细胞作业

第一章

1.生物工程包括那些技术，各有什么特点？

答：生物技术的种类：

（1）基因工程（gene engineering）

基因工程是应用人工方法把生物的遗传物质——脱氧核糖核酸（DNA）分离出来，在体外进行分割、拼接、重组。然后再将重组后的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变其遗传品行。常能使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种创造新生物并施予新生物以特殊功能的过程即为基因工程，也称DNA重组技术。

（2）细胞工程（cell engineering）

细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖。或人为地使用细胞的某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育生物体，或获得某种有用的物质的过程。细胞工程包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术（细胞杂交技术）、细胞器移植技术等。（3）酶工程（enzyme engineering）

酶工程是指利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。酶工程包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术，酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。（4）发酵工程（fermentation engineering）

利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称作发酵工程，也称微生物工程。

（5）蛋白质工程（protein engineering）

在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。

2.什么是细胞工程？有什么应用价值？

答：细胞工程的理论基础是细胞学说和细胞全能性学说。1839年，Schwann 和Schleiden建立了细胞学说，细胞学研究进入快速发展阶段。德国学者Haberlandt（1902年）在发表的《植物细胞立体培养实验》的论文中提出了细胞全能性的观点。Hänning（1904年）进行了幼胚的立体培养，在含有糖、无机盐、氨基酸和植物提取物的培养基上，培养萝卜和辣根菜的幼胚，发现离体幼胚均可充分发育，并且可以提前萌发成苗。

1.1细胞工程在植物方面的应用

⑴微繁殖技术（Micropropagation）的应用

微繁殖技术，即以植物的器官、组织、细胞或原生质体为外植体，在离体培养条件下进行植株再生的技术。应用微繁殖技术既可用于克服高度杂合物种因有性繁殖而引起的后代严重分离，如澳大利亚的番木瓜；有可用于名优或濒危物种的快速繁殖，如凤梨、草莓。通过微繁技术已获再生植株的树种主要有番木瓜、柑橘、龙眼、荔枝、苹果、梨、葡萄等，草莓、香蕉等以实现了商品化生产。

通过茎尖培养或微嫁接技术，可以脱去植物体内的病毒，获得无病毒苗木，如苹果、草莓等。另外，在组织培养过程中，如愈伤组织培养、细胞悬浮培养、原生质体培养等，通过pH值、温度、离子浓度等条件的变化，可增加其变异，从中可筛选出优良的突变体，从而为新品种的选育开辟一条崭新的途径。愈伤组织、悬浮细胞、原生质体等是基因转化的良好受体材料，并且在离体培养条件下进行植株再生也是实现植物遗传转化的重要环节。

此外，微繁殖技术为种质的保存（germplasm storage）提供了新方法。很多种质资源在离体培养条件下，通过减缓生长和低温处理而达到长期保存目的，并可进行不同国家、地区间的种质资源收集、互换、保存和应用，即建立“基因银行”（gene bank），实现种质资源的全球共享。例如，在比利时Catholic University的Leuven研究中心有大量离体保存的香蕉种质库。

⑵胚培养（Embryo culture）

胚的离体培养是直接应用于植物改良最早的组织培养技术。胚培养可以克服杂交后胚的衰亡，保证种内或种间杂交的成功，或用于无性繁殖困难的植物的培养。胚培养还可以克服种子的休眠和败育。Magdalita等（1996年）和Drew等（1997年）分别进行了番木瓜的种内杂交，得到合适的胚子后，进行了胚培养，以促进杂交成功。Jordan（1992年）得到了愈伤组织，但未得到再生植株。

澳大利亚国际农业技术研究中心对番木瓜和其野生种的杂交胚进行了培养研究，已获成功，并得到了杂交后代，野生种的抗性、高含糖量等优良性状得到了遗传。荔枝是较难进行离体培养的果树树种之一，Kantharajah等（1992年）培养了长度为3mm的荔枝幼胚。其他通过未成熟胚培养进行再生的树种有鳄梨、番荔枝和番木瓜等。姚强（1990年）对桃、油桃和番桃花后60d的未成熟胚进

行培养，获得了再生植株。J.Button等（1975年）利用甜橙种胚愈伤组织离体培养获得了完整植株。

⑶细胞大量培养与有用次生代谢产物生产

细胞大量培养有用次生代谢产物是植物细胞工程另一个重要应用领域。通过细胞工程技术，刺激植物体内某些重要次生代谢产物的合成和积累，然后进行分离、提纯，如某些名贵药物、香精、色素等，实现植物产品的工业化生产。

早在1964年我国就开始进行人参细胞培养。1980年以后，我国研究者相继开展了紫草、三七、红豆杉、青蒿、红景天和水母雪莲等植物的细胞大量培养和研究，并利用生物反应器进行药用植物的细胞大量培养的小试和中试。其中新疆紫草中试的规模达到100L，并小批量生产了紫草素，用于研制化妆品及抗菌、抗病毒和抗肿瘤药物。红豆杉细胞大量培养在我国也获得初步成功，从细胞培养物中得到了珍贵的抗癌药物紫杉醇，但产率还有待提高。

⑷原生质体培养与体细胞杂交

原生质体是去掉细胞壁的单细胞，它是在离体培养条件下能够再生完整植株的最小单位。每个原生质体都含有该个体的全部遗传信息，在适宜的培养条件下，具有再生成与其亲本相似的个体的全能性。原生质体培养的主要目的是通过原生质体的融合，克服远缘杂交障碍，实现体细胞杂交，从而产生杂交后代。在原生质体培养过程中，往往产生大量的变异，可从中选择优良突变体。原生质体可以摄取外源细胞器、病毒、DNA等各种大分子遗传物质，是进行遗传转化的理想工具，此外，在同一时间内获得的大量原生质体在遗传上是同质的，可为细胞生物学、发育生物学、细胞生理学、细胞遗传学及其他一些生物学科建立良好的实验体系。

Lizz（1986年）曾分离得到番木瓜的原生质体，Krikorian等（1988年）分离得到了香蕉的原生质体，但二者均未得到持续分裂的细胞。Nyman等（1987年，1988年）首先报道了草莓栽培品种Sengana和Canaga试管苗叶肉原生质体培养及植株再生。1992年，他们获得了草莓试管苗幼叶和叶柄原生质体的再生植株。Infante等以森林草莓用（Fragaria vesca）Alpine营养系试管苗叶片和叶柄为材料分离原生质体，并获得了再生植株。愈伤组织和悬浮细胞是制备原生质体的重要材料，但在落叶果树上，只有少数树种利用愈伤组织或悬浮细胞分离

原生质体并获得培养的成功，其中最成功的树种当属猕猴桃。蔡起贵等（1988年）通过愈伤组织分离出中华猕猴桃的原生质体，并获得了再生植株。Kovalenko 等（1990年）和Ochatt等（1988年）分别在Colt樱桃和欧洲葡萄上利用悬浮细胞系分离原生质体并获得再生植株。

林定波等（1997年）以胚性愈伤组织为材料，分离得到锦橙的原生质体，并获得了再生植株。易干军等（1997年）也以胚性愈伤组织为材料，分离得到柑橘（红江橘）的原生质体，并获得再生植株。但以叶肉为材料分离得到的原生质体未获得成功。马锋旺等（1998年）对山杏的原生质体进行了分离和培养，在适宜条件下，山杏原生质体4~5d变形，5~6d开始第一次分裂，20d左右可形成15~20个细胞的小细胞团，60d后可形成肉眼可见的微愈伤组织。微愈伤组织经继代培养后，可诱导不定芽和不定根，形成完整植株。

植物细胞在去除细胞壁后，能像受精过程那样相互融合，可实现常规杂交不亲和的亲本之间进行遗传物质重组，从而开辟了体细胞杂交的新领域。体细胞杂交已广泛用于植物育种，已在胞质雄性不育、抗病等方面取得了显著进展。同时，在木本果树植物上也得到了有经济价值的体细胞杂种植株。

目前两种最有效的融合系统PEG——高pH/Ca2+ 方法和电击融合方法。第一例体细胞杂交是通过西红柿和马铃薯的原生质体融合实现的。原生质体融合技术在柑橘种间杂交中得到大量应用。Ohgawary将甜橙的原生质体与飞龙的原生质体融合，得到了体细胞杂种植株。

⑸单倍体（Haploid）技术的应用

单倍体育种和相关研究在农业和园艺植物中得到了广泛的应用。用Blakeslee等（1922年）和Kostoff（1941年）分别得到了单倍体植株单倍体有利于突变的检测和抗性细胞系的筛选，并且大大缩短了育种的时间。此外单倍体在基因图谱、基因转移研究中具有重要作用。

自然形成的单倍体是极少见的，并且仅限于几种植物。花药培养是单倍体形成的重要途径。现已取得成功的果树树种主要有番荔枝（Nair等，1983年）、番木瓜（Litz和Conover，1978年）、4个柑橘品种（Chen，1985年）、龙眼（Yang 和Wei，1984年）、荔枝（Fu和Tang，1983年）、苹果（Zhang等，1990年）、梨（Jordan，1975年）、葡萄（Rajasekaran和Mullins，1979年）等。薛光荣

等（1980年）对东方草莓（四倍体）的单核期花粉进行培养，成功的诱导出单倍体植株。

花药培养主要是受基因型、花药的发育阶段、预处理和培养条件的影响，其存在的主要问题是单倍体的诱导频率低，单倍体自发加倍形成的二倍体与体细胞组织形成的二倍体很难区分。例如，Fowler等（1971年）、Nishi等（1974年）和Rosati等（1975年）以八倍体草莓花药为材料诱导愈伤组织，并分化出植株，发现其再生植株仍为八倍体，这些八倍体是由无性器官发育而来，还是由单倍体自发加倍而成则难以区分。

除花药培养外，植物的卵细胞、助细胞、反足细胞等单倍体细胞通过离体培养可以分化成单倍体胚或愈伤组织。胚珠、子房培养也曾进行了大量尝试，但大多数情况下，在愈伤组织阶段生长停止。

⑹转化（Transformation）

分子生物学的飞速发展，导致了植物科学的一场新革命。经过多年的探索，人们从分子水平对生物学和遗传学有了深刻的认识，与组织培养技术相结合，分子生物学技术已开始应用于植物基因组的修饰和改变。

由于基因编码的同一性，任何有机体内（如病毒、菌类、昆虫）的有用基因都可以转入到植物体。由于基因（如抗虫或抗病基因）的导入，导致了新的基因型的出现或实现基因型的改良，可选育出抗虫或抗病的基因型。

目前已经分离或应用的目的基因主要有抗植物病虫害基因、抗非生物胁迫、改良作物产量品质的基因、改变植物其他性状的基因等。

有关外源基因导入植物细胞的方法有多种，如农杆菌质粒介导法（包括Ti 质粒的Ri质粒）、植物病毒载体介导法、DNA直接导入法（包括PEG介导、脂质体介导等化学诱导DNA直接转化法，电激法、超声波、显微注射、激光微束、基因枪法等物理诱导DNA直接转化法等）和种质系统介导基因转化法（包括花粉管导入法，生殖细胞浸泡法，囊胚、子房注射法等）。目前最常用且最为有效的方法为根癌农杆菌介导法和基因枪法。自1983年首次用农杆菌介导法在烟草和马铃薯上取得成功以来，约有120种植物采用此方法进行转化。农杆菌介导法对双子叶植物十分有效，但在单子叶植物中也已开始应用。基因枪法既可以愈伤组织作为受体，又可以悬浮细胞作为受体，并且对单双子叶植物都十分有效。

1.2．细胞工程在动物方面的应用

⑴快速繁殖优良、濒危品种及新品种

借腹怀胎提高种畜的利用率。20世纪30年代胚胎移植在绵羊和山羊中取得成功；1982年美国学者获得世界上第一胎试管牛。通过体外受精、细胞核移植技术、胚胎分割、胚胎融合等技术达到快速繁殖的目的，也有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。通过胚胎工程、克隆技术等进行大熊猫、东北虎等珍稀动物的繁殖。

⑵供医学器官修复或移植的组织工程

运用细胞工程技术使人体残余器官的少量正常细胞在体外繁殖，从而获得患者所需要的、具有相同功能又不存在排斥反应的器官，供器官移植只需。例如，一些骨骼、软骨、血管和皮肤都正在实验室培育，肝脏、胰脏、心脏、乳房、手指和耳朵等在实验室生长成形。

⑶利用动殖物细胞培养生产活性产物、药品

主要各种疫苗、抗体等。1975年英国剑桥大学利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体。已启用300L和1000L的培养罐分别用于生产单克隆抗体和灰色脊髓炎等疫苗。20世纪90年代国际上兴起了一种用活细胞作为治疗剂的“活细胞疗法”，主要是在体外繁殖患者的自体细胞，使之扩增或具有疗效物质，然后再注入到体内，该法对癌症、白血病、糖尿病、烧伤、艾滋病等都有潜在的治疗效果。

⑷转基因动物的生物反应器

与传统动物细胞培养相比，转基因动物制药技术具有很高的效益，一头转基因动物就是一座天然的基因药物制造厂。1992年，上海医学遗传所培育携带人体蛋白基因的中国首例转基因试管牛。2000年，我国培育出转有人α抗胰蛋白酶基因的转基因山羊，可从转基因山羊奶中提取治疗慢性肺气肿、先天性肺纤维化囊肿等疾病的特效药物。

1.3．细胞工程在能源、环境保护等领域的应用

为了获得能分解利用纤维素水解物，并高效产生乙醇的菌株，将利用纤维二糖能力强的Candida abtusa 和产乙醇率高的发酵接合糖酵母进行融合，获得的融合子不但以纤维二糖为唯一碳源，而且产乙醇能力高于双亲。绿孢链霉菌TTA

和西康氏链霉菌75viz进行融合，得到4株降解玉米杆纤维素能力比亲株高出155%~264% 。

通过电融合法对酿酒酵母和季也蒙假丝酵母进行融合，筛选出既能利用木糖又能利用纤维二糖生产乙醇的菌种，对纤维素再生资源的利用和减少环境污染具有重要意义。

2.细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在园艺、农林和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。

2.1. 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、按树属、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革命性的变化。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限制。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。

2.2.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。通过植物体细胞的遗传变异，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。

2.3.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，许多人类无能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、分裂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。

2.4.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限制。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.相信随着理论以技术的不断完善，植物细胞的大规模的培养将会很快的成为一种常规的生产手段。培养后的培养物经过处理后被分离、提纯。分离和精制过程所需的费用在整个生产过程中的占有很大的比例，一般为百分之六十，有些甚至高达百分之八十至百分之九十，而且还有继续加剧的取向。因此该过程的落后也可能阻碍细胞工程的发展。世界各国现在已经都比较重视这个问题，英国早在83年就发起了生物分离计划(BIOSEP)，专门研究分离与精制，我国也曾经召开过专门会议。分离与精制的困难是由于培养液自身的理化特性所决定，这就需要在上游工程时就考虑到这方面的问题，同时不断推出新的分离纯化技术及方法，从而简化过程、降低成本，这在实际生产中是很重要的。

诚然，细胞工程的伟大和神奇确实令人惊叹不已，但随着这一类技术的迅

猛发展，基因产品的广泛应用，其安全性已引起了人们的广泛关注。虽然从本质上来讲，转基因植物和常规育成的品种是一样的，两者都是在原有品种的基础上对其一部分进行修饰，或增加新特性，和消除原来的不利性状，但是，以前所用的有性杂交仅仅局限于种类和近缘种之间，而转基因植物却大胆突破了这一局限，其外源基因可以来自植物、微生物甚至动物。在这种情况下，人们对可能出现的新组合、新性状是否会影响人类健康和生物环境还缺乏足够的认识和经验。至少从目前来说，我们还不可能很精确的预测某一个外源基因在新的遗传背景中会产生什么样的相互作用。并且，转基因植物还可以对它所在的环境产生一定的影响。比如现在应用最多的抗除草剂基因就可能通过同属野生植物异花传粉而逐渐扩散进入自然界，从而使杂草的控制变得更加困难；而抗虫、抗病基因也有可能通过类似的途径转移到环境，给野生种群带来选择优势而变得无法收拾。虽然现在一般通过生殖隔离（设置缓冲作物带和隔离区）来防止基因漂流至临近作物，但若进行大规模生产和推广时就会难于加以控制。

另外，转基因作物还可能造成对微生物的影响，Hoffman等就曾发现转基因油菜中的基因可转至黑曲霉中，虽然机制还不明确，但至少存在这个事实。自然界中存在着植物病毒间异源重组，病毒的异源包装（转移包装）可以改变其宿主范围。转基因植物表达的病毒外壳蛋白在体外实验中可以包装入侵的另一种病毒的核酸，产生一种新病毒，虽然在小规模的田间实验中并未发现这种情况，但长期的大规模生产应用中是否也是怎样呢？此外，公众对转基因植物的接受性和标签问题得到也是我们应该考虑的问题。由此可见，细胞工程是一柄双刃剑，在造福于人类的同时也可能毁灭人类，甚至整个地球。这就要求我们在大力发展的同时注意其安全性，不断完善理论以技术，使其更好地为人类服务。

3.简述细胞工程发展史，此过程中那些工作起到关键作用？

答：细胞工程的理论基础是细胞学说和细胞全能性学说。1839年，Schwann 和Schleiden建立了细胞学说，细胞学研究进入快速发展阶段。德国学者Haberlandt（1902年）在发表的《植物细胞立体培养实验》的论文中提出了细胞全能性的观点。Hänning（1904年）进行了幼胚的立体培养，在含有糖、无机盐、氨基酸和植物提取物的培养基上，培养萝卜和辣根菜的幼胚，发现离体幼胚均可充分发育，并且可以提前萌发成苗。

1925年，Laibach培养亚麻种间杂交幼胚获得成功，并得到杂交种。从20世纪20年代起，幼胚培养被用来挽救远缘杂交早期败育的胚胎，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。

20世纪30年代，植物组织培养技术基本建立。李继侗（1933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。1937年，White发现B族维生素、吲哚乙酸对植物生长具有促进作用。1937~1939年，White、Gautheret和Nobercourt分别建立了植物组织的连续培养物，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60年代初，Cocking等人用纤维素酶来分离植物原生质体并获得成功。分离得到的原生质体在培养过程中，可长出新壁，进行分裂和分化，最终形成完整植株。获得成功的植物有胡萝卜、矮牵牛、油菜、石刁柏等。

在动物学界，1907年美国生物学家哈里森用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织，存活数周，而且观察到细胞生长现象，开创了动物细胞培养的先河。

德国胚胎学家Spemamm（1938年）认为，早期胚胎细胞具有高度的分化潜能，将胚胎的细胞核移植到去核卵母细胞中，可以发育为新的胚胎。Briggs和Kings（1952年）把非洲豹蛙囊胚的细胞核一到去核的卵母细胞中，得到了非洲豹蛙的胚胎克隆后代，从而证实了Spemamm的观点。

Okata（1962年）发现仙台病毒（Sendal virus）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Cesar Milstein和Geoger Kohler（1975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。

细胞工程技术发展迅速，试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世。以色列用胚胎干细胞培养出人类心脏组织，可以正常跳动，以及美国培养的造血先驱细胞、中国培养的胃和肠粘膜组织等。1977年英国利用胚胎工程技术成功地培养出世界首例试管婴儿，1997年英国首次克隆出绵羊“多莉”，2001年英国又培育出首批转基因猪。