园艺植物生物技术第一章第一节概说

第一章园艺植物组织培养第一节概述1.植物组织培养（planttissueculture）/植物离体培养（plantinvivoculture）的一般概念和类型1.1概念：通过无菌操作，把植物的各类结构材料如器官，组织或细胞、原生质体等，接种于人工配制的培养基(medium)上，在人工控制的环境条件下（如适宜的光照、温度等）进行离体（invitro）培养，使其生长发育成完整植株的过程。矮牵牛花烛台湾百合牵牛花植物组织培养特点培养条件的人为控制:无菌条件;培养基成分;培养的环境温度、光照强度和光照时间取材广泛，生长周期短，繁殖率高管理方便，利于工厂化生产和自动化控制1.2分类依据所培养的植物材料：胚胎培养embryoculture器官培养organculture组织培养tissueculture细胞培养cellculture原生质体培养protoplastculture依据培养过程:初代培养primaryculture继代培养subculture芽增殖培养shootproliferation生根培养rootformation外植体在离体培养条件下诱导愈伤组织、侧芽或不定芽、胚状体过程更换新鲜培养基来繁殖同种类型的材料（愈伤组织、芽)依据所用培养基:固体培养solidculture液体培养liquidculture根据培养方法的不同：静置培养staticculture；振荡培养shakingculture；看护培养nurseculture；饲喂培养feederculture；微室培养microchamberculture体胚液体培养不同类型的液体培养装置在植物细胞组织培养中，由活体（invivo）植物体上提取下来的，接种在培养基上的细胞、组织、器官等均称为外植体（explant）。所谓愈伤组织（callus），原本是指植物在受伤后于其伤口表面形成的一团薄壁细胞。在植物细胞组织培养中，愈伤组织则指在人工培养基上由外植体(explant)伤口表面形成的一团无序生长的薄壁细胞。植物细胞的全能性(totipotancy)是指植物的每个细胞具有该植物的全部遗传信息和离体细胞在一定培养条件下具有发育成完整植株的潜在能力。从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性，较易表达全能性的细胞可有3类：即受精卵、发育中的分生组织细胞和雌雄配子体。一般体细胞的全能性比生殖细胞的低。一个细胞离生长中心越远，即分化程度越高，其向分生状态恢复的可能性就越小。也就是说，高度分化的细胞表现细胞全能型的能力降低。2、园艺植物组织培养的理论基础2.1植物细胞的全能性离体条件下，细胞全能性的表达是通过细胞脱分化(dedifferentiation)和再分化(redifferentiation)实现的，即在适宜条件下诱导培养材料先进行脱分化、再分化，然后经过器官发生途径或体细胞胚发生途径或原球茎途径形成完整植株。植物组织培养过程细胞分化就是由一种相同的细胞类型经过细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程。分化是细胞在形态、内部代谢和生理功能上异质于原分生细胞的过程。指在个体发育过程中，细胞在形态、结构和功能上的特化过程。2.2植物细胞分化形态顶端分生细胞分裂功能一致的细胞。其中，一部分细胞脱离分生组织，细胞扩大分化状态表皮、皮层、中柱或根中的根冠等，包括形成层、木质部、韧皮部、纤维、髓（薄壁细胞）等不同细胞类型细胞脱离分生组织分裂停止扩大、液泡化生长停止细胞的成熟（形成生活组织中的不同细胞）细胞分化后存在编程性死亡（如导管);分化2.2植物细胞分化细胞在形态、结构和功能上的特化过程在绝大多数的情况下，植物细胞全能性的表达要经过一个从分化状态到脱分化的愈伤组织(或悬浮细胞)的中间形式，然后进入再分化和再生的阶段，但也有的在植物组织中直接发生脱分化和再分化的过程，而不需经历愈伤组织的中间形式。脱分化是细胞全能性表达的前提，再分化是细胞全能性表达的最终体现。细胞脱分化和再分化（1）植物细胞脱分化脱分化（dedifferentiation）：指植物离体的器官、组织、细胞在培养条件下，已分化的细胞在一定条件下恢复分裂机能，经过多次细胞分裂而失去原来的分化状态，转变成具有分生能力的细胞。愈伤组织即为典型的脱分化的组织。（2)再分化脱分化的细胞和组织（功能结构相同的细胞）在一定条件下可以由脱分化状态重新进行分化,形成不同类型的细胞、组织、器官，甚至形成完整植株，这个过程（现象）称为再分化。细胞水平组织水平器官水平植株再生2.3细胞的形态发生植物细胞经过再分化形成完整植株有三种途径，器官发生途径、体细胞胚胎发生途径以及原球茎发生途径器官发生（organogenesis）：培养条件下的组织或细胞团（愈伤组织）分化形成不定根（adventitousroot）、不定芽（adventitousbud）等器官的过程。体细胞胚发生（somaticembyogenesis）：外植体中体细胞诱发并形成胚胎的过程。原球茎途径（protocorm-likebody）：在兰科等园艺植物的组织培养中，常从茎尖或侧芽的培养中产生一些原球茎，原球茎本身可以增殖，以后能萌发出小植株培养细胞器官建成的特征植物组培中，再生植物的形态建成通常分为3种基本方式：①先形成根，在根上形成芽（颠茄细胞悬浮培养）；②先形成芽，后在芽上形成根（小麦花粉愈伤组织）；③在愈伤组织上独立地产生芽和根，再通过维管组织连接成一体（胡萝卜）；2.3.1器官发生培养细胞器官建成的途径培养细胞器官分化就是否经过愈伤组织又可以分为间接和直接两种模式：①间接分化：外植体先形成一团愈伤组织，从愈伤组织中产生拟分生组织（生长中心），最后形成芽；②直接分化：没有愈伤组织阶段，从外植体直接形成器官原基，发生芽外植体中已经存在器官原基，如茎尖、根尖分生组织培养外植体某些部位的细胞，在重新分裂后直接形成分生细胞团，然后由分生细胞团形成器官原基经过愈伤组织的器官发生不经过愈伤组织的器官发生不经过愈伤组织的器官发生外植体不经过典型愈伤组织形成器官，有两种情况：影响器官分化的因素培养基成分环境条件起始材料图烟草开花植株不同部位薄层培养的器官发生能力(引自TranThanhVan,1973)FB为花枝；FZ为花区；SFZ为亚花区；M为中部区；B为基本区外植体选取合理与否，不仅影响培养的难易，甚至影响分化的程度和器官类型位置信息理论:植物体中激素水平分布不平衡，不同部位来源的外植体可能在相同的培养条件下诱导再生不同的器官类型，或用不同的培养条件诱导相同的器官发生。即组织内的细胞以特定方式按其在梯度中的位置作出反应。2.3.2体细胞胚胚状体是指在组织培养中，从一个非合子细胞（体细胞）通过合子胚相似的胚胎发生过程中，形成的胚状结构。在植物组织培养中，诱导胚状体与诱导芽相比较，具有3个显著的优点：①数量多;②速度快;③成苗率高。图3-5葫萝卜体细胞胚胎分化和发育过程（Zimmerman，1993）菊花体胚发生大蒜体胚发生体细胞胚胎的形态解剖特征体细胞胚发育出的再生小植株与器官发生的不定芽发育不同，它们之间的显著差异有3点：①双极性：胚状体具有明显的根端与苗端的两极分化，不定芽是单极性结构；②生殖隔离：胚状体的维管束与周围的母体愈伤组织或外植体组织之间分离，但后者与原愈伤组织或外植体中的维管组织相连接；③起源于单细胞，遗传稳定；④体细胞胚的维管组织的分布是独立的“丫”字形，而不定芽的维管组织则无此现象。体细胞胚胎建成的形式体细胞胚胎建成有直接途径和间途径成两种形式。直接途径是从外植体的某些部位直接诱导分化出体细胞胚。直接途径是由于外植体细胞中已经存在胚胎感受态细胞（预定胚胎发生细胞），已具有向胚胎方向发育的潜能；培养条件主要是诱导去除抑制物或合成刺激物质，促使感受态细胞进入细胞周期，进行细胞分裂和分化，产生体细胞胚胎珠心，胚囊间接途径是体细胞胚从愈伤组织或悬浮细胞，有时也从已形成体细胞胚的组织细胞中发育而成。对于间接的胚胎发生来说，外植体细胞不具备胚胎发生的潜能，需要通过脱分化再分化发育形成胚状体，称为诱导决定的胚胎发生细胞，从而决定细胞向胚胎发育的方向。2.3.3原球茎发生在兰科等园艺植物的组织培养中，常从茎尖或侧芽的培养中产生一些原球茎，原球茎本身可以增殖，以后能萌发出小植株。大花蕙兰原球茎狗蔷薇类球茎发生途径