備課素材：植物細胞培養(yǎng)大量生產次生代謝產物 高二下生物人教版選擇性必修三

植物細胞培養(yǎng)大量生產次生代謝產物先看一道試題：

植物體在干旱、蟲害或微生物侵害等脅迫過程中會產生防御物質，這類物質屬于次生代謝產物。次生代謝產物在植物抗蟲、抗病等方面發(fā)揮作用，也是藥物、香料和色素等的重要來源。次生代謝產物X的研發(fā)流程如下：篩選高產細胞→細胞生長和產物X合成關系的確定→發(fā)酵生產X回答下列問題：（1）獲得高產細胞時，以X含量高的植物品種的器官和組織作為_____，經脫分化形成愈傷組織，然后通過液體振蕩和用一定孔徑的篩網進行_____獲得分散的單細胞。（2）對分離獲得的單細胞進行_____培養(yǎng)，并通過添加_____或營養(yǎng)缺陷培養(yǎng)方法獲取細胞周期同步、遺傳和代謝穩(wěn)定、來源單一的細胞群。為進一步提高目標細胞的X含量，將微生物菌體或其產物作為誘導子加入到培養(yǎng)基中，該過程模擬了_____的脅迫。（3）在大規(guī)模培養(yǎng)高產細胞前，需了解植物細胞生長和產物合成的關系。培養(yǎng)細胞生產次生代謝產物的模型分為3種，如圖所示。若X只在細胞生長停止后才能合成，則X的合成符合圖_____（填“甲”“乙”“丙”），根據該圖所示的關系，從培養(yǎng)階段及其目標角度，提出獲得大量X的方法。_____（4）多種次生代謝產物在根部合成與積累，如人參、三葉青等藥用植物，可通過_____培養(yǎng)替代細胞懸浮培養(yǎng)生產次生代謝產物。隨著基因組測序和功能基因組學的發(fā)展，在全面了解生物體合成某次生代謝產物的_____和_____的基礎上，可利用合成生物學的方法改造酵母菌等微生物，利用_____工程生產植物的次生代謝產物。

【解析】（1）植物體的器官和組織、細胞都可以作為外植體，經脫分化形成愈傷組織，將愈傷組織進行振蕩培養(yǎng)，使其分散成小的細胞團或單細胞，然后用適當孔徑的不銹鋼篩網過濾，除去大的細胞團和殘渣，離心除去小的殘渣，得到單細胞懸浮液。（2）分離獲得的單細胞進行擴大培養(yǎng)，并通過添加過量胸苷，（向細胞培養(yǎng)液中加入過量胸苷（TdR），處于S期的細胞立刻被抑制，洗去TdR后可恢復正常分裂，而處于其它時期的細胞不受過量TdR影響）或營養(yǎng)缺陷培養(yǎng)方法獲取細胞周期同步、遺傳和代謝穩(wěn)定、來源單一的細胞群。將微生物菌體或其產物作為誘導子加入到培養(yǎng)基中，模擬了微生物侵害的迫害條件。（3）由題可知X只在細胞生長停止后才能合成，所以丙圖符合。所以要獲得大量X的方法，是將細胞培養(yǎng)知穩(wěn)定期（即停止生長時期）一定時間后，通過分離提純獲得大量X。（4）由題知，多種次生代謝產物在根部合成與積累，所以要對根進行培養(yǎng)，為了方便進行次生代謝物的收集，可以對根進行水培。要大量獲得次生代謝物可以通過基因工程，將相關基因轉入酵母菌體內，然后通過發(fā)酵工程獲得，基因工程的前提是要了解生物體合成某次生代謝產物的相關基因組成和基因表達過程。【答案】（1）外植體

過濾（2）擴大

過量的胸苷

微生物侵害（3）丙

將細胞培養(yǎng)至穩(wěn)定期（即停止生長時期）一定時間后，通過分離提純獲得大量X（4）根的水培養(yǎng)

相關基因組成

基因表達過程

基因工程和發(fā)酵這是2024年6月浙江高考生物23題，涉及到次生代謝產物的合成。2020版高中生物學選擇性必修三簡單提到了利用利用植物細胞培養(yǎng)工廠化生產次生代謝產物：那么，如何利用利用植物細胞培養(yǎng)工廠化生產次生代謝產物？植物細胞大量培養(yǎng)生產次生代謝產物基本包括3個步驟：一是誘導植物產生旺盛生長的愈傷組織和懸浮細胞系；二是篩選高產細胞系；三是生物反應器中大量培養(yǎng)細胞或細胞團，并適時采收。1.誘導植物產生旺盛生長的愈傷組織和懸浮細胞系選擇生長健壯的植株，一般在生長活躍、合成目的產物較多的部位取材，進行愈傷組織的培養(yǎng)，此時可以同時進行培養(yǎng)基的選擇。愈傷組織長大后，轉移到液體培養(yǎng)基中進行振蕩培養(yǎng)以分散細胞得到懸浮細胞系。2.篩選高產細胞系和培養(yǎng)基的選擇利用單細胞培養(yǎng)技術方法獲得生長迅速的單細胞克隆產生的愈傷組織，然后檢測每一個克隆的特定次生代謝產物的含量，選擇高產的細胞系。將其繼代培養(yǎng)多次后，若產物的含量仍保持在高水平，即可認為它們是穩(wěn)定的高產細胞系。但許多研究表明，適合細胞生長的培養(yǎng)基并不一定適合目的產物的生產。因此，在植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)中常采用兩步培養(yǎng)法。即首先將細胞培養(yǎng)在生長培養(yǎng)基上，促進細胞快速增殖，然后轉移到生產培養(yǎng)基上促進細胞合成目的次生代謝產物。培養(yǎng)基中需要注意以下3個成分：植物生長物質：對培養(yǎng)細胞中次生代謝物質的合成起著重要作用，但其不同種類和濃度對各種次生代謝物質的產生有不同的影響，在使用時應根據實驗來確定。例如，添加適當濃度的BA和KT可提高紫杉醇的積累。前體：在利用植物細胞培養(yǎng)生產次生代謝產物的過程中，有時目的產物的得率不理想，可能的原因之一就是缺少合成這種代謝物質的前體物質。在這種情況下，如果加入外源前體，就有可能使目的產物的產量大大提高。但是植物的次生代謝是一個復雜的生理生化過程，對某一產物來講可能的多種前體，而同一種前體物質又可能有多條代謝途徑，從而形成不同的產物。因此添加前體物質應該在充分了解目的產物代謝途徑的前提下，針對其合成的關鍵生化過程添加相應的前體（選考試題填空的來源），當然添加前體的量也很重要。誘導子：誘導子也叫激發(fā)子，是指能引起植物細胞某些代謝強度或代謝途徑改變的物質。從來源上可以分為生物誘導子和非生物誘導子兩類：非生物誘導子指紫外線輻射、金屬離子等；生物誘導子多來源于微生物，如經過處理的菌絲體、微生物提取物和微生物產生的多糖、蛋白質及植物細胞壁的分離物，目前應用較多的是真菌誘導子（試題中填空微生物脅迫來源）。在一些不良環(huán)境或微生物入侵的情況下，細胞的次生代謝活動顯著增強。而且研究顯示，由環(huán)境刺激引起的代謝及其積累的產物大多也是培養(yǎng)細胞的目的產物。因此，合理地利用這些誘導子就有可能提高目的產物的含量。3.生物反應器中大量培養(yǎng)細胞或細胞團，并適時采收一般來說，適合植物細胞懸浮培養(yǎng)的反應器應該具有合適的氧傳遞、良好的流動性和低的剪切力。目前已有多種類型的生物反應器被用于植物細胞培養(yǎng)，在實際應用中，應根據植物細胞的種類和特點選擇。有攪拌式反應器、氣動式生物反應器、固定化細胞培養(yǎng)系統(tǒng)、霧化生物反應器等。其中，攪拌式反應器是傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)裝置，改進后也可用于植物細胞的懸浮培養(yǎng)。另外，培養(yǎng)條件的選擇也很重要，如光、溫度和pH等條件，很多研究表明，細胞培養(yǎng)中光照時間的長短以及光質和光照對不少次生代謝產物的生產都有影響。溫度通常在25℃左右，不同的細胞培養(yǎng)物的最適生長溫度不同，即使是同種細胞培養(yǎng)物，其產生目的產物的最適溫度和細胞生長的最適溫度也有可能不同，這種情況下，一般是先將植物組織培養(yǎng)在適宜于其生長的溫度條件下迅速增殖，然后在適于次生產物合成的溫度下大量產生的目的產物（詮釋了試題中出現(xiàn)的細胞生物量和產物的不同步，如何采取一定的獲取次生代謝產物）。植物細胞的培養(yǎng)pH一般在5.6～6.0范圍內進行。生產