任务四 植物组织培养的应用

植物组织培养已发展为生物科学的一个广阔领域，是生物技术的重要组成部分，其应用也越来越广泛，在植物快速繁殖、无病毒种苗生产、花药培养、单倍体育种、胚胎培养、细胞培养、植物次生代谢产物生产、植物细胞突变体筛选、原生质体培养、体细胞胚胎发生和人工种子制作、组织细胞培养物超低温保存及种质库建立等方面都有很重要的作用。其主要应用于以下几个领域。

一、植物离体快速繁殖

植物离体快速繁殖是植物组织培养在生产上应用最广泛、产生较大经济效益的一项技术。其商业性应用始于20世纪60年代，法国的Morel用茎尖培养的方法大量繁殖兰花获得成功，从此揭开了植物快速繁殖技术研究和应用的序幕。美国兰花产业兴起于20世纪70年代。目前，世界上80%~85%的兰花是通过组织培养进行脱毒和快速繁殖的。在我国，同类的研究始于20世纪70年代。

通过离体快繁可在较短时期内迅速扩大植物的数量，在合适的条件下每年可繁殖出几万倍乃至上百万倍的幼苗。如1个草莓芽1年可繁殖1亿个芽，1个兰花原球茎1年可繁殖400万个原球茎，1株葡萄1年可繁殖3万株。快繁技术加快了植物新品种的推广，以前靠常规方法推广一个新品种要几年甚至十多年，而现在快的只要1~2年就可在世界范围内应用和普及，对繁殖系数低的“名、优、新、奇、特”植物品种的推广更为重要。

全世界组培苗的年产量从1985年的1.3亿株猛增到1991年的5.13亿株，现在已超过10亿株。如美国的Wyford国际公司设有4个组培室，研究和培育出的新品种达1000余个，年产观赏花卉、蔬菜、果树及林木等组培苗3000万株；以色列Benzur公司年产观赏植物组培苗800万株；印度Harrisons Malayalam有限公司年产观赏植物组培苗400万株。

组培快繁技术不受季节等条件的限制，可周年生产，具有生长周期短、繁殖速度快、苗木整齐一致等优点。植物组培快繁技术在我国也得到了广泛的应用，到目前为止已报道有上千种植物的快速繁殖获得成功，培养的植物种类也由观赏植物逐渐发展到园艺植物、大田作物、经济植物和药用植物等，其中兰花、红掌、马蹄莲、甘薯、草莓、香蕉、甘蔗、桉树、非洲菊等经济植物已开始工厂化生产。

二、植物脱毒苗木培育

植物在生长过程中几乎都要遭受到病毒不同程度的危害，尤其是无性繁殖的植物，如感染病毒病后，代代相传，严重地影响了产量和品质，给生产带来严重的损失。如草莓、马铃薯、甘薯、葡萄、香蕉等植物感染病毒后会造成产量下降、品质变劣；兰花、菊花、百合、康乃馨等观赏植物受病毒危害后，会造成产花少、花小、花色暗淡，大大影响其观赏价值。

自20世纪50年代发现采用茎尖培养方法可除去植物体内的病毒以来，脱毒培养就成为解决病毒病危害的主要方法。由于植物生长点附近的病毒浓度很低甚至是无病毒，切取一定大小的茎尖分生组织进行培养，再生植株就可能脱除病毒，从而获得脱毒苗。脱毒苗恢复了原有优良种性，生长势明显增强，整齐一致。如脱毒后的马铃薯、甘薯、甘蔗、香蕉等植物可大幅度提高产量，改善品质，最高可增产300%，平均增产也在30%以上；兰花、水仙、大丽花等观赏植物脱毒后植株生长势强，花朵变大，产花量上升，色泽鲜艳。目前利用组织培养脱除植物病毒的方法已广泛应用于花卉、果树、蔬菜等植物上，并建立了脱毒苗的繁殖系数。

三、植物新品种培育

植物组织培养技术为育种提供了更多的手段和方法，使育种工作在新的条件下更有效地开展。

(一)花药和花粉培养

通过花药或花粉培养可获得单倍体植株，不仅可以迅速获得纯的品系，更便于对隐性突变的分离，较常规育种大大地缩短了育种年限。到目前已有几百种植物的花药培养成功，一些作物已利用花粉单倍体育出了新品种并应用于大面积生产。印度科学家应用这种方法培育的水稻品系，比对照产量提高15%~49%。韩国先后育成了5个优质、抗病、抗倒伏的水稻品种。我国自20世纪70年代开始该领域的研究，已经培育了40余种由花粉或花药发育成的单倍体植株，其中有10余种为我国首创。玉米获得了100多个纯合的自交系；橡胶获得了二倍体和三倍体植株。仅“九五”期间就育成高产、优质、抗逆、抗病的农作物新品种44个，种植面积超过660万hm2。1974年我国科学家用单倍体育成世界上第一个作物新品种——烟草“单育1号”，之后又育成水稻“中花8号”、小麦“京花1号”及大量花培新品系。

(二)胚培养

胚培养是组织培养中最早获得成功的技术。在远缘杂交中，杂交后形成的胚珠往往在未成熟状态下就停止生长，不能形成有生活力的种子，导致杂交不孕，这使得植物的远缘杂交常难以成功。采用胚的早期培养可以使杂交胚正常发育，产生远缘杂交后代，从而育成新品种。如苹果和梨杂交种、大白菜与甘蓝杂交种、栽培棉与野生棉的杂交种等，胚培养已在50多个科、属中获得成功。利用胚乳培养可获得三倍体植株，再经过染色体加倍获得六倍体，进而育成生长旺盛、果实大的多倍体植株。

(三)细胞融合

通过原生质体的融合，可部分克服有性杂交不亲和性，从而获得体细胞杂种，创造新物种或优良品种。自1960年英国学者Cocking首次利用纤维素酶从番茄幼苗的根分离原生质体获得成功以来，到1990年已有100种以上植物的原生质体能再生植株。我国获得了30余个品种的原生质体再生植株，其中包括难度较大的重要粮食作物和经济作物，如大豆、水稻、玉米、小麦、高粱、棉花等。在木本植物、药用植物、蔬菜和真菌原生质体培养方面的进展也十分迅速。国外已先后获得了种内及种间的体细胞杂种植株。植物原生质体培养还可应用于外源基因转移、无性系变异及突变体筛选等研究，因而越来越受到人们的重视。

(四)选择细胞突变体

离体培养的细胞处于不断的分裂状态，容易受到培养条件和外界物理、化学等因素的影响而发生变异，从中可以筛选出对人们有用的突变体，进而育成新品种。现已获得一批抗病虫、抗盐、高赖氨酸的突变体，有些已用于生产。植物细胞突变体的筛选最早始于1959年，Melchers在金鱼草悬浮细胞培养中获得了温度突变体。1970年，Carlson、Binding和Heimer等分别分离出烟草营养缺陷型细胞、矮牵牛抗链霉素细胞系及烟草抗苏氨酸细胞系。迄今为止，已经在不少于15个科45个种的植物细胞培养中筛选出100个以上的植物细胞突变体或变异体，其中包括抗病细胞突变体、抗氨基酸及其类似物细胞突变体、抗逆境胁迫细胞突变体、抗除草剂细胞突变体及营养缺陷型细胞突变体、株高突变体的筛选。

(五)植物基因工程

植物基因工程是在分子水平上有针对性地定向重组遗传物质，改良植物性状，培育优质高产作物新品种的技术手段。它大大缩短了育种年限，提高了工作效率，为人类开辟了一条诱人的植物育种新途径。迄今为止，已获得转基因植物百余种。植物基因转化的受体除植物原生质体外，愈伤组织、悬浮细胞也都可以作为受体。几乎所有的基因工程研究最终都离不开植物组织培养技术和方法的应用，它是植物基因工程必不可少的技术手段。

四、植物次生代谢产物生产

利用植物组织或细胞的大规模培养，可以生产一些天然有机化合物，如蛋白质、糖类、脂肪、药物、香料、生物碱及其他生物活性物质等。这些次生代谢产物往往具有一些特定的功能，对人类有重要的影响和作用。目前次生代谢产物的生产主要集中在制药工业中一些价格高、产量低、需求量大的化合物上(如紫杉醇、长春碱、紫草宁等)，其次是油料(如小豆蔻油、春黄菊油)、食品添加剂(如生姜、洋姜等)、色素、调味剂、饮料、树胶等。

五、植物种质资源的离体保存

种质资源是农业生产的基础，常规的植物种质资源保存方法耗资巨大，种质资源流失的情况也时有发生。通过抑制生长或超低温储存的方法离体保存植物种质，可节约大量的人力、物力和土地，还可挽救那些濒危物种。如一个0.28m3的普通冰箱可存放2000支试管苗，而容纳相同数量的苹果植株则需要近6hm2土地。离体保存可避免病虫害侵染和外界不利气候及其栽培因素的影响，不仅有利于种质资源材料的远距离交换，还可以防止种质的遗传变异和退化，可以长期保存无病毒的原种。

六、人工种子

人工种子是模拟天然种子的基本构造，利用人工种子包被植物组织培养中得到的体细胞胚。人工种子在自然条件下能够像天然种子一样正常生长，它可为某些珍稀物种、转基因植物、自交不亲和植物、远缘杂种的繁殖提供有效的手段。

1958年，Reinert在胡萝卜的组织培养中最先发现了体细胞胚胎(胚状体)。据不完全统计，能大量产生胚状体的植物有43科92属100多种。一些重要作物如水稻、小麦、玉米、珍珠谷等，也能通过离体培养产生胚状体。这些胚状体用褐藻酸钠等包埋，再加上人工种皮，就形成了人工种子。人工种子的优点是：繁殖快速，成苗率极高；不受气候影响，四季皆可工厂化生产。20世纪80年代初，美、日、法等国家相继开展了人工种子的研究，我国也于“七五”期间开展了此项研究，并于1987年将其列入了国家“863”高技术研究发展计划。

植物组织培养技术作为生物科学的一项重要技术，已经渗透到生物科学的各个领域，它为研究植物细胞、组织分化以及器官形态建成规律提供了实验条件，促进了植物遗传、生理生化、病理学的深入研究。随着科学技术的发展，组织培养技术的应用范围将日趋广泛，将发挥越来越重要的作用。

知识小结

※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，所以又被称为植物离体培养。

※植物组织培养的类型

1．根据培养材料分：植株培养、胚胎培养、器官培养、组织培养、细胞培养、原生质体培养。

2．根据培养过程划分：初代培养、继代培养、生根培养。

3．根据培养基态相划分：固体培养、液体培养。

※植物组织培养的特点

1．培养材料经济，来源广泛。

2．培养条件可人为控制，便于周年生产。

3．生长周期短，繁殖速度快。

4．管理方便，有利于自动化控制和工厂化生产。

※植物组织培养的基本原理

1．植物细胞的全能性：植物体的每个具有完整细胞核的细胞，都拥有该物种的全部遗传信息，具有形成完整植株的潜在能力。

2．细胞全能性的实现条件：细胞要与完整植株分离；给予适宜的培养条件；产生脱分化与再分化。

3．细胞全能性的实现途径：脱分化、再分化、形态建成。

※植物组织培养的发展阶段

1．探索阶段。

2．奠基阶段。

3．迅速发展阶段。

※植物组织培养的应用

1．植物离体快速繁殖。

2．植物脱毒苗木培育。

3．植物新品种培育。

4．植物次生代谢产物生产。

5．植物种质资源的离体保存。

6．制造人工种子。

7．促进生物科学其他学科的发展。

复习测试题

一、名词解释(每题3分，共48分)

1．植物组织培养(广义)

2．外植体

3．胚胎培养

4．器官培养

5．组织培养(狭义)

6．细胞培养

7．原生质体培养

8．固体培养

9．液体培养

10．初代培养

11．继代培养

12．植物细胞的脱分化

13．愈伤组织

14．植物细胞的再分化

15．胚状体

16．植物细胞的全能性

二、填空题(每空1分，共30分)

1．根据外植体的不同，一般可以将植物组织培养分为：植株培养、____ 培养、____培养、____ 培养、____ 培养和 ____培养。

2．在植物组织培养中，外植体脱分化后，再分化形成完整植株的途径有两条：一是____途径，二是____ 途径。

3．通过器官发生再生植株的方式有三种：第一种最普遍的方式是____；第二种是____，这种方式中芽的分化难度比较大；第三种是在____ 的不同部位上分化出根或芽，再通过维管组织的联系形成完整植株。

4．体细胞胚发生的途径可分为____ 途径和____ 途径。

5．植物组织培养的整个历史可以追溯到 ____。一个多世纪来，组织培养的发展大致可以分为 ____、____和 ____三个阶段。

6．在Schleiden和Schwann所发展起来的____ 推动下，1902年德国植物生理学家G. Haberlandt提出了____ 设想，并成为用人工培养基对分离的____ 进行培养的第一人。

7.White、Gautheret和Nobécourt在1939年确立的植物组织培养的基本方法，成为以后各种植物组织培养的____，他们三人被誉为植物组织培养的。

8.1958年，英国人Steward等将胡萝卜髓细胞培养成为一个____，首次通过实验证明了____，成为植物组织培养研究历史中的一个里程碑。

9.1960年，Cocking等人用酶分离原生质体获得成功，开创了____ 和____。同年Morel培养兰花的茎尖，获得了____。其后，国际上相继把组织培养技术应用到兰花的快速繁殖上，建立了。

10．花药的培养在20世纪70年代得到了迅速发展，花药培养获得成功的物种数目不断增加，其中包括很多种重要的栽培物种。____ 、____和 ____等的花培育种在我国取得了一系列举世瞩目的成就。

三、是非题(每题1分，共5分)

( )1．从理论上说，所有的植物细胞与组织材料都能培养成功，其培养的难易程度基本相同。

( )2．愈伤组织是一种最常见的培养类型，因为除了茎尖分生组织培养和少数器官培养外，其他培养类型都要经历愈伤组织阶段才能产生再生植株。

( )3．在组织培养中可采用愈伤组织诱变、花粉培养诱变等方法来进行植物育种等。

( )4．单倍体育种已成为改良植物抗病、抗虫、抗草、抗逆性、品质等特性的新的重要手段。

( )5．利用植物组织或细胞大规模培养，可以从中提取所需的天然有机物，如蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱、天然色素以及其他活性物质。

四、选择题(每题1分，共5分)

1．在 ____中培养物生长过程中排出的有害物质容易积累，由此造成自我毒害，所以必须及时转移。

A．固体培养基

B．液体培养基

C．初代培养基

D．继代培养基

2．用 ____技术可以克服杂交不亲和的障碍，使杂种胚顺利生长，获得远缘杂种。

A．体细胞杂交

B．基因工程

C．胚培养

D．单倍体育种

3.____ 是打破物种间生殖隔离，实现其有益基因交流，改良植物品种，以致创造植物新类型的有效途径。

A．体细胞杂交

B．基因工程

C．人工种子

D．单倍体育种

4. ____方法不仅可以快速获得纯系，而且还能缩短育种年限，提高选择效率。

A．胚培养

B．基因工程

C．人工种子

D．单倍体育种

5. ____是指将植物离体培养产生的体细胞胚包埋在含有营养成分和保护功能的物质中，在适宜条件下能发芽出苗的颗粒体。

A．胚培养

B．基因工程

C．人工种子

D．单倍体育种

五、问答题(每题6分，共12分)

1．植物细胞如何才能实现其全能性？实现途径有哪些？

2．植物组织培养有哪些主要用途？