第一章植物组织培养的基础理论与基本知识

1第一章植物组织培养的基础理论与基本知识目的要求：(1)掌握组织培养的概念和类型；(2)掌握组织培养的特点；(3)了解组织培养发展史；(4)初步掌握组织培养在农业实践上的应用。第一节植物组织培养的基本概念及类型一、植物组织培养的概念植物组织培养（tissueculture）指在无菌条件下，将离体的植物器官（如根、茎、叶、花、果、茎尖等）、组织（如形成层、表皮、皮层、髓部细胞、胚乳等）、细胞（如大孢子、小孢子及体细胞）以及原生质体，培养在人工控制的环境里使其再生形成完整的植株。亦可称为无菌培养、离体培养、试管培养。根据培养基的形态可分为固体培养和液体培养；液体培养又可分为悬浮培养、振荡培养、旋转培养等。外植体（explant）：在植物组织培养过程中，有植物体上切取的根、茎、叶、花、果实、种子等器官以及各种组织和细胞统称为外植体。愈伤组织：植物局部创伤后或在组织培养中，当已分化的细胞恢复了细胞分裂能力，而增殖形成的无组织结构、无器官分化的薄壁细胞团。在组织培养中，先由外植体增殖产生，在一定条件下，对它经过一段时间培养，可能从其再分化出具一定结构及功能的器官，如根、茎、胚状体或重新形成完整的植株。二、植物组织培养的类型1.植物培养植物培养是指幼小植株的培养。例如兰花，兰花及兰科植物种子的发育特殊，种子成熟之后没有胚乳，需要与某些真菌共生，由真菌提供营养才能萌发，在自然条件下，萌发率很低。早期通过人工接种真菌可使兰花种子萌发，但技术繁琐，难度较大，后来发现在人工培养基上，只要营养成分合适不需要真菌共生，兰花种子也能萌发。以蝴蝶兰为例，由一个好的荚果播种后两个月左右可产生数万个小圆球茎，经过一个月2分瓶后，就可以进行育苗，大约3个月后即可得到大量可移栽的试管苗。无菌播种已是各个大型蝴蝶兰生产企业主要的种苗繁育技术。2.器官培养将植物的器官如胚、胚乳、珠心、子房、根、茎、叶、花和幼果的部分组织接种在无菌培养基上进行培养，也称为植物离体培养。例如马铃薯、兰花、丽格海棠。3.离体胚培养将分化过程中成熟或未成熟的胚取出进行培养。4.细胞培养将外植体接种在人工培养基上，由于植物生长调节剂的存在，而其细胞脱分化形成愈伤组织，然后通过再分化形成再生植株。它是最为常见的。5.原生质体培养原生质体培养是指将植物细胞的细胞壁通过机械、物理或化学的方法去除，然后再进行培养。70年代以后有关植物原生质体培养和体细胞杂交的研究得到了很诀发展，如烟草、曼陀罗、颠茄、胡萝卜、油菜等能从其原生质体经培养再生分化长成胚或完整的植物，利用原生质体融合已经能使烟草属和矮牵牛属的杂种细胞增殖分化成杂种植株。6.基因转化植物基因工程是指利用重组DNA、细胞组织培养等技术，将外源基因导入植物细胞或组织，使遗传物质定向重组，从而改良植物性状，培育优质高产的植物新品种。自1983年世界第一株转基因烟草诞生至今，二十多年的植物基因转化实践证明，外源基因可以通过不同的转化方法进入植物基因组进而整合并表达，迄今获得成功转化的植物已超过120种。随着转基因技术在作物品种改良、抗病虫害育种和植物医药工程等领域的广泛应用。3第二节植物组织培养的生理依据一、植物细胞全能性细胞全能性(celltotipotency)：植物体的每一个细胞都携带有一套完整的基因组，并具有发育成为完整植株的潜在能力。1.细胞全能性的认识过程1902年，德国植物学家Haberlandt在自然界再生作用的启迪下，提出假说。1958年，由Steward等人证明：胡萝卜细胞（一小块愈伤组织）在适宜的条件下（液体悬浮培养）下会形成体细胞胚（胚状体），其发育阶段与合子胚相似，最后形成小植株。此后又证实了胡萝卜单一的细胞（不必依赖于其他细胞的参与）亦具有这种能力。Matureplant→Rootcellsculture→Culturedcells→Cellsinculturedividetoformembryoidbodies→Torpedostage→Cotyledonarystageisplanted→Plantletformsroots→Matureplant2.植物细胞全能性的概念：植物细胞具有该植物体全部遗传的可能性，在一定条件下如同受精卵一样，具有发育成完整植物体的潜在能力。两个含义：1）植物细胞无论是体细胞还是生殖细胞，均具有该物种全部的遗传信息。2）每个植物细胞均具有发育成完整植物体的潜在能力。为什么植物细胞具有“全能性”，而动物细胞不表现“全能性”呢可能与动物、植物在营养需要、代谢类型和发育方式上的不同有着密切的关系。（1）动物、植物在营养需要上的不同①植物是自养的，可以进行光合作用，还可以选择性吸收各种无机营养和水分。动物所需要的养分和水分，完全是由外界供给的。②植物是自养的，它仅要求简单的无机营养并可通过自身的光合作用制造有机营养。动物除要求无机营养外，还要求供给复杂的大分子有机营养。（2）动物、植物的代谢类型不同①植物养分及水分的吸收和运输，依靠简单的输导组织，运往身体各个部位，由韧皮部将光合产物运往植物体内各个部位。动物摄入各种有机、无机营养和水分后，要通过各种复杂的系统送往全身。②植物可以吸收稀薄的养分，进行自身浓缩来满足植物体生长发育的需要。动物是在浓缩的环境中生活，不满足这种条件，动物的生长发育就会受到影响。（3）动物、植物发育方式的不同4①植物具有顶端分生组织和次生分生组织。因此，植物器官的建成，可以多次重复，是无限的。动物器官建成是在发育的早期阶段，一次发育形成不能重复。②植物胚胎是通过胚柄与母体相连，通过胚柄吸收营养，同时还通过吸收胚乳的营养来发育。动物胚胎是通过胎盘与母体相连，通过血液循环吸收营养。二、植物细胞分化和脱分化1.植物细胞的分化细胞分化现象普遍存在于植物界。细胞分化：由于细胞的分工而导致的细胞结构和功能的改变，或发育方式永久性改变的过程。细胞分化的结果：导致形态发生，从而形成不同器官，不同器官又执行着不同功能。根结构：表皮细胞排列整齐，没有细胞间隙，形状扁平，细胞壁薄，不具有叶绿体；功能是选择无机营养和水分。叶结构：表皮细胞外壁，由一层脂肪性物质组成的角质层所覆盖；气孔由一对新月型细胞构成，叶肉细胞位于表皮和皮层之间，排列整齐，细胞内含由叶绿体；功能是进行光合作用，合成有机营养.细胞的结构和功能的不同或发育方式的不同，从而产生分工的不同。分子遗传学观念如何解释细胞分化植物个体发育的过程，表现为染色体上的不同基因，按一定顺序，选择性活化和阻遏。由于不同基因活化的结果，表现为合成不同的酶和蛋白质分子。即，当同一个基因型的细胞合成不同酶和蛋白质时，即出现细胞的分化。2.植物细胞的脱分化和再分化脱分化：失去分裂能力的细胞回复到分生性状态并进行分裂，形成无分化的细胞团即愈伤组织的现象。再分化：由无分化的愈伤组织的细胞再转变成为具有一定结构，执行一定生理功能的细胞团和组织，构成一个完整的植物体或植物器官的现象。三、细胞再分化和形态（器官、胚）建成1.再分化实现途径一种是胚胎发生形成双极性的胚状体；另一种是器官发生，形成单极性的芽或根，进一步发育成完整植物体的过程。5脱分化再分化胚状体离体的植物器官、组织、细胞愈伤组织根、芽植株游离单细胞或原生质体人工种子胚状体植株胚状体：对应于种子胚而言。在离体培养过程中产生一种形似胚（具有明显的根端和芽端），功能与胚相同的结2.植物细胞脱分化和再分化的条件1）植物细胞的机械隔离和生理隔离由切割而造成的机械和生理隔离对细胞脱分化、再分化是十分重要的，也可以说是植物细胞全能性表现的重要措施。2）植物激素的作用植物生长调节物质对于植物细胞组织的分化和决定具有关键性作用。它包括：生长素类、细胞分裂素类、赤霉素、脱落酸、乙烯等生长素类主要用于愈伤组织的形成，体细胞胚的产生及试管苗的生根。常用的有2,4-D、NAA、IBA、IAA等。其作用强弱为2,4-DNAAIBAIAA。细胞分裂素类则有促进细胞的分裂与分化，延迟组织的衰老，促进芽的产生等作用。常用的有Zip、KT、6-BA、ZT等作用强弱顺序为。ZipKT6-BAZT。赤霉素则有促进已分化的芽伸长生长，打破种子休眠的作用。常用的为GA3。植物激素与植物细胞的再分化：生长素与细胞分裂素的配比创伤和外源激素可以改变分生细胞的遗传信息：使形成层细胞（分生细胞）改变了控制细胞分化的遗传信息，从而改变了代谢路线，使形成层细胞朝着“胚性细胞”的发现分化。6第三节植物组织培养的意义及应用一、植物组织培养的意义在生产应用上和理论研究上，具有十分重要的意义。组织培养是本世纪发展起来的一门新技术，由于科学技术的进步，尤其是外源激素的应用，使组织培养不仅从理论上为相关学科提出了可靠的实验证据，而且一跃成为一种大规模、批量工厂化生产种苗的新方法，并在生产上越来越得到广泛的应用。二、植物组织培养的特点1.研究材料单一，无性系遗传信息相同；2.经济方便，效率高；3.培养条件可控，可周年实验或生产；组织培养采用的植物材料完全是在人为提供的培养基质和小气候环境条件下进行生长，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响，且条件均一，对植物生长极为有利，便于稳定地进行周年培养生产。4.生长快，周期短，重复性强；植物组织培养是由于人为控制培养条件，根据不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培养条件，因此生长较快。另外，植株也比较小，往往20-30d为一个周期。所以，虽然植物组织培养需要一定设备及能源消耗，但由于植物材料能按几何级数繁殖生产，故总体来说成本低廉，且能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。5.管理方便，利于自动化生产。植物组织培养是在一定的场所和环境下，人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件，极利于高度集约化和高密度工厂化生产，也利于自动化控制生产。它是未来农业工厂化育苗的发展方向。它与盆栽、田间栽培等相比省去了中耕除草、浇水施肥、防治病虫害等一系列繁杂劳动，可以大大节省人力、物力及田间种植所需要的土地。三、植物组织培养在农业中的应用植物组织培养成为生物科学的一个广阔领域，除了在基础理论的研究上占有重要地位以外，还在农业生产中也得到越来越广泛的应用。1.优良品种的快速繁殖用植物组织培养的方法进行快速繁殖(rapidpropagation)是生产上最有潜力的应用，包括花卉观赏植物、蔬菜、果树、大田作物及其他经济作物。快繁技术不受季节等条件的限制，生长周期短，而且能使不能或很难繁殖的植物进行增殖。7快速繁殖可用下列手段进行：通过茎尖、茎段、鳞茎盘等产生大量腋芽；通过根、叶等器官直接诱导产生不定芽；通过愈伤组织培养诱导产生不定芽。试管快速繁殖应用在下列生产或研究中：(1)繁殖杂交育种中得到的少量杂交种，以及保存自交系、不育系等。(2)繁殖脱毒培养得到的少量无病毒苗。(3)繁殖生产上急需的或种源较少的种苗。由于组织培养周期短，增殖率高及能全年生产等特点，加上培养材料和试管苗的小型化，这就可使有限的空间培养出大量的植物，在短期内培养出大量的幼苗。组织培养突出的优点是“快”，通过这一方法在较短时期内迅速扩大植物的数量，以一个茎尖或一小块叶片为基数，经组织培养一年内可增殖到10000～100000株。2.植物茎尖脱毒及脱毒苗的再繁育植物在生长过程中几乎都要遭受到病毒病不同程度的危害，有的种类甚至同时受到数种病毒病的危害，尤其是很多园艺植物靠无性方法来增殖，若蒙受病毒病，代代相传，越染越重，甚至会造成极严重的后果。自从Morell952年发现采用微茎尖培养方法可得到无病毒苗（virusfree）后，微茎尖培养就成为解决病毒病危害的重要途径之一。若再与热处理相结合，则可提高脱毒培养的效果。对于木本植物，茎尖培养得到的植株难以发根生长，则可采用茎尖微体嫁接的方法来培育无病毒苗。组织培养无病毒苗的方法已在很多作物的常规生产上得到应用，如马铃薯，甘薯，草莓，苹果，香石竹，菊花等。而且已有不少地区建立了无病毒苗的生产中心，这对于无病毒苗的培养、鉴定、繁殖、保存、利用和研究，形成了一个规范的系统程序，从而达到了保