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植物细胞工程的研究及其在农业生产中的应用

摘要：植物细胞工程是一门以植物组织培养为基础，具有广泛应用前景和实用价值的生物技术。目前根据人们的需要已经相继完善和发展了一些具有特色的实用技术，这些技术的发展和应用，使植物细胞工程在人类现生活中的地位更加突出，并发挥着越来越重要的作用。而其在农业生产上的应用有以下几方面：脱毒苗生产方面、经济植物快繁方面、新品种选育方面及利用植物细胞工程获得生物产品。本文就以上内容做一个简单的介绍。
关键词：植物细胞工程 研究 农业生产 应用 展望

植物细胞工程是一门以植物组织培养为基础，具有广泛应用前景和实用价值的生物技术，其理论基础是植物细胞的全能性，以植物组织与细胞培养为技术支持，在细胞和亚细胞水平对植物进行遗传操作，实现植物改良和利用，或获得植物来源的生物产品的科学技术。植物细胞培养是指把植物的胚、胚轴、根、茎、叶、花、果实、种子、花粉或分生组织等任一部分离体培养成为植株；植物细胞杂交是指分离植物体上的细胞后用纤维素酶除去细胞壁，使其变为原生质体，在灭活的仙台病毒或PEG 诱导下促进不同品种的两个细胞完成杂交过程，从而培养为杂种植株。植物细胞工程具有科学和技术双重特征，经过多年的探索和发展，已成为当代生物科学中一个重要学科和现代生物技术的重要组成部分。
一、植物细胞工程基础研究
随着植物细胞工程的不断完善和发展, 该技术已经在部分经济植物的育种和繁殖中发挥着十分重要的作用。目前根据人们的需要已经相继完善和发展了一些具有特色的实用技术, 包括植物细胞培养技术、无性快繁技术、制备转基因植物、单倍体育种及胚胎培养等。这些技术的发展和应用, 使得植物细胞工程在人类的现代生活中的地位更加突出, 并在经济植物快繁、植物新品种选育和有用次生代谢产物的生产方面发挥了重要的作用。
培养植物细胞获得生物产品对于人类来说是非常重要的。植物次生代谢产物一直是药物和工业原料的重要来源，同时很多植物次生代谢产物又是优良的食品添加剂和名贵的化妆品原料，有些甚至是生物毒素的主要来源，可以用于杀虫、杀菌而对环境和人畜无害。植物细胞培养作为重组蛋白的生产系统, 集合了微生物发酵、动物细胞培养和完整植株培养系统的很多优点。可以利用植物细胞悬浮培养、固定化培养及各种生物反应器实现次生代谢产物尤其是药用植物成分的大量生产, 这对实现中药技术现代化具有重要意义。目前, 我国的药用植物细胞培养技术取得了很大进展。以细胞培养技术为主要手段的商品化生产药用植物天然产物的工业正在迅速崛起。如人参、毛地黄、萝芙木、紫草、黄连等已实现了工业化生产。据统计，现在已经能从400多种药用植物中建立了植物组织和细胞培养物，从中分离出 600 多种代谢产物。但由于技术上的原因，与人类所需相比仅有少数的物质可用细胞培养的方法来生产，主要困难是在一些培养的组织细胞中次生代谢产物的含量极低。因此开展旨在提高药用有效成分的细胞培养及次生代谢调控工作是一项很有应用前景的探索性研究工作。
利用离体突变技术，已分离和鉴定了许多与植物发育有关的基因，为揭示植物遗传与发育调控的分子机理奠定了基础。利用花培加倍单倍体技术获得纯系的方法，为有性繁殖植物遗传分离群体的构建提供了有效途径，进而可为遗传图谱的构建、基因定位提供稳定的基础材料，促进了植物遗传学的发展。同时植物组织培养技术也为植物矿质营养、有机营养代谢，植物病理学等研究提供技术手段。
建立植物高效再生体系是植物细胞工程研究的重要领域。研究表明，植物激素诱导的信号传递在细胞分裂、极性确定、器官分化、胚状体的发育等离体培养过程中起重要作用。在植物离体形态建成中，生长素与细胞分裂素的比例是重要因素，其他激素可以直接或问接影响形态建成。
二、植物细胞工程在农业生产上的应用
1、植物细胞工程在脱毒苗生产方面的应用
长期进行营养繁殖的农作物及果树、蔬菜等往往会积累许多病毒和类病毒，病毒和类病毒的感染常导致亲本性状退化，使农产品的产量和质量明显下降。植物细胞工程可应用于脱毒苗生产，一般多采用茎尖脱毒的方法，通过茎尖组织培养可以获得无病毒和类病毒感染的再生苗。如茎尖脱毒获得的脱番茄斑萎病毒（TSWV）、脱黄瓜花叶病毒（CMV）及脱菊花病毒B（CVB）的再生苗等。近年来，中国相继出现了许多脱毒试管苗生产工厂，黑龙江、内蒙古、湖南、湖北、河南和甘肃等地都建立了生产脱毒种薯的原种场，脱毒马铃薯已经推广了近30万hm2，平均增产50%以上。
2、植物细胞工程在经济植物快繁方面的应用
植物快繁是指利用组织培养技术，将来自优良植株的植物组织或细胞进行离体培养，短期内获得大量遗传性状一致的个体的方法。植物快繁技术在农业上有着广泛的应用，如可以使生根困难的名贵花卉大量繁殖，还可应用于杂合植物材料的快繁，因为很多优良的观赏植物和经济植物都是杂种，一旦有性繁殖，其后代性状会发生分离，而通过无性繁殖则能够保持其杂合性，并可以大量生产性状均一的商品苗。目前已在木薯、马铃薯、咖啡、橡胶、菠萝、甘蔗和苹果等经济植物上建立了植物快繁技术。随着无性快繁技术的发展和植物细胞工程的应用，出现了植物快繁生物反应器，为植物快繁技术带来了根本性变革，成为快繁技术发展的新方向。
3、植物细胞工程在新品种选育方面的应用
3.1 单倍体细胞培养
传统的杂交育种在自交5代以后可以产生一些同质配子结合的纯合植株，经6~8代才可选育出新品系。而单倍体育种是通过单倍体培养迅速获得纯合二倍体，从而大大缩短了育种年限，有些单倍体育种只需要两年左右的时间。花药培养单倍体育种是20世纪60年代发展起来的新技术，中国是最早利用花药培养和加倍花粉单倍体育成新品种的国家之一，中国已成功培育了20多种农作物新品种，其中小麦、玉米和高粱等作物为中国首先培育成功的。
3.2 二倍体体细胞杂交获得杂交优势种
体细胞杂交技术打破了生物学上种属间杂交的障碍，使不能进行有性杂交的两个生物种进行无性杂交，通过筛选和纯化创造出自然界中本来不存在的兼有两个物种优良性状的新物种。植物体细胞杂交的例证很多，如将马铃薯和番茄进行细胞杂交，可培育出上结番茄下结马铃薯的“番茄马铃薯”；将豆科植物细胞与向日葵细胞进行细胞杂交，将豆科植物细胞的贮藏蛋白基因转入向日葵细胞内，培育出了高营养价值的“向日豆”。而在水稻育种方面，通过细胞杂交技术可以将水稻近缘种的一些优良基因引入水稻基因组，还可以快速转移重要性状基因，缩短育种进程，从而扩大农业生产中应用品种的遗传基础；另外，植物体细胞杂交在水稻雄性不育系的育种方面也发挥了重要作用。
4、利用植物细胞工程获得生物产品
植物次生代谢的产物有很多可以作为药物或工业原料，也可以提炼为优良的食品添加剂或名贵化妆品。通过植物细胞悬浮培养、固定化培养及各种生物反应器可以实现植物次生代谢产物尤其是药用植物成分的大量生产，目前，中国药用植物细胞培养技术已取得了很大进展，如对天麻愈伤组织的悬浮培养和生物反应器培养的探索，可望大量生产天麻细胞团并可提取天麻素，从根本上解决天麻市场紧缺的现象，同时又能有效地保护天麻的野生资源。
三、植物细胞工程的展望
1、完善植物细胞工程技术体系
植物细胞工程技术体系是植物组织培养技术的集成和优化。培养和选育高效型的优良细胞株系,建立植物高频率再生体系,优化突变体筛选、无糖培养和快繁技术,开发适合规模生产的低成本培养基,优化植物细胞生物反应器的设计和工艺,加强计算机技术和自动化控制技术在植物细胞工程中的应用,形成一套集成创新的技术体系,将推动植物细胞工程技术向高效、可控和多样化的方向发展。
2、开拓新的研究和应用领域
随着现代农业的不断拓展,植物细胞工程技术应不断开拓新的应用领域,如推动植物细胞工程技术与空间技术的结合,发展空间细胞融合技术,加强海洋生物技术的应用,开拓植物细胞工程在环境保护中的应用等。
3、加快植物细胞工程技术的应用
植物细胞工程技术的应用,催生了一大批先进实用的研究成果和技术,培育了一批优良品种。在大力推广常规脱毒和快繁技术的同时,加快发展植物快繁生物反应器和光自养微繁技术,将为种苗业带来新的变革。生产微型营养器官的人工种子可能成为最先规模化应用的人工种子技术,以体细胞胚为繁殖体的人工种子技术需要进一步研究和完善。应用植物细胞培养技术生产植物来源的生物产品,尽管目前仅在少数植物上实现了商业化生产,但随着植物细胞工程生物反应器技术的完善,其应用领域将进一步扩大。
4、重视植物细胞工程质量管理
植物细胞工程技术呈现发展规模化、管理规范化和操作自动化的趋势。目前国外一些国家在组织培养实验室、种苗快繁的质量管理以及植物来源生物产品的生产和质量管理中实行良好实验室规范(GLP)、良好生产规范(GMP)和危害分析和关键控制点(HACCP)系统,我国一些植物快繁企业也开展了GMP论证。植物细胞工程技术在产生巨大的社会经济效益的同时,必然对其技术产品的质量管理提出更高的要求。
四、结束语
植物细胞工程的发展有赖于基础科学的进步与发展。应用现代分子生物学理论和技术研究植物细胞全能性表达、细胞脱分化、器官发生和形态建成相关基因的功能和表达调控，将揭示植物再生的分子基础，有利于实现植物再生的人工调控。同时，加强植物代谢工程的基础研究，加快植物细胞工程与植物基因工程的整合，结合分子标记辅助育种技术，将大大推进转基因植物、植物生物反应器的研究和应用。
植物细胞工程的研究与应用，推动了现代生物技术的发展。作为一个相对独立的学科和技术体系，植物细胞工程为高效、优质、可持续的现代农业做出了重大贡献。植物细胞工程的发展，有赖于生命科学技术和工程技术的进步，同时也促进了现代生命科学技术的进步和发展。
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