植物細胞工程在農業生產中的應用

摘 要：介紹了植物細胞工程在脫毒苗生產、經濟植物快繁、植物新品種選育及有用次生代謝產物生產方面的應用情況。

關鍵詞：細胞培養；細胞雜交；脫毒苗；生物發生器；育種

中圖分類號：Q813 文獻標識碼 A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2011.05.003

Application of Plant Cell Engineering in Agricultural Production

LIU Cheng-yin， YANG Hong-bing

（College of Life Science， Qingdao Agricultural University， Qingdao，Shandong 266109， China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ: This article introduced the application of plant cell engineering in production of virus-free seedlings， rapid propagation of economic plants， breeding of new plant variety and production of useful secondary metabolites.

Key words: cell culture; cell hybridization; virus-free seedlings; bio-generator; breeding

細胞工程是指體外人工培養細胞，通過細胞雜交的方法人為改變細胞的某些生物學特性，加速動物或植物個體繁殖，改良種質或創造生物新品種及獲得某些有用物質的過程[1]。植物細胞工程是一門以植物組織培養為基礎，具有廣泛應用前景和實用價值的生物技術，其理論基礎是植物細胞的全能性。植物細胞培養是指可以把植物的胚、胚軸、根、莖、葉、花、果實、種子、花粉或分生組織等任一部分離體培養成為植株；植物細胞雜交是指分離植物體上的細胞后用纖維素酶除去細胞壁，使其變為原生質體，在滅活的仙臺病毒或PEG誘導下促進不同品種的兩個細胞完成雜交過程，從而培養為雜種植株[2]。目前，根據人們的需要已經相繼完善和發展了一些具有特色的植物細胞工程實用技術，包括植物細胞組織培養技術、無性快繁技術及單倍體育種技術等，這些技術在脫毒苗生產、經濟植物快繁、植物新品種選育及有用次生代謝產物生產方面發揮了重要作用[3]。

1 植物細胞工程在脫毒苗生產方面的應用

長期進行營養繁殖的農作物及果樹、蔬菜等往往會積累許多病毒和類病毒，病毒和類病毒的感染常導致親本性狀退化，使農產品的產量和質量明顯下降。植物細胞工程可應用于脫毒苗生產，一般多采用莖尖脫毒的方法，通過莖尖組織培養可以獲得無病毒和類病毒感染的再生苗。如莖尖脫毒獲得的脫番茄斑萎病毒（TSWV）[4]、脫黃瓜花葉病毒（CMV）[5]及脫菊花病毒B（CVB）[6]的再生苗等。近年來，中國相繼出現了許多脫毒試管苗生產工廠，黑龍江、內蒙古、湖南、湖北、河南和甘肅等地都建立了生產脫毒種薯的原種場，脫毒馬鈴薯已經推廣了近30萬hm2，平均增產50%以上。目前，草莓、蘋果、柑橘和葡萄等經濟植物都已建立了脫毒苗生產技術。

2 植物細胞工程在經濟植物快繁方面的應用

植物快繁是指利用組織培養技術，將來自優良植株的植物組織或細胞進行離體培養，短期內獲得大量遺傳性狀一致的個體的方法。植物快繁技術在農業上有著廣泛的應用，如可以使生根困難的名貴花卉大量繁殖，還可應用于雜合植物材料的快繁，因為很多優良的觀賞植物和經濟植物都是雜種，一旦有性繁殖，其后代性狀會發生分離，而通過無性繁殖則能夠保持其雜合性，并可以大量生產性狀均一的商品苗。目前已在木薯、馬鈴薯、咖啡、橡膠、菠蘿、甘蔗和蘋果等經濟植物上建立了植物快繁技術[3]。

隨著無性快繁技術的發展和植物細胞工程的應用，出現了植物快繁生物反應器，為植物快繁技術帶來了根本性變革，成為快繁技術發展的新方向[7]。生物反應器具有生產規模大、便于自動化控制、降低成本、減少污染及節約人力資源等優點，通過對營養成分、空氣流量、溫度、光照時間和光量子流量等外在因素的調節與控制，可使培育的植株生理性狀基本一致、無病蟲害，并提高了觀賞價值[8]。利用生物反應器生產大量的繁殖體和制作人工種子，可以實現人工種子的規模化，為植物快繁、雜種優勢利用和種業發展帶來革命性的變化。目前，植物快繁生物反應器已在多種植物上獲得了成功[9]。

3 植物細胞工程在新品種選育方面的應用

3.1 單倍體細胞培養與抗逆作物育種

傳統的雜交育種在自交5代以后可以產生一些同質配子結合的純合植株，經6~8代才可選育出新品系。而單倍體育種是通過單倍體培養迅速獲得純合二倍體，從而大大縮短了育種年限，有些單倍體育種只需要兩年左右的時間[3]。花藥培養單倍體育種是20世紀60年代發展起來的新技術，中國是最早利用花藥培養和加倍花粉單倍體育成新品種的國家之一，中國已成功培育了20多種農作物新品種，其中小麥、玉米和高粱等作物為中國首先培育成功的[10]。

通過作物單倍體細胞培養并結合脅迫篩選的方法可進行單倍體抗逆作物育種，對培養的單倍體細胞進行非生物脅迫（如鹽脅迫、水分脅迫、缺氧脅迫、高溫和低溫脅迫等）或生物脅迫（如細菌毒素和病毒素脅迫等），從中篩選出高度抗逆的單倍體細胞，運用單倍體細胞培養系統，單倍體植株經過染色體加倍后就成為加倍單倍體（DH株系）或純合二倍體，單倍體細胞所攜帶的相關抗性基因一次性純合，分化形成的DH株系或純合二倍體再生植株再通過田間的一次性農藝綜合性狀鑒定，即可獲得純合的株系，這種抗逆的DH株系或純合二倍體不僅可育，而且遺傳上是高度穩定的。如在亞麻花粉愈傷組織繼代培養中定向篩選亞麻抗除草劑突變體，經染色體加倍快速純合抗性基因，已獲得了一批抗除草劑的亞麻突變體再生植株[11]，抗除草劑亞麻育種的成功是單倍體抗逆作物育種很好的例證[12]。上海市農科院生物技術研究所植物細胞工程研究團隊正利用上述單倍體細胞培養系統實施非生物脅迫和病毒素脅迫的篩選研究，并積累了豐富的經驗。

3.2 二倍體體細胞雜交獲得雜交優勢種

體細胞雜交技術打破了生物學上種屬間雜交的障礙，使不能進行有性雜交的兩個生物種進行無性雜交，通過篩選和純化創造出自然界中本來不存在的兼有兩個物種優良性狀的新物種[2]。動物細胞雜交最明顯的例子就是單克隆抗體技術的應用。1975年，英國科學家Milstein和Kohler將淋巴細胞與腫瘤細胞雜交，篩選出既分泌抗體又能無限增殖的雜交瘤細胞[13]。植物體細胞雜交的例證很多，如將馬鈴薯和番茄進行細胞雜交，可培育出上結番茄下結馬鈴薯的“番茄馬鈴薯”；將豆科植物細胞與向日葵細胞進行細胞雜交，將豆科植物細胞的貯藏蛋白基因轉入向日葵細胞內，培育出了高營養價值的“向日豆”[2]。

中國學者利用植物體細胞雜交技術在蔬菜育種方面做了很多工作，如應用原生質體電融合技術獲得了茄子近緣野生種與栽培種的四倍體再生植株；利用原生質體融合技術獲得了不結球白菜胞質雜種；采用原生質體非對稱融合技術獲得了胡蘿卜種內胞質雜種等[14]。在水稻育種方面，通過細胞雜交技術可以將水稻近緣種的一些優良基因引入水稻基因組，還可以快速轉移重要性狀基因，縮短育種進程，從而擴大農業生產中應用品種的遺傳基礎；另外，植物體細胞雜交在水稻雄性不育系的育種方面也發揮了重要作用[15]。

4 利用植物細胞工程獲得生物產品

植物次生代謝的產物有很多可以作為藥物或工業原料，也可以提煉為優良的食品添加劑或名貴化妝品。通過植物細胞懸浮培養、固定化培養及各種生物反應器可以實現植物次生代謝產物尤其是藥用植物成分的大量生產，這對于實現中藥技術的現代化具有重要意義。目前，中國藥用植物細胞培養技術已取得了很大進展，如對天麻愈傷組織的懸浮培養和生物反應器培養的探索，可望大量生產天麻細胞團并可提取天麻素，從根本上解決天麻市場緊缺的現象，同時又能有效地保護天麻的野生資源[16]。中國科研人員對人參、當歸、黃連、青蒿、紅花、毛地黃、蘿芙木、長春花、延胡索、新疆紫草和紫背天葵等藥用植物進行了細胞工程研究，其中，人參和新疆紫草的細胞培養已進入了工業化生產階段，紅花細胞培養的研究也進入了中間試驗水平。據統計，現在已經在400多種藥用植物中建立了植物細胞和組織培養體系，并從中分離出了600多種有效次生代謝產物[3]。

總之，植物細胞工程技術在影響傳統農業的同時也改變著人們的日常生活，隨著植物細胞工程技術的不斷應用和發展，它在現代人類生活中的地位會更加突出。

參考文獻：

[1] 荊紹凌，孫志超，代玉仙，等. 細胞工程在玉米種質改良中的應用[J]. 農業與技術，2009，29（2）：19-21.

[2] 楊靜玲. 生物工程的現狀及發展[J]. 中小企業管理與科技，2009（6）：119.

[3] 楊賀. 植物細胞工程應用及發展前景[J]. 長春醫學，2010，8（2）：60-62.

[4] Balukiewicz A， Kryczynski S. Attempts to eliminate TWSV from chrysanthemum plants by meristem tip culture[J]. Phytopathol， 2001， 21: 101-108.

[5] Verma N， Ram R， Hallan V， et al. Production of CMV free chrysanthemum by meristem tip culture[J]. Crop Prot， 2004， 23: 462-473.

[6] Ram R， Verma N， Singh A， et al. Indexing and production of virus free chrysanthemums[J]. Biol Plantarum， 2005， 49: 149-152.

[7] Turner S， Krauss S L， Bunn E， et al. Genetic fidelity and viability of Anigozanthos virid is following tissue culture， cold storage and cryopreservation[J]. Plant Sci， 2001， 161: 1099-1106.

[8] Sivakumar G， Kim S J， Hahn E J， et al. Optimizing environmental factor for large scale multiplication on chrysanthemum (Chrysanthemum grandiflorum) in bloon type bioreactor culture[J]. In vitro Cell Dev Biol Plant， 2005， 41: 822-825.

[9] 鄺琦，余倩花，周厚高. 植物細胞工程在菊花育種中的應用[J]. 北方園藝，2010（4）：220-224.

[10] 蘭永富，荊紹凌. 生物技術在玉米種質改良中的應用[J]. 農業與技術，2010，30（3）：24-29.

[11] 宋淑敏，田玉杰，姬妍茹，等. γ射線輻射亞麻花藥的研究初報[J]. 中國麻業，2004，26（4）：162-163.

[12] 宋淑敏. 生物技術在亞麻抗除草劑育種中的應用研究進展[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，2009，21（1）：30-32，36.

[13] 翟中和，王喜忠，丁明孝. 細胞生物學[M]. 北京：高等教育出版社，2000:69-70.

[14] 馬文靜，陳號，田晉紅. 我國蔬菜生物技術育種研究進展[J]. 安徽農業科學，2010，38（12）：6106-6108.

[15] 周在為，李莉，李雅禮，等. 細胞工程在水稻雄性不育系育種上的應用[J]. 雜交水稻，2010，25（4）：5-8.

[16] 鄒寧，吳電云，柏新富，等. 天麻細胞工程技術及其原理研究[J]. 安徽農業科學，2009，37（11）：4980-4982.

收稿日期：2011-05-10；修訂日期：2011-07-26

基金項目：山東省自然科學基金項目（ZR2010CL019）；青島農業大學院重點課程建設項目（YZDK1003）

作者簡介：柳成蔭（1989-），男，山東青島人，在讀本科生，從事植物逆境生理研究。通訊作者為楊洪兵。