现代科技综述知识文库：人工细胞融合

1、现代科技综述系列人工细胞融合科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“人工细胞融合”的解读，以供大家了解。人工细胞融合1900年和1901年植物体细胞间核穿壁和生殖细胞间染色质穿壁先后被发现，1911年盖茨(Gates)把染色质从一个细胞的核中穿壁转移到相邻细胞的细胞质中的现象叫做细胞融合。1975年郑国锠等用电镜观察到花粉母细胞间不仅有染色质而且还有细胞质的穿壁转移，并观察到穿壁的胞间通道，赋于了“细胞融合”的完整意义。1986年吴伯骥等受前人工作的启迪，提出了“人工细胞融合”的概念，并建立了“人工细胞融合杂交技术”。这是一个涉及生物变异和

2、进化，遗传和发育，以及染色体的结构和功能等重大问题的研究项目，因而引起国内外广泛的关注。盖茨首次提出的“细胞融合”的涵义仅限于染色质的细胞间穿壁转移，并不包括细胞质在内。由于这一现象触及有机体的生活史、遗传和染色体的个体性和连续性，并与传统的遗传、时化和染色体理论相悖，因此几十年来在国外并未引起足够的重视尚缺乏专门、系统和深入的研究。在中国，从50年代初期开始到现在，吴素等以植物体细胞为材料，郑国锠等以生殖细胞为材料，对体细胞间的核穿壁和生植细胞间的染色质穿壁进行了专门的、系统的和细緻的研究，先后发表了40余篇研究论文，论述了细胞融合现象在不同植物和同一植物不同组织和器官细胞中发生的普遍性；论

3、述了这一现象在植物发育中的发生时期、发生部位、出现的形态和顺序以及穿壁的方向和位置的一致性；研究了机械损伤或外界压力、不同固定液、不良环境条件、病害或退化以及杂交诸因素对细胞融合的影响和作用；研究了植物细胞的生理状态、胞间通道和共质性。他们的研究结果指出，细胞融合在细胞的形态结构和生理功能上是有物质基础的，是一种固有的正常生理现象，其主要动力是原生质中耗能的收缩蛋白的主动伸缩运动，并探讨了这一现象在物质运输、生物变异和进化、发育上的生物学意义。持相反观点的代表是王宗清和吴小航，60年代初，他们曾提出植物细胞间核穿壁是退化现象和机械损伤所致，并一度引起争论。细胞融合作为一种正常生理现象，已被广泛

4、接受。在细胞融合的研究中，郑国锠和娄成后等的工作是独树一帜的，现已从光学显微镜进入到电子显微镜，从单纯形态学描述进入到生理生化研究，从静态观察进入到动态分析。但是，由于缺乏严格的跟踪实验体系，对细胞融合的本质、机理和生物学意义和研究大多还属于推测，缺少直接证据，因而有待于进一步深入探讨。1985年初，基于对细胞生物学和细胞工程学的基本理论和实践的认识和思考，受郑国锠的指导，吴伯骥等发展了一项新的细胞工程技术人工细胞融合杂交技术，简称ACHT(Artifical Cytomixis Hybridization Technique)曾用名LB技术，1986年正式提出“人工细胞融合”的概念。“人工细

5、胞融合”或“人工促使植物细胞间细胞质和染色质穿壁转移”的全部涵义是，采用细胞工程的实验体系，人工模拟正常生理条件下花粉母细胞间染色质和细胞质穿壁转移时的细胞生理和结构状态，经共培养使相同或不同植物细胞间形成次生胞间连丝、次生胞间连丝通道、扩大的胞间通道和细胞融合道，进而人工促使相同或不同植物细胞间细胞质和染色质的穿壁转移，实现“细胞融合”，从而达到或直接改变细胞的遗传结构，或通过引入外源遗传物质来改变细胞的遗传结构，获得广泛变异类型的再生植株，进一步选择、培育，最终实现非载体遗传操作培育新材料、新品系、新品种或新的物种类型的目的。19861992年，吴伯骥等先后在国内外发表有关“人工细胞融合”

6、的论文16篇，分别报导了ACHT技术的建立，采用ACHT技术获得烟草+菠菜、籼稻+粳稻、半夏+紫鸭跖草等组合的杂种再生植株和籼稻变异再生植株。以及对ACHT技术和杂交后代进行的细胞学、遗传学、生理生化、植物化学、免疫化学和分子生物学多方面的研究结果。ACHT的技术程序：(1)亲本的选择及其胚性细胞和拟分生细胞团的诱导、分离和纯化；(2)亲本胚性细胞和拟分生细胞的离散、混合、收集和共培养；(3)对已形成次生胞间通道和共质联结的细胞团进行细胞间细胞质和染色质穿壁转移的人工操作；(4)再生完整变异植株和选择；(5)大田目的性选择，结合常规遗传育种选育新材料、新品系、新品种和新的物种类型。198519

7、88年，采用ACHT技术先后获得烟草+菠菜、籼稻+粳稻、半夏+紫鸭跖草等再生杂种植株和籼稻变异再生植株。19881992年，完成ACHT技术的细胞学基础研究，结果表明，采用ACHT技术对不同植物细胞共培养期间，不同植物和相同植物细胞间渐次形成次生胞间连丝、次生胞间连丝通道、扩大的胞间通道和细胞融合道，它们的直径从100290nm扩展到5001500nm左右；在未经穿壁转移的人工操作前，细胞间已发生物质、能量和信息的交流；经穿壁转移的人工操作处理后，不同植物和相同植物细胞间广泛发生细胞质的染色质以不同的质和量的穿壁转移，实现对不同植物细胞和相同植物细胞的人工细胞融合，从而以直接和引入外源遗传物质

8、的两种方式改变植物细胞的遗传结构。19871992年，对ACHT获得的烟草+菠菜杂种真实性进行了多方面论证，形态学分析表明杂种及后代具双亲性状特征；植化分析表明杂种后代中具双亲特有化学组分；RuBP羧化酶等电聚焦表明杂种后代中具有双亲各自大小亚基，蛋白质免疫试验表明杂种后代中具双亲特有的抗原决定簇；蛋白质免疫吸附双扩散及蛋白质EP迹法，试验表明杂种后代中具双亲特有蛋白质；杂种后代总DNA与双亲标记DNA的杂交度都低于标记DNA与双亲自身总DNA的杂交度，但都高于标记DNA与另一亲本总DNA的杂交度，但都高于标记DNA与另一亲本总DNA的杂交度；杂种及后代的染色体组中含与双亲同类型的，但又显着不

9、同的染色体；与烟草回交第一代减数分裂中期出现高频率的单价体、三价体、多价体和网状排列染色体，结实率大幅度下降。对ACHT得到籼粳稻杂种及后代性状分析表明它们具双亲显着的标记性状；在与双亲正反回交第1代减数分裂中期，出现比对照的两亲本、杂种本身以及有性杂种及其回交第一代频率高得多的单价体，且结实率下降到15%5%以下，都远低于对照。ACHT获得的籼稻变异材料除性状发生较大变异外，与亲本回交第1代减数分裂中期，也出现比对照的亲本和变异材料本身频率高得多的单价体，结实率也显着低于对照。染色体组型分析表明，ACHT获得的籼稻杂种和籼稻变异材料的染色体类型和结构较之亲本已显着发生变异。此外，不同的杂种株

10、系又有较大差异。1989年在操作半夏和紫鸭跖草人工细胞融合中，获得了带有紫鸭跖草紫红色标记性状的半夏再生植株，半夏叶片均呈紫红色。由于人工细胞融合是随机的，不同质和不同量的细胞质和染色质的穿壁转移，给杂种选择系统的建立带来巨大困难；此外，人工细胞融合的发生贯穿共培养、穿壁人工操作和继续分化培养整个过程，因而要在细胞水平上跟踪已发生细胞融合的细胞的发育分化全过程，在现有条件下是极为艰难和难以实现的。“人工细胞融合”的提出和ACHT技术和建立才6年时间，在理论和实践上还有很多工作要做，诸如(1)ACHT的实验体系和由此建成的不同植物细胞组成的共质细胞社会；(2)由人工细胞融合引起的细胞组装、细胞核和染色体重建；(3)人工模拟