植物组织培养的应用及发展前景

1植物组织培养技术应用及进展摘要：本文综述了植物组织培养理论的发展，重点论述其再脱毒、快繁、育种与有机化合物工业生产以及种质资源的保存等方面的应用，并对应用的前景作简单的展望。关键词:植物组织培养；应用；进展中图分类号：Q943.11.理论起源19世纪30年代，德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺创立了细胞学说，根据这一学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件，每个细胞都应该能够独立生活。1902年，德国植物学家哈伯兰特在细胞全能性的理论是植物组织培养的理论基础。1958年，一个振奋人心的消息从美国传向世界各地，美国植物学家斯蒂瓦特等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够开花结果，证实了哈伯兰特在五十多年前关于细胞全能的预言。植物组织培养的简单过程如下：剪接植物器官或组织——经过脱分化（也叫去分化）形成愈伤组织——再经过再分化形成组织或器官——经过培养发育成一颗完整的植株。植物组织培养的大致过程是：在无菌条件下，将植物器官或组织（如芽、茎尖、根尖或花药）的一部分切下来，用纤维素酶与果胶酶处理用以去掉细胞壁，使之露出原生质体，然后放在适当的人工培养基上进行培养，这些器官或组织就会进行细胞分裂，形成新的组织。不过这种组织没有发生分化，只是一团薄壁细胞，叫做愈伤组织。在适合的光照、温度和一定的营养物质与激素等条件下，愈伤组织便开始分化，产生出植物的各种器官和组织，进而发育成一棵完整的植株。植物组织培养即植物无菌培养技术，又称离体培养，是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物体离体的器官如根、茎、叶、茎尖、花、果实等）组织（如形成层、表皮、皮层、髓部细胞、胚乳等）或细胞（如大孢子、小孢子、体细胞等）以及原生质体,在无菌和适宜的人工培养基及光照、温度等人工条件下，能诱导出愈伤组织、不定芽、不定根，最后形成完整的植株的学科2.植物组织培养发展简史植物组织培养是20世纪30年代初期发展起来的一项生物技术。它是在人工配制的培养基上，于无菌状态下培养植物器官、组织、细胞、原生质体等材料的方法。植物细胞的全能性是植物组织培养的理论基础。20世纪初，曾有人提出能否将植物的薄壁细胞培养成完整植株？研究者从胡萝卜根的韧皮部取下一块组织，并在液体培养基中培养，使其分化出了愈伤组织，从愈伤组织又得到胚状体，胚状体转移到固体培养基上继续培养后，获得了完整的胡萝卜试管植株。经过栽培，此植株能够正常生长并开花结果，其种子繁衍出来的后代与正常植株的种子所繁衍出的后代别无二致。根据此实验可以得出以下结论：即不经过有性生殖过程也能将植物的薄壁细胞培养出与母体一样的完整植株。由于植物的每个有核细胞都携带着母体的全部基因，故在一定条件下，它们均能发育成完整植株，这就是所谓的植物细胞全能性。2科学家在植物激素对器官建成，及改进培养基配方等方面所取得的成果，极大地推动了组织培养技术的发展，使这项技术可以实际应用于快速繁殖、品种改良等方面。20世纪50年代初期，法国科学家利用组织培养技术成功地脱除了染病大丽花植株所携带的病毒，从而为脱毒苗的生产提供了一种可行的途径。现在凭借组织培养技术来脱除植物的病毒已经在生产中广泛应用。20世纪50年代中期，由于细胞分裂素的发现，使组织培养状态下外植体芽的形态建成成为可人为调控的因素，从而使在组织培养状况下进行植株再生成为现实。进入60年代以后，组织培养技术在基础理论、实际操作方面不断取得进展，相继在植物体细胞杂交、单倍体育种、种质资源保存、快速育苗、人工种子制造、次生代谢物生产等方面有了可喜的成果。时至今日，组织培养技术已经成为基础坚实、易于掌握、应用面广的一种技术手段。3.在植物脱毒和快速繁殖上的应用3.1脱毒植物脱毒和离体快速繁殖是目前植物组织培养应用最多、最有效的一个方面。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早在1943年就发现植物生长点附近的病毒浓度很低甚至无病毒。如果利用组织培养方法，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。此法已在马铃薯、草莓等多种植物上获得成功，并产生了明显的经济效益。3.2快繁由于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，因此，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。目前，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。4、在植物育种上的应用植物组织培养技术对培育优良作物品种开辟了新途径。目前，国内外以把植物组织培养普遍应用于作物育种，并在以下几个方面取得了较大的进展：4.1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，这种培养技术在育种上的应用称为单倍育种。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，自1964年Guha等获得曼陀罗的花药单倍体植株以来，单倍体育种在国际上引起很大重视，各国纷纷开展这方面的研究工作，已先后在水稻、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。4.2胚、子房、胚珠离体培养植物胚3培养是采用人工的方法在无菌条件下从种子中将成熟和未成熟胚分离出来，在人工合成的培养基上培养，使它发育成正常的植株，从而有效地克服远缘杂交不实的障碍，获得杂种植株。胚培养已在50多个科属中获得成功，如亚麻、棉花、黄麻等。从玉米的的离体子房培养，经体外授粉也可以获得种子。远缘杂交中，可把未受精的胚珠分离出来，在试管内用异种花粉在胚珠上萌发受精，产生的杂种胚在试管中发育成完整的植株，称为“试管受精”。目前，在这一方面获得成功的自交或远缘杂交不亲和性植物有：矮牵牛、普通小麦、黑燕麦等。4.3体细胞杂交育种植物体细胞杂交（plantsomatichybridization）又称原生质体融合（Protoplastfusion）是指将植物不同种、属，甚至科间的原生质体通过人工方法诱导融合，然后进行离体培养，使其再生杂种植株的技术。植物细胞具有细胞壁，未脱壁的两个细胞是很难融合的，植物细胞只有在脱去细胞壁成为原生质体后才能融合，所以植物的细胞融合也称为原生质体融合。4.4单细胞培养突变体的选择与应用这是从细胞水平改造植物的一条途径。用单细胞培养的方法诱导单细胞突变，筛选需要的突变体培养成植株，经有性繁殖使遗传性状稳定下来。目前成功的例子有：已选育出抗花叶病毒的甘蔗无性系;抗1%-2%NaCl的野生烟草细胞株。4.5三倍体育种植物三倍体的营养器官巨大、生长快、适应性和抗逆性强且大多高度不育、果实无核或少核,因而,人工培育植物三倍体已成为对以营养器官为收获产品的植物进行遗传改良的一种有效途径。植物三倍体培育方面的研究,最早是从选育天然三倍体开始的,但由于天然产生三倍体植株的概率很低,远远不能满足人们的育种需要;所以,一些育种工作者开始尝试探索人工培育三倍体的方法,其中用得比较多的是用二倍体和四倍体进行正反交;但是,大多数被子植物中,通过这种杂交方式得到的三倍体胚很容易在生长发育中夭折。4.6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），对于这种变异进行选择、利用也是育种的一条好途径。（一）筛选细胞突变体的优点1.可在小规模实验室对大量细胞实施选择，节省土地、人力等，而且不受环境条件的影响。2.获得的突变体不会出现整体植物中的嵌合现象，遗传稳定，便于鉴定。（二）突变细胞选择方法1.直接选择法在培养基中直接添加对细胞具有毒害的物质（如植物毒素、除草剂、高浓度重金属离子及盐类等），从大量的细胞中直接筛选出抗性细胞。2.间接选择法4有一些突变型，不能用直接选择法。如抗旱性选择。可选抗羟基脯氨酸突变体，以获得抗旱突变体。脯氨酸是植物适应干旱的反应，抗羟基脯氨酸突变体可大量合成脯氨酸。4.7转基因育种利用植物组织培养技术建立植物的遗传再生体系是转基因育种的关键所在。我国从20世纪80年代已开始转基因植物的研究，到1990年，我国自行研制的抗烟草花叶病毒烟草在辽宁进行商品化种植，成为世界上第一例商品化生产的转基因植株。目前我国转基因植株研发大的整体水平在发展中国家处于领先地位，在一些领域已经进入国际先进行列。我国是世界上继美国之后，第二个拥有自主研制抗虫棉知识产权的国家；我国抗虫转基因水稻的研制处于世界的先进水平。我国接受转基因生物安全性评价的植物品种有1000多项，通过国家安全性评价的转基因作物有5种，包括转基因抗虫棉、耐贮藏番茄等。另外，美国孟山都公司的抗虫棉也获准在我国进行商品化种植。全世界已分离的目的基因有100多个，获得转基因植株近200种。粮食作物如水稻、玉米、马铃薯，经济作物如棉花、大豆、亚麻、油菜等，蔬菜作物如番茄、黄瓜、芥菜等；并且成功地将抗病毒、抗虫害、抗除草剂等有实用价值的基因转入部分农作物。5.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、种球、鳞茎；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。主要问题是付出的代价高，占的空间大，保存时间短，而且易受环境条件的限制。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-193度的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。环境的不断变化使许多种类的植物面临着灭绝的危险，而且许多种植物已经灭绝，留给人类的只是一种遗憾。如何挽救这些植物，还有许许多多的动物，已成为世人关注的问题。实践证明，通过组织培养的方法可以使一部分濒危的植物种类得到延续和保存；如果在结合超低温保存技术，就可以使这些植物得到较为永久性的保存。其实，对大多数普通植物来说，用组织培养的方法保存其种质材料，也具有十分重要的意义。因为，人们现在无法预知哪些植物会面临灭顶之灾，或许今天看似繁茂的植物，明天就可能被沙漠、洪水、大火或战争吞没。6.有机化合物的工业化生产利用植物组织或细胞的大规模培养7.我国植物组织培养的发展现状与前景展望植物组织培养作为一种有效的技术手段已被广泛应用于生产实践的各个领域。本文从植物组织培养技术的应用现状,指出植物组织培养在植物学研究、育种学研究的基础地位和在林木花卉育苗产业中的科技支撑与保障作用。同时通过对植物组织培养中存在的问题5进行分析,结合当前国内外在这一领域的一些范例,提出了我国植物组织培养的发展对策与展望。园艺植物组培苗工厂化生产能快速将优良品种转化为现实生产力，在遗传育种、种质资源保护、次生代谢物利用上也将有很大的发展潜力。只要选好优良品种，合理布局、节约成本，组培产业将会有蓬勃的发展和广阔的前景。7.1花卉种苗产业化生产花卉业是21世纪的希望产业，是社会经济发达与文明程度的重要标志，我国目前花卉需求量以每年35％～40％的速度递增。在花卉生产方面，种苗质量在栽培生产中的重要性日益明显，因此花卉种苗工厂化生产是花卉种苗生产的主要途径。7.2蔬菜种苗生产及脱毒马铃薯、食用百合、大蒜等是人们餐桌上的主要蔬菜，消费量和种植面积均很大，也是我国出口创汇的主要品种。这些品种随种植年限的增加，易受病毒感染，产量、品质逐年下降，运用组培脱毒技术可迅速恢复品种种性，提高生产力。7.3瓜果组培苗产业化草莓果实中所含的鞣花酸具有抗癌效果，且草莓易栽培、产量高、经济效益好，因此在江浙一带发展迅速。但草莓易感染各种病毒病，感病的果实畸形、品质差，一般减产30%～80%。对草莓进行热处理结合分生组织培养脱毒，去病毒苗可增产1000kg／667m2，品质有较大提高。甜瓜以肉质细脆、香气浓郁、味道甘甜而深受人们喜爱，效益较高，但长期种植会使品质退化和混杂。可从大田健壮植株上取嫩梢，作为外