任务一 植物组织培养的基本概念及理论依据

一、植物组织培养的概念

植物组织培养(简称组培)是指在无菌和人工控制的环境条件下，将植物的外植体(胚胎、器官、组织、细胞或原生质体)培养在人工培养基上，使其再生发育成完整植株的技术。由于培养的植物材料脱离了植物母体，所以又称为植物离体培养。

无菌是指物体或局部环境中无活的微生物存在，这是进行组织培养的基本要求。在组织培养中，只有植物材料、培养基、培养器皿均处于无菌条件下，并通过人工控制适宜的温度、光照、湿度、气体等，才能使植物材料在离体条件下正常生长和发育。一切用于植物组织培养的接种材料均称为外植体。从理论上说，所有的植物细胞与组织材料都能培养成功。但实际上接种的外植体不同，培养的难易程度也不同。

二、植物组织培养的基本理论

(一)植物细胞的全能性

在植物有性繁殖过程中，一个受精卵经过一系列的细胞分裂和分化形成各种组织、器官，进而发育成为具有完整形态、结构和机能的植株，表明受精卵具有该物种的全部遗传信息。由合子分裂产生的体细胞同样具备全能性。植物细胞全能性的概念是1902年由德国著名植物生理学家戈特利布·哈布兰特(Gotlieb Haberlandt,1854—1945)首先提出来的。Haberlandt认为，植物的体细胞含有本物种的全部遗传信息，具有发育成完整植株的潜能。因此，每个植物细胞都与胚胎一样，能经过离体培养再生出完整的植株。

植物细胞的全能性是指生活着的每个细胞中都含有产生一个完整机体的全套基因，在适宜的条件下能够形成一个新个体的潜在能力。植物体的所有细胞都来源于一个受精卵的分裂。当受精卵均等分裂时，染色体进行复制，这样分裂形成的2个子细胞里均含有与受精卵相同的遗传物质。因此，尽管经过不断的细胞分裂所形成的千千万万个子细胞在分化过程中会形成根、茎、叶等不同器官，但它们具有相同的基因组成，都携带着保持本物种遗传特性所需要的全套遗传物质，即在遗传上具有全能性。因此，只要培养条件适宜，离体培养的细胞就有发育成一株植物的潜在能力。1943年，美国人White在进行烟草愈伤组织培养实验时，偶然发现了形成的一个芽，也证实了Haberlandt的观点。

植物细胞全能性的潜在能力可以理解为，在自然状态下，细胞在植物体内所处位置及生理条件不同，其细胞的分化受各方面因素的调控与限制，致使其所具有的遗传信息不能全部表达出来，只能形成某种特化细胞，构成植物体的一种组织或一种器官的一部分，表现出一定的形态和生理功能，但其全能性的潜力并没有丧失。

细胞全能性的表达能力与细胞分化的程度呈负相关，从强到弱依次为：生长点细胞、形成层细胞、薄壁细胞、厚壁细胞(木质化细胞)、特化细胞(筛管、导管细胞)。老化的细胞基因表达会受到制约，致使其功能丧失或功能基因表达不完整。

(二)植物细胞全能性与再生性的实现

要证实植物细胞的全能性，需要解决两个问题，一是离体单细胞增殖，二是从单细胞增殖的组织发育成完整植株。第一个问题在发展细胞培养装置后得到解决。人们先后发展了四种培养方式：振荡培养、平板培养、悬浮培养和悬滴培养。在细胞培养的基础上赖纳特(Reinert)和斯图尔德(Steward)报道了胡萝卜悬浮培养细胞和愈伤组织形成体细胞胚，首次用实验科学地论证了植物细胞全能性。细胞全能性表达的条件：细胞离体、无菌、一定的营养物质、植物激素和适宜的外界条件。也就是说，细胞在脱离原来所在器官或组织成为离体状态，不再受原植物的控制，在一定的营养、激素和外界条件的作用下，细胞的全能性才能得到充分表现，细胞开始分裂增殖、产生愈伤组织，继而分化器官，并再生形成完整的植株。

成熟植物细胞在离体条件下，经过脱分化、细胞分裂、再分化3个阶段才能形成完整的植株。但在某种情况下，再分化可以直接发生在脱分化的分生细胞中，期间不需生成愈伤组织，可直接分化出芽或根，形成完整植株。细胞的分化是指细胞的形态结构和功能发生永久性的适度变化的过程。细胞分化是组织分化和器官分化的基础，是离体培养再分化和植株再生得以实现的基础。脱分化是由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程。细胞脱分化的难易程度与植物种类和器官及其生理状况有很大关系，一般单子叶植物、裸子植物比双子叶植物难，成年细胞和组织比幼龄细胞和组织难，单倍体细胞比二倍体细胞难，茎、叶比花难。再分化是指脱分化产生的愈伤组织重新分化成根或芽等器官的过程，表现为由无结构和特定功能的细胞转变为具有一定结构、执行一定功能的组织和器官，从而构成一个完整的植物体或植物器官。愈伤组织是植物细胞经脱分化不断增殖形成的一团不规则的、具有分生能力而无特定功能的薄壁组织。它既可以在人工培养基上培养形成，也可以在自然生长条件下在机械损伤或微生物损伤的伤口处产生。在人工培养基上，愈伤组织的形成是一个内、外环境因素相互作用的结果。

在植物中很多是靠种子生长来产生完整的植株，但也有不少可通过根、茎、叶等器官再生而成为完整的植株，这种特性叫细胞的再生性。从植株分离出根、茎、叶的一部分器官，其切口处组织受到了损伤，但这些受伤的部位往往会产生新的器官，长出不定芽和不定根，人们利用这一特点来进行营养繁殖。新器官产生的原因是受伤的组织产生了创伤激素，促进了周围组织的生长而形成愈伤组织，凭借内源激素和储藏营养的作用，就产生了新的器官。而在自然条件下，一些植物的营养器官和细胞难以再生主要是由内源激素调整缓慢或不完全，外界条件不易控制等因素所致。在人工控制的条件下，通过对培养基的调整，特别是对激素成分的调整，这些营养器官和细胞就有可能顺利地再生。植物组织培养植株再生过程如图1-1所示。

图1-1 植物组织培养植株再生过程示意