細(xì)胞、微生物及其相關(guān)培養(yǎng)技術(shù)

戴尊

摘 要 細(xì)胞是生物有機(jī)體的基本結(jié)構(gòu)單位。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是生物技術(shù)中最核心、最基礎(chǔ)的技術(shù)。微生物在生物學(xué)的發(fā)展史上占據(jù)重要地位。細(xì)胞培養(yǎng)、微生物培養(yǎng)、植物組織培養(yǎng)等是生物技術(shù)中的重要組成成分。各種相關(guān)的培養(yǎng)技術(shù)在人類生產(chǎn)生活的很多方面得到了極大的運(yùn)用，對(duì)推動(dòng)人類社會(huì)的進(jìn)步起了重要作用。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞；微生物；細(xì)胞培養(yǎng)；微生物培養(yǎng)；植物組織培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2016）12--02

1 細(xì)胞及微生物

1.1 細(xì)胞

高等植物細(xì)胞膜外有細(xì)胞壁，細(xì)胞質(zhì)中常伴隨有質(zhì)體，體內(nèi)有葉綠體、液泡及線粒體。動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁，細(xì)胞質(zhì)中常有中心體。細(xì)胞作為生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，具有運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)和繁殖的功能。

1.2 微生物

微生物包括細(xì)菌、真菌及一些小型的原生生物、顯微藻類等在內(nèi)的一大類生物群體以及病毒。微生物多為單細(xì)胞生物，野生生存條件比較簡(jiǎn)單。此外，雖然其個(gè)體十分微小，卻與人類關(guān)系密切，與人類的生產(chǎn)和生活有重要的聯(lián)系。

微生物種類繁多，至少有10萬種以上。按其結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及生活習(xí)性等差異可分成三大類。一是真核細(xì)胞型微生物，其細(xì)胞核的分化程度較高，有核膜、核仁以及染色體，且胞質(zhì)內(nèi)有完整的細(xì)胞器[1]。二是原核細(xì)胞型微生物，其細(xì)胞核分化程度低，僅有原始核質(zhì)，沒有核膜與核仁。細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能并不完善。這類微生物種類眾多，有細(xì)菌、螺旋體、支原體、立克次體和衣原體和放線。三是非細(xì)胞型微生物，病毒為其代表。它們沒有典型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只能在活細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)和繁殖。

2 植物組織與動(dòng)物組織

細(xì)胞先進(jìn)行分裂與生長(zhǎng)，然后由細(xì)胞分化產(chǎn)生了不同的細(xì)胞群，把形態(tài)、結(jié)構(gòu)相似，在個(gè)體發(fā)育中由相同來源的細(xì)胞群所組成的結(jié)構(gòu)和功能單位，稱為組織。

2.1 植物組織

植物組織分為分生組織和成熟組織。根據(jù)分生組織在植物體中的分布位置，可分為頂端分生組織，側(cè)生分生組織及居間分生組織。

為適應(yīng)特定的生理功能，細(xì)胞出現(xiàn)了更為明顯的特化，形成了各種不同的成熟組織。薄壁組織：同化組織、吸收組織、貯藏組織、通氣組織和傳遞細(xì)胞。輸導(dǎo)組織：導(dǎo)管、管胞、篩胞、篩管和伴胞。機(jī)械組織：厚角組織和厚壁組織。保護(hù)組織：表皮和周皮。分泌結(jié)構(gòu)：外分泌結(jié)構(gòu)和內(nèi)分泌結(jié)構(gòu)。在植物的個(gè)體發(fā)育中，由同類細(xì)胞構(gòu)成的組織是簡(jiǎn)單組織；由多種類型細(xì)胞構(gòu)成的組織構(gòu)成的組織稱為復(fù)雜組織[2]。簡(jiǎn)單組織：分生組織、薄壁組織。復(fù)合組織：表皮、周皮、樹皮、木質(zhì)部、韌皮部和維管束。

2.2 動(dòng)物組織

根據(jù)構(gòu)造、功能和起源的差別可以將動(dòng)物組織分為4類：上皮組織、結(jié)締組織（包括疏松結(jié)締組織、致密結(jié)締組織、網(wǎng)狀結(jié)締組織和彈性結(jié)締組織等）、肌組織和神經(jīng)組織。它們以不同的比例互相聯(lián)系，相互依存，形成了動(dòng)物的各種器官和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物的生殖、生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝等全部的生命活動(dòng)。

3 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)

細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)也叫細(xì)胞克隆技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可以由一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過大量培養(yǎng)成為簡(jiǎn)單的單細(xì)胞或極少分化的多細(xì)胞，細(xì)胞培養(yǎng)的本質(zhì)就是對(duì)于細(xì)胞的克隆。培養(yǎng)過程一般需要光、氣體、水、無菌條件、滲透壓、營(yíng)養(yǎng)物、pH和溫度的條件。細(xì)胞培養(yǎng)是整個(gè)生物工程的重要組成部分。

按生長(zhǎng)方式分為黏附型細(xì)胞和懸浮型細(xì)胞，通常，體外培養(yǎng)的全部生命期大致可分為3個(gè)階段：原代培養(yǎng)期、傳代期和衰退期。

不同類細(xì)胞的培養(yǎng)。一是動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)就是從動(dòng)物機(jī)體中取出相關(guān)的組織，使用胰蛋白酶或膠原蛋白酶將它分散成單個(gè)細(xì)胞，放在適宜的培養(yǎng)基中，讓這些細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)需要血清、支持物及氣體交換的條件[3]。由此決定了動(dòng)物細(xì)胞離體培養(yǎng)設(shè)備要求高、難度大。二是植物細(xì)胞培養(yǎng)將愈傷組織或其他易分散的組織置于液體培養(yǎng)基中進(jìn)行震蕩培養(yǎng)，得到分散成游離的懸浮細(xì)胞，通過繼代培養(yǎng)使細(xì)胞增殖，從而獲得大量細(xì)胞群體的一種技術(shù)。根據(jù)培養(yǎng)對(duì)象，植物細(xì)胞培養(yǎng)主要有單細(xì)胞培養(yǎng)，單倍體培養(yǎng)，原生質(zhì)體培養(yǎng)等；按照培養(yǎng)系統(tǒng)可分為懸浮培養(yǎng)、液體培養(yǎng)、固體培養(yǎng)和固定化培養(yǎng)等。植物細(xì)胞的培養(yǎng)需要光照和激素的條件。由于激素對(duì)于細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)有重要作用，所以特別的需要植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的調(diào)節(jié)。

4 微生物培養(yǎng)

微生物培養(yǎng)是生物培養(yǎng)的中的一種。所培養(yǎng)的微生物主要有病毒、細(xì)菌、放線菌和真菌等。防止雜菌入侵，獲得純凈的培養(yǎng)物，是研究和應(yīng)用微生物的前提。也就是說，在給微生物提供合適的營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件的同時(shí)，還要確保沒有雜菌的混入。相較于動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)條件，微生物的培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單得多。但由于其中的厭氧微生物需要嚴(yán)格維持二氧化碳等惰性氣體的濃度，而好氧微生物只需要通過攪拌提供氧氣，所以好氧微生物的培養(yǎng)比厭氧微生物的培養(yǎng)要簡(jiǎn)單的多[4]。

微生物的培養(yǎng)需要用到培養(yǎng)基。培養(yǎng)基在微生物的培養(yǎng)中舉足輕重。微生物的培養(yǎng)基按其所含成分可分為合成培養(yǎng)基、天然培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基3種。合成培養(yǎng)基的成分及含量雖然確切可知，但一般微生物在此生長(zhǎng)緩慢甚至不生長(zhǎng)。玉米漿、蛋白胨、麥芽汁、酵母膏等都可以成為微生物天然培養(yǎng)基。天然培養(yǎng)基配置方便，營(yíng)養(yǎng)豐富，但其具體的成分和含量并不清楚[5]。但由于半合成培養(yǎng)基既營(yíng)養(yǎng)豐富又可以確定部分已知成分，所以多數(shù)微生物的培養(yǎng)采用一部分天然有機(jī)物作碳源、氮源和生長(zhǎng)因子，然后加入適量的化學(xué)藥品配制而成的半合成培養(yǎng)基。

5 植物組織培養(yǎng)和動(dòng)物細(xì)胞與組織培養(yǎng)

5.1 植物組織培養(yǎng)

植物組織培養(yǎng)即植物無菌培養(yǎng)技術(shù)，又稱離體培養(yǎng)，是根據(jù)植物細(xì)胞具有全能性的理論，利用離體的器官、組織或細(xì)胞及原生質(zhì)體，在適宜的條件下在培養(yǎng)了一段時(shí)間以后，會(huì)通過脫分化形成愈傷組織（愈傷組織的細(xì)胞是薄壁細(xì)胞的一種）。再通過再分化形成根或芽等器官，經(jīng)過培育后最終形成完整植株的過程。

溫度、光照、材料年齡、保存時(shí)間等都可能影響植物的組織培養(yǎng)。而且，不同的植物組織，培養(yǎng)的難易程度存在著很大的差別。因此材料的選擇直接關(guān)系了植物組織培養(yǎng)的成敗。

培養(yǎng)的類型分為胚胎培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、細(xì)胞培養(yǎng)、器官培養(yǎng)和原生質(zhì)體培養(yǎng)。有非試管微組織快繁和試管組織培養(yǎng)兩種培養(yǎng)方法[6]。

5.2 動(dòng)物細(xì)胞與組織培養(yǎng)

動(dòng)物細(xì)胞與組織培養(yǎng)是從動(dòng)物體內(nèi)取出細(xì)胞或組織，模擬體內(nèi)的生理環(huán)境，在無菌、適溫和豐富的營(yíng)養(yǎng)條件下，使離體細(xì)胞或組織生存、生長(zhǎng)并維持結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)。具有倍增時(shí)間長(zhǎng)，生長(zhǎng)緩慢，易受污染，無細(xì)胞壁等特性。

6 應(yīng)用與發(fā)展

細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)便于直接觀察活細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)，用于細(xì)胞學(xué)、遺傳學(xué)、免疫學(xué)、實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)和腫瘤學(xué)等多種學(xué)科研究。研究的細(xì)胞種類十分廣泛，可以從低等到高等，從正常細(xì)胞到癌變細(xì)胞等，且易于提供生物性狀相似的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使實(shí)驗(yàn)的耗資大大減少。

細(xì)胞是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是大自然的杰作[7]。細(xì)胞內(nèi)部存在的多種正反饋和負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，其自身特點(diǎn)對(duì)于其在工業(yè)上的發(fā)展起著決定性的作用。例如，人工種子，可以代替天然種子直接播撒于田間，且生產(chǎn)不受外界自然環(huán)境的影響，培養(yǎng)時(shí)間短，雖然存在著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已泄露、保水性差等暫時(shí)沒能解決的問題，但是我們有理由相信，人工種子依舊擁有著光明的未來。對(duì)生物克隆技術(shù)來說，細(xì)胞培養(yǎng)是一個(gè)必不可少的過程。我們可以相信，細(xì)胞培養(yǎng)將會(huì)對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

微生物在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用自不必說，青霉菌產(chǎn)生的抗生素不知挽救了多少人的生命。未來微生物會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，食品保險(xiǎn)等方面發(fā)揮重要作用。所以，微生物將在諸多方面被廣泛應(yīng)用，所以微生物培養(yǎng)擁有著廣闊的發(fā)展前景。

植物組織培養(yǎng)在植物脫毒、快速繁殖、植物育種和種質(zhì)資源的保存等方面有重要作用。在商業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用主要是在各大大型花卉生產(chǎn)基地或鐵皮石斛、鐵線蓮等藥材的生產(chǎn)。許多植物的花卉和果樹都可以通過組織培養(yǎng)大量繁殖。且植物組織培養(yǎng)在藥物及其他生物制劑的工業(yè)化生產(chǎn)方面有重要作用[8]。我國(guó)于1963年對(duì)人參組織的培養(yǎng)獲得成功，生長(zhǎng)速度相較于自然情況下提升了上百倍[9]。綜上所述，植物組織培養(yǎng)對(duì)諸多行業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。雖然組培苗還存在一定的問題，但隨著未來科技的發(fā)展，相信植物組織培養(yǎng)遺傳育種，挽救滅絕生物等方面發(fā)揮越來越大的作用。

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（責(zé)任編輯：劉昀）