細胞培養與細胞工程
| 細胞培養與細胞工程 |
細胞工程是生物工程的一個重要方面。總的來說，它是應用細胞生物學和分子生物學的理論和方法，按照人們的設計藍圖，進行在細胞水平上的遺傳操作及進行大規模的細胞和組織培養。當前細胞工程所涉及的主要技術領域有細胞培養、細胞融合、細胞拆合、染色體操作及基因轉移等方面。通過細胞工程可以生產有用的生物產品或培養有價值的植株，並可以產生新的物種或品系。
目錄
目錄
概念
特點
研究內容
核心技術
發展簡史
種類
細胞工程的基本操作
應用
圖書信息
概念
細胞工程(Cell engineering)：
是指應用現代細胞生物學、發育生物學、遺傳學和分子生物學的理論與方法，按照人們的需要和設計，在細胞水平上的遺傳操作，重組細胞結構和內含物，以改變生物的結構和功能，即通過細胞融合、核質移植、染色體或基因移植以及組織和細胞培養等方法，快速繁殖和培養出人們所需要的新物種的生物工程技術。
細胞工程與基因工程一起代表着生物技術最新的發展前沿，伴隨着試管植物、試管動物、轉基因生物反應器等相繼問世，細胞工程在生命科學、農業、醫藥、食品、環境保護等領域發揮着越來越重要的作用。
21世紀合成生物學的發展，採用計算機輔助設計、DNA或基因合成技術，人工設計細胞的信號傳導與基因表達調控網絡，乃至整個基因組與細胞的人工設計與合成，從而刷新了基因工程與細胞工程技術，並將帶來生物計算機、細胞製藥廠、生物煉製石油等技術與產業革命。
特點
1．前沿性：現代生物技術的熱點 2．爭議性：新技術給倫理道德帶來的衝擊 3．綜合性：多學科交叉 4．應用性：工程類課程，重在產品與技術
研究內容
動植物細胞與組織培養 細胞融合（新的物種或品系、單克隆抗體） 細胞核移植（無性繁殖、克隆動物） 染色體工程（多倍體育種，例：八倍體小黑麥） 胚胎工程（優良品種、試管嬰兒） 幹細胞與組織工程（胚胎幹細胞、組織幹細胞） 轉基因生物與生物反應器（轉基因動物、轉基因植物）
核心技術
核心技術：細胞培養與繁殖 目的：獲得新性狀、新個體、新物質或產品
發展簡史
細胞的發現
1665年，英國人胡克（Hooke）利用自己設計的顯微鏡第一次觀察到了細胞。
細胞理論的提出
1838年，施萊登（Schleiden）發表「植物發生論」，認為無論怎樣複雜的植物都由細胞構成。 1839年，施旺（Schwann）發表 「關於動植物結構和生長一致性的顯微研究」。提出「細胞學說」（Cell Theory) 。之後，德國科學家魏爾肖（Virchow）補充了細胞學說，認為所有的細胞都來自於已有的細胞分裂。細胞學說的建立揭示了生物界的統一性和生命的共同起源，是19世紀自然科學的三大發現之一。
細胞與組織培養
1902， Haberlandt，植物細胞全能學說。 1907， Harrison， 蛙胚神經細胞突起，無菌操作技術。 1912， Carrel，雞胚心肌組織塊長期傳代培養。 1940， Earle， 首創單個細胞克隆培養，建立小鼠結締組織 L細胞系，並在1951年開發了人工培養液。
細胞融合
1975，Cesar Milstein與Geoger Kohler合作，羊紅細胞免疫過的小鼠脾細胞與小鼠骨髓瘤細胞融合，得到既能體外無限繁殖又能產生特異性抗體的雜交瘤細胞。
胚胎工程
1978年，英國劍橋大學生理學家羅伯特·愛德華採用胚胎工程技術成功培育出世界首例試管嬰兒-路易絲-布朗。
轉基因生物
1983年Palmiter和Brins ter將大鼠生長激素基因轉入小鼠，生產出生長速度極快的碩鼠。 1987年Gordon獲得分泌組織纖溶酶原激活因子tPA的轉基因小鼠。
細胞核移植
1938年， 德國胚胎學家Spemann提出胚胎細胞核移植到去核卵母細胞中可發育為新胚胎。 1997年， 「多莉」羊的誕生標誌着哺乳動物的體細胞核克隆時代到來。
種類
動物細胞的染色體工程
又稱為染色體轉導，或染色體介導的基因的轉移。染色體轉導術，目前有兩類，其一，稱為微細胞轉移術。應用低濃度秋水仙素長時間處理可使細胞微核化，經去核處理後，可得到只含相當於幾個乃至一個染色體的微細胞。微細胞被導入完整細胞以後仍顯示RNA合成，因而微核編碼的基因信息可望在微細胞異核體內表達出來。如小鼠的微細胞可被導入至另一品系的小鼠或倉鼠乃至人的HeLa細胞內。電泳檢測顯示存在着小鼠基因型的大分子物質，如脂酶D、嘌呤核苷磷酸化酶和肽酶B。已知前兩種酶的結構基因定位於小鼠的第14號染色體上。
提示小鼠的該號染色體已進入宿主細胞內並行使其功能。，另一種方法是先誘發細胞同步分裂，繼用秋水仙素阻抑細胞分裂於中期，再破碎細胞，通過離心收集大量的中期染色體。有人把此法得到的人或倉鼠的中期染色體轉移到小鼠細胞內，並探查到有特異的供體基因的功能產物， 動物的染色體工程與育種，如胸苷激酶(TK)與次黃嘌呤磷酸核糖基轉移酶(HPRT)。並推測整合到宿主小鼠內攜帶TK基因的染色體片段約大於 17000個鹼基。有人證明通過染色體介導的基因轉移，不僅在宿主細胞的分裂過程中能穩定地傳給子代，而且還能進行連續轉移，如人染色體基因可以轉移到小鼠細胞內，然後再使用同樣的技術從小鼠細胞轉移到中國倉鼠細胞內。這些實驗是在染色體水平上進行基因轉移的良好開端。
植物細胞的染色體工程
在高等植物方面的染色體工程，目前還僅在六倍體普通小麥與其他種、屬之間做過。六倍體普通小麥的染色體組型是由野生一粒小麥AA、小斯卑特山羊草BB和匯山羊草DD三種類型的染色體組融合而成，是一種能正常繁殖的種間雜種(AABBDD)，因此，很容易容納其他種、屬染色體添加或替代。這個領域的研究目的在於改良作物品種和探究物種起源。
1.染色體的消除①單體植物，起初是利用自然發生的單倍體普通小麥製作。現在則用人工誘導花粉或未受精的子房產生的單倍體植株為材料進行。這是因為普通小麥的單倍體植株只有21條染色體，都不是成對的，因此在成熟分裂（見減數分裂）時沒有聯會的對象，故仍為單價染色體。這21個單價染色體能排列在赤道板上縱裂為二，在後期Ⅰ被平均分配到細胞的兩極。但在第二次分裂時，這21個染色體不再縱裂，隨機分開，結果產生了染色體數從0～21個的 21種類型的配子。
這些配子只有具19條或20條染色體的有受精能力。因此，如果用正常植株的花 植物的染色體工程與育種粉(n=21)給單倍體植株授粉，n=20的卵細胞以一定的比例受精，結果得到2n=41的植株。其染色體組型中有20條染色體因有同源(對應)染色體故可以配對形成二價染色體。而只有一條染色體沒有配對，成為單價染色體，因此稱這種類型的植物叫單體植物。例如，美國米蘇里大學的E.R.西爾斯於1937～1954年共用了十七年的時間，用中國春小麥中發現的兩個單倍體植物與正常花粉授粉，得到的後代中找到了 5種單體植物。其後用同樣方法製作一套21種單體植物。除普通小麥外，煙草和硬粒小麥也製成了一套單體植物。②缺對植物，單體植物的體細胞染色體數為2n=41。
在成熟分裂後，將形成兩種配子，即n=21，n=20，這兩種雌雄配子都有受精能力，而且自花授粉後也容易結實。不過兩者受精率的高低有差別。因此，受精時，兩種配子按一定比例進行結合。結果見表1。如果缺失型的花粉與缺失型的卵細胞結合為受精卵,由此發育成的植物，將比通常的普通小麥少一對染色體，所以叫缺對植物。E.R.西爾斯用此方法也培育出了一套普通小麥缺對植物。
2.染色體的添加①同種染色體的添加，所添加的染色體來自同種個體，添加一個的叫三體植物(2n+1)；添加一對的叫四體植物(2n+2)。三體植物和單體植物一樣，可得自單倍體三倍體或缺體。它的來源很多。如普通小麥單體植物在成熟分裂時，有時會出現不分離現象（即單價染色體的二個姊妹染色單體在後期Ⅰ被同時拉到同一極，而不是各自分配到兩極）。結果所形成的四分孢子，其中三個的染色體數是n=20，一個是n=22。如果多一個染色體的配子與正常花粉或卵細胞 (n=21)受精後，就成為三體植物(2n=43),比原來正常普通小麥多了一個染色體。三體植物自花授粉的後代中就有四體植物出現。因為三體植物在成熟分裂時形成兩種配子(n=21,n=22)。
如果讓三體植物自花授粉，就會出現三種類型的子代，如表2所示。其中就有新型的四體植物，比正常植物多兩條染色體。②異種染色體的添加，所添加的染色體來自別種植物。以普通小麥(W)和黑麥(R)2n=14雜交為例(圖1）。由於黑麥染色體不能和普通小麥配對，在成熟分裂染色體重組時，黑麥基因不能直接轉移到小麥染色體上，而只能將黑麥整個染色體組加到小麥的染色體組中，所得子一代雜種為多倍單倍體(21′W7′R),僅28個染色體。經過秋水仙素處理加倍後，成為小黑麥八倍體(21″W7″R)共有56個染色體，再與小麥回交得到七倍體(21″W7′R),共49個染色體。然後與小麥再回交一次，就可得到外加的單體植物。單體植物自交後得二體植物(44個染色體21″W1″R)。另外，還有一個外加系是加入了黑麥第Ⅱ對染色體，成為44個染色體的二體植物。這種外加系能使小麥抗銹（見染色體倍性）。
3.染色體的替代用同種或異種染色體來替代某特定染色體的技術。其目的是要把已知道的具有抗病或其他有利特性的某一染色體來替代另一個具有其他性狀的染色體，以改良作物品種。染色體替代有三種方法：①用普通小麥自身的染色體來替代。例如，普通小麥的一對1A染色體被一對1B染色體替代後，就能育成缺對1A、四體 1B植物，即缺對-四體植物。這種類型的植物是由缺對1A與四體1B雜交後所得子一代再自花授粉後選育而成。②普通小麥的一個品種的染色體用別的品種的染色體來替代，叫做同種染色體替代。如果用正常普通小麥B品種的花粉，與缺對的A品種雜交，所得子一代自花授粉，則在子二代就能選育出A品種的缺對的二條染色體被B品種染色體替代的植物。③用異種植物的染色體來替代，叫異種染色體替代。例如，普通小麥的2A染色體可用黑麥的2R染色體替代。為了達到這個目的，首先要育成基本材料缺對植物(2n=42-2A)和異種染色體外加系(2n=42+2R)。這樣就可把普通小麥缺對2A與小麥2R染色體外加系（具有21對小麥染色體加上一對黑麥2R染色體）雜交，子一代雜種染色體2n=42，其中20對染色體是除2A外的全部普通小麥染色體，其餘二個一價染色體是2A和2R，成熟分裂時可產生四種類型配子，即：n=20+2A+2R,n=20+0,n=20+2A=21，n=20+2R=21。這最後一種是具有除2A以外的20個普通小麥染色體一個黑麥的2R染色體。因此，子一代雜種自花授粉的後代中，就能得到所期望的異種染色體替代植物。即一對黑麥的2R替代了一對小麥的2A(20″W2″R)。
現在，應用染色體工程的方法，在許多添加和替代染色體工作中，已經獲得了不少有遺傳學和育種學價值的品系。例如，獲得了添加單個冰草染色體的小麥品系中間，有的能抗粉露菌病、稈銹和葉銹。這種抗性均呈現顯性單因子遺傳。將黑麥第Ⅲ對染色體加到軟粒小麥對粉露菌病有抗性。用冰草的一個染色體替代軟粒小麥染色體3D，使軟粒小麥對稈銹有抗性。這些在生產實踐上都有實用價值。
染色體組工程
誘導增加或減少一個生物體內整套染色體組數的技術。增加同種染色體組數的叫同源多倍體；增加異種染色體組數的叫異源多倍體，異源多倍體必須經過雜交才能得到(圖2)（見染色體倍性）。
染色體組工程的方法:多倍體的誘發 自1937年發現了用秋水仙素誘發多倍體的方法以來，一般常用藥劑（秋水仙素、富民隆等），也可用高溫處理來誘發多倍體。其法是把植物的種子或幼芽浸在 0.05～0.2%的秋水仙素水溶液中，處理24～96小時即可得到很好的效果。例如四倍體西瓜、甜菜、玉米和百合等都是用此法獲得的(圖2）。
現在，由於原生質體分離技術的發展，也可從原生質體的融合得到多倍體。例如用聚乙二醇作誘導融合劑處理胡蘿蔔原生質體後，得到了頻率相當高的四倍體和六倍體植株。這是來源於二個或三個原生質體融合的結果。
單倍體的誘發 60年代以來，子房、花葯或花粉離體培養成功，很易從大孢子、卵細胞或小孢子等得到單倍體植株。其法是將一定時期的花葯或子房移植到特定的培養基上培養。待生長愈傷組織或胚狀體後，再移到分化培養基上，分化出苗和根，長成完整的小植株即可移到盛有土壤的盆中繼續栽培到開花。單倍體植物一般不能結實或僅結少量種子。
此外，還可用遠緣雜交，X射線或紫外線照射，化學藥品如馬來酰肼、甲苯胺藍、氯黴素等以及異源胞質等方法都能誘導單倍體產生。1970年有人又用大麥與球莖大麥雜交後染色體消除的方法，產生高頻率的單倍體，有的可高達68.5%。在雜交後，球莖大麥的7個染色體就消除在胚中，留下的是大麥的7個染色體，成為單倍體的胚及小植株。經秋水仙素處理後，染色體加倍形成純合二倍體。
染色體組工程的應用誘導多倍體在植物育種上的應用是有限度的。由於作物類型不同，對多倍性誘變反應也不同。原來的倍性水平、染色體組的結構、繁殖方式、多年生性、植株實用部位，所有這些都關係到育種的成敗。最適宜用染色體加倍方法改良的作物應該具有：①染色體數目較少，②以收穫營養體為主，③異花授粉，④多年生和營養繁殖的習性等條件。這些都是多倍體育種獲得成功的先決條件。
細胞質工程
研究真核細胞的核、質相互關係以及細胞器，胞質基因的轉移等細胞拆合的技術，所以又叫細胞拆合工程。主要研究內容是細胞質的置換。過去在植物上置換的方法是進行連續回交。例如，為了研究柳葉菜屬的細胞質遺傳，曾連續回交了二十五代，結果還不能把全部母核替代出來。現在由於核移植和原生質體的分離方法的改進，推進了這項工程的進展。
細胞質工程的方法去核和核移植 動物細胞核的移植一般都用顯微操作器進行。50年代初期，美國生物學家R.布里格斯和T.金首先成功地把豹蛙囊胚期細胞的細胞核移植到去核的蛙卵，並能正常發育。後來，英國J.B.格登把爪蟾蝌蚪腸上皮細胞核移植到去核卵內，能發育到有生殖能力的成體。中國童第周等還成功地進行金魚類異種、異屬之間的核移植實驗(見細胞分化)。70年代以來，體外培養的動物細胞的去核，是先用細胞鬆弛素B處理細胞，再高速離心使細胞核與細胞質分開。
分離出來的核，帶有少量胞質並圍有質膜，稱為「核體」或「小型細胞」。核體能重新再生其胞質部分，繼續生長、分裂。去核後的胞質部分，仍由膜所包圍，即為「胞質體」或「去核細胞」(圖3）。秋水仙素及其衍生物和長春新鹼等也能誘發某些哺乳類細胞排核。目前製備胞質體和核體的方法目臻完善，純度可達99%左右。胞質體約可存活18～36小時。
植物細胞核的移植，在低等植物如單細胞傘藻，可把新鮮材料的假根切下，放在玻片上用玻棒擠壓，使細胞的內含物壓出在一滴適合的培養液中，反覆沖洗幾次，然後在顯微鏡下觀察，一直到核周圍無細胞質為止。離心分離後待用。高等植物如矮牽牛、天仙子、煙草、番茄等原生質體核的分離，可先在懸浮的原生質體中用蒸餾水將懸液沖淡一半，約30分鐘後，原生質體破裂，放出細胞核與葉綠體，就可在0.6M蔗糖液中離心和收集核，然後存放在一定的培養液中待用。1978年以來又借用動物細胞去核的藥劑細胞鬆弛素B來處理原生質體，加上高速離心，使原生質體分離成二部分，即：無核原生質體和小原生質體。開闢了去植物細胞核甚至去部分染色體的新途徑。
細胞重組已經分離的核體（小細胞）與胞質體在融合因子的介導下重新融合，構成「重組細胞」，這一技術即稱為細胞重組，胞質體與另一完整細胞融合，即產生「胞質雜種」細胞。這兩種細胞產生的效果是不同的，現在有方法把它們鑑別開。以大鼠二種成肌細胞為材料，一種是正常的具有次黃嘌呤-鳥嘌呤-磷酸核糖基轉移酶(HGPRT+)基因， 另一種是突變體缺少這種基因(HGPRT-)，因此，前者細胞中有轉移酶能被氚-次黃嘌呤標記，而後者沒有這種酶，便不能標記。在兩者的細胞質中讓HGPRT+攝取小乳膠顆粒，讓HGPRT-攝取大乳膠顆粒，以顆粒的大小來作標記。當核體（小型細胞）與胞質體融合後，在重組細胞中可看到核被氚-次黃嘌呤所標記，在細胞質中有大量大乳膠顆粒和極少數小乳膠顆粒。當胞質體與另一個HGPRT+完整細胞融合後的胞質雜種細胞的細胞質中，則同時出現有大量的大、小乳膠顆粒。如圖4所示。應用這種方法很容易把兩類細胞鑑別出來。
在植物中，原生質體與核的融合以煙草、矮牽牛的核移植為例，其步驟是：①先使矮牽牛游離核與煙草原生質體各自懸浮並沉澱在0.25M硝酸鈣溶液中，pH6；②去掉上清液，再把它們懸浮起來，以適當比例使核與原生質體在試管中混合、離心，隨後加入45%聚乙二醇溶液1毫升使之聚合：③30分鐘後，徐徐加入4毫升0.2M硝酸鈣(被pH9的甘氨酸氫氧化鈉所緩衝)以誘導融合攝取核；④15分鐘後加0.2M硝酸鈣(pH6);⑤再過20分鐘，原生質體用培養液沖洗；⑥鏡檢後，將具有雙核的（其中一個是矮牽牛的核）煙草原生質體進行培養。
細胞質工程的應用動物方面1974年有人用兩種小鼠成纖維細胞，其一用L細胞的完整細胞，它的核內具有對5-溴脫氧尿苷抗性的核基因BUd(RR),但細胞質內沒有抗氯黴素的胞質基因，用的另一個細胞的線粒體上帶有抗氯黴素的胞質基因CA(PR)，而細胞核內帶有硫代鳥嘌呤敏感核基因(TGS),把後者去核細胞與前者融合（圖5），則融合後的胞質雜種細胞既能抗5-溴脫氧尿苷（BUdR），又能抗氯黴素(CAP)。但如果把親體細胞 (BUdRR和TGS)同時培養在含有這兩種藥物的培養基上，則都將死去。因為這兩種細胞一個對CAP敏感，另一個不抗BUdR,而胞質雜種細胞則兩者都能抗，不但能存活而且還能增殖。
植物方面用等滲密度梯度高速離心後，也可得到兩種亞原生質體，①在低密度範圍內可得到胞質體（去核原生質體）；②在高密度中，可得到小原生質體（核質體）。現在已能自玉米、煙草和胡蘿蔔細胞得到這兩種亞原生質體。生化實驗證明：去核原生質體代謝作用很低，而小原生質體由於減少了表面積和體積（僅及原生質體的10～15%），因此，攝取物質快，合成蛋白質也快，培養時發育迅速，是一種研究核質關係的好材料。由於這項工作才開始，迄今尚無明顯結果。
細胞融合工程
細胞融合是指用自然或人工的方法，使兩個或幾個不同的細胞融合成一個細胞的過程。細胞融合的結果，一個細胞中含有兩個不同的細胞核，則稱為異核體；隨後的有絲分裂中，來自不同細胞核的染色體可能合併到一個結合核內。因此，又稱為體細胞雜交。細胞融合的範圍很廣，從種內、種間、屬間、科間一直到動、植物兩界之間都進行了嘗試。在植物方面，由於各類細胞具有全能性，在煙草、矮牽牛、胡蘿蔔等種間雜種，馬鈴薯和番茄、曼陀羅和顛茄、煙草和矮牽牛等屬間雜種都已獲得了再生植株。在動物方面人和鼠體細胞雜交，雖然不能長成一個新個體，但能作基因定位的材料。因此，這項新技術，在理論研究和工、農、醫方面的應用，均有廣闊的前景。細胞融合技術的發展，歷史很短。自1960年在體外培養中發現雜種細胞以來，僅20多年。1965年岡田善雄等和H.哈里斯等各自用滅活的仙台病毒誘導產生了第一個種間異核體。1970年已應用人與鼠的細胞雜交系統地進行了人類染色體基因的定位工作。在植物方面，1960年E.C.科金首先使用纖維素酶分離番茄幼根的原生質體獲得成功。1970年他們又成功地使種間原生質體融合在一起。1972年P.S.卡爾森等又從融合的原生質體獲得了第一株種間細胞雜種。到1980年為止，種間融合的再生植株已有16種之多。
細胞融合的方法動物細胞雜交或細胞融合 將兩個不同種的親本細胞A和B，以滅活的仙台病毒或聚乙二醇(PEG)為融合誘導劑，使A和B兩細胞融合成為一個具兩個遺傳性不同核的異核體（如遺傳性相同的核融合在一起叫同核體）。隨後異核體經有絲分裂成為兩個具有A和B兩親本的雜種融合核。AB雜種經多次分裂，B親本的染色體會逐漸減少到一個或完全消失(圖6)。
植物體細胞雜交①原生質體的分離。植物細胞之間有果膠質粘連，每個細胞之外還有一層纖維素組成的壁，因此，在分離原生質體時，首先要在一定濃度的酶液(果膠酶與纖維素酶)中保溫，消去果膠質與纖維素後才能使原生質體分離出來。②原生質體的融合。不同種之間原生質體的融合，須選用一種融合誘導劑(聚乙二醇，或高鈣CaCl2.2啹O,0.05M溶於甘露醇 0.4M和pH10.5)誘導融合。它們的誘導率可達20～50%。③雜種細胞的選擇與培養。細胞融合後要把雜種細胞選擇出來。一般都利用各種生化指標和遺傳標記來選擇和鑑定。例如，使用天然的或人工誘變的突變體，如白化苗、營養缺陷型、抗藥性突變體等，或根據不同材料對激素敏感性不同，生長差異等，來設計適合的選擇系統。如果融合的原生質體一個是白化，另一個具葉綠體,就可用機械的方法，把融合的細胞在倒置顯微鏡下把它們挑選出來進行培養。這些細胞培養到各個發育階段，如愈傷組織、分化苗和根，都需要更換培養基，才能使它們順利地再生成植株。
細胞工程的基本操作
細胞工程的基本操作有細胞培養技術、細胞融合技術、細胞拆合技術、染色體及染色體工程技術、體外受精和胚胎移植技術等，在食品工業中應用較廣泛的細胞工程技術為細胞培養技術、細胞融合技術以及細胞拆合技術。
應用
細胞工程作為科學研究的一種手段，已經滲入到生物工程的各個方面，成為必不可少的配套技術。在農林、園藝和醫學等領域中，細胞工程正在為人類做出巨大的貢獻。
糧食與蔬菜生產
利用細胞工程技術進行作物育種，是迄今人類受益最多的一個方面。中國在這一領域已達到世界先進水平，以花葯單倍體育種途徑，培育出的水稻品種或品系有近百個，小麥有30個左右。其中河南省農科院培育的小麥新品種，具有抗倒伏、抗鏽病、抗白粉病等優良性狀。
在常規的雜交育種中，育成一個新品種一般需要8～10年，而用細胞工程技術對雜種的花葯進行離體培養，可大大縮短育種周期，一般提前2～3年，而且有利優良性狀的篩選。前面已介紹過的微繁殖技術，在農業生產上也有廣泛的用途，其技術比較成熟，並已取得較大的經濟效益。例如，中國已解決了馬鈴薯的退化問題，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培養無病毒微型馬鈴薯塊莖作為種薯，實現種薯生產的自動化。通過植物體細胞的遺傳變異，篩選各種有經濟意義的突變體，為創造種質資源和新品種的選育發揮了作用。現已選育出優質的番茄、抗寒的亞麻、以及水稻、小麥、玉米等新品系。有希望通過這一技術改良作物的品質，使它更適合人類的營養需求。
蔬菜是人類膳食中不可缺少的成分，它為人體提供必需的維生素、礦物質等。蔬菜通常以種子、塊根、塊莖、插扦或分根等傳統方式進行繁殖，化費成本低。但是，在引種與繁育、品種的種性提純與復壯、育種過程的某些中間環節，植物細胞工程技術仍大有作為。例如，從國外引進蔬菜新品種，最初往往只有幾粒種子或很少量的塊根、塊莖等。要進行大規模的種植，必須先大量增殖，這就可應用微繁殖技術，在較短時間內迅速擴大群體。在常規育種過程中，也可應用原生質體或單倍體培養技術，快速繁殖後代，簡化制種程序。另外，還可結合植物基因工程技術，改良蔬菜品種。
園林花卉
在果樹、林木生產實踐中應用細胞工程技術主要是微繁殖和去病毒技術。幾乎所有的果樹都患有病毒病，而且多是通過營養體繁殖代代相傳的。用去病毒試管苗技術，可以有效地防止病毒病的侵害，恢複種性並加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龍眼、核桃等十餘種果樹的試管苗去病毒技術，已基本成熟。香蕉去病毒試管苗的微繁殖技術已成為產業化商品化的先例之一。因為香蕉是三倍體植物，必須通過無性繁殖延續後代，傳統方法一般採用芽繁殖，感病嚴重，繁殖率低；而採用去病毒的微繁殖技術不僅改進了品質，畝產量約提高30%～50%，很容易被蕉農接受。 近年來，對經濟林木組織培養技術的研究也受到很大的重視。採用這一技術可比常規方法提前數年進行大面積種植。特別是有些林木的種子休眠期很長，常規育種十分費時。據不完全統計，現已研究成功的林木植物試管苗已達百餘種，如松屬、桉樹屬、楊屬中的許多種，還有泡桐、槐樹、銀杏、茶、棕櫚、咖啡、椰子樹等。其中桉樹、楊樹和花旗松等大面積應用於生產，澳大利亞已實現桉樹試管苗造林，用幼芽培養每年可繁殖40萬株。
植物細胞工程技術使現代花卉生產發生了革命性的變化。1960年，科學家首次利用微繁殖技術將蘭花的愈傷組織培養成植株後，很快形成了以組織培養技術為基礎的工業化生產體系——蘭花工業。現在，世界蘭花市場上有150多種產品，其中大部分都是用快速微繁殖技術得到的試管苗。從此，市場供應擺脫了氣候、地理和自然災害等因素的限制。至今，已報道的花卉試管苗有360餘種。已投入商業化生產的有幾十種。中國對康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫羅蘭等品種的研究較為成熟，有的也已商品化，並有大量產品銷往港澳及東南亞地區。
臨床醫學與藥物
自1975年英國劍橋大學的科學家利用動物細胞融合技術首次獲得單克隆抗體以來，許多人類無能為力的病毒性疾病遇到了克星。用單克隆抗體可以檢測出多種病毒中非常細微的株間差異，鑑定細菌的種型和亞種。這些都是傳統血清法或動物免疫法所做不到的，而且診斷異常準確，誤診率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的單克隆抗體，其靈敏度比當前最佳的抗血清還要高100倍，能檢測出抗血清的60%的假陰性。
近年來，應用單克隆抗體可以檢查出某些還尚無臨床表現的極小腫瘤病灶，檢測心肌梗死的部位和面積，這為有效的治療提供方便。單克隆抗體並已成功地應用於臨床治療，主要是針對一些還沒有特效藥的病毒性疾病，尤其適用於抵抗力差的兒童。人們正在研究「生物導彈」——單克隆抗體作載體攜帶藥物，使藥物準確地到達癌細胞，以避免化療或放射療法把正常細胞與癌細胞一同殺死的副作用。
單克隆抗體可以精確地檢測排卵期。新一代免疫避孕藥也在研製之中，其基本原理是用精子，卵透明帶或早期胚胎來製備單克隆抗體，將它們注入婦女體內，人體就會產生對精子的免疫反應，從而起到避孕作用。人類體外受精技術的日趨成熟，使人類對生育活動有了較大的選擇餘地，促進優生優育，提高人口素質，也為不孕症患者或不宜生育的人帶來福音。
生物藥品主要有各種疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物質，抗體等，是生物體內代謝的中間產物或分泌物。過去製備疫苗是從動物組織中提取，得到的產量低而且很費時。現在，通過培養、誘變等細胞工程或細胞融合途徑，不僅大大提高了效率，還能製備出多價菌苗，可以同時抵禦兩種以上的病原菌的侵害。用同樣的手段，也可培養出能在培養條件下長期生長、分裂並能分泌某種激素的細胞系。1982年美國科學家用誘變和細胞雜交手段，獲得了可以持續分泌干擾素的體外培養細胞系，現已走向應用。
繁育優良品種
目前，人工受精、胚胎移植等技術已廣泛應用於畜牧業生產。精液和胚胎的液氮超低溫（-196攝氏度）保存技術的綜合使用，使優良公畜、禽的交配數與交配範圍大為擴展，並且突破了動物交配的季節限制。另外，可以從優良母畜或公畜中分離出卵細胞與精子，在體外受精，然後再將人工控制的新型受精卵種植到種質較差的母畜子宮內，繁殖優良新個體。綜合利用各項技術，如胚胎分割技術、核移植細胞融合技術、顯微操作技術等，在細胞水平改造卵細胞，有可能創造出高產奶牛、瘦肉型豬等新品種。特別是幹細胞的建立，更展現了美好的前景。
內容簡介
細胞工程是細胞水平的生物技術，也是該領域中最先應用於生產實踐並取得顯著效益的應用學科。本書較全面、系統地介紹了細胞工程的基本原理、基本技術及其應用以及學科的最新研究成果。全書共分細胞工程學基礎、植物細胞工程、動物細胞工程、微生物細胞工程和組織細胞工程等共二十章。各章在全面總結已有研究成果的基礎上，着重對其在農業、醫藥、食品、環境等領域的應用狀況和原理進行全面的介紹。每章後面附有思考題以便於學生複習掌握。
本書可用作綜合院校、師範院校以及農林院校生物技術、生物工程及其他生命科學專業的細胞工程課程的教材，也可供其他院校有關專業的相關課程選用，同時也適用於生物及醫學研究人員閱讀參考使用。
圖書目錄
第一編 細胞工程基礎 第二章 細胞工程實驗室及基本技術 第二編 植物細胞工程 第三章 植物細胞工程的基本原理 第四章 植物組織培養與器官培養 第五章植物細胞培養 第六章 植物原生質體培養和細胞融合 第七章人工種子 第八章 植物離體培養下的遺傳變異與種質離體保存 第九章 細胞工程的細胞學基礎 第十章動物細胞培養的基本條件 第十一章動物細胞培養技術 第十二章 細胞融合 第十三章 染色體工程 第十四章 胚胎工程 第十五章 克隆動物[1] 第十六章轉基因動物 第十七章 幹細胞技術 第十八章 組織工程 第十九章 細胞工程的應用 第二十章 微生物細胞工程