根据设计要求,按照需要改造的遗传物质的不同操作层次,可细胞工程学分为染色体工程、染色体组工程、细胞质工程和细胞融合工程等几个方面.
(1)染色体工程 染色体工程是按人们需要来添加或削减一种生物的染色体,或用别的生物的染色体来替换.可分为动物染色体工程和植物染色体工程两种.动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法(如微细胞转移方法等)来达到转移基因的目的.植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到添加、消除或置换染色体的目的.
(2)染色体组工程 梁色体组工程是整个改变染色体组数的技术.自从1937年秋水仙素用于生物学后,多倍体的工作得到了迅速发展,例如得到四倍体小麦,八倍体小黑麦等.
(3)细胞质工程 又称细胞拆合工程,是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开,再进行不同细胞间核质的重新组合,重建成新细胞.可用于研究细胞核与细胞质的关系的基础研究和育种工作.
(4)细胞融合工程 是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合为一个细胞的过程.可用于产生新的物种或品系(植物上用得多,动物上用得少)及产生单克隆抗体等.其中单克隆抗体技术利用克隆化的杂交瘤细胞分泌高度纯一的单克隆抗体,具有很高的实用价值,在诊断和治疗病症方面有着广泛的应用前途.
大规模的细胞培养可分为三个层次：单个细胞培养、组织培养和器官培养.植物细胞和原生质体培养技术可以用于育种,也可用于各类植物的快速繁殖,在培养无毒苗、长期贮存种子和生产次生代谢产物等方面发挥作用.动物细胞培养技术可用于制取许多有应用价值的细胞产品,如疫苗和生长因子等.利用细胞培养系统可进行毒品和药物检测；一些培养细胞可用于治疗.
细胞工程已经渗透到人类生活的许多领域,取得了许多具有开发性的研究成果,有的在生产中推广,收到了明显的经济和社会效益.随细胞工程技术研究的不断深入,它的前景和产生的影响将会日益地显示出来.
细胞工程
开放分类： 科学、科研、基因工程、细胞工程、细胞生物学
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,通过某种工程学手段,在细胞整体水平或细胞器水平上,按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术.根据细胞类型的不同,可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类.
植物细胞工程
常用技术手段：植物组织培养,植物体细胞杂交.
理论基础：植物细胞的全能性.
植物组织培养
植物组织培养技术的应用范围：快速繁殖、培育无病毒植物,通过大规模的植物细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等.
植物体细胞杂交
植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞,并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法.
动物细胞工程
常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、核移植等（动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础）
动物细胞培养
动物细胞能够分泌蛋白质,如抗体等.但是单个细胞分泌的蛋白质的量是很少的,要借助于大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白.
动物细胞培养技术的应用
生产许多有重要价值的蛋白质生物制品,如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等.
动物细胞融合
动物细胞融合技术最重要的用途,是制备单克隆抗体.
单克隆抗体
要想获得大量的单一抗体,必须用单个B淋巴细胞进行无性繁殖,也就是通过克隆,形成细胞群,这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——单克隆抗体.
单克隆抗体的应用
“生物导弹”,将药物定向带到癌细胞所在部位,消灭了癌细胞不伤害健康细胞.
生物技术发展到今天,细胞则成了科学家们随意发挥想象力的乐园,他们甚至可以把生命像积木那样组装起来,进行细胞水平上的生命组合游戏.生命组合的一个最具代表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作.他们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管,然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解,再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”.马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内,不久,一只奇怪的组装鼠问世了,这只组装鼠全身披着黄、白、黑三种不同颜色的皮毛.迄今为止,除组装鼠外,英国和美国还组装成功了绵羊和山羊的嵌合体——绵山羊.据说,世界各国科研人员热情高涨,正在组装“五位一体”.“六位一体”的生物,实在想象不出那样的生物会是什么样子.
细胞工程的应用
细胞工程作为科学研究的一种手段,已经渗入到生物工程的各个方面,成为必不可少的配套技术.在农林、园艺和医学等领域中,细胞工程正在为人类做出巨大的贡献.
1.粮食与蔬菜生产
利用细胞工程技术进行作物育种,是迄今人类受益最多的一个方面.我国在这一领域已达到世界先进水平,以花药单倍体育种途径,培育出的水稻品种或品系有近百个,小麦有30个左右.其中河南省农科院培育的小麦新品种,具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状.
在常规的杂交育种中,育成一个新品种一般需要8～10年,而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养,可大大缩短育种周期,一般提前2～3年,而且有利优良性状的筛选.前面已介绍过的微繁殖技术,在农业生产上也有广泛的用途,其技术比较成熟,并已取得较大的经济效益.例如,我国已解决了马铃薯的退化问题,日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯,实现种薯生产的自动化.通过植物体细胞的遗传变异,筛选各种有经济意义的突变体,为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用.现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系.有希望通过这一技术改良作物的品质,使它更适合人类的营养需求.
蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分,它为人体提供必需的维生素、矿物质等.蔬菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖,化费成本低.但是,在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节,植物细胞工程技术仍大有作为.例如,从国外引进蔬菜新品种,最初往往只有几粒种子或很少量的块根、块茎等.要进行大规模的种植,必须先大量增殖,这就可应用微繁殖技术,在较短时间内迅速扩大群体.在常规育种过程中,也可应用原生质体或单倍体培养技术,快速繁殖后代,简化制种程序.另外,还可结合植物基因工程技术,改良蔬菜品种.
2.园林花卉
在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术.几乎所有的果树都患有病毒病,而且多是通过营养体繁殖代代相传的.用去病毒试管苗技术,可以有效地防止病毒病的侵害,恢复种性并加速繁殖速度.目前,香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术,已基本成熟.香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一.因为香蕉是三倍体植物,必须通过无性繁殖延续后代,传统方法一般采用芽繁殖,感病严重,繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质,亩产量约提高30％～50％,很容易被蕉农接受.
近年来,对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视.采用这一技术可比常规方法提前数年进行
1907年，德国植物学家哈伯兰特发明了动物细胞的组织培养方法，人们才有可能发现在细胞培养中发生的细胞融合成多核胞体，并且知道了可以用诱导的方法，人工合成不同来源的两种细胞，使之形成一种新的杂交细胞，从而为培养新的生命类型奠定了技术基础。
人们把这种在细胞和亚细胞水平上的遗传操作，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出所需要的新物种的技术称为“细胞工程”。它的生物学基础与细胞融合现象的发现密切相关。细胞工程开辟了基因重组的新途径，不需要经过分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中，就能够形成杂交细胞，因而提高了基因转移的效率。细胞工程克服了常规杂交的局限性，开辟了远缘杂交的新途径。它不仅可以在植物与植物之间，动物与动物之间，微生物与微生物之间进行远缘杂交，甚至可以在动物与植物与微生物之间进行细胞融合，形成杂交物种。
发展历史细胞工程的理论基础是细胞学说和细胞全能性学说。1839年，Schwann和Schleiden建立了细胞学说，细胞学研究进入快速发展阶段。德国学者Haberlandt（1902年）在发表的《植物细胞立体培养实验》的论文中提出了细胞全能性的观点。Hänning（1904年）进行了幼胚的立体培养，在含有糖、无机盐、氨基酸和植物提取物的培养基上，培养萝卜和辣根菜的幼胚，发现离体幼胚均可充分发育，并且可以提前萌发成苗。
1925年，Laibach培养亚麻种间杂交幼胚获得成功，并得到杂交种。从20世纪20年代起，幼胚培养被用来挽救远缘杂交早期败育的胚胎，因此可以认为，幼胚培养和胚胎拯救（embyrorescue）技术是最早应用的植物细胞工程技术。
20世纪30年代，植物组织培养技术基本建立。李继侗（1933年）将3mm以上的银杏胚培养成功，并且发现加入胚乳汁可以促进离体胚的成长。1937年，White发现B族维生素、吲哚乙酸对植物生长具有促进作用。1937~1939年，White、Gautheret和Nobercourt分别建立了植物组织的连续培养物，使离体的植物组织可以在人工培养基上不断生长，从而奠定了现代组织培养的基础。
20世纪60年代初，Cocking等人用纤维素酶来分离植物原生质体并获得成功。分离得到的原生质体在培养过程中，可长出新壁，进行分裂和分化，最终形成完整植株。获得成功的植物有胡萝卜、矮牵牛、油菜、石刁柏等。
在动物学界，1907年美国生物学家哈里森用盖玻片悬滴培养蛙胚神经组织，存活数周，而且观察到细胞生长现象，开创了动物细胞培养的先河。
德国胚胎学家Spemamm（1938年）认为，早期胚胎细胞具有高度的分化潜能，将胚胎的细胞核移植到去核卵母细胞中，可以发育为新的胚胎。Briggs和Kings（1952年）把非洲豹蛙囊胚的细胞核一到去核的卵母细胞中，得到了非洲豹蛙的胚胎克隆后代，从而证实了Spemamm的观点。
Okata（1962年）发现仙台病毒（Sendal virus）可诱发艾氏腹水瘤细胞融合，形成多核细胞，为动物细胞融合技术的发展奠定了基础。诺贝尔医学和生理学奖获得者Cesar Milstein和Geoger Kohler（1975年）将免疫小鼠的脾细胞和小鼠骨髓瘤细胞进行融合，获得了既能在体外无限繁殖，又能产生特异性抗体的杂交瘤细胞，有力的促进了免疫学的发展。
细胞工程技术发展迅速，试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世。以色列用胚胎干细胞培养出人类心脏组织，可以正常跳动，以及美国培养的造血先驱细胞、中国培养的胃和肠粘膜组织等。1977年英国利用胚胎工程技术成功地培养出世界首例试管婴儿，1997年英国首次克隆出绵羊“多莉”，2001年英国又培育出首批转基因猪。
研究内容
根据研究对象的不同，可将细胞工程分为微生物细胞工程，植物细胞工程和动物细胞工程。
细胞工程的研究内容主要包括以下几个方面：
⑴动植物细胞与组织培养
主要包括细胞培养、组织培养和器官培养。
⑵细胞融合
采用一定的方法使两个或几个不同的细胞（或原生质体）融合为一个细胞，用于生产新的物种或品系及产生单克隆抗体。
⑶染色体工程
按人们的需要来添加、消减或替换染色体的一种技术。主要用于新品种的培育。
⑷胚胎工程
主要是对动物的胚胎进行某种人为的工程技术操作，获得人们所需要的成体动物，包括胚胎分割、胚胎融合、细胞核移植、体外受精、胚胎培养、胚胎移植、性别鉴定、胚胎冷冻技术等。
⑸细胞遗传工程
主要包括动物克隆和转基因技术。转基因技术是指将外援基因通过一定的方法和手段，整合到受体染色体上，得到稳定、高效表达，并能遗传给后代的试验技术。转基因技术是改变生物遗传性形状的有效途径，已在微生物、植物、动物上得到应用。
工程应用
细胞工程在植物方面的应用
⑴微繁殖技术（Micropropagation）的应用
微繁殖技术，即以植物的器官、组织、细胞或原生质体为外植体，在离体培养条件下进行植株再生的技术。应用微繁殖技术既可用于克服高度杂合物种因有性繁殖而引起的后代严重分离，如澳大利亚的番木瓜；有可用于名优或濒危物种的快速繁殖，如凤梨、草莓。通过微繁技术已获再生植株的树种主要有番木瓜、柑橘、龙眼、荔枝、苹果、梨、葡萄等，草莓、香蕉等以实现了商品化生产。
通过茎尖培养或微嫁接技术，可以脱去植物体内的病毒，获得无病毒苗木，如苹果、草莓等。另外，在组织培养过程中，如愈伤组织培养、细胞悬浮培养、原生质体培养等，通过pH值、温度、离子浓度等条件的变化，可增加其变异，从中可筛选出优良的突变体，从而为新品种的选育开辟一条崭新的途径。
愈伤组织、悬浮细胞、原生质体等是基因转化的良好受体材料，并且在离体培养条件下进行植株再生也是实现植物遗传转化的重要环节。
此外，微繁技术为种质的保存（germplasm storage）提供了新方法。很多种质资源在离体培养条件下，通过减缓生长和低温处理而达到长期保存目的，并可进行不同国家、地区间的种质资源收集、互换、保存和应用，即建立“基因银行”（gene bank），实现种质资源的全球共享。例如，在比利时Catholic University的Leuven研究中心有大量离体保存的香蕉种质库。
⑵细胞大量培养与有用次生代谢产物生产
细胞大量培养有用次生代谢产物是植物细胞工程另一个重要应用领域。通过细胞工程技术，刺激植物体内某些重要次生代谢产物的合成和积累，然后进行分离、提纯，如某些名贵药物、香精、色素等，实现植物产品的工业化生产。
早在1964年我国就开始进行人参细胞培养。1980年以后，我国研究者相继开展了紫草、三七、红豆杉、青蒿、红景天和水母雪莲等植物的细胞大量培养和研究，并利用生物反应器进行药用植物的细胞大量培养的小试和中试。其中新疆紫草中试的规模达到100L，并小批量生产了紫草素，用于研制化妆品及抗菌、抗病毒和抗肿瘤药物。红豆杉细胞大量培养在我国也获得初步成功，从细胞培养物中得到了珍贵的抗癌药物紫杉醇，但产率还有待提高。
⑶单倍体（Haploid）技术的应用
单倍体育种和相关研究在农业和园艺植物中得到了广泛的应用。用Blakeslee等（1922年）和Kostoff（1941年）分别得到了单倍体植株单倍体有利于突变的检测和抗性细胞系的筛选，并且大大缩短了育种的时间。此外单倍体在基因图谱、基因转移研究中具有重要作用。
自然形成的单倍体是极少见的，并且仅限于几种植物。花药培养是单倍体形成的重要途径。自1964年第一例花药培养获得成功以来，花药培养技术已取得了显著的进展，尤其在水稻、小麦、玉米等作物中已获得巨大成功。现已取得成功的果树树种主要有番荔枝（Nair等，1983年）、番木瓜（Litz和Conover，1978年）、4个柑橘品种（Chen，1985年）、龙眼（Yang和Wei，1984年）、荔枝（Fu和Tang，1983年）、苹果（Zhang等，1990年）、梨（Jordan，1975年）、葡萄（Rajasekaran和Mullins，1979年）等。薛光荣等（1980年）对东方草莓（四倍体）的单核期花粉进行培养，成功的诱导出单倍体植株。
花药培养主要是受基因型、花药的发育阶段、预处理和培养条件的影响，其存在的主要问题是单倍体的诱导频率低，单倍体自发加倍形成的二倍体与体细胞组织形成的二倍体很难区分。例如，Fowler等（1971年）、Nishi等（1974年）和Rosati等（1975年）以八倍体草莓花药为材料诱导愈伤组织，并分化出植株，发现其再生植株仍为八倍体，这些八倍体是由无性器官发育而来，还是由单倍体自发加倍而成则难以区分。
除花药培养外，植物的卵细胞、助细胞、反足细胞等单倍体细胞通过离体培养可以分化成单倍体胚或愈伤组织。胚珠、子房培养也曾进行了大量尝试，但大多数情况下，在愈伤组织阶段生长停止。
⑷胚培养（Embryo culture）
胚的离体培养是直接应用于植物改良最早的组织培养技术。胚培养可以克服杂交后胚的衰亡，保证种内或种间杂交的成功，或用于无性繁殖困难的植物的培养。胚培养还可以克服种子的休眠和败育。Magdalita等（1996年）和Drew等（1997年）分别进行了番木瓜的种内杂交，得到合适的胚子后，进行了胚培养，以促进杂交成功。Jordan（1992年）得到了愈伤组织，但未得到再生植株。
澳大利亚国际农业技术研究中心对番木瓜和其野生种的杂交胚进行了培养研究，已获成功，并得到了杂交后代，野生种的抗性、高含糖量等优良性状得到了遗传。荔枝是较难进行离体培养的果树树种之一，Kantharajah等（1992年）培养了长度为3mm的荔枝幼胚。其他通过未成熟胚培养进行再生的树种有鳄梨、番荔枝和番木瓜等。姚强（1990年）对桃、油桃和番桃花后60d的未成熟胚进行培养，获得了再生植株。J.Button等（1975年）利用甜橙种胚愈伤组织离体培养获得了完整植株。
⑸原生质体培养（Protoplast culture）与体细胞杂交（Somatic hybridization）
原生质体是去掉细胞壁的单细胞，它是在离体培养条件下能够再生完整植株的最小单位。每个原生质体都含有该个体的全部遗传信息，在适宜的培养条件下，具有再生成与其亲本相似的个体的全能性。原生质体培养的主要目的是通过原生质体的融合，克服远缘杂交障碍，实现体细胞杂交，从而产生杂交后代。在原生质体培养过程中，往往产生大量的变异，可从中选择优良突变体。原生质体可以摄取外源细胞器、病毒、DNA等各种大分子遗传物质，是进行
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