全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 21(1)：47—52 2001年 2月
气体成分对植物细胞悬浮培养的影响
周 煜，刘 涤，胡之璧
(上海中医药大学中药研究所 、上海 200032)
摘 要：气体成分对植物悬浮培养细胞的生长和攻生代谢物的产量有深刻的影响。就有关氧、二氧化碳、乙
烯和一些未知成分作用的研究进行了综述
关键词：气体成分 ；植物细胞悬浮培养；生长；次生代谢物
中围分粪号 ：Q945．19 文献标识码：A 文章编号：l000—3142(2001)01 0047 06
Effects of gaseous components in pl ant
cel l suspension cul tures
ZH0U Yu，LIU Di，HU Zhi—bi
(Shah ai U~koersay of TraditionM Chi,wse Medicine，Shanghai 200032，China)
Abstract：Gaseous components．including oxygen，carbon dioxide，ethylene and some unidentified gaseo us
metabolhes are proved to have profound effects on the growth and secondary metabo iltes’accumulation of plant
cel suspension cultures．W ider investigation is needed in this al3~a to optimize cultivation strategies for improv-
ing production．
Key words：Gaseous compo nents；plant ceil suspension culture；growth；secondary metabo lites
植物组织和细胞的培养技术在本世纪初创
始以来，从仅为生物学研究的一种手段，逐渐发
展成工业化的生产方式。除了已广泛应用的良种
快速繁殖，细胞培养还能用于生产植物含有的蛋
白质、酶以及用途广泛的多种次生代谢产物。这
不仅能解决资源短缺的困难，而且具有许多农业
栽培所不具备的优点。由于悬浮培养最适合于工
业化．尤其为人们关注。大量研究表明．各种气体
成分对培养效果的影响相当大，不可忽视 。
1 氧
作为氧化磷酸化代谢的最终电子受体，氧在
能量代谢中起重要作用．又参与许多次生代谢产
物的合成反应。因此，系统中的溶氧浓度对培养
效果的影响很大。
1．1溶氡条件对悬浮培养细胞生长的影响
通过改变摇瓶转速调节溶氧，当低于一定转
速时，长春花(Catharanthus rose,s)悬浮细胞虽可
收稿 日期：1 999—12—06
作者简介：周 煜(1972一)，男．在读博士生，从事中药植物的生物工程研究
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广 西 植 物 21卷
存活．但不增殖；随着转速升高，细胞的生长速率
提高，所达到最大鲜重亦增加 。在反应器中．通
过改变气体散布器和通气速率调节溶氧浓度也
得到类似的结果。：。高溶氧浓度条件下，细胞同化
培养基中糖的能力更强。。 。花菱草(Eschschdtzia
ca[ifornica)。 与胡萝 (Daucus carota)“ 悬浮培养
细胞生长和溶氧的关系与长春花一致。
总之，维持细胞的存活和增殖对溶氧浓度有
一 定的要求，一定范围提高溶氧浓度能提高细胞
生长速度。
在细胞培养周期的不同阶段，细胞的耗氧量
随细胞的生理状态和浓度而变化。长春花细胞在
气升式反应器中，单位质量细胞的摄氧量在生长
对数期的中点最大；但单位体积培养物的摄氧量
随着细胞浓度而增加，在对数生长期的后期达到
最高 ；摇瓶中．单位鲜重摄氧量的高峰出现在快
速生长的初期“ 。亚欧唐橙草(Ttudictrum minus)
细胞的耗氧高峰也出现在快速生长期间。 。欧亚
槭 (Acer pseudoplatanus)细胞在分裂前大量合成
蛋 白质，此时耗氧量最大 。
悬浮培养的落花生 (Arach~hypogaea)细胞
生长到平台期 ，用新鲜培养基稀释 ，2 h内细胞内
蛋 白质合成急剧加速．ATP水平增加 3倍 ；而通
人氧气也有相似的效果。有人据此认为：氧是细
胞高密度培养时的限制性因素。 。
过高的溶氧浓度对细胞生长有抑制作用。向
摇瓶中通人的气体中氧超过 70 ，能抑制对长春
花细胞的生长。”。另外 ，低氧条件下生长了相当
一 段时间之后，长春花细胞就不能适应较高溶氧
的环境。 。气升式反应器中的溶氧太高会导致光
合 自养的红叶藜(Chenopodium rubrum)悬浮细胞
进行光呼吸作用“”。
1．2溶氧条件对悬浮培养细胞形态和分化的影响
长春花细胞鲜重与干重之比随摇瓶转速增
加而提高，说明细胞含水量较大“ ；这也许与细胞
在高溶氧时消耗较多的糖而导致环境的渗透压
降低有关。高的容量传递系数(K )在后期使细胞
聚集成的团较大。 。摇瓶中生长的胡萝 悬浮细
胞的最大生物量随着转速和通氧的增加而增加．
但细胞数量变化不大，说明在高氧浓度条件下细
胞个体的质量较大。“。
胡萝 培养细胞分化有 2种形式 ：形成胚胎
fembry0genesis)或形成根 (rhizogenesis)。用增加
搅拌和通气的方法调节溶氧，发现悬浮细胞在溶
氧浓度高时趋向于根的发生，低溶氧条件有利于
胚胎发生。‘。但是，在不改变剪切力的条件下，低
溶氧不利于胚胎发生 ：不仅使体细胞胚的发生频
率降低，而且细胞的分化推迟“ 。
1．3氧对次生代谢产物生产的影响
氧促进某些次生代谢产物的产生。黄连(Cop
ponica)。”和亚欧唐 松草。：细胞 的黄连 素
(berberine)含量随溶氧增 加；增加 K 促进紫草
(Lithospermum erythrorhizon)细 胞 中 紫 草 宁
(shikonin)的合成。 ；溶氧在 20 ～50 之间时，
金花小檗(Berber~wilsonae)悬浮细胞中黄连素、
非 洲 防 己 碱 (columbamine)和 树 根 碱
(jatrorrhizine)的含量随溶氧而提高。 。溶氧在
10 ～50 之问，狭叶毛地黄(Digitalis lanata)细
胞转化 甲基洋地 黄毒苷 (13-methyldigitoxin)的
能力 与溶氧正相关。”。降低溶 氧导致海 巴戟
(Morinda d~ifdia)细胞 的葸醌 (anthraquinone)
产量下降“ 。
高密度培养被认 为是解决次生产物单位产
量过低的重要技术途径之一 。但是．细胞浓度
高往往导致所需产物的含量下降 。而提高溶
氧浓度能使某些产物在高密度培养时的产量增
加。
有证据表明氧参与某些产物的合成：长春花
在溶氧低于 15 条件下，阿玛碱合成被抑制，升
高溶氧至某一浓度 ，阿玛碱迅速大量合成；降低
溶氧浓度，阿玛碱合成又停止 ”；而合成阿玛碱
的有关酶的活性在不同氧浓度时区别不大 。所
以氧可能是直接作为这类生物碱合成中的底物．
而不是通过影响基础代谢或调节有关酶的活性
来促进它们的合成。
氧浓度还影响长春花细胞生物碱的积累时
间和组成：KL 低于 4．5 h 时，蛇根碱(serpentine)
在细胞生长停止后才能逐渐积累，提高 K 使蛇
根碱的积累时间提前：值得注意的是，提高 K 使
蛇根碱增加的同时．却降低 了阿玛碱的含量；原
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1期 周 煜等：气体成分对植物细胞悬浮培养的影响 49
困可能是阿玛碱在高氧浓度时易被氧化成蛇根
碱 。
高溶氧对另一些次生产物的积累不利．如高
溶氧使三角叶薯蓣(Dioscorea deltoidea)薯蓣皂甙
元(diosgenin)含量减少 ”。
2 二氧化碳(CO )
2．1 CO 对培养细胞生长的作用
光合 自养的悬浮培养细胞对 CO。要求较高。
气升式反应器中光合 自养的红 叶藜 细胞需要
l0 ～15％的 CO：以维持生长“ 。
异养细胞对 cO 也有一定要求。Stuart＆
Street发现生长活跃的欧亚槭高密度细胞培养物
释放出某些气态物质，这些物质具有显著的促进
低密度培养物生长的作用；这些物质能被 KOH
吸收．但加入 CO 的尝试未达到预期的促进生长
的效果 。后来研究证 明．如果通人气体中 CO。
浓度较高(5 )．将抑制悬浮细胞生长 ，而稍低
的浓度(1 )能促进生长．并且这种促进作用不
是因为CO：对培养基pH值的影响
亚欧唐松草细胞对无 CO：的环境较敏感 ：用
KoH吸收摇瓶中 CO：将导致细胞褐变和死亡；
在鼓泡式反应器中通入 2％ CO ．能阻止褐变；通
人乙烯能促进亚欧唐松草细胞褐变，碱吸收 CO
加强了乙烯的这种作用“ 。
为保证细胞对氧的要求，经常采用较强烈的
通气。但这反而对细胞生长不利 。Hegarty等
人发现：高通气速率抑制长春花细胞生长；同时
供给外源的CO 能抵销这种抑制作用；但 CO。浓
度过高叉抑制生长““。 ．
所以，一定浓度的CO 对有的植物细胞生长
是有利的或必需的．过高则抑制生长。cO 浓度
影响糖代谢过程中的几个关键酶的活性．这可能
与其作用的机制有关 。同位素标记的”CO：被
PEP羧化酶固定，产物转人三羧酸循环 ．这可
以解 释 CO 使 长春花细胞 的生物量增加 的现
象。 。
2．2 CO 的作用与时间的美系
CO 对生长的促进作用表现在培养前期 ：一
定分压的 CO (20 mhar)能缩短延滞期；如果在此
时将通入气体中的 cO 用碱吸收，悬浮培养细胞
的生长将受到抑制；但在后期去除 CO：对生长影
响不 大；此外，PEP羧化酶的活性亦在前期较
高 ：。细胞培养的起始浓度较高时．CO 的作
用便不明显⋯。” ，原因可能是，此时细胞本身产生
的cO：已能满足需要。
2．3 CO：对次生代谢产物的影响
气升式反应器中的Thalictrum rugosum悬浮
细胞培养液中通入 cO ．细胞生长变化不大，但黄
连素的产量增加了；同时通入 CO 与乙烯．细胞
生物量稍有减少，但黄连素产量更大。”。用 KOH
吸收摇瓶中的 cq．亚欧唐松草细胞的黄连素产
量降低；向鼓泡式反应器中通入 CO：，黄连素产量
提高 。
cO 对长春花阿玛碱产量影响不大，但去除
cO：导致 阿玛碱大量 分泌到胞外，可能是 由于
cO 对培养液 pH的降低的结果“ 。
3 乙 烯
作为气体形式的植物激素，乙烯能在多种植
物的悬浮培养细胞中产生“ 。通透不良的封口使
悬浮培养长春花细胞 的摇瓶 中积累较多的乙
烯⋯ 。
3．1乙烯对生长的影响
一 般而言，悬浮细胞的生长不需要乙烯“”。
乙烯对细胞的生长往往表现出不利影响。加入乙
烯利(ethre1)会导致亚欧唐松草细胞的褐变。 。间
歇通入高浓度(3 ～5 )乙烯能使大豆 (Glycine
max)悬浮细胞达到同步生长；可能是乙烯使细胞
停留于S期 。
3．2乙烯对次生代谢产物的影响
乙烯及其前体能刺激小果咖啡(Coffea ara一
如n)悬浮细胞中生物碱的产生 ”。高密度培养的
Thatictrum rggostm细胞通人乙烯，能提高黄连素
的单位产量。”。然而，去除乙烯或加人乙烯合成
的抑制 剂对 长春花细胞 的阿玛碱产量影响不
大。”。
4 其它气体成分
Thomas＆Murashige检测到许多种植物组
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5o 广 西 植 物 2l卷
织培养物释放出二氧化碳、乙烯、己烷、乙醛、乙
醇等的挥发性成分，而且不同植物在不同时间放
出的各种气体成分差异很大“ 。有人发现低温保
藏 的胡萝 细胞能 释放 甲烷、乙烷、丙烷、异丁
烷、戊烷和一些未鉴定的气体成分“ 。
Schlatmann等人 比较了普通通气搅拌罐、循
环气体的通气搅拌罐、摇瓶和鼓泡式反应器中长
春花的阿玛碱生产 ．结果循环气体的通气搅拌罐
与摇瓶中细胞生长良好 ，阿玛碱产量较高；但普
通通气搅拌罐与鼓泡式反应器中阿玛碱产量低，
而且大部分存在于细胞外“”。说明剪切力不是影
响生物碱产量的因素，而培养物产生的废气对培
养效果具有实质性的影响 他们将反应器的废气
循环回反应器中，长春花高密度悬浮细胞产生比
普通反应器更多的阿玛虢；但将废气中的 cO 和
乙烯同时或者分别去除，对阿玛碱生产仍具有促
进作用。” 证明 CO 和乙烯不是促进阿玛碱产生
的因子，而有其它一些尚不明确的气体成分能促
进生物碱的合成。
目前，气体成分对植物细胞培养影响的研究
仍处于初级阶段，它们的作用机理还不明确。深
入探索有关机理对优化培养条件、提高培养效率
有重大意义。
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