学习任务1初步了解植物组织培养
【学习目标】 1．掌握植物组织培养的概念。
2．了解植物组织培养的发展简史。
3．了解植物组织培养的类型、理论基础及在生产实践中的应用。
4．了解植物组织培养的工作流程。
【工作情境】 植物组织培养是一种布设于干净、无污染环境，在人工控制条件下进行工厂化种苗繁育的生产方式。人工控制条件是指根据植物的生理生态特性，人工创设植物组织赖以生长的营养、光照、温度、水分、空气及无菌环境等条件。因此，植物组织培养需要特定的设施、设备，且其布设要符合工厂化生产流程。
【工作流程】
图1-1植物组织培养工作流程图
学习活动1 初步了解植物组织培养及其发展简史
【学习目标】 1．掌握植物组织培养的概念。
2．明确植物组织培养的原理。
3．了解植物组织培养的发展简史。
【学习准备】 不同培养阶段的植物组织培养瓶苗实物，学校植物组织培养实训室、企业或科研单位植物组织培养生产车间及研究室的影像资料。
【学习过程】
问题1
我们在植物学课程中已经学习了植物组织的概念，组织是指具有一定形态结构和功能的细胞群。植物组织培养中的组织和它是同一内涵吗？
基本知识
一、植物组织培养的一般概念
植物组织培养（plant tissue culture），又称植物离体培养，是指将离体的植物器官（根、茎、叶、花、果实、种子等）、组织（花药、胚珠、表皮、胚乳等）、细胞（体细胞、生殖细胞等）及原生质体放在无菌和人工控制的环境条件下，利用适当的培养基进行培养，使其生长、分化从而形成完整植株的技术。可见，植物组织培养中的组织是广义的概念，它可大到植物的器官，小到原生质体。植物组织培养技术的难易程度为：原生质体培养>细胞培养>组织培养>器官培养，因此植物组织培养初学者一般都从器官培养开始。
外植体（explants）：植物组织培养中，第一次从活植物体上获得的可以用于组织培养的器官、组织和细胞。
愈伤组织（callus）：植物体因受伤或外植体在离体培养时，其未分化的细胞和已分化的细胞进行活跃的分裂增殖而形成的一种无特定结构和功能的组织。
图1-1-1外植体培养
图1-1-2愈伤组织上产生不定芽
植物组织培养技术已广泛应用于科学研究和生产等领域，成为举世瞩目的生物技术之一，且在快速繁殖、去除病毒、加速育种进程、次生代谢产物生产和种质资源保存等方面取得了巨大的经济效益、社会效益和生态效益。
问题2
为什么植物组织培养能够将单一的细胞培养成完整的植株？
基本知识
二、植物组织培养的基本原理
1838—1839年，德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann提出的细胞学说认为：一切生物都是由细胞构成的，细胞是生物体的基本功能单位，新细胞只能由细胞分裂而来。在此学说的基础上，1902年Haberlandt首次提出细胞培养的概念，并用人工培养基对分离的植物细胞进行培养，这是对细胞全能性的假设性探究。1958年美国的Steward和德国的Reinert分别由培养的胡萝卜细胞诱导形成了胚状体，1965年Vasil和Hildebrandt通过单个分离的细胞培养获得整个植株的再生，从而使植物细胞全能性的理论真正得到了科学的证实。从此之后，一批又一批植物的组织或器官通过培养的方法获得了再生植株。因此，植物细胞全能性是植物组织培养的理论基础。
（一）细胞的全能性
植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性（totipotent），即每个植物细胞都具有该植物体的全部遗传信息，在一定条件下具有发育成完整植物体的潜在能力。
植物细胞全能性具有一定的差异：受精卵的全能性最高；受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞低。
科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，可能诱导基因表达，表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。
（二）细胞分化
1．分化的概念
分化指分裂后的细胞在形态、结构、功能上向着不同方向变化，即植物体各个部分出现异质性的现象。
分化可以在细胞水平、组织水平、器官水平上表现出来，如细胞分化、组织分化，花芽、叶芽、茎和根等器官分化。
2．细胞分化是组织培养的关键
细胞分化是组织分化、器官分化的基础，是发育生物学的一个核心问题，也是离体培养再分化和植株再生得以实现的基础。
细胞分化的实质：基因选择性活化或阻遏。基因的活化或阻遏使细胞在结构、生理生化特性上发生改变，从而导致细胞分化。
例如一个成熟、已分化的细胞中，一般仅有5%~10%的基因处于活化状态。
植物生长调节剂在细胞分化中有明显的调节作用，它与细胞生长、细胞分裂密切相关，如根或芽的分化取决于生长素与细胞分裂素的比值：比值高，有利于根的形成；比值低，有利于芽的形成；比值适中，有利于组织以无结构方式生长或根、芽的同步分化。
问题3
植物组织培养的研究及应用是从什么时期开始的？经历了什么样的发展历程？
基本知识
三、植物组织培养的发展简史
植物组织培养发展可概括为六个阶段。
1．细胞学说启迪阶段（1902—1929年）
1838—1839年，德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann提出细胞学说。在此学说的基础上，1902年Haberlandt首次提出细胞培养的概念，他也是第一个用人工培养基对分离的植物细胞进行培养的人。但由于Haberlandt使用的培养液成分简单，培养的细胞是高度分化的细胞，又未采取消毒技术，所以实验失败，培养的细胞虽然存活了几个月但没能分裂。Haberlandt的实验之后直到1934年White培养番茄离体根尖成功，其间的30多年里，植物组织培养技术几乎没有什么进展。分析其原因，主要是培养基的成分和实验所选取的材料不够合适。
2．组织培养方法和定义的确立阶段（1930—1939年）
1934年White用离体的番茄根获得了第一个活跃生长的无性系，使根的离体培养实验首次获得了真正的成功，并首次发现和提出B族维生素B1、B6和烟酸的重要性。与此同时，Cautheret在山毛柳和黑杨形成层组织的培养中也发现了B族维生素的作用，并使培养获得了成功。Nobecourt用胡萝卜建立了类似的连续生长的组织培养物。因此，Haberlandt、White和Nobecourt一起被誉为植物组织培养的奠基人。人们现在所用的若干培养方法和培养基，原则上都是他们采用的方法和培养基演变的结果，几乎所有的培养基中都添加了不同种类和不同数量的B族维生素。从此植物组织培养进入快速发展时期。
3．植物激素的发现阶段（1940—1957年）
1941年，Overbeek、Conklin和Blakeslee等将椰乳加入培养基中，获得了Datura离体胚培养的成功。椰乳成分复杂，含有多种不同的有机物，后来的研究发现，在组织培养中起主要作用的是腺嘌呤类激素或类似物。1944年，Skoog报道DNA的降解产物腺嘌呤和腺苷可以促进愈伤组织的生长，解除生长素对芽产生的抑制作用，诱导芽的形成。1948年，Caplin和Steward用实验证明椰乳与2,4-D配合，对培养的胡萝卜和马铃薯组织的增殖起到明显的促进作用。在用烟草髓细胞诱导愈伤组织的实验中，Skoog、Miller等分离确定了6- 呋喃氨基嘌呤对细胞分裂有促进作用，并将其命名为“激动素”（Kinetin）。之后，与此相关的同系物6-苄氨基嘌呤被合成，它也刺激培养物的细胞分裂。于是，出现了“细胞分裂素”这一集合名词，专门用来指能刺激培养物细胞分裂的一组6-某基团的氨基嘌呤化合物。随后，玉米素、异戊烯基腺嘌呤和其他细胞分裂素等植物激素相继被发现，增加了细胞分裂素的种类。研究发现，生长素和细胞分裂素相互配合能调节细胞的分裂与分化、控制器官的分化，植物组织培养工作迅速取得突破。
4．细胞全能性的证实阶段（1958—1965年）
1958年美国的Steward和德国的Reinert分别由培养的胡萝卜细胞诱导形成了胚状体， 1965年Vasil和Hildebrandt通过单个分离的细胞培养获得整个植株的再生，从而使植物细胞全能性的理论真正得到科学的证实。从此之后，一批又一批植物的组织或器官通过培养的方法获得了再生植株。
5．植物组织培养技术和理论迅速发展阶段（1960—1979年）
20世纪60年代，植物组织培养的另外两项成就是小孢子培养和原生质体培养的成功。Guha和Maheshwari（1966年，1967年）, Rourgin和Nitsch（1967年）先后利用烟草和胡萝卜的小孢子培养获得单倍体植株，并实现了染色体的加倍，使这两种同源二倍体植株在5个月内收获种子。Cocking等用纯化的纤维素酶和果胶酶处理烟草细胞，获得原生质体，通过调节渗透压的方法控制原生质体膨胀，使培养获得成功，得到了再生植株。
6．植物组织培养技术广泛应用阶段（1980年至今）
20世纪80年代开始，植物组织培养逐渐进入工厂化广泛应用阶段。