植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展

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1、植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展【摘要】利用植物细胞培养生产代谢产物具有十分广阔的前景。文章就植物细胞培养生产次生代谢产物过程中各种理化条件优化以及植物细胞培养过程相关模型建立的研究进行了综述。【关键词】植物细胞培养条件优化模型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

2、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、提高目标产物的产率并保证其生产稳定性上。　　1植物细胞悬浮培养条件的优化植物细胞培养过程中物理因素的优化控制对于植物细胞培养来说，环境中的许多物理因素对细胞的生长以及目标次生代谢产物的合成具有很大的影响。如通过温度、光照、电场、磁场电磁辐射、机械力以及超声波等对于植物细胞培养过程都有着十分重要的作用。植物细胞的生长、繁殖和次生代谢物的生产需要一定的温度条件，在一定的温度范围内细胞才

3、能正常生长、繁殖和维持正常的新陈代谢，植物细胞培养的最适温度一般为25℃，但不同的植物种类略有差异，而且植物细胞生长和次生代谢产物的合成所需的温度并不一致，因此选择合理的培养温度并进行相应的调控对于细胞生长以及产物合成十分关键，Hoopen等［1］曾对Catharanthusroseus细胞的培养过程、ToshiyaTakeda等［2］对Strawberry细胞的培养过程分别进行温度的阶段性调控，结果都在很大程度上提高了产物的产率；培养基的pH值与细胞生长繁殖以及次生代谢产物的生产关系密切，与培养温度相似，细胞的生长繁殖与次生代谢产物合成时所需的pH值

4、通常并不一致，需要在不同的阶段控制不同的pH值；目前关于电场的作用机理膜周电泳学说，该学说认为对细胞施加稳定的电场能够导致膜中带电物质的重新分配，最终导致原生质体生长和分化效应。石贵玉等［3］曾对银杏细胞培养细胞施加一定的高压电场进行刺激，结果发现对细胞的相关指标产生了较大的影响；而磁场的作用机理使它加速了细胞内的氧化磷酸化过程，从而促进ATP的合成，最终使得有丝分裂指数增高。王曼丝等［4］和洪丽萍等［5］分别研究过磁场对滇紫草细胞培养过程的影响；有研究表明［6］宇宙中的电磁波对生物体都会产生巨大的影响；超声波的运用主要是有利于细胞次生代谢物向细胞外释

5、放。目前在这些方面的一些研究主要还是停留在机理的探讨上，而如何在细胞大量培养时综合利用并对这些因素进行调控还有待进一步的研究。植物细胞培养过程中化学因素的优化控制植物细胞培养过程中的一些化学因素如培养基组成、溶氧、其它添加物等对于细胞的生长也具有十分重要的意义。合理的培养基组分、适当的溶氧以及其它诱导子及其前体等物质的有效调控能够在很大程度上促进细胞的生长以及次生代谢物的合成。培养基中的碳源、氮源及其一些微量的金属离子以及一些有机物质不仅是细胞生长以及合成的物质基础，而且很多都能够促进细胞生长或者是有利于产物的形成。植物细胞培养通常使用蔗糖作为碳源，研

6、究表明，一定浓度的蔗糖不仅能够促进植物细胞的生长，还能够刺激次生物质的合成，Fujita等采用4%的蔗糖浓度培养紫草细胞，结果仍能提高花色素的产量，Venkatesh等通过交替流加碳、氮源紫草宁的实验发现，在一定范围内，碳源浓度的提高有利于色素的产生，但当蔗糖浓度大于5%时，对紫草宁的合成开始产生抑制作用；氮源的主要作用是促进细胞分裂，合成蛋白质与核酸等细胞物质，培养基中的氮源可分别以［NH4+］和［NO3-］的形式存在，氮源浓度有最佳范围，而［NH4+］/［NO3-］的浓度比对细胞的生长代谢也非常重要；其它一些金属离子以及一些有机诱导子的添加也会对培

7、养细胞的生长以及次生代谢产物的合成产生影响；在植物细胞悬浮培养中，溶氧对细胞的生长和代谢有很大的影响［7，8］，同时，在培养条件中溶氧也是最复杂的因素之一，溶氧有一定的极限，过高或过低都会影响到细胞生长和产物合成，特别是在高密度培养时，供氧不足往往可能是限制产量的主要因素之一，因此溶氧参数的调控对于植物细胞培养十分关键，Jin-Han等研究了氧分压对Panaxnotoginseng培养细胞生长以及人参皂苷和多糖合成的影响，发现高的氧分压抑制细胞生长，同时也不利于产物的合成。　　2植物细胞培养相关模型的研究进展利用植物细胞培养生产药物，已发展成植物细胞培

8、养在生产运用中的主流之一。目前全世界约有四分之三的人以植物作为预防疾病的药物来源。因葡萄球菌、