第五章植物人工繁殖.

第五章植物人工繁殖生物科学与技术学院兰花组织培养：一个组织培养成功产业化的植物。珍稀而名贵的达摩兰等名贵兰花，如今已成市井之花。一株不过百元。脱毒植物的培育：土豆，第二面包，植物之王”，热量低于谷类粮食是理想的减肥食物和玉米小麦水谷类粮食，是理想的减肥食物，和玉米、小麦、水稻、燕麦被称为世界五大粮食作物。传统途径存在的问题？为什么要采用组织培养？视频重要知识回顾1、细胞全能性：是指分化细胞保留着全部的核基因组，具有生物个体生长、发育所需要的全部遗传信息具有发育成完整个体的潜需要的全部遗传信息，具有发育成完整个体的潜能。2、细胞分化：是指细胞在形态、结构和功能上发生差异的过程，包括时间上和空间上的分化。同一种类型的细胞经细胞分裂后，逐渐在形态结构和生理功能上形成稳定性的差异，产生不同的细胞类群的过程。3、脱分化：也称去分化，是指分化细胞失去特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程，即分化的细胞在适当条件下转变为胚性状态而重新获得分裂能力的过程。脱分化后的植物细胞经过细胞分裂，产生无组织结构、无明显极性的松散的细胞团，称之为愈伤组织。4、再分化：是指在离体条件下，无序生长的脱分化的细胞在适当条件下重新进入有序生长和分化状态的过程。5、脱分化是细胞全能性表现的前提，而再分化是最终体现，是再生的基础。第一节植物人工繁殖植物外植体愈伤组织单细胞体细胞胚激素调控器官发生胚胎发育再生植株人工种子植物人工繁殖的主要目的是为了克服自然有性生殖的不足，满足对优良植物的大量需求。植物人工繁殖通过无性繁殖的组织培养、人工种子、胚胎培养等技术实验植物快速繁殖。愈伤组织：在离体培养过程中形成的具有分生能力的一团不规则细胞，多在外植体切面上产生。第二节植物组织培养植物组织培养是将植物器官、组织、细胞或原生质体等（属于外植体）在无菌条件下培养在人工培养基上，在适当条件下诱发长成完整植株的一种技术。外植体：主要指用于离体培养的植物或组织切段或组织切段。不同植物品种的取材部位和发育阶段不同。通常为生长点或幼嫩组织。植物组织培养的应用1、脱毒和离体快速繁殖（1）种苗脱毒：可以有效地培育出大量的无病毒种苗。很多农作物如马铃薯、甘薯、大蒜等都带有病毒，但感病植株并非每个部位都带有病毒，White在1943年就发现植物生长点附近的病毒浓度很低甚至无病毒。利用组织培养方法，取一定大小的茎尖进行培养再生可获得脱病毒苗，再用脱毒苗进行繁殖，则种植的作物就不会或极少发生病毒。目前已经取得成功的有马铃薯、草莓、香蕉等。（2）离体快速繁殖：运用组织培养法繁殖植物的明显特点是快速，每年可以数百万倍的速度繁殖。对一些繁殖系数低、不能用种子繁殖的名、优、特植物品种的繁殖意义尤为重大。观赏植物、园艺作物、经济林木、无性繁殖等作物等部分或大部分都用离体快繁提供苗木，试管苗已出现在国际市场上并形成产业化。3、育种（1）单倍体育种：单倍体植株往往不能结实，在培养中用秋水仙素处理可使染色体加倍，成为纯和的二倍体植株，这种培养技术称为单倍体育种。单倍体育种具有高速、高效率、基因型一次纯和等优点，因此，通过花药或花粉培养的单倍体育种，已经作为一种崭新的育种手段目前，在水稻、小麦、玉米、辣椒以及许多药用植物如枸杞、人参，平贝母中获得单倍体植株，共计300多种。（2）诱变和筛选：细胞培养中，胞内遗传物质会发生一些变异（自发产生或诱发产生），通过此法可以直接诱变筛选出具抗病、抗盐以及高赖氨酸、高蛋白等优良性状的品种。（3）体细胞杂交（4）三倍体育种（5）转基因育种4、种质资源的保存植物种质资源的保存、挽救濒于灭绝的植物。长期以来人们想了很多方法来保存植物，如储存果实，储存种子，储存块根、块茎等；方法上也采用常温、低温、变温、低氧、充惰性气体等，这些方法在一定程度上收到了好的或比较好的效果，但仍存在许多问题，比如代价高，空间大，保存时间短，而且易受环境条件限制。植物组织培养结合超低温保存技术，可以给植物种质保存带来一次大的飞跃。因为保存一个细胞就相当与保存一粒种子，但所占的空间仅为原来的几万分之一，而且在液氮中可以长时间保存，不像种子那样需要年年更新或经常更新。植物组织培养的优点1、周期短，便于人工控制培养条件，繁殖速度快，经济效益高。2、占用空间小，不受地区、季节限制限制。3、繁殖珍稀、濒危苗木和突变体是优良品种培育的有效途径。4、利于保持原来品种的特性。植物组织培养---植物细胞脱分化与再分化细胞分化：同一种类型的细胞经细胞分裂后，逐渐在形态结构和生理功能上形成稳定性的差异，产生不同的细胞类群的过程。脱分化：分化细胞失去特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程。再分化：在离体条件下，无序生长的脱分化的细胞在适当条件下重新进入有序生长和分化状态的过程。脱分化分裂再分化成熟细胞分生细胞愈伤组织器官发生再生植株再生细胞分化细胞分裂和分化组成植物体人工脱分化和再分化诱导再生植物体脱分化再分化植物组织培养---植物脱分化脱分化分裂再分化成熟细胞分生细胞愈伤组织器官发生再生植株再生植物的成熟的已分化的细胞通过植物激素的诱导进入脱分化过程并形成愈伤组织。此过程经历三个阶段：1、诱导期：细胞形态如多大变化，胞内代谢水平上升，RNA迅速增加，胞核体积增大2、分裂期：细胞数量迅速增加，细胞体积小，胞核增大3、形成期：细胞大小平均，形成分生组织结节和维管组织结节植物组织培养---植物再分化方式脱分化分裂再分化成熟细胞分生细胞愈伤组织器官发生再生植株愈伤组织的形态发生方式主要有不定芽方式（器官发生）和胚状体方式两种。1、不定芽方式是在某些条件下，愈伤组织中的分生细胞发生分化，形成不同的器官原基，再逐渐形成芽和根。2、胚状体方式是由愈伤组织细胞诱导分化出具有胚芽、胚根、胚轴的胚状结构，进而长成完整植株。这种由愈伤组织中的薄壁细胞不经过有性生殖过程，直接产生类似于胚的结构，叫做胚状体。器官发生途径（不定芽）胚状体发生或无性胚胎发生途径再生影响植物细胞脱分化和再分化因素内部因子：植物的遗传性状、生理状况。外部因子：营养条件（植物激素、无机盐、有机营养成分等）、环境条件（培养基的ph、渗透压、温度、湿度、光照等）。不同程度的影响植物细胞脱分化、再分化及器官建成的各个过程。植物生长物质的添加量生长素(mg/L)330.030细胞分裂素(mg/L)0.20.0210.2当细胞分裂素与生长素浓度比高时，有利于芽的发生；浓度比低时，有利于根的发生。愈伤组织再分化过程应先诱导生芽，再诱导生根植物组织培养---植物组织的再生方式脱分化分裂再分化成熟细胞分生细胞愈伤组织器官发生再生植株不定芽型器官型器官发生型胚状体发生型原球型再生再生方式1、不定芽型：不定芽：在高等植物正常的个体发育中，芽一般是只从茎尖或叶腋等位置生出。这种芽称为定芽。与此相反，凡从叶、根、或茎节间或是离体培养的愈伤组织等部位生出的芽则统称为不定芽。不定芽型是指诱导顶端分生组织产生不定芽，再生成植株的方式。即选取已经发育成熟的顶芽和腋芽，连同它们的短枝经表面消毒后，在无菌条件下培养，诱导不定芽并使其生根形成植株的方式。特点：不仅繁殖率高，利用外植体原有的芽，包括隐芽在内繁殖数量大，同时能保持该物种的遗传稳定性，只要有明显的顶端分生组织和次生分生组织的植物均适用。不定芽2、器官型：从器官外植体诱导不定芽，再生成植株的方式。即选取充分发育的器官诸如茎、叶、花器、鳞片等，经离体培养而产生植株的方式。如烟草、大蒜、甘蓝的花茎培养诱导不定芽；水仙、百合、风信子、贝母的鳞片培养诱导不定芽；亚麻的下胚轴培养诱导不定芽；虎眼万年青的任何一部分均可诱导不定芽。特点：遗传性也比较稳定，但繁殖速度慢。3、器官发生型从器官外植体诱导愈伤组织，经愈伤组织细胞的分化再生成植株的方式。如甘蔗、水稻、小麦，百合、小苍兰、菊花、番茄、石刁柏、柑橘、棕榈等常以器官发生型方式再生植株。特点：繁殖速度快，由于经愈伤组织而再生植株，遗传性不稳定。4、胚状体发生型由植物器官、组织和细胞培养而直接发生类胚体结构，最后以胚状体成苗的方式。胚状体：离体培养条件下，没有经过受精过程，但是经过了胚胎发育过程所形成的胚状类似物，此现象无论在体细胞培养还是生殖细胞培养中均可以看到，因而统称为体细胞胚或胚状体。在被子植物中有胚状体发生的植物已达100余种，分属近40个科。特点：遗传性一致，有些植物体细胞发生数量也相当大。如胡罗卜1L培养基有10万个以上的胚状体。5、原球茎型种子萌发时先是胚的膨大，种皮破裂，40天时肉眼可见浅黄色的原胚呈球状，称为原球茎。原球茎结构为短缩的、珠粒状的、胚性细胞、类似幼茎的器官，可增殖、形成原球茎丛。兰属植物特有的器官发生方式。种子消毒后，在培养基上播种，经一段时间培养而发生原球茎，然后由原球茎直接长成植株。几种器官发生方式的优点、缺点比较（1）不定芽型容易成苗，对培养基要求不高，后代遗传性较为稳定，但取材受到一定的限制，仅限于具有明显顶端分生组织和次生分生组织的物种；（2）器官型和胚状体发生型，对培养基要求高，器官发生条件苛刻。繁殖数量不如不定芽型和器官发生型多，但遗传性稳定；（3）器官发生型成苗数量大，对培养基要求不算高，容易调配。但由于是通过愈伤组织成苗，细胞的染色体容易发生数量和结构变异，很难使再生植株群体保持稳定的遗传性。植物组织培养---植物组织的再生途径脱分化分裂再分化成熟细胞分生细胞愈伤组织器官发生再生植株再生器官发生途径体细胞胚发生途径再生途径1、器官发生途径（1）启动期：通过向培养基中添加一定浓度、种类和比例的外源激素刺激外植体细胞改变原来的代谢途径来诱导细胞活化，重新获得分裂能力。需要选择合适的较高浓度的生长素诱导剂（如NAA、IAA、2-4D等）或细胞分裂素启动诱导外植体细胞脱分化和分裂。（2）愈伤组织诱导：细胞开始分裂并不断增生子细胞的过程。这个阶段一般需要降低激素浓度，有些情况下甚至不需要生长素和分裂素。（3）拟分生组织的形成：将愈伤组织转移到有利于有序生长的条件下培养细胞内部开始发生系于有序生长的条件下培养，细胞内部开始发生一系列形态和生理变化，分化出形态和功能不同的细胞。在若干部位出现类似形成层的细胞群，通常称为“生长中心”，又可称为“拟分生组织”，该过程是器官发生的一个转变时期。（4）器官原基和器官的形成：拟分生组织形成后，一些细胞分化成为管状细胞，进而形成维管组织形成不同的器官原基进步分化出相应的组织，形成不同的器官原基，进一步分化出相应的组织和器官。体细胞胚发生途径体细胞胚又叫胚状体，指离体培养条件下没有经过受精过程而形成的胚胎。体细胞胚发生途径：指体细胞在离体培养过程中经过了胚胎发育过程。包括器官外植体直接发生途径，悬浮细胞途径和愈伤组织途径。体细胞胚起源于非合子细胞，因此不同于合子胚。1、器官外植体直接发生途径茎表皮、叶、子叶、下胚轴等外植体分化细胞经过脱分化后均可以产生胚状体。一般经过两个阶段：1）诱导期。叶片表皮细胞或亚表皮细胞感受刺激后进入分裂状态，形成小的瘤状突起；2）胚胎发育期。瘤状物继续发育，经过球形胚、心形胚等阶段最后形成体细胞胚。2、悬浮培养细胞发生途径：在悬浮培养的细胞中一些细胞可以产生胚性细胞团，一个胚性细胞团可以发育成一个胚状体，也可以产生多个胚状体。3、愈伤组织发生途径：愈伤组织内部或表面细胞均可以产生胚状体。包括三个阶段：1）诱导外植体形成愈伤组织；2）诱导愈伤组织胚性化；3）体细胞胚形成。分生组织/胚状体脱分化再分化（分化）幼芽或幼根条件？优点？特点？繁殖速度快不受季节限制幼苗无毒保持优良性状①适宜温度、无光照、pH和无菌环境。②无机、有机成分和植物激素（生长素，细胞分裂素和赤霉素）无定形状态薄壁细胞高度液泡化排列疏松、无规则分化程度低脱分化较易离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织外植体植物体再生植物组织培养的问题分析1、玻璃化问题植物组织培养中，常会出现一些半透明状的畸形试管植物，这类植物体被称为“玻璃苗”，这种现象称为玻璃化现象，又称过度水化现象。由于玻璃苗的组织结构和生理功能异常，