备课素材：植物细胞培养大量生产次生代谢产物 高二下生物人教版选择性必修三

植物细胞培养大量生产次生代谢产物先看一道试题：

植物体在干旱、虫害或微生物侵害等胁迫过程中会产生防御物质，这类物质属于次生代谢产物。次生代谢产物在植物抗虫、抗病等方面发挥作用，也是药物、香料和色素等的重要来源。次生代谢产物X的研发流程如下：筛选高产细胞→细胞生长和产物X合成关系的确定→发酵生产X回答下列问题：（1）获得高产细胞时，以X含量高的植物品种的器官和组织作为_____，经脱分化形成愈伤组织，然后通过液体振荡和用一定孔径的筛网进行_____获得分散的单细胞。（2）对分离获得的单细胞进行_____培养，并通过添加_____或营养缺陷培养方法获取细胞周期同步、遗传和代谢稳定、来源单一的细胞群。为进一步提高目标细胞的X含量，将微生物菌体或其产物作为诱导子加入到培养基中，该过程模拟了_____的胁迫。（3）在大规模培养高产细胞前，需了解植物细胞生长和产物合成的关系。培养细胞生产次生代谢产物的模型分为3种，如图所示。若X只在细胞生长停止后才能合成，则X的合成符合图_____（填“甲”“乙”“丙”），根据该图所示的关系，从培养阶段及其目标角度，提出获得大量X的方法。_____（4）多种次生代谢产物在根部合成与积累，如人参、三叶青等药用植物，可通过_____培养替代细胞悬浮培养生产次生代谢产物。随着基因组测序和功能基因组学的发展，在全面了解生物体合成某次生代谢产物的_____和_____的基础上，可利用合成生物学的方法改造酵母菌等微生物，利用_____工程生产植物的次生代谢产物。

【解析】（1）植物体的器官和组织、细胞都可以作为外植体，经脱分化形成愈伤组织，将愈伤组织进行振荡培养，使其分散成小的细胞团或单细胞，然后用适当孔径的不锈钢筛网过滤，除去大的细胞团和残渣，离心除去小的残渣，得到单细胞悬浮液。（2）分离获得的单细胞进行扩大培养，并通过添加过量胸苷，（向细胞培养液中加入过量胸苷（TdR），处于S期的细胞立刻被抑制，洗去TdR后可恢复正常分裂，而处于其它时期的细胞不受过量TdR影响）或营养缺陷培养方法获取细胞周期同步、遗传和代谢稳定、来源单一的细胞群。将微生物菌体或其产物作为诱导子加入到培养基中，模拟了微生物侵害的迫害条件。（3）由题可知X只在细胞生长停止后才能合成，所以丙图符合。所以要获得大量X的方法，是将细胞培养知稳定期（即停止生长时期）一定时间后，通过分离提纯获得大量X。（4）由题知，多种次生代谢产物在根部合成与积累，所以要对根进行培养，为了方便进行次生代谢物的收集，可以对根进行水培。要大量获得次生代谢物可以通过基因工程，将相关基因转入酵母菌体内，然后通过发酵工程获得，基因工程的前提是要了解生物体合成某次生代谢产物的相关基因组成和基因表达过程。【答案】（1）外植体

过滤（2）扩大

过量的胸苷

微生物侵害（3）丙

将细胞培养至稳定期（即停止生长时期）一定时间后，通过分离提纯获得大量X（4）根的水培养

相关基因组成

基因表达过程

基因工程和发酵这是2024年6月浙江高考生物23题，涉及到次生代谢产物的合成。2020版高中生物学选择性必修三简单提到了利用利用植物细胞培养工厂化生产次生代谢产物：那么，如何利用利用植物细胞培养工厂化生产次生代谢产物？植物细胞大量培养生产次生代谢产物基本包括3个步骤：一是诱导植物产生旺盛生长的愈伤组织和悬浮细胞系；二是筛选高产细胞系；三是生物反应器中大量培养细胞或细胞团，并适时采收。1.诱导植物产生旺盛生长的愈伤组织和悬浮细胞系选择生长健壮的植株，一般在生长活跃、合成目的产物较多的部位取材，进行愈伤组织的培养，此时可以同时进行培养基的选择。愈伤组织长大后，转移到液体培养基中进行振荡培养以分散细胞得到悬浮细胞系。2.筛选高产细胞系和培养基的选择利用单细胞培养技术方法获得生长迅速的单细胞克隆产生的愈伤组织，然后检测每一个克隆的特定次生代谢产物的含量，选择高产的细胞系。将其继代培养多次后，若产物的含量仍保持在高水平，即可认为它们是稳定的高产细胞系。但许多研究表明，适合细胞生长的培养基并不一定适合目的产物的生产。因此，在植物细胞大规模培养中常采用两步培养法。即首先将细胞培养在生长培养基上，促进细胞快速增殖，然后转移到生产培养基上促进细胞合成目的次生代谢产物。培养基中需要注意以下3个成分：植物生长物质：对培养细胞中次生代谢物质的合成起着重要作用，但其不同种类和浓度对各种次生代谢物质的产生有不同的影响，在使用时应根据实验来确定。例如，添加适当浓度的BA和KT可提高紫杉醇的积累。前体：在利用植物细胞培养生产次生代谢产物的过程中，有时目的产物的得率不理想，可能的原因之一就是缺少合成这种代谢物质的前体物质。在这种情况下，如果加入外源前体，就有可能使目的产物的产量大大提高。但是植物的次生代谢是一个复杂的生理生化过程，对某一产物来讲可能的多种前体，而同一种前体物质又可能有多条代谢途径，从而形成不同的产物。因此添加前体物质应该在充分了解目的产物代谢途径的前提下，针对其合成的关键生化过程添加相应的前体（选考试题填空的来源），当然添加前体的量也很重要。诱导子：诱导子也叫激发子，是指能引起植物细胞某些代谢强度或代谢途径改变的物质。从来源上可以分为生物诱导子和非生物诱导子两类：非生物诱导子指紫外线辐射、金属离子等；生物诱导子多来源于微生物，如经过处理的菌丝体、微生物提取物和微生物产生的多糖、蛋白质及植物细胞壁的分离物，目前应用较多的是真菌诱导子（试题中填空微生物胁迫来源）。在一些不良环境或微生物入侵的情况下，细胞的次生代谢活动显著增强。而且研究显示，由环境刺激引起的代谢及其积累的产物大多也是培养细胞的目的产物。因此，合理地利用这些诱导子就有可能提高目的产物的含量。3.生物反应器中大量培养细胞或细胞团，并适时采收一般来说，适合植物细胞悬浮培养的反应器应该具有合适的氧传递、良好的流动性和低的剪切力。目前已有多种类型的生物反应器被用于植物细胞培养，在实际应用中，应根据植物细胞的种类和特点选择。有搅拌式反应器、气动式生物反应器、固定化细胞培养系统、雾化生物反应器等。其中，搅拌式反应器是传统的微生物培养装置，改进后也可用于植物细胞的悬浮培养。另外，培养条件的选择也很重要，如光、温度和pH等条件，很多研究表明，细胞培养中光照时间的长短以及光质和光照对不少次生代谢产物的生产都有影响。温度通常在25℃左右，不同的细胞培养物的最适生长温度不同，即使是同种细胞培养物，其产生目的产物的最适温度和细胞生长的最适温度也有可能不同，这种情况下，一般是先将植物组织培养在适宜于其生长的温度条件下迅速增殖，然后在适于次生产物合成的温度下大量产生的目的产物（诠释了试题中出现的细胞生物量和产物的不同步，如何采取一定的获取次生代谢产物）。植物细胞的培养pH一般在5.6～6.0范围内进行。生产