植物细胞大规模培养生产次生物质的最新研究进展和产业化现状

植物细胞大规模培养生产次生物质的最新研究进展和

产业化现状

摘要：本文将对植物的大规模培养生产次生物质的最新研究进展及产

业化现状进行简要介绍。

关键词：植物细胞培养；次生物质；研究进展；产业化现状

1．引言

植物组织细胞培养技术是应用生物工程研究成果，在细胞水平上生产植物生

物制品的技术。自从TalⅪta M．由紫草细胞培养提取出紫草宁成为第一个植物

细胞培养技术商品至今，国内外动、植物细胞大规模培养研究很快遍布各个医药

领域。植物的次级代谢产物是药物和一些工业原料的重要资源，其中许多是难以

人工合成但具有显著药用或经济价值的特殊物质。该技术尤其适合于资源短缺、采集困难、种植要求高的名贵药材。运用植物细胞培养技术研制与开发现代天然

产物是当今国际细胞培养技术产业化的热点问题和主要发展方向之一，也是我国

实现中药现代化，开创低成本、高产出、无污染的工业化生产天然植物药的新路

子。

2、植物次生代谢产物 植物次生代谢产物是植物对环境的一种适应，是在长期进化过程中植

物与生物和非生物因素相互作用的结果。在对环境胁迫的适应、植物与植

物之间的相互竞争和协同进化、植物对昆虫的危害、草食性动物的采食及

病原微生物的侵袭等过程的防御中起着重要作用。

次生代谢过程被认为是植物在长期进化中对生态环境适应的结果，它

在处理植物与生态环境的关系中充当着重要的角色。许多植物在受到病原

微生物的侵染后，产生并大量积累次生代谢产物，以增强自身的免疫力和

抵抗力。植物次生代谢途径是高度分支的途径，这些途径在植物体内或细

胞中并不全部开放，而是定位于某一器官、组织、细胞或细胞器中并受到

独立的调控。

它们是细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子化合

物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。

３．通过植物细胞培养获取次生代谢产物的研究历史

4 自1902 年Haberlant 预言高等植物细胞具有全能性以来, 植物细胞培养开

始被用于研究植物的生物合成。用细胞悬浮培养来研究植物代谢物的合成和生产, 是50 年代末期才开展起来的工作。1956 年Routie 让和Nickel l首次提出用植物

细胞培养技术生产有用的次生物质。steward 和shantzv 1956 年进行胡萝卜根愈

伤组织的液体培养, 发现其游离组织和小细胞团的悬浮液可以进行长期继代培

养, 并于1958 年以胡萝卜根的悬浮细胞诱导分化成完整的小植株。日本人借助

于他们在发酵技术上的优势, 曾努力把这一技术应用于植物次生代谢物质的商

业性生产。1982 年, 在日本召开的第五届国际植物组织和细胞培养会议上, 372

篇论文中大约有70 篇是关于植物细胞培养生产次生物质方面的报告, 有几篇是

关于它们在商业上应用的可行性研究报告.1975-1985年间用于促进细胞生长和产

物形成的方法开始有所进展。1985 年T abata和Fujita 将提高产量的多种方法相

结合实现了第一次商业性的植物细胞培养。随后, 人们在植物细胞培养次生代榭

物的产生动力学和复抗的累积杖式方面做了大量研究。Heike Dor nen bu g 和

Dietrich Knor : 等人在1997 年设计出了适用于植物细胞培的特殊加工方法, 它

包括固定化, 体内产物分离提取和连续操作。目前, 植物细胞培养生产植物次生

代谢产物已发展到全自动控制的大容积发酵罐大规模工业生产的连续培养。 ４．植物细胞培养生产次生产物的研究进展

植物细胞培养始于本世纪初, 并不可争议地具有工业化潜力。目前植物细胞

培养生产的化合物很多, 包括糖类、酚类、脂类、蛋白质、核酸以及帖类和生物

碱等初生和次生代谢产物, 植物细胞培养的应用主要包括以下3个方面: 有用物

质(次生代谢产物)的生产;植物无性系的快速繁殖和遗传突变体的筛选; 植物细胞

遗传、生理、生化和病毒方面的深入研究。但是由于植物细胞大规模培养技术的

局限性使得植物细胞仍难以实现大规模工业化生产, 迫切需要进一步研究和发

展细胞培养条件的优化控制及其工艺。目前, 世界上众多研究工作集中在优化细

胞培养环境、改变细胞特性、选用高产细胞系、改善生物反应器、提高目标产物

的产率并保证其生产稳定性上。

4.1、植物细胞培养的特性

（1）植物细胞较微生物细胞大得多，有纤维素细胞壁．细胞耐拉不耐扭，抵抗

剪切力差； （2）培养过程生长速度缓慢，易受微生物污染，需用抗生素； （3）

细胞生长的中期及对数期．易凝聚为直径达350JJm一400Pm的团块，悬浮培

养较难； （4）培养时需供氧，培养液粘度大： （5）具有群体效应； （6） 因

为有细胞壁, 培养细胞产物滞留于细胞内，产量较低； （7）细胞培养过程有结

构与功能全能性,因而易分化,从而导致目的产物低于原植物体内浓度； （8） 悬

浮培养中要求有一定的细胞浓度，否则不生长（25000~50000个/ML）。

4.2、高产细胞系筛选

近几十年来, 利用植物细胞培养技术生产次生代谢产物的研究取得了飞速发

展, 人们已经对1 000多种植物进行过细胞培养方面的研究, 从培养细胞中分离

得到600多种次生代谢产物, 有的已经成为药品投放市场. 利用植物细胞培养技

术生产次生代谢产物的关键步骤就是高产稳定细胞系的获得, 因此, 利用植物

细胞的变异性, 采取各种手段反复不断地筛选出高产稳定的细胞系, 对通过细

胞培养生产次生代谢产物具有重要意义. 一个具有高产性能的细胞系的从头筛

选, 除了整个过程培养条件的优化之外, 还应满足下列条件:

1) 有足够的变异源细胞群; 2) 可成功进行单细胞克隆; 3) 有简单、快捷、灵

敏的产物分析方法; 4) 能进行细胞系稳定性试验[ 2] . 高产细胞系的筛选有很

多不同的方法, 如目视法、单细胞克隆法、小细胞团法、抗性筛选法、负筛选法

以及原生质培养法等. 到目前为止, 已在很多植物培养细胞中筛选到具有高产

次生代谢产物特性的细胞系. 高产细胞系筛选一般遵循以下思路进行

外植体

↓

愈伤组织 小细胞团法

↙ ↘ ↑ 悬浮培养 平板培养 → 小细胞团

↓

单细胞 诱变处理 抗性筛选法

↓

原生质体 原生质体培养

筛选植物高产细胞系常用的方法有目视法、放射免疫法( R IA )、酶联免疫

法( EL IA )、高效液相色谱法(HPLC )等。目前国外还采用一种突变种筛选法, 其

原理是把一些细胞毒性抑制剂如p- 氟苯丙氨酸( PFP)、5- 甲基色氨酸、草苷磷、

维生素H 等加入到要筛选的细胞培养体系中, 那些耐药性强且经过一段时间培

养生长正常的细胞系就可能是所要求的高产细胞系。例如从观赏辣椒提取辣椒素

和牛舌草提取迷迭香酸的细胞系筛选就应用了PFP并获得成功。

4.3、生物反应器

自从1960 年Tuleche 和Nickel 首次报道在134 L 生物反应器中成功培养

不同植物种类以来, 利用植物细胞大规模培养技术为植物有用代谢产物的生产

提供了有效生产途径和生产方法。近几年在这方面也取得了较大的发展, …… 此处隐藏：3239字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……