细胞工程的现状发展及展望
课程：食品生物技术
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完成时间：2011 年5月20日
细胞工程的现状发展及展望
摘要：简介了细胞工程的概念及基本操作，论述了其在若干重要领域研究取得的重大进展。并且，阐述了细胞融合技术、细胞工程培育海带、细胞工程在作物育种方面的应用。
关键字：细胞工程，单克隆抗体，作物育种，应用研究
1 细胞工程的概念及其基本操作
细胞工程属于广义的遗传工程，是将一种生物细胞中携带的全套遗传信息的基因或染
色体整个导人另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，创造新的生物类型。它包括细胞融合、细胞重组、染色体工程、细胞器移植、原生质体诱变及细胞和组织培养技术。因此，研究者称细胞工程为细胞操作技术。
近年来，在该领域的研究最引人注目的是细胞融合技术及细胞杂交)，并取得一些突破性研究进展。细胞融合是应用经紫外线灭活的病毒(如仙台病毒)或以聚乙二醇和溶血卵磷脂处理体外培养细胞，使其细胞质膜发生改变，导致细胞互相合并而成多核体。同种细胞的融合称为同核体，不同种细胞的融合称为异核体。后者在以后的过程中，不同遗传型染色体混合产生单核合核体。应用这一技术可以分析细胞的质核关系、基因表现的调节和基因在染色体上的定位。应用细胞融合可以大量培育新的生物类型。细胞杂交是应用细胞融合技术，使不同种细胞的细胞质和细胞核合并。由不同种的体细胞经过细胞融合后形成双核细胞，染色体在过程中互混后产生的杂交单核子细胞便是杂交细胞，也称合核体。运用此法，亦可改变生物性状，培育出大量适合人类需求的新品系。
新近细胞重组在细胞工程开发与应用研究方面发展较快，成果颇多。细胞重组是由不同细胞的核体与细胞质在融合子介导下并合形成完整细胞，在研究真核细胞的核、质相互关系及基因转移等方面具有重要价值。核体与胞质体在仙台病毒或聚乙二醇的诱导下能合并成为完整的重组细胞。目前不仅能使大鼠核体与小鼠胞质体并合成为新细胞，还能使人的核体与小鼠的胞质体并合成为重组细胞。若将胞质与完整的细胞融合，构成一个含有亲本核和两个亲本胞质的杂种细胞称为“胞质杂种”，就可以把一个亲本细胞的胞质基因(如线粒体基因)转移到另一个亲本细胞内，这样又成了基因重组育种新技术。这在细胞工程的研发上也取得了很多成果。
2 细胞工程的发展现状
2.1 细胞融合技术的研究进展
应用细胞融合技术可以培育新型生物物种。它能打破只有同种生物杂交才能育种的，实现了种问亦可育种的突破。目前细胞融合技术不仅可以把不同种类的植物细胞、不同来源的动物细胞进行融合，而且还可以把动植物细胞融合在一起。该细胞工程的实施对于创造动物、植物、微生物新品种以及在医学领域都具有重要的应用价值。2O世纪60年代，法国的国家病毒学和细胞融合实验室，在进行两种小鼠肿瘤细胞的研究实验时，观察到一种新类型细胞的形成。这种新型细胞具有与亲本细胞不同的形态特征以及不同的生长方式。特别是这种新型细胞的核所含的染色体数目等于亲本细胞染色体数的总和。这个结论被进一步的重复实验观察所证实。在被推广到其他非肿瘤小鼠细胞上也得到类似的结论。实验表明，这些细胞的融合率非常低，介于lxl0 和lxl04之间，后来，研究者采用日本血凝病毒(JHV)提高了动物肿瘤细胞的融合率。这时研究人员进行新的实验时发现，JHV病毒可受紫外线辐射而完全失活，尽管如此，它仍然保持诱发细胞融合的能力。接着，日本的科学家在这方面研究又取得了新的进展，他们通过实验证实，使用减活仙台病毒诱发人体Hela细胞和小鼠肿瘤细胞融合取得了成功，属于不同目的脊椎动物细胞之间都能诱发体细胞融合。专家们在评审这些实验新发现时指出，这既是细胞工程技术上的一项重大突破，也是生命科学理论上的一大发展，它给遗传育种，人为促进生物快速进化找到了一条新路。在这一新技术新理论的推动下，细胞工程的新成果接踵出现。如英国科学家于1975年研制成功了淋巴细胞杂交瘤技术，这是英国科学家KoMer和Milsten利用淋巴细胞与骨髓细胞进行融合并从中筛选出的杂交瘤细胞株。英国科学家还把免疫的小鼠B细胞，即能够分泌某种特殊抗体的细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合产生杂种细胞。它既能像B细胞那样产生并分泌免疫特异抗体，又像骨髓细胞那样无限繁殖，这种纯系产生的抗体叫单克隆抗体。单克隆抗体问世后很快就应用于临床实践，被称之为2O世纪8O年代的“生物导弹”。因为它能够引导药物定向和有选择地攻击癌细胞。目前已用于治疗诊断癌症、艾滋病等多种疑难疾病，及快速诊断人类、动物和农作物病害等方面，成为细胞工程在医学上最重要
的成就之一。
2.2 细胞工程培育海带
传统的海带育苗方法即夏苗培育法是以海带的生活史为依据，海上培育种海带，七月份室内采抱子，在人工降温、流水、自然光条件下使海带渡过其配子体世代，月中、下旬培育成1-2厘米的幼抱子体，待自然海水水温降到适宜时（低于20℃），幼苗出库海上养殖，幼苗需在育苗室低温培育3个月左右。
随着科学技术的进步，海带育苗方法由传统方式向生物技术细胞工程转化已成为必然趋势。海带细胞系育苗是利用细胞系进行海带育苗将室内培养的细胞系切割，使其附着于基质上，同样低温、流水、自然光培育的一种育苗方式，这种全新的育苗方法较现行的育苗方法有以下优点：一、工艺简单，育苗前的细胞系培养，在一定规模的器皿中进行即可，减少了传统育苗需海上养殖及选择种海带环节，可节省大量人力、物力、财力。二、细胞系育苗避免了大量种菜混合繁殖对品种纯度的影响，能够长期保持品种的优良性状，较大程度上解决目前海带品种退化、混杂问题。三、细胞系在室内人工条件下培养，可随时根据生产需要进行采苗、育苗，而不受季节的严格，同时也避免了种海带养殖中生长发育时常受到不利因素干扰而影响育苗生产的问题。四、为杂种优势在生产上大面积应用，育种成果向生产过渡提供了条件，为育种和新品种的快速推广探索出了一条有效途径。以细胞系育苗工艺改革现有的海带海带细胞工程育苗的生产应用研究育苗方式是实现海带产业可持续发展的重要环节，是科技成果转化为生产力的具体体现。
海带细胞系技术自二十世纪年代建立以来，我国的藻类工作者在利用细胞系育苗方面进行了大量研究，一是提出了构想，即人工控制温、光、盐，快速、大量繁殖海带配子体，并用以附苗和幼苗的培育二是研究出了细胞系培养的适宜温、光、盐等因子三是进行了小
型试验。但迄今为止，有关配子体无性繁殖系的大规模培养所达到的水平及相应的技术参数尚未见报道，细胞系生产性育苗尚无系统的技术工艺，细胞系育苗中的脱苗难题也一直没有得到较好的解决，我国海带苗种繁育仍然沿用抱子体采苗育苗模式。
2.3 细胞工程用于作物育种
近年来国内外将染色体工程技术在农作物育种上进行开发应用研究后取得了较大进展，尤其在小麦育种上的成效尤为突出。美、英、法、原西德与前苏联等国家，通过染色休丁程技术，已成功地从黑麦、羊草、偃麦草属的某些物种，向栽培小麦品种中转移并导入了抗锈病、白粉病和条斑花叶病地等基因，育成了一批有应用价值的抗病品种和品系，有的已在生产上大面积推广应用。在中国也通过植物染色体工程技术育成了一批优良小麦新品种。如西北植物研究所的专家将小麦与长穗偃麦草杂交育成了小偃4号、小偃5号、小偃6号，其中小偃6号已成为中国北方冬麦区的主栽品种，累计推广面积超过360x 104hm2。该品种的选育成果荣获国家发明一等奖。黑龙江农科院通过小麦与中间偃麦草杂交育成新曙光等品种。此外，西北植物研究所还利用植物染色体工程技术，进行异源染色体代换，育成VE小麦雄性不育系，通过三属四种的杂交，创造了穗型较大的超矮杆小麦。
3 细胞工程应用展望
3.1粮食与蔬菜生产
利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等
优良性状。
在常规的杂交育种中，育成一个新品种一般需要8～10年，而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养，可大大缩短育种周期，一般提前2～3年，而且有利优良性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术，在农业生产上也有广泛的用途，其技术比较成熟，并已取得较大的经济效益。例如，我国已解决了马铃薯的退化问题，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯，实现种薯生产的自动化。通过植物体细胞遗传变异的，筛选各种有经济意
义的突变体，为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质，使它更适合人类的营养需求。
蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分，它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖，化费成本低。但是，在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节，植物细胞工程技术仍大有作为。例如，从国外引进蔬菜新品种，最初往往只有几粒种子或很少量的块根、块茎等。要进行大规模的种植，必须先大量增殖，这就可应用微繁殖技术，在较短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中，也可应用原生质体或单体培养技术，快速繁殖后代，简化制种程序。另外，还可结合植物基因工程技术，改良蔬菜品种。
3.2 园林花卉
在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术，可以有
效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术，已基本成熟。香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用芽繁殖，感病严重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质，亩产量约提高30%～50%，很容易被蕉农接受。
近年来，对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长，常规育种十分费时。据不完全统计，现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种，如松属、桉树属、杨属中的许多种，还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉树、杨树和花旗松等大面积应用于生产，澳大利亚已实现桉树试管苗造林，用幼芽培养每年可繁殖40万株。
植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了性的变化。1960年，科学家首次利用微繁殖技术将兰花的愈伤组织培养成植株后，很快形成了以组织培养技术为基础的工业化生产体系——兰花工业。现在，世界兰花市场上有150多种产品，其中大部分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此，市场供应摆脱了气候、地理和自然灾害等因素的。至今，已报道的花卉试管苗有360余种。已投入商业化生产的有几十种。我国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟，有的也已商品化，并有大量产品销往港澳及东南亚地区。
3.3临床医学与药物
自1975年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以来，许多人类为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒中非常细微的株间差异，鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法所做不到的，
而且诊断异常准确，误诊率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的单克隆抗体，其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100倍，能检测出抗血清的60%的假阴性。
近年来，应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶，检测心肌梗死的部位和面积，这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临床治疗，主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病，尤其适用于抵抗力差的儿童。人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物，使药物准确地到达癌细胞，以避免化疗或放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用。
单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中，其基本原理是用精子，卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体，将它们注入妇女体内，人体就会产生对精子的免疫反应，从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟，使人类对生育活动有了较大的选择余地，促进优生优育，提高人口素质，也为不孕症患者或不宜生育的人带来福音。
生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，是生物体内代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取，得到的产量低而且很费时。现在，通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径，不仅大大提高了效率，还能制备出多价菌苗，可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段，也可培养出能在培养条件下长期生长、并能分泌某种激素的细胞系。1982年美国科学家用诱变和细胞杂交手段，获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系，现已走向应用。
3.4 繁育优良品种
目前，人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低
温（-196摄氏度）保存技术的综合使用，使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩展，并且突破了动物交配的季节。另外，可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子，在体外受精，然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内，繁殖优良新个体。综合利用各项技术，如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微操作技术等，在细胞水平改造卵细胞，有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。特别是干细胞的建立，更展现了美好的前景。
3.5细胞工程技术展望
据测算，优良品种对农作物增产的贡献率一般为33％。因此，大力推广优良品种，就成为实现中国农业“高产、优质、低耗”发展目标的主要途径随着农业科技进步，农业生产的不断发展与人类对农产品的日益增长的需要，必然要求育成更多高产、优质、多抗与用途多样化的农作物品种用于农业生产。要实现上述育种目标，就必须采用科学、先进与创新的育种新技术。通过以上染色体工程技术、原生质体培养、花药培养与无性系变异筛选、组织与体细胞杂交技术在农作物育种上开发应用所取得新进展的综述，充分展示了植物细胞工程技术对加快农作物新品种的育种进程，缩短育种年限，扩大变异范围，拓宽育种领域，打破种问杂交障碍，提高育种水平所起到的重要作用。因此，可以预测并展望细胞工程技术在加速21世纪各种农作物育成进程，促进农业生产的发展与农业高新技术的产业化，必将具有更为广阔的开发应用前景。
参考文献
http://www.kjqb.cn/Article.asp?articleid=42857科技情报开发与经济
http://www.cqvip.com/Main/Detail.aspx?id=49180&AspxAutoDetectCookie
Support=1 中国科技期刊数据库
http://www.labbase.net/News/ShowNewsDetails-1-23-5AB1F05A6887C1.html来宝网