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