【正文】 第五章 細 胞 工 程 及其在食品工業(yè)中的應用 細胞工程 (cell engineering)是以細胞生物學和分子生物學為基礎理論，采用原生質體、細胞或組織培養(yǎng)等試驗方法或技術，在細胞水平上研究改造生物遺傳特性，以獲得具有新的性狀的細胞系或生物體以及生物的次生代謝產物，并發(fā)展有關理論和技術方法的學科。 細胞工程的核心技術：細胞培養(yǎng)與繁殖 目的：獲得新性狀、新個體、新物質 一 細胞工程的定義 第一節(jié)、細胞工程的概念與研究范疇 二 細胞工程的研究范疇 ?細胞融合 ?細胞拆分 ?動物細胞與組織培養(yǎng) ?植物細胞與組織培養(yǎng) ?細胞核移植 ?染色體工程 ?胚胎工程 ?干細胞與組織工程 三、細胞工程的發(fā)展 1 動物細胞工程的發(fā)展 2 植物細胞工程的發(fā)展 ?細胞學說的建立 ?胚胎學的發(fā)展 ?分子生物學的發(fā)展 四、細胞工程的理論基礎 五、細胞工程的基本技術 植物細胞工程 植物細胞工程的基本技術和理論基礎 植物細胞工程的理論基礎是： 植物細胞的全能性 植物細胞工程常用的技術是 植物組織培養(yǎng) 植物體細胞雜交 概念： 細胞的全能性是指生物體的細胞具有使后代細胞形成完整個體的潛能。 原因： 是生物體的每一個細胞都含有該物種所特有的全套遺傳物質及發(fā)育為完整個體所必需的全部基因。 細胞的全能性 當植物細胞脫離了原來所在植物體的器官或組織而處于離體狀態(tài)時，在一定的營養(yǎng)物質、激素和其他外界條件的作用下，就可能表現出全能性，發(fā)育成完整的植株。 在生物的個體發(fā)育中，由于基因在特定時間和空間下選擇性地表達而形成不同器官，因此，要實現細胞的全能性，首先必須使生物體的細胞處于離體狀態(tài)。 受精卵的全能性最高； 其次是生殖細胞（尤其是卵細胞）； 體細胞的全能性比生殖細胞低得多。 ① 從健康植株的特定部位或組織，如根、莖、葉、花、果實、胚珠、花藥和花粉等，選擇用于組織培養(yǎng)的起始材料，稱之為外植體。 ②用一定的化學藥劑，最常用的有次氯酸鈉，升汞和酒精等對外植體表面消毒，建立無菌培養(yǎng)體系。嚴格控制無菌條件，這是獲得培養(yǎng)成功的重要一步。 ②外植體塊在培養(yǎng)基上形成疏松的愈傷組織，由愈傷組織分化出芽并可誘導形成根的小植株。 1）植物細胞和組織培養(yǎng)技術 植物組織培養(yǎng)的過程 離體的植物器官、組織或細胞 脫分化（又叫去分化） 愈傷組織 （排列疏松而無規(guī)則，高度液泡化的呈無定形狀態(tài)的薄壁細胞） 再分化 根或芽等器官 植物體 植物組織培養(yǎng)的條件： 適宜的養(yǎng)料和激素，適宜的溫度和無菌條件 離體的植物器官、組織或細胞 愈傷組織 根 芽 植物體 脫分化 再分化 脫分化 由高度分化的植物器官、組織或細胞產生愈傷組織的過程，稱為植物細胞的脫分化。 再分化 脫分化產生的愈傷組織繼續(xù)進行培養(yǎng)又可以重新分化成根或芽等器官，這一過程稱為植物細胞的再分化。 二、植物組織培養(yǎng) 2. 植物組織培養(yǎng)過程 相關問題 在植物組培過程中，為什么要進行一系列的消毒，滅菌，并且要求無菌操作？ 為什么切取胡蘿卜根的形成層，其他部分也能培養(yǎng)成小植株嗎？ 植物體細胞雜交的概念 將不同種植物的體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術。 （不同種生物之間存在著生殖隔離，所以用傳統的有性雜交方法是不可能做到這一點的） 相關問題 （ 1）要想讓兩個來自不同植物的體細胞融合在一起，遇到的第一個障礙是什么？ （ 2）有沒有一種溫和的去細胞壁的方法？ （ 3）為什么兩個原生質體能發(fā)生融合，這與細胞膜的什么特性有關？ （ 4）如果兩個來源不同的原生質體發(fā)生融合形成了雜種細胞，下一步該對此細胞做何種處理？ （ 5）如何將雜種細胞培育成雜種植株？ 植物體細胞雜交過程 植物細胞 A 植物細胞 B 去掉細胞壁 去掉細胞壁 原生質體 A 原生質體 B 原生質體融合 雜合的原生質體 再生出細胞壁 雜種細胞 細胞分裂 分化發(fā)育 愈傷組織 雜種植株 植物體細胞雜交過程 原生質體制備（酶解法去細胞壁） 原生質體融合（人工誘導） 雜種細胞的篩選和培養(yǎng)（形成愈傷組織） 雜種植株的再生與鑒定 物理法： 離心、振動、電刺激等 化學法： 聚乙二醇等試劑 纖維素酶、果膠酶等 問題 ? 為什么“番茄 — 馬鈴薯”超級雜種植株沒有如科學家所想像的那樣，地上長番茄、地下結馬鈴薯？ ? 主要原因是：生物基因的表達不是孤立的，它們之間是相互調控、相互影響的，所以馬鈴薯 — 番茄雜交植株的細胞中雖然具備兩個物種的遺傳物質，但這些遺傳物質的表達受到相互干擾，不能再像馬鈴薯或番茄植株中的遺傳物質一樣有序表達，雜交植株不能地上長番茄、地下結馬鈴薯就是很自然的了。 問題 ? 自然界中有一種含有葉綠體的原生動物 ──眼蟲，說明植物的細胞器同樣可以在某些動物細胞中存活，請?zhí)接懀簞游锛毎c植物細胞之間可以實現雜交嗎？如果理論上可行，請設計出具體實驗方案。 異想天開 植物細胞工程的實際應用 ?繁殖植物的新途徑 ? 微型育種 ? 作物脫毒 ? 人工種子 ?育種新方法 ? 單倍體育種 ? 誘導突變體 ?細胞產物的工廠化生產 概念： 應用組織培養(yǎng)技術，快速繁殖植物（也叫快速繁殖技術） 原理： 植物細胞的全能性 優(yōu)點： 繁殖率高，可大批量生產 取材少 培養(yǎng)周期短 保持優(yōu)良性狀 微型繁殖 作物脫毒 ?病毒在作物體內逐年積累，會導致作物產量降低，品質變差 ?分生區(qū)附近（莖尖、根尖）的病毒極少，甚至沒有 ?采用莖尖進行組織培養(yǎng) 人工種子 ? 結構： ? 人工薄膜 +胚狀體（不定芽、頂芽、腋芽） ? 優(yōu)點： ? 不受氣候、季節(jié)、地域的限制 ? 保留優(yōu)良性狀 ? 時間短，占地少 ? 技術： ? 組織培養(yǎng) ? 原理： ? 細胞全能性 ? 養(yǎng)分、無機鹽、有機碳源、農藥、抗生素、有益菌 ? 生長調節(jié)劑 單倍體育種 ? 方法： ? 花藥離體培養(yǎng) ? 技術： ? 組織培養(yǎng)獲得單倍體 ? 秋水素處理單倍體的幼苗，使染色體加倍 ? 優(yōu)點： ? 明顯縮短了育種年限 ? 后代穩(wěn)定遺傳 突變體的利用 ?利用組織培養(yǎng)時，分裂狀態(tài)的細胞易受培養(yǎng)條件和外界壓力（如射線，化學物質等）的影響而產生突變的原理，誘導并篩選出對人類有用的突變體。 細胞產物的工廠化生產 紅豆杉與紫杉醇 人參皂甘的生產 植物細胞培養(yǎng)是指在離體條件下將愈傷組織或其他易分散的組織置于液體培養(yǎng)基中 ， 將組織振蕩分散成游離的懸浮細胞 ， 通過繼代培養(yǎng)使細胞增殖來獲得大量細胞群體的方法 。 植物細胞和組織培養(yǎng)技術 (PCTC) 目前 ， 植物細胞培養(yǎng)技術已在農業(yè) 、 醫(yī)藥 、食品 、 化妝品 、 香料等領域廣泛用于大規(guī)模生產有價值的產品 。 小規(guī)模的細胞培養(yǎng)通常在培養(yǎng)瓶中完成 ， 而大規(guī)模的培養(yǎng)可在發(fā)酵罐中進行 。 植物細胞培養(yǎng)基通常包括 無機鹽 、 碳源 、 維生素 、生長調節(jié)素和有機添加劑 等 。 無機鹽類 包括： 無機鹽濃度一般為多少 ？ 微量元素主要包括碘 、 硼 、 錳 、 鋅 、 鉬 、 銅 、 鈷 、鐵等 。 碳源和能源 維生素 植物細胞的生長都需要硫胺素 。 可在植物細胞培養(yǎng)基中加入煙酸 、 吡哆醇 、 泛酸 、 生物素和葉酸等 。 原生質體培養(yǎng) 通常需要大多數必需維生素 。 植物細胞培養(yǎng)基的組成 植物生長激素 大多數植物細胞培養(yǎng)基中都含有天然的或合成的植物生長激素 。 生長激素包括了 植物生長素 、 細胞激動素 、 赤霉素和脫落酸 等四大類 。 有機氮源 通常采用的有機氮源有 蛋白質水解物 、 谷氨酰胺或氨基酸混合物 等 。 有機酸 加入 丙酮酸 ， 或者檸檬酸 、 蘋果酸和琥珀酸 等三羥酸循環(huán)的中間產物 ， 能夠保證植物細胞在以銨鹽作為單一氮源的培養(yǎng)基上生長 ， 并且使細胞對鉀鹽的耐受能力至少提高到 10mmol/l。除此之外 ， 這些有機酸還能提高低密度接種的細胞和原生質體的生長 。 復合物質 在植物細胞的培養(yǎng)過程中 ， 酶母抽提液 、 麥芽抽提液 、 椰子汁和水果汁等復合物質通常可以作為細胞的生長劑 。 類型和方法 :懸浮培養(yǎng)和固定培養(yǎng) 懸浮培養(yǎng)方法 要求 :材料 (疏松易碎的愈傷組織 ,經過破碎的頸部組織 )