植物細胞工程實驗教學與植物產業化有機結合的策略芻議

張寶華

關鍵詞：植物細胞;實驗教學;植物產業化

生物技術是現代技術騰飛的標志之一，無論是在國家科技發展方面，還是人們的衣食住行方面，都發揮著非常重要的作用。我國生物技術在當下發展迅猛，已經滲入生命科學的各個領域，對各領域發展有一定的推動作用。細胞工程實驗會根據實驗對象設計相關方案，在細胞、亞細胞水平上操作，獲得帶有目的性狀的組織、細胞、器官或生物制品。在植物產業化發展的過程中，按照實際需求，調整植物細胞工程實驗教學模式，提高教育工作的有效性。

1 基本概念

1.1 植物細胞工程實驗教學

細胞工程是指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過細胞水平或者細胞器水平上的操作，按照人們的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲取細胞產品的一項綜合科學技術。細胞工程涉及領域很廣，技術范圍大致包括細胞組織培養技術、細胞融合技術、細胞拆合技術、染色體技術、基因轉移技術、胚胎移植技術等。細胞工程又可分為植物細胞工程及動物細胞工程。現實中，植物細胞工程通常使用植物組織培養及植物體細胞雜交，在一定基礎上實現植物細胞的多功能性。植物組織培養是一種培養技術，主要是還原原生植物的細胞狀態，通過人工從植物中取出器官、組織或細胞，提供能夠分化的營養物質與條件，使植物能夠分化、發育和生長，用于組織培養的植物細胞或器官稱為外植體。在適當的營養和外界條件下，移植的細胞首先去分化，其次恢復細胞分裂，形成愈傷組織（代表一組具有相同或相似形態結構的未分化細胞），再次在特定誘導物的作用下分化，最后形成有根、莖和葉的全株。體細胞雜交是在原生質體培養技術的基礎上，通過融合動物細胞而發展起來的一項新技術。植物體細胞雜交包括原生質體制備、原生質體融合誘導、雜交細胞選擇與培養、雜交植物再生與鑒定。該技術的應用可以克服遠距離雜交和不育的缺點，廣泛應用于各類茄科蔬菜的繁育，實現異種細胞雜交等新品種的培育。

1.2 植物產業化

植物產業化是指以植物為原料，對生產過程、勞動力、機械設備、生產方法及各個環節進行有效控制的植物大規模生產和利用，形成了一套標準化的生產流程，具有一定的生產水平。實現規?；?、植物工業化生產的前提是具有良好的經濟效益、成熟的植物生產技術和充足的植物原料。植物生產技術是植物細胞工程技術的重要組成部分，因此，大學實驗室的植物細胞工程技術與企業生產實踐的有機結合是植物產業化的必經之路。近年來，隨著計算機技術的發展以及電子技術在農業中的應用，諸多先進技術（如傳感技術、物聯技術）被逐漸研發出來，植物生產工廠在技術的加持下，規模以及技術成熟度也與日俱增。發展方向主要有兩種：一個是工廠化生產的發展，即大型植物生產工廠的發展，另一個是家庭微型植物生產工廠的發展，這兩種發展趨勢的必然性可以從植物生產工廠的研究現狀來看。

2 植物細胞工程實驗教學與植物產業化有機結合現狀

2.1 設施農業過于依賴政府和大企業的資助，缺乏長效政策機制支撐

如果中國的設施農業僅依靠政府推進，很有可能會以失敗告終，這是過去大數據統計的結果。政府在政治上支持農民，占主導地位的農民傾向于實現植物和農業的生產成效，大規模的玻璃溫室建設也證明了這一點。農業生產周期長，前期投入成本較大，投資周期長。目前，主要合作社和企業規模有限，盈利能力有限，不敢投資。但是，高度情緒化、政治化的社會資本一直在追求高投入、高效率、高回報，與未完成的農業項目成果不協調。農業生產質量的提升取決于經營者的不斷探索，補貼不是農業企業長期的生存方式。此外，無限期的補貼也讓政府“頭疼”。

2.2 在現行的蔬菜產業化體系中，全人工光植物細胞工程不受重視

目前，國內蔬菜產業政策基本由中國農業科學院（農科院）和農業大學（系）主導。該系統解決的主要問題是大田（農村、農民）和城市菜籃子問題，加強設施農業的經濟基礎是加大設施設備投入，提高失地農民就地就業率，提高生產效率，確保產品生產更穩定、更安全。制度農業的高投入性破壞了從小規模到大規模逐步發展的道路。植物廠房投資高、能耗大，不適合普通企業投資，也不適合農業滾動發展。

3 植物細胞工程實驗教學與植物產業化有機結合的發展趨勢

近年來，許多研究人員在植物產業化方面投入大量精力，比如在特定植物的技術基礎上，完成后續相關種植技術開發，將技術投入家庭園藝，促進家庭植物細胞工程的可持續發展。由于電子技術的快速發展，LED光源被廣泛應用于植物領域，技術與發展規模進步較大。同時，物聯網的智能控制系統（如溫度和濕度控制系統與二氧化碳控制系統）和智能監控網絡得到了一定發展。研究者們在植物苗圃人工照明類型封閉和環境控制系統測試設備的研究和開發中，確定了溫度、濕度、二氧化碳濃度、光、營養液和其他因素。

3.1 加強技術控制

許多植物學家根據工廠的無線控制技術和基于以太網的聯網，推進了植物細胞工程信息化發展。順應21世紀的農業技術發展趨勢和可持續發展，不僅可以降低成本，還可以節省人力資源。

3.2 優化工廠建設

工廠建設不斷采用新材料，圍護結構使用不透明絕緣材料。研究發現：使用人工照明的植物工程，可以提高材料、能源和各類資源的利用水平，使用較少的資源便可獲得高價值、高質量的園藝植物[1]。

3.3 注重內部設計

根據實際情況開發新產品，建立綠色植物育苗系統，通過技術手段，滿足植物葉菜自動工廠生產運營需求。該系統通過生產運營的智能化和自動化，實現植物的科學化生產，因此，開展相關技術工作十分必要。

4 植物細胞工程實驗教學與植物產業化有機結合的問題

4.1 植物細胞工程生產作物研究的種類較少

作物在不同時期對光、溫度、濕度的需求不同，為了構建適合作物生長的環境，滿足對各類資源的需求，應該規范部分農作物的生產指標。在實際生產中，有許多未開發的作物，由于對光、溫度、濕度等資源的需求量掌握不足，很難為作物生長設計合理的方案，在各類資源配置不到位、不科學的情況下，很難為作物生長提供良好的條件，會降低作物產量和質量。例如近期有相關人員對光、溫度、濕度、人工環境控制進行了研究，主要以萵苣和黃瓜作為研究對象[2]。

4.2 家庭植物細胞工程智能化程度低

近年來，植物細胞工程智能化程度不斷提高，但是多為工廠化發展。家庭植物細胞工程發展受諸多因素影響，成本高、產量低、產業化程度低。由于受到以上必要條件的限制，家庭植物細胞工程智能化的研究鮮有開展。隨著人們的生活節奏不斷加快，生活質量不斷提高，促進植物細胞工程家族化、智能化已成為當前的研究重點?；ヂ摼W和手機網絡已經成為人們生活中不可或缺的一部分，如何將互聯網、手機網絡和智能控制相結合成為下一個高校課程研究課題[3]。

4.3 成本高

隨著植物細胞工程的開發和普及，植物細胞工程的支出成本越來越高，原因有兩個方面：（1）投入成本相對較高。植物細胞工程的設施農業對光源有較高的依賴性，為了滿足植物對光源的需求，會在植物生長環節投放人工光源。該操作會提高工程在設備、智能監測系統、硬件、環境等方面的智能控制與管理成本。投資成本和工程維護均會花費不少資金，使植物工程在各運行時段均需足夠的資金作為支撐，由此才能順利開展各類活動。建立一般規模的植物細胞工程在資金方面承擔的壓力較小，投資金額約10萬元，但是此工程在普及方面會存在一定的問題。（2）植物細胞工程存在耗電問題，會增加植物工程的整體成本，使植物細胞工程在運行階段遭受一定的阻礙。近年來，植物成套設備的高成本、高消耗并沒有從根本上得到解決，也沒有后續的運維成本，致使項目在運行環節遭遇不少問題。

5 植物細胞工程實驗教學與植物產業化有機結合的策略

5.1 優化人才培養機制

學校與企業建立合作關系，為植物細胞工程領域培養應用型人才，明確植物細胞工程對參與人員能力與職業素養方面的需求，企業向高校提出自身在專業人才培養方面的建議。高校整理相關信息，從人才培養的角度設計植物細胞工程實驗教學方案，讓學生在實驗活動中得到良好的鍛煉。教師會記錄學生在活動中的表現，評估學生的能力，而表現優異的學生可以在畢業后留在實習單位。事實上，成本是影響教學的關鍵因素，在這種人才輸送模式的推動下，企業培養人才的成本降低，學校的人才輸出也更有針對性。

5.2 建立企業所需的生產原料供應體系和技術支援體系

光能是清潔能源之一，在各行各業都有廣泛應用，太陽能電池應用前景廣闊。植物細胞工程可以通過在內部安裝水處理設備、循環用水、節約用水、利用LED照明設備人工補光等方式，促進作物的光合作用。上述措施不僅可以減少能耗，還可以精確調整植物生長情況。

5.3 更新和充實植物細胞工程實驗教學的材料

隨著實驗材料、環境的更新以及現代化發展，學生對技術的興趣與實操能力逐漸提升。植物細胞工程實驗教學體系的綜合性、系統性較強，需要學生有與時俱進的鉆研精神。學校實驗環境的建設，應以植物細胞工程技術為主，提高教學效果和學生的學習欲望。

6 結語

近年來，隨著技術更新速度的加快，植物細胞工程也在快速發展。植物細胞工程的科學研究雖然進展迅速，但鮮少應用于實際生產。在植物細胞工程發展的道路上，新材料的研究、植物成本問題的解決、智能植物的研究、植物特異性系統的研發必將成為21世紀植物研究者的緊迫任務，植物細胞工程的發展應趨于低成本和智能化。