交,如番茄+马铃薯、甘薯栽培种+野生种、甘蓝+白菜、拟南芥+甘蓝型油菜、酸橙+甜橙,红橘+枳壳的杂种培育等。利用细胞融合技术,还获得了一些特异的新种质,如细胞质雄性不育水稻、细胞质雄性不育烟草等。尽管目前已在多种植物上建立了体细胞杂交和遗传操作的技术程序,但还有相当多的植物在原生质体培养上存在技术困难,仍需进一步加强多学科的交叉研究以及技术集成和创新。

胚胎培养

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植物胚胎培养是胚、胚珠、子房和胚乳的离体培养技术,其应用领域包括胚胎的发育机理、克服杂交不亲合性和胚拯救、克服珠心胚的干扰、打破种子休眠,缩短育种周期,获得体细胞胚和人工种子,建立植物高效再生体系等,并在农作物、园艺作物、林木和药用植物上广泛应用。

胚乳培养的主要目的是获得具有利用价值的三倍体植株。目前有40多种植物的胚乳培养达到了不同程度的细胞分化和器官分化,不少植物已得到再生植株。我国在马铃薯、小麦、水稻、苹果、桃、猕猴桃等10多种植物上得到了胚乳再生植株。胚乳培养还可作为研究淀粉等营养物质合成和代谢的实验体系。通过胚乳培养产生的一些非整倍体,可以作为遗传分析的材料。但相对于其他植物器官、组织和细胞的培养,胚乳培养相对较难,故应用并不普遍。

植物离体受精(invitrofertilization,IVF)可以通过离体柱头授粉、离体子房授粉、离体胚珠授粉、离体精细胞和卵细胞融合等方法实现。该技术可以克服植物授粉不亲和的问题,同时也可以进行胚胎、种子和果实发育机理等基础研究。人工分离的精细胞和卵细胞融合后进行合子胚培养,已在玉米等植物上获得成功。植物离体受精技术是植物细胞工程中的重要实验技术,为研究植物胚胎发育机理提供了新的实验系统,为开发新的植物转基因途径提供了可能。

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植物来源生物产品生产技术

利用植物细胞工程技术生产植物来源的生物产品,是植物细胞工程的一个重要领域,应用范围包括生产天然药物(人参皂苷、地高辛、紫杉醇、长春碱、紫草宁等)、食品添加剂(花青素、胡萝卜素、甜菊苷等)、生物农药(鱼藤碱、印楝素、除虫菊酯等)和酶制剂(SOD酶、木瓜蛋白酶)等。利用细胞悬浮培养、固定化细胞培养和毛状根培养技术设计生物反应器,可以实现植物来源生物产品的规模化生产。

建立在植物细胞培养技术基础上的植物来源生物产品的生产,经过多年的研究与开发,已发展成为比较成熟的技术,其技术体系包括筛选高产细胞系、选用合适的培养基(基本培养基、生长调节物质、饲喂前体、诱导子等)、优化培养环境、发展固定化培养技术、改进产品的分离和提取技术。近几十年来,这一领域的研究取得了飞速的发展。在日本,人参细胞培养已达L发酵罐,人参根培养达L发酵罐;德国用L发酵罐培养毛地黄细胞;加拿大用L发酵罐培养长春花细胞。在我国,人参细胞培养技术也已实现产业化;三分三在80年代即完成了10L发酵罐中试;紫草、三七等的细胞培养也取得较大的进展。德国科学家在毛地黄细胞的培养中加入生物合成途径的中间化合物毛地黄毒素和β-甲基毛地黄毒素,培养细胞以几乎%的转化速率使之羟基化,变为医药强心剂地高辛。这一技术已实现工业化生产。

随着技术的进一步完善和生产成本的降低,该技术在植物来源生物产品的生产方面将有广阔的发展前景。

加倍单倍体技术

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加倍单倍体技术(DoublehaploidTechnology)是指利用植物组织培养技术培养单倍体植物材料(花药、花粉、未受精的子房和胚珠)获得单倍体植物,然后通过自然或人工加倍的方法获得双倍体植株的技术,其中以花药和花粉培养应用最为广泛。

利用加倍单倍体技术进行花药和花粉培养,已在多种植物上获得成功,中国、加拿大、澳大利亚、欧盟等在花培育种中取得了突出的研究成果。我国在花药培养和单倍体育种方面总体上处于世界前列,由朱自清等研制的N6培养基广泛应用于禾本科植物的花药和花粉培养,已成为国内外花培的通用培养基。利用花培技术,我国在水稻、小麦、油菜、大麦、甜椒等作物上培养了许多新品种,中花系列水稻品种、京花系列小麦、华油一号油菜等一大批育成品种的推广,取得了较好的社会效益和经济效益。利用花培技术获得染色体代换系、附加系,已应用于小麦、大麦以及一些茄科植物的遗传改良,大大提高了远缘杂交育种的效率。

雌核发育(Gynogenesis)是植物存在的自然现象,在离体条件下可以通过培养未受精的子房和胚珠产生单倍体植株,也可以在活体条件下通过授以不同种类的花粉或通过物理方法处理(如辐照处理)的花粉,诱导雌核发育,目前已在小麦、水稻、玉米、甜菜、向日葵、马铃薯、西葫芦、洋葱、黄瓜、非洲菊、百合、小黑杨、三叶橡胶、烟草、矮牵牛等10多种植物上获得成功。

离体条件下诱导孤雌生殖获得加倍单倍体的技术发展时间不长,现已开始应用于作物的改良、构建遗传分析和转基因的受体材料。

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体细胞无性系变异

体细胞无性系变异(somaclonalvariation)是植物体细胞在植物组织培养过程中产生的变异。利用体细胞无性系技术可以选育植物优良的品种(品系),获得育种的中间材料或作为复合育种的一个中间环节,还可以利用突变体材料做遗传分析和生理生化等基础研究。

体细胞无性系变异通常是单一或少数性状的变异,因此特别适合综合性状良好,但个别性状需要改良的品种。自20世纪80年代以来,国内外对体细胞无性系进行了大量研究,成为继花培技术之后又一实用化的细胞工程育种技术。目前体细胞无性系变异已广泛应用于植物抗病育种、抗除草剂育种、品质育种、抗非生物逆境(耐盐、耐旱、耐寒)育种,获得了一批农作物、园艺作物、林木新品种。

澳大利亚科学家是体细胞无性系变异研究领域的先驱。他们的研究证明了这种方法在小麦、甘蔗和其它作物改良中的有效性。通过培养期间施加选择压力已经筛选获得体细胞无性系变异体及其品系,现已作为品种推广。日本获得了百合、西瓜、大丁草、草莓和兰属的新品种及抗病性水稻、番茄和烟草品系。泰国获得了改良型香蕉和菊花新品种。印度从芥菜和芸苔属中诱导出早熟性、株高、成熟度都较好的变异体。我国近年来在稻麦体细胞无性系变异育种方面也取得了令人鼓舞的进展。已经培育出抗白叶枯病及赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、丝氨酸和酪氨酸含量高于亲本系的水稻变异体。培育的抗盐水稻在年就已种植3万亩，并且还选育出了一批蛋白质含量高和白粒的小麦新品系。

植物快速繁殖技术

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植物快繁技术应用于高附加值经济植物、珍稀濒危植物、转基因植物、育种原种以及植物脱毒苗的快繁,是植物细胞工程中应用最为广泛的技术,取得了显著的经济效益。利用超低温保存种质法结合快繁技术可以实现植物种质资源的中长期保存和利用。

通过茎尖培养或利用组织培养技术结合物理、化学方法获得无毒苗,已成为植物细胞工程技术的重要方面。我国开展植物快繁研究较早,20世纪70年代中期开始规模化植物快繁脱毒研究和应用,植物种类包括果树、蔬菜、花卉、林木、药用植物等,其中以脱毒马铃薯、兰花、甘蔗、香蕉、葡萄、草莓、苹果、柑橘、杨树等规模较大。

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转基因植物

植物转基因技术是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因，通过各种方法转移到植物的基因组中，使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状，如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。随着现代生物技术的迅速发展，植物转基因技术方兴未艾。自从年首次获得转基因植物后，至今已有35科多种植物转基因获得成功。年首批转基因植物被批准进入田间试验，至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间试验，涉及的植物种类有40多种。

除此以外利用转基因植物作为生物反应器生产药用蛋白的研究逐渐受到各国的重视，研究探索的热点之一是利用转基因植物生产口服疫苗。中国农业科学院生物技术研究所的科研人员将乙型肝炎病毒表面抗原基因导入马铃薯和蕃茄，饲喂小鼠试验检测到较高的保护性抗体，浓度足以对人类产生保护作用。该所还进行了利用植物叶绿体作为生物反应器生产药用蛋白的探索，已将丙肝病毒（HCV）抗原基因导入衣藻叶绿体。利用转基因植物生产口服疫苗可以大大降低疫苗的生产成本，在发展中国家更有良好的发展前景。

结语

现代生物技术的发展是需要植物细胞工程的研究与应用来推动的。植物细胞工程作为一个很独立的学科和技术研究，为现代农业化高效率、优质性、可持续发展性做出了重大贡献。生命科学技术和工程技术的进步有力推动了植物细胞技术的发展，也大大有效地推进了现代生命科学技术的进一步发展。加大对植物细胞工程的基础研究创新，将为植物细胞工程的进步提供更为广阔的发展平台，为社会主义现代农业科学技术的发展做出更大的贡献。

参考文献

张春海.植物细胞工程技术及其应用[J].理科考试研究,,23(23):88-89.

陈晶.植物细胞工程研究的应用分析[J].技术与市场,,22(12):.

汪勋清,刘录祥.植物细胞工程研究应用与展望[J].核农学报,8,(05):-.

郝建平,陈柔如.植物细胞工程进展[J].河南科学,,(S1):-.

来源：徐小博｜图文

老师：陈德富

编辑：景宏渊祥榕

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