植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展

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1、植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展【摘要】利用植物细胞培养生产代谢产物具有十分广阔的前景。文章就植物细胞培养生产次生代谢产物过程中各种理化条件优化以及植物细胞培养过程相关模型建立的研究进行了综述。【关键词】植物细胞培养条件优化模型植物细胞培养始于本世纪初，并不可争议地具有工业化潜力。目前植物细胞培养生产的化合物很多，包括糖类、酚类、脂类、蛋白质、核酸以及帖类和生物碱等初生和次生代谢产物，植物细胞培养的应用主要包括以下3个方面：有用物质（次生代谢产物）的生产；植物无性系的快速繁殖和遗传突变体的筛选；植物细胞遗传、生理、生化和病毒方面的深入研究。但是

2、由于植物细胞大规模培养技术的局限性使得植物细胞仍难以实现大规模工业化生产，迫切需要进一步研究和发展细胞培养条件的优化控制及其工艺。目前，世界上众多研究工作集中在优化细胞培养环境、改变细胞特性、提高目标产物的产率并保证其生产稳定性上。　　1植物细胞悬浮培养条件的优化　　1.1植物细胞培养过程中物理因素的优化控制对于植物细胞培养来说，环境中的许多物理因素对细胞的生长以及目标次生代谢产物的合成具有很大的影响。如通过温度、光照、电场、磁场电磁辐射、机械力以及超声波等对于植物细胞培养过程都有着十分重要的作用。植物细胞的生长、繁殖和次生代谢物的生产需要一定的温度

3、条件，在一定的温度范围内细胞才能正常生长、繁殖和维持正常的新陈代谢，植物细胞培养的最适温度一般为25℃，但不同的植物种类略有差异，而且植物细胞生长和次生代谢产物的合成所需的温度并不一致，因此选择合理的培养温度并进行相应的调控对于细胞生长以及产物合成十分关键，H.J.G.tenHoopen等［1］曾对Catharanthusroseus细胞的培养过程、ToshiyaTakeda等［2］对Stra模型及其Leudeking-piret模型等，这些类型的模型通常都只能够考虑一些单组分的变化情况，而不能够考虑到植物细胞组分的多样性和细胞在培养过程及其代谢过程

4、中变化的复杂性，如次生代谢产物的生成和细胞生长以及细胞在代谢过程中其它中间物质之间的相互转化的复杂关系等。因此这类模型不能够预测植物细胞培养过程中的很多行为，对于植物细胞的放大培养的指导性也十分有限。　　2.2植物细胞培养结构化动力学模型随着对植物细胞培养过程的研究深入进行以及对植物细胞代谢过程的明朗，植物细胞培养的多样性也有了较多的认识，从而开始运用复杂的数学模型——结构化数学模型——来描述植物细胞的培养过程。由于结构化数学模型考虑了培养细胞组分的多样性及其之间以及细胞与环境之间的生理生长关系，因此能够较精确地描述植物细胞的培养过程。这类模型对于分

5、析细胞内的代谢调控很有价值，能够为培养过程提供更加清晰、更加定量的依据，其分析结果对于进行细胞培养过程的优化具有较强的指导性。到目前已经有4种结构化数学模型运用于植物细胞培养的研究之中：第一类模型是由Frazier等在1987年提出了一个基于两种代谢中间物的动力学模型，用于解释细胞生长及与生长相关的产物合成之间的相互作用，1989年他又提出植物细胞处于细胞团的小环境中，其生长受中间代谢物控制的模型，该模型预测在细胞生长过程中存在一个延迟期。这类模型关键在以细胞培养中间代谢产物的生成和释放行为为建模依据建立模型来解释细胞生长及与生长相关代谢产物之间的关

6、系。第二类模型把细胞的存活率引入了建模中，分析了细胞活性与细胞生长、底物消耗以及代谢产物的形成之间的相互关系。在1989年Bailey和Nicholson提出了一个新的模型，在这个模型中考虑了细胞鲜重和存活率两个新的变量，这种模型能够预知细胞的膨胀和溶解过程。1990年Mathisca等［9］又提出了一个能够区分分裂细胞和非分裂细胞的生长模型。到1998年，在Bailey和Nicholson提出的模型的基础上，Glicklis［10,11］在假设只有存活细胞生成产物多糖，底物消耗不用于维持细胞生长的前体下提出了一个植物细胞悬浮培养生成多糖的动力学模型

7、，并通过SymphytumofficinalL.的悬浮培养确定其多糖的合成属于生长相关型。第三类模型属于考虑底物吸收及其活化机制的结构化模型。1992年BrianS.Hooker和JamesM.Lee以细胞吸收培养基中的物质蔗糖等以及其在细胞内的代谢为基础,通过一定的假设和简化,建立了考虑细胞生长、产物生成以及细胞呼吸作用的结构化数学模型，通过对细胞结构化的组成物、次生代谢产物的形成和细胞呼吸作用的检测来研究细胞在培养过程中内部的相互作用，并且将生长竞争型和非生长竞争型次生代谢产物区分开来。这个模型第一次说明了底物吸收和活化机制，模型的预测与实验有一

8、定的相符合性。在2000年薛莲等［12］以培养基中碳源在培养过程中所经历的途径为依据，建立了紫草细胞悬浮培养