植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與植物產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合的策略芻議

張寶華

關(guān)鍵詞：植物細(xì)胞;實(shí)驗(yàn)教學(xué);植物產(chǎn)業(yè)化

生物技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)騰飛的標(biāo)志之一，無論是在國家科技發(fā)展方面，還是人們的衣食住行方面，都發(fā)揮著非常重要的作用。我國生物技術(shù)在當(dāng)下發(fā)展迅猛，已經(jīng)滲入生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各領(lǐng)域發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)相關(guān)方案，在細(xì)胞、亞細(xì)胞水平上操作，獲得帶有目的性狀的組織、細(xì)胞、器官或生物制品。在植物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的過程中，按照實(shí)際需求，調(diào)整植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高教育工作的有效性。

1 基本概念

1.1 植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的原理和方法，通過細(xì)胞水平或者細(xì)胞器水平上的操作，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)或獲取細(xì)胞產(chǎn)品的一項(xiàng)綜合科學(xué)技術(shù)。細(xì)胞工程涉及領(lǐng)域很廣，技術(shù)范圍大致包括細(xì)胞組織培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、細(xì)胞拆合技術(shù)、染色體技術(shù)、基因轉(zhuǎn)移技術(shù)、胚胎移植技術(shù)等。細(xì)胞工程又可分為植物細(xì)胞工程及動(dòng)物細(xì)胞工程?，F(xiàn)實(shí)中，植物細(xì)胞工程通常使用植物組織培養(yǎng)及植物體細(xì)胞雜交，在一定基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)植物細(xì)胞的多功能性。植物組織培養(yǎng)是一種培養(yǎng)技術(shù)，主要是還原原生植物的細(xì)胞狀態(tài)，通過人工從植物中取出器官、組織或細(xì)胞，提供能夠分化的營養(yǎng)物質(zhì)與條件，使植物能夠分化、發(fā)育和生長，用于組織培養(yǎng)的植物細(xì)胞或器官稱為外植體。在適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)和外界條件下，移植的細(xì)胞首先去分化，其次恢復(fù)細(xì)胞分裂，形成愈傷組織（代表一組具有相同或相似形態(tài)結(jié)構(gòu)的未分化細(xì)胞），再次在特定誘導(dǎo)物的作用下分化，最后形成有根、莖和葉的全株。體細(xì)胞雜交是在原生質(zhì)體培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過融合動(dòng)物細(xì)胞而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。植物體細(xì)胞雜交包括原生質(zhì)體制備、原生質(zhì)體融合誘導(dǎo)、雜交細(xì)胞選擇與培養(yǎng)、雜交植物再生與鑒定。該技術(shù)的應(yīng)用可以克服遠(yuǎn)距離雜交和不育的缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類茄科蔬菜的繁育，實(shí)現(xiàn)異種細(xì)胞雜交等新品種的培育。

1.2 植物產(chǎn)業(yè)化

植物產(chǎn)業(yè)化是指以植物為原料，對(duì)生產(chǎn)過程、勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)方法及各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制的植物大規(guī)模生產(chǎn)和利用，形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程，具有一定的生產(chǎn)水平。實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒅参锕I(yè)化生產(chǎn)的前提是具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、成熟的植物生產(chǎn)技術(shù)和充足的植物原料。植物生產(chǎn)技術(shù)是植物細(xì)胞工程技術(shù)的重要組成部分，因此，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的植物細(xì)胞工程技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合是植物產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，諸多先進(jìn)技術(shù)（如傳感技術(shù)、物聯(lián)技術(shù)）被逐漸研發(fā)出來，植物生產(chǎn)工廠在技術(shù)的加持下，規(guī)模以及技術(shù)成熟度也與日俱增。發(fā)展方向主要有兩種：一個(gè)是工廠化生產(chǎn)的發(fā)展，即大型植物生產(chǎn)工廠的發(fā)展，另一個(gè)是家庭微型植物生產(chǎn)工廠的發(fā)展，這兩種發(fā)展趨勢(shì)的必然性可以從植物生產(chǎn)工廠的研究現(xiàn)狀來看。

2 植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與植物產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合現(xiàn)狀

2.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)過于依賴政府和大企業(yè)的資助，缺乏長效政策機(jī)制支撐

如果中國的設(shè)施農(nóng)業(yè)僅依靠政府推進(jìn)，很有可能會(huì)以失敗告終，這是過去大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。政府在政治上支持農(nóng)民，占主導(dǎo)地位的農(nóng)民傾向于實(shí)現(xiàn)植物和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)成效，大規(guī)模的玻璃溫室建設(shè)也證明了這一點(diǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期長，前期投入成本較大，投資周期長。目前，主要合作社和企業(yè)規(guī)模有限，盈利能力有限，不敢投資。但是，高度情緒化、政治化的社會(huì)資本一直在追求高投入、高效率、高回報(bào)，與未完成的農(nóng)業(yè)項(xiàng)目成果不協(xié)調(diào)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的提升取決于經(jīng)營者的不斷探索，補(bǔ)貼不是農(nóng)業(yè)企業(yè)長期的生存方式。此外，無限期的補(bǔ)貼也讓政府“頭疼”。

2.2 在現(xiàn)行的蔬菜產(chǎn)業(yè)化體系中，全人工光植物細(xì)胞工程不受重視

目前，國內(nèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)政策基本由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（農(nóng)科院）和農(nóng)業(yè)大學(xué)（系）主導(dǎo)。該系統(tǒng)解決的主要問題是大田（農(nóng)村、農(nóng)民）和城市菜籃子問題，加強(qiáng)設(shè)施農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是加大設(shè)施設(shè)備投入，提高失地農(nóng)民就地就業(yè)率，提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品生產(chǎn)更穩(wěn)定、更安全。制度農(nóng)業(yè)的高投入性破壞了從小規(guī)模到大規(guī)模逐步發(fā)展的道路。植物廠房投資高、能耗大，不適合普通企業(yè)投資，也不適合農(nóng)業(yè)滾動(dòng)發(fā)展。

3 植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與植物產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，許多研究人員在植物產(chǎn)業(yè)化方面投入大量精力，比如在特定植物的技術(shù)基礎(chǔ)上，完成后續(xù)相關(guān)種植技術(shù)開發(fā)，將技術(shù)投入家庭園藝，促進(jìn)家庭植物細(xì)胞工程的可持續(xù)發(fā)展。由于電子技術(shù)的快速發(fā)展，LED光源被廣泛應(yīng)用于植物領(lǐng)域，技術(shù)與發(fā)展規(guī)模進(jìn)步較大。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)（如溫度和濕度控制系統(tǒng)與二氧化碳控制系統(tǒng)）和智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)得到了一定發(fā)展。研究者們?cè)谥参锩缙匀斯ふ彰黝愋头忾]和環(huán)境控制系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的研究和開發(fā)中，確定了溫度、濕度、二氧化碳濃度、光、營養(yǎng)液和其他因素。

3.1 加強(qiáng)技術(shù)控制

許多植物學(xué)家根據(jù)工廠的無線控制技術(shù)和基于以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)了植物細(xì)胞工程信息化發(fā)展。順應(yīng)21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展，不僅可以降低成本，還可以節(jié)省人力資源。

3.2 優(yōu)化工廠建設(shè)

工廠建設(shè)不斷采用新材料，圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用不透明絕緣材料。研究發(fā)現(xiàn)：使用人工照明的植物工程，可以提高材料、能源和各類資源的利用水平，使用較少的資源便可獲得高價(jià)值、高質(zhì)量的園藝植物[1]。

3.3 注重內(nèi)部設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)新產(chǎn)品，建立綠色植物育苗系統(tǒng)，通過技術(shù)手段，滿足植物葉菜自動(dòng)工廠生產(chǎn)運(yùn)營需求。該系統(tǒng)通過生產(chǎn)運(yùn)營的智能化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)植物的科學(xué)化生產(chǎn)，因此，開展相關(guān)技術(shù)工作十分必要。

4 植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與植物產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合的問題

4.1 植物細(xì)胞工程生產(chǎn)作物研究的種類較少

作物在不同時(shí)期對(duì)光、溫度、濕度的需求不同，為了構(gòu)建適合作物生長的環(huán)境，滿足對(duì)各類資源的需求，應(yīng)該規(guī)范部分農(nóng)作物的生產(chǎn)指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，有許多未開發(fā)的作物，由于對(duì)光、溫度、濕度等資源的需求量掌握不足，很難為作物生長設(shè)計(jì)合理的方案，在各類資源配置不到位、不科學(xué)的情況下，很難為作物生長提供良好的條件，會(huì)降低作物產(chǎn)量和質(zhì)量。例如近期有相關(guān)人員對(duì)光、溫度、濕度、人工環(huán)境控制進(jìn)行了研究，主要以萵苣和黃瓜作為研究對(duì)象[2]。

4.2 家庭植物細(xì)胞工程智能化程度低

近年來，植物細(xì)胞工程智能化程度不斷提高，但是多為工廠化發(fā)展。家庭植物細(xì)胞工程發(fā)展受諸多因素影響，成本高、產(chǎn)量低、產(chǎn)業(yè)化程度低。由于受到以上必要條件的限制，家庭植物細(xì)胞工程智能化的研究鮮有開展。隨著人們的生活節(jié)奏不斷加快，生活質(zhì)量不斷提高，促進(jìn)植物細(xì)胞工程家族化、智能化已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)?；ヂ?lián)網(wǎng)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，如何將互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和智能控制相結(jié)合成為下一個(gè)高校課程研究課題[3]。

4.3 成本高

隨著植物細(xì)胞工程的開發(fā)和普及，植物細(xì)胞工程的支出成本越來越高，原因有兩個(gè)方面：（1）投入成本相對(duì)較高。植物細(xì)胞工程的設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)光源有較高的依賴性，為了滿足植物對(duì)光源的需求，會(huì)在植物生長環(huán)節(jié)投放人工光源。該操作會(huì)提高工程在設(shè)備、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、硬件、環(huán)境等方面的智能控制與管理成本。投資成本和工程維護(hù)均會(huì)花費(fèi)不少資金，使植物工程在各運(yùn)行時(shí)段均需足夠的資金作為支撐，由此才能順利開展各類活動(dòng)。建立一般規(guī)模的植物細(xì)胞工程在資金方面承擔(dān)的壓力較小，投資金額約10萬元，但是此工程在普及方面會(huì)存在一定的問題。（2）植物細(xì)胞工程存在耗電問題，會(huì)增加植物工程的整體成本，使植物細(xì)胞工程在運(yùn)行階段遭受一定的阻礙。近年來，植物成套設(shè)備的高成本、高消耗并沒有從根本上得到解決，也沒有后續(xù)的運(yùn)維成本，致使項(xiàng)目在運(yùn)行環(huán)節(jié)遭遇不少問題。

5 植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與植物產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合的策略

5.1 優(yōu)化人才培養(yǎng)機(jī)制

學(xué)校與企業(yè)建立合作關(guān)系，為植物細(xì)胞工程領(lǐng)域培養(yǎng)應(yīng)用型人才，明確植物細(xì)胞工程對(duì)參與人員能力與職業(yè)素養(yǎng)方面的需求，企業(yè)向高校提出自身在專業(yè)人才培養(yǎng)方面的建議。高校整理相關(guān)信息，從人才培養(yǎng)的角度設(shè)計(jì)植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中得到良好的鍛煉。教師會(huì)記錄學(xué)生在活動(dòng)中的表現(xiàn)，評(píng)估學(xué)生的能力，而表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生可以在畢業(yè)后留在實(shí)習(xí)單位。事實(shí)上，成本是影響教學(xué)的關(guān)鍵因素，在這種人才輸送模式的推動(dòng)下，企業(yè)培養(yǎng)人才的成本降低，學(xué)校的人才輸出也更有針對(duì)性。

5.2 建立企業(yè)所需的生產(chǎn)原料供應(yīng)體系和技術(shù)支援體系

光能是清潔能源之一，在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用，太陽能電池應(yīng)用前景廣闊。植物細(xì)胞工程可以通過在內(nèi)部安裝水處理設(shè)備、循環(huán)用水、節(jié)約用水、利用LED照明設(shè)備人工補(bǔ)光等方式，促進(jìn)作物的光合作用。上述措施不僅可以減少能耗，還可以精確調(diào)整植物生長情況。

5.3 更新和充實(shí)植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的材料

隨著實(shí)驗(yàn)材料、環(huán)境的更新以及現(xiàn)代化發(fā)展，學(xué)生對(duì)技術(shù)的興趣與實(shí)操能力逐漸提升。植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的綜合性、系統(tǒng)性較強(qiáng)，需要學(xué)生有與時(shí)俱進(jìn)的鉆研精神。學(xué)校實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)，應(yīng)以植物細(xì)胞工程技術(shù)為主，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。

6 結(jié)語

近年來，隨著技術(shù)更新速度的加快，植物細(xì)胞工程也在快速發(fā)展。植物細(xì)胞工程的科學(xué)研究雖然進(jìn)展迅速，但鮮少應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。在植物細(xì)胞工程發(fā)展的道路上，新材料的研究、植物成本問題的解決、智能植物的研究、植物特異性系統(tǒng)的研發(fā)必將成為21世紀(jì)植物研究者的緊迫任務(wù)，植物細(xì)胞工程的發(fā)展應(yīng)趨于低成本和智能化。