植物細胞工程是在植物組織培養基礎上發展起來的新學科,具有基礎理論與實驗技術並舉的特點。本書以植物細胞工程的基本概念、基本原理和基本技術為主線,系統闡述了植物細胞工程的原理和技術,同時介紹了該學科領域的發展動態。

◎陳其昌 台灣大學生化系教授

細胞工程是一門綜合性的生物技術學科。細胞工程的研究物件是所有以細胞為基礎的生物體，其研究目標是在細胞、組織和器官水準上對生物進行遺傳改良，生長發育調控，或進行特殊產物的生產。由於生物的遺傳、生長發育和物質代謝等是生命科學研究的基礎範疇，因此，細胞工程學科的發展速度也隨著分子生物學、細胞生物學、發育生物學、生理學、遺傳學及其它生物類學科的飛速發展而加快，同時也與電腦科學、材料科學等應用學科的進步密切相關。細胞工程學科的發展反過來又為其他生命學科提供了橋樑和載體，促進了這些學科的發展與進步。植物細胞工程是細胞工程的主要分支，在這樣一種多學科相互滲透的背景下，要建立一個相對獨立而又與其他學科有機聯繫的植物細胞工程學科的知識體系，既是本書試圖解決的重點，同時由於這是一門正處於快速發展階段的新興學科，因此也是本書編寫過程中所一直面對的一個難點。 植物細胞工程的理論基礎是細胞全能性學說，其研究技術涉及細胞器、細胞、組織和器官水準在利用工程技術原理和手段進行的各類體外操作。因此，本書以基本原理介紹為切入點，以不同類型的技術範疇為骨架，構建成本書的基本結構。在各章節編寫時，力求理論闡述與技術介紹並重，使本書在作為教材使用的同時，也具備工具書的性質；注重將現有技術歸納與發展趨勢介紹相結合，客觀地反映本學科相關領域的重點和尚待研究解決的科學問題，使之對專業人士具有一定的參考作用；強調本學科知識的系統性及其與其他相關學科相輔相成的關係，以體現細胞工程作為一門綜合性技術學科所存在的多學科滲透融合的內涵，幫助讀者正確理解和解釋本學科所涉及的科學現象。 本書由緒論和另外十章組成。緒論重點介紹了植物細胞工程的概念、發展歷史及與其他學科的相互關係，論述了細胞工程在現代生物技術中的地位與作用。前三章是細胞工程的基本技術和原理，相當於總論。第一章從植物細胞工程的理論基礎出發，介紹了細胞全能性的概念和離體條件下器官發生的機理，從理論上認識細胞工程技術產生、發展和應用的原理。第二章重點闡述了離體條件下的遺傳變異與調控，以瞭解和科學分析植物細胞工程技術應用過程中的生命現象，為後面介紹專門技術奠定基礎。第三章是植物細胞工程研究的基本技術介紹，重點討論了離體培養對環境和營養條件的要求等一些共性問題。因為細胞工程從廣義上講包括細胞、組織和器官培養，而細胞培養與其他培養在目的和應用的技術上都存在差異，因此第四章專門論述了主要的植物組織和器官培養技術，包括植物莖尖分生組織培養、病毒脫除與快速繁殖，花藥與花粉培養，胚胎與子房培養等。第五章至第七章分類介紹了目前研究較多、應用較廣泛的主要植物細胞培養技術，包括植物細胞培養與次生代謝產物生產、植物原生質體培養和體細胞雜交等，這些是植物細胞工程技術在遺傳改良和代謝調控方面取得了重要成就的領域，屬於典型的單細胞培養與操作技術範疇。第八章和第九章分別介紹了細胞工程在植物人工種子生產和遺傳種質保存方面的應用原理與技術，屬於離體培養與其它技術綜合應用的領域。作為基因工程下游技術的重要環節，從技術上說植物遺傳轉化體系的建立屬於細胞工程的範疇，從應用上講又是現代生物學各個領域在分子水準上從事研究的重要技術途徑。為使讀者充分瞭解本學科技術在遺傳轉化方面的應用，明確基因工程對作為轉基因載體的細胞工程技術的特殊要求，第十章專門介紹了植物遺傳轉化受體系統的建立。 植物細胞工程的知識體系還需要不斷發展和完善。為了方便讀者對本書所涉及的科學和技術問題進行更深入的探討，書中較詳盡地列出了所引用資料的來源，其主要部分以參考文獻形式列於書後，以便查閱。對於所涉及的專門名詞，書中盡可能地附上了相應的英文名稱，並以中英文名詞對照的形式匯總於書後。由於細胞工程技術的研究和應用目前還受到植物物種和品種的限制，本書還給出了所涉及的植物材料的中文和拉丁文植物學名稱，且集錄於書後，以供讀者參考。本書由謝從華和柳俊主編，相關高校從事細胞工程教學和科研的中青年教師參加了本書的編寫。除此之外，華中農業大學園藝林學學院蔡興奎博士幫助進行了體細胞雜交一章中部分資料和圖片的整理；博士研究生張遲參與了原生質體培養一章中部分示意圖的繪製；胡建斌協助收集了有關形態發生的部分資料。同時，本書還被惠許使用了華中農業大學馬鈴薯實驗室的有關圖片資料。因此，本書的完稿是集體勞動的結果。 編寫國家“十五”規劃教材對於編寫組來說是一個嘗試與挑戰，尤其是在生命科學和生物技術快速發展的今天。雖然各位同仁力圖將最新的學科進展全面而系統地介紹出來，但受知識、經驗和時間的限制，恐掛一漏萬；對科學現象的認識亦或木林相淆；在內容和形式上的疏漏也在所難免。我們殷請使用本書的師生和讀者不吝指正。 編者

緒　論1第一節　細胞工程在生物技術領域中的地位2一、生物技術概述2二、細胞工程的概念及研究範疇3三、細胞工程與其他相關學科的關係31.細胞工程學科的建立依賴於相關學科理論的發展32.細胞工程為生物學研究提供新的實驗體系43.細胞工程必須與其他生物技術相結合才能更好地發揮作用4四、細胞工程在現代生物技術中的地位及其實踐意義41.改善農業生產技術42.保護自然資源，維護生態平衡53.生物醫藥開發5第二節　植物細胞工程的發展5一、植物細胞工程的發展51.探索階段62.培養技術建立階段63.應用研究階段7二、大陸植物細胞工程的研究進展8第三節　植物細胞工程技術的類別及其應用10一、植物細胞工程的類別10二、植物細胞工程的應用111.在植物育種上的應用112.種苗脫病毒與快速繁殖113.細胞培養生產有用次生產物124.在細胞生物學和發育生物學研究中的應用125.在植物遺傳、生理生化以及植物病理等基礎研究中的應用13第一章　細胞全能性與形態發生15第一節　細胞全能性及其表達16一、細胞全能性概述16二、培養條件下的細胞脫分化171.細胞脫分化過程中的生理活動與細胞結構變化182.細胞脫分化的調控機理193.細胞分裂與癒傷組織形成24三、細胞分化241.細胞分化與基因組變化252.極性與細胞分化263. TE細胞分化及其調控284.激素在細胞分化中的調控作用31第二節　器官發生33一、離體培養中器官發生的方式33二、器官分化過程 34三、起始材料對器官分化的影響361.母體植株的遺傳基礎362.外植體的類型36四、激素對器官分化的調控 38五、光照對器官分化的影響40六、器官發生的基因調控40第三節　體胚發生42一、體胚的形成431.體胚從外植體上直接發生432.經過癒傷組織的體胚發生433.細胞懸浮培養的體胚發生44二、體胚的結構與發育特點46三、影響體胚發生的因素481.外源激素對體胚發生的調控482.培養基及培養條件對體胚形成的影響493.不同基因型間體胚形成能力的差異50四、體胚發生的生化與分子基礎501.體胚形成過程中內源生長素的變化502.體胚發生過程中的特異蛋白質523.體胚形成的基因表達調控54第二章　離體培養下的遺傳與變異57第一節　離體培養中的遺傳與變異特點58一、離體培養中的遺傳穩定性58二、離體培養條件下遺傳變異的特點59三、影響體細胞遺傳與變異的因素621.供體植物622.培養基及培養方式643.繼代培養的次數65第二節　體細胞變異的細胞遺傳學基礎66一、DNA在核內重複複製66二、染色體斷裂與重排67三、非正常有絲分裂68第三節　體細胞變異的分子遺傳學基礎69一、鹼基突變69二、DNA序列的選擇性擴增與丟失69三、轉座子活化71四、DNA甲基化71第四節　體細胞無性系變異的誘導與選擇72一、體細胞無性系變異誘導材料的選擇73二、離體培養細胞的自發變異73三、離體培養細胞的誘變741.物理誘變742.化學誘變753.複合因子誘變754.轉座子插入誘變75四、體細胞無性系突變體的篩選761.直接篩選法762.間接篩選法76五、體細胞無性系變異的利用781.創造育種中間材料或直接篩選新品種782.遺傳研究793.發育生物學研究804.生化代謝途徑研究80第三章　植物細胞工程技術原理83第一節　實驗室設置84一、實驗室組成841.基本實驗室842.輔助實驗室853.實驗室佈局85二、基本設備配置861.常規設備862.滅菌設備873.無菌操作設備874.培養設備885.其他設備89三、培養容器與用具891.培養容器892.金屬用具903.塑膠用具90第二節　細胞工程的基本技術91一、洗滌技術911.洗滌劑912.洗滌方法91二、滅菌技術921.培養基滅菌922.玻璃器皿滅菌923.金屬用具滅菌934.操作環境滅菌93第三節　培養基組成及配製93一、培養基成分941.無機鹽類942.有機化合物943.生長調節物質954.水975.其他附加成分97二、培養基配方及培養基選擇971.常用培養基配方972.培養基篩選101三、培養基配製1011.培養基母液配製1012.培養基製備103第四節　外植體取材及培養條件的控制104一、外植體取材1041.外植體的來源1042.供體植株的管理104二、外植體滅菌1041.種子滅菌1052.芽、葉片、莖等組織材料滅菌1053.未成熟胚、子房及花藥滅菌106三、接種培養及其培養條件的控制1061.光照1072.溫度1073.培養基pH1074.氣體調節108第四章　植物組織和器官培養111第一節　植物脫毒與快速繁殖112一、植物脫毒和快速繁殖的意義1121.植物脫毒和快速繁殖的概念1122.植物脫毒和快速繁殖的意義112二、植物脫毒的原理和技術1141.基本原理1142.植物脫毒的技術規程1153.影響脫毒效果的因素119三、離體繁殖1201.離體繁殖的一般技術1202.離體繁殖的使用範圍1233.離體繁殖的遺傳變異與控制123第二節　花藥及花粉培養124一、基本概念1241.花藥培養1242.花粉培養1243.單倍體125二、花藥培養1261.外植體的選擇1262.材料的表面消毒1263.接種1274.培養1275.植株再生1276.生根和移栽127三、花粉及小孢子培養1291.取材時期的確定1292.花粉的分離1293.花粉培養方法130四、花藥和花粉培養中花粉發育的途徑1311.花藥和花粉培養中花粉發育的途徑1312.影響花粉發育的因素1323.花粉發育的誘導137五、花藥和花粉培養中單倍體植株形成的途徑1381.通過胚狀體形成單倍體植株1392.通過癒傷組織形成單倍體植株140六、花粉植株的倍性及染色體加倍1401.花粉植株的倍性1402.染色體加倍141七、花藥和花粉培養中的白化苗1421.影響白化苗形成的因素1422.白化苗的細胞學和生理生化特性143八、單倍體的應用1431.迅速獲得純合型材料1432.突變體選育1443.體細胞融合1444.獲得染色體異附加系和代換系1445.遺傳研究1446.遺傳工程受體145第三節　胚培養145一、胚培養的意義和類型1451.胚培養的意義1452.胚培養的類型146二、幼胚培養1461.幼胚培養的基本技術1472.幼胚離體培養的生長發育方式147三、幼胚培養條件1481.培養基1482.光照1483.溫度148第四節　子房培養148一、材料的選擇1501.品種間的差異1502.胚囊發育時期150二、培養基1501.基本培養基1502.植物激素的影響1503.蔗糖濃度151三、接種方式151四、單倍體的來源和發育途徑1511.助細胞或胚囊的無配子生殖產生單倍體1512.卵細胞、助細胞和反足細胞發育產生單倍體1513.非正常發育的大孢子四分體產生單倍體151第五節　胚乳培養152一、概況152二、植物胚乳的發育特性1521.核型胚乳1532.細胞型胚乳1533.沼生目型胚乳153三、影響胚乳培養的因素1541.胚乳的發育時期1542.基因型1543.培養條件1544.胚因子154四、胚乳培養的形態發生1551.癒傷組織形成1552.器官發生1553.影響胚乳形態發生的因素155第五章　植物細胞培養及次生代謝產物生產159第一節　懸浮培養160一、癒傷組織誘導160二、懸浮系的建立與繼代培養161三、懸浮細胞的生長動態161四、懸浮培養細胞的同步化163第二節　單細胞培養164一、細胞平板培養164二、看護培養165三、微室培養166四、其他單細胞培養技術167第三節　植物細胞的規模培養167一、概述167二、植物細胞規模化培養體系的建立1681.種子細胞的選擇1682.種子細胞系的增殖與放大培養1703.大規模培養體系的建立170三、生物反應器類型及其特點1711.攪拌式生物反應器1722.氣動式生物反應器1723.固定化細胞生物反應器173