植物细胞工程实验教学与植物产业化有机结合的策略刍议

张宝华

关键词：植物细胞;实验教学;植物产业化

生物技术是现代技术腾飞的标志之一，无论是在国家科技发展方面，还是人们的衣食住行方面，都发挥着非常重要的作用。我国生物技术在当下发展迅猛，已经渗入生命科学的各个领域，对各领域发展有一定的推动作用。细胞工程实验会根据实验对象设计相关方案，在细胞、亚细胞水平上操作，获得带有目的性状的组织、细胞、器官或生物制品。在植物产业化发展的过程中，按照实际需求，调整植物细胞工程实验教学模式，提高教育工作的有效性。

1 基本概念

1.1 植物细胞工程实验教学

细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或者细胞器水平上的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获取细胞产品的一项综合科学技术。细胞工程涉及领域很广，技术范围大致包括细胞组织培养技术、细胞融合技术、细胞拆合技术、染色体技术、基因转移技术、胚胎移植技术等。细胞工程又可分为植物细胞工程及动物细胞工程。现实中，植物细胞工程通常使用植物组织培养及植物体细胞杂交，在一定基础上实现植物细胞的多功能性。植物组织培养是一种培养技术，主要是还原原生植物的细胞状态，通过人工从植物中取出器官、组织或细胞，提供能够分化的营养物质与条件，使植物能够分化、发育和生长，用于组织培养的植物细胞或器官称为外植体。在适当的营养和外界条件下，移植的细胞首先去分化，其次恢复细胞分裂，形成愈伤组织（代表一组具有相同或相似形态结构的未分化细胞），再次在特定诱导物的作用下分化，最后形成有根、茎和叶的全株。体细胞杂交是在原生质体培养技术的基础上，通过融合动物细胞而发展起来的一项新技术。植物体细胞杂交包括原生质体制备、原生质体融合诱导、杂交细胞选择与培养、杂交植物再生与鉴定。该技术的应用可以克服远距离杂交和不育的缺点，广泛应用于各类茄科蔬菜的繁育，实现异种细胞杂交等新品种的培育。

1.2 植物产业化

植物产业化是指以植物为原料，对生产过程、劳动力、机械设备、生产方法及各个环节进行有效控制的植物大规模生产和利用，形成了一套标准化的生产流程，具有一定的生产水平。实现规模化、植物工业化生产的前提是具有良好的经济效益、成熟的植物生产技术和充足的植物原料。植物生产技术是植物细胞工程技术的重要组成部分，因此，大学实验室的植物细胞工程技术与企业生产实践的有机结合是植物产业化的必经之路。近年来，随着计算机技术的发展以及电子技术在农业中的应用，诸多先进技术（如传感技术、物联技术）被逐渐研发出来，植物生产工厂在技术的加持下，规模以及技术成熟度也与日俱增。发展方向主要有两种：一个是工厂化生产的发展，即大型植物生产工厂的发展，另一个是家庭微型植物生产工厂的发展，这两种发展趋势的必然性可以从植物生产工厂的研究现状来看。

2 植物细胞工程实验教学与植物产业化有机结合现状

2.1 设施农业过于依赖政府和大企业的资助，缺乏长效政策机制支撑

如果中国的设施农业仅依靠政府推进，很有可能会以失败告终，这是过去大数据统计的结果。政府在政治上支持农民，占主导地位的农民倾向于实现植物和农业的生产成效，大规模的玻璃温室建设也证明了这一点。农业生产周期长，前期投入成本较大，投资周期长。目前，主要合作社和企业规模有限，盈利能力有限，不敢投资。但是，高度情绪化、政治化的社会资本一直在追求高投入、高效率、高回报，与未完成的农业项目成果不协调。农业生产质量的提升取决于经营者的不断探索，补贴不是农业企业长期的生存方式。此外，无限期的补贴也让政府“头疼”。

2.2 在现行的蔬菜产业化体系中，全人工光植物细胞工程不受重视

目前，国内蔬菜产业政策基本由中国农业科学院（农科院）和农业大学（系）主导。该系统解决的主要问题是大田（农村、农民）和城市菜篮子问题，加强设施农业的经济基础是加大设施设备投入，提高失地农民就地就业率，提高生产效率，确保产品生产更稳定、更安全。制度农业的高投入性破坏了从小规模到大规模逐步发展的道路。植物厂房投资高、能耗大，不适合普通企业投资，也不適合农业滚动发展。

3 植物细胞工程实验教学与植物产业化有机结合的发展趋势

近年来，许多研究人员在植物产业化方面投入大量精力，比如在特定植物的技术基础上，完成后续相关种植技术开发，将技术投入家庭园艺，促进家庭植物细胞工程的可持续发展。由于电子技术的快速发展，LED光源被广泛应用于植物领域，技术与发展规模进步较大。同时，物联网的智能控制系统（如温度和湿度控制系统与二氧化碳控制系统）和智能监控网络得到了一定发展。研究者们在植物苗圃人工照明类型封闭和环境控制系统测试设备的研究和开发中，确定了温度、湿度、二氧化碳浓度、光、营养液和其他因素。

3.1 加强技术控制

许多植物学家根据工厂的无线控制技术和基于以太网的联网，推进了植物细胞工程信息化发展。顺应21世纪的农业技术发展趋势和可持续发展，不仅可以降低成本，还可以节省人力资源。

3.2 优化工厂建设

工厂建设不断采用新材料，围护结构使用不透明绝缘材料。研究发现：使用人工照明的植物工程，可以提高材料、能源和各类资源的利用水平，使用较少的资源便可获得高价值、高质量的园艺植物[1]。

3.3 注重内部设计

根据实际情况开发新产品，建立绿色植物育苗系统，通过技术手段，满足植物叶菜自动工厂生产运营需求。该系统通过生产运营的智能化和自动化，实现植物的科学化生产，因此，开展相关技术工作十分必要。

4 植物细胞工程实验教学与植物产业化有机结合的问题

4.1 植物细胞工程生产作物研究的种类较少

作物在不同时期对光、温度、湿度的需求不同，为了构建适合作物生长的环境，满足对各类资源的需求，应该规范部分农作物的生产指标。在实际生产中，有许多未开发的作物，由于对光、温度、湿度等资源的需求量掌握不足，很难为作物生长设计合理的方案，在各类资源配置不到位、不科学的情况下，很难为作物生长提供良好的条件，会降低作物产量和质量。例如近期有相关人员对光、温度、湿度、人工环境控制进行了研究，主要以莴苣和黄瓜作为研究对象[2]。

4.2 家庭植物细胞工程智能化程度低

近年来，植物细胞工程智能化程度不断提高，但是多为工厂化发展。家庭植物细胞工程发展受诸多因素影响，成本高、产量低、产业化程度低。由于受到以上必要条件的限制，家庭植物细胞工程智能化的研究鲜有开展。随着人们的生活节奏不断加快，生活质量不断提高，促进植物细胞工程家族化、智能化已成为当前的研究重点。互联网和手机网络已经成为人们生活中不可或缺的一部分，如何将互联网、手机网络和智能控制相结合成为下一个高校课程研究课题[3]。

4.3 成本高

随着植物细胞工程的开发和普及，植物细胞工程的支出成本越来越高，原因有两个方面：（1）投入成本相对较高。植物细胞工程的设施农业对光源有较高的依赖性，为了满足植物对光源的需求，会在植物生长环节投放人工光源。该操作会提高工程在设备、智能监测系统、硬件、环境等方面的智能控制与管理成本。投资成本和工程维护均会花费不少资金，使植物工程在各运行时段均需足够的资金作为支撑，由此才能顺利开展各类活动。建立一般规模的植物细胞工程在资金方面承担的压力较小，投资金额约10万元，但是此工程在普及方面会存在一定的问题。（2）植物细胞工程存在耗电问题，会增加植物工程的整体成本，使植物细胞工程在运行阶段遭受一定的阻碍。近年来，植物成套设备的高成本、高消耗并没有从根本上得到解决，也没有后续的运维成本，致使项目在运行环节遭遇不少问题。

5 植物细胞工程实验教学与植物产业化有机结合的策略

5.1 优化人才培养机制

学校与企业建立合作关系，为植物细胞工程领域培养应用型人才，明确植物细胞工程对参与人员能力与职业素养方面的需求，企业向高校提出自身在专业人才培养方面的建议。高校整理相关信息，从人才培养的角度设计植物细胞工程实验教学方案，让学生在实验活动中得到良好的锻炼。教师会记录学生在活动中的表现，评估学生的能力，而表现优异的学生可以在毕业后留在实习单位。事实上，成本是影响教学的关键因素，在这种人才输送模式的推动下，企业培养人才的成本降低，学校的人才输出也更有针对性。

5.2 建立企業所需的生产原料供应体系和技术支援体系

光能是清洁能源之一，在各行各业都有广泛应用，太阳能电池应用前景广阔。植物细胞工程可以通过在内部安装水处理设备、循环用水、节约用水、利用LED照明设备人工补光等方式，促进作物的光合作用。上述措施不仅可以减少能耗，还可以精确调整植物生长情况。

5.3 更新和充实植物细胞工程实验教学的材料

随着实验材料、环境的更新以及现代化发展，学生对技术的兴趣与实操能力逐渐提升。植物细胞工程实验教学体系的综合性、系统性较强，需要学生有与时俱进的钻研精神。学校实验环境的建设，应以植物细胞工程技术为主，提高教学效果和学生的学习欲望。

6 结语

近年来，随着技术更新速度的加快，植物细胞工程也在快速发展。植物细胞工程的科学研究虽然进展迅速，但鲜少应用于实际生产。在植物细胞工程发展的道路上，新材料的研究、植物成本问题的解决、智能植物的研究、植物特异性系统的研发必将成为21世纪植物研究者的紧迫任务，植物细胞工程的发展应趋于低成本和智能化。