学习活动2 了解植物组织培养的类型、特点及应用

【学习目标】 1．认识植物组织培养的类型。

2．理解植物组织培养的特点。

3．了解植物组织培养的应用。

【学习准备】 不同植物组织培养类型的实物或图片资料、植物组织培养的应用实例。

问题1

从植物组织培养的基本概念出发，能否归纳出植物组织培养的类型呢？

基本知识

一、植物组织培养的类型

从植物组织培养的概念可知，植物组织培养外植体的植物材料来源可以有多种，大到植物的器官，小到植物的单一细胞，甚至原生质体。显然，不同的外植体有着不同的培养方法。因此，植物组织培养类型可以根据外植体的来源来划分，还可以根据植物组织培养的不同阶段来划分。

1．按外植体的来源划分

（1）器官培养：指对植物体各种器官如根、茎、叶、花、果实及器官原基进行离体培养的方法。根据用来培养的外植体器官的类型分为花药培养、根培养、茎段培养、叶片培养等。

（2）组织培养：指对植物体各部位组织或已诱导的愈伤组织进行离体培养的方法。常用的组织培养材料有分生组织、形成层、表皮、皮层、薄壁细胞、髓部、木质部等。

（3）细胞培养：指对植物的单个细胞或较小的细胞团进行离体培养的方法。常用的细胞培养材料有性细胞、叶肉细胞、根尖细胞、韧皮部细胞等。

（4）原生质体培养：指将植物细胞的细胞壁通过机械、物理、化学的方法除去，对原生质体进行离体培养的方法。

（5）胚胎培养：指对植物成熟或未成熟胚进行离体培养的方法。常用的胚胎培养材料有幼胚、成熟胚、胚乳、胚珠、子房。

2．按培养过程划分

（1）初代培养：指将从植物体上分离下来的外植体进行最初培养的过程。其目的是建立无菌培养物，诱导腋芽或顶芽萌发，或产生不定芽、愈伤组织、原球茎。该阶段通常是植物组织培养中比较困难的阶段，也称为启动培养、诱导培养。

（2）继代培养：指将初代培养诱导产生的培养物重新分割，转移到新鲜培养基上继续培养的过程。其目的是使培养物大量繁殖，也称为增殖培养。

（3）生根培养：指诱导无根组培苗产生根，形成完整植株的过程。其目的是提高组培苗田间移栽后的成活率。

问题2

我们已经知道可以通过播种育苗、扦插育苗、嫁接育苗、分株育苗、压条育苗等方法繁育苗木，那么植物组织培养作为一种苗木繁育方法，具有哪些特点呢？植物组织培养技术具体有哪些应用？

基本知识

二、植物组织培养的特点

1．整个过程是无菌操作。

2．培养条件可人为控制，便于进行周年研究和生产。

3．生长周期短，繁殖率高。

4．管理方便，利于工厂化生产和自动化控制。

图1-2-1初代培养

图1-2-2继代培养

图1-2-3生根培养

三、植物组织培养技术的应用

植物组织培养理论、实践、技术和方法日趋成熟，已形成独具特色的专业技术，广泛应用于生物科学的多个分支学科，有力地推动了生物科学中植物生理学、生物化学、遗传学、细胞学、形态学以及农、林、医、药等各门学科的发展；促进了营养生理、细胞生理和代谢、生物合成、基因转移、基因重组的研究。

目前，植物组织培养已成为生物工程的一项重要技术，在基础理论研究和生产实践中发挥的作用与日俱增，可望为造福人类做出更大贡献。

图1-2-4植物组织培养技术的应用

1．植物快速繁殖

植物快速繁殖技术始于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。目前，通过离体培养获得小植株并且具有快速繁殖潜力的植物已有100多科1000种以上，有的已经发展成为工业化生产的商品。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、经济作物和药用植物等。在我国，同类研究始于20世纪70年代，30余种植物已进行规模化生产或中间试验。

2．无病毒种苗生产

微小的茎尖分生组织内很少有病毒存在，通过茎尖分生组织培养，可以获得无病毒苗木。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。马铃薯无毒种薯和甘蔗种苗已大面积种植。

3．培育新品种

（1）单倍体育种。将植物花药培养成单倍体植株，再经过染色体加倍，能很快得到纯合的二倍体，这样将大大缩短育种年限。单倍体植株中由隐性基因控制的性状，虽经染色体加倍，但由于没有显性基因的掩盖而容易显现。这对诱变育种和突变遗传研究很有好处。在诱导频率较高时，单倍体能在植株上较充分地显现重组的配子类型，可提供新的遗传资源和选择材料。中国首先应用单倍体育种法改良作物品种，已育成了一些烟草、水稻、小麦等优良品种。单倍体育种如能进一步提高诱导频率并与杂交育种、诱变育种、远缘杂交等相结合应用，则在作物品种改良上的作用将更显著。

到目前为止，世界上通过花粉和花药培养已获得了几百种植物的单倍体植株。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多个纯合的自交系品种，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。

（2）远缘杂交胚培养。在远缘杂交中，杂交后形成的胚珠往往在未成熟时就停止生长，不能形成有生活力的种子，因而杂交不孕，给远缘杂交造成了极大的困难。因此将早期生长的胚取出，应用组织培养方法，有可能培育出杂交植物。目前，这项技术已相当成熟，国内外科学家应用植物胚胎培养技术获得了多种远缘杂交的重组体、栽培种和杂交品种。

（3）细胞融合与原生质体培养。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、谷子、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。

（4）细胞突变体筛选。植物细胞突变体的筛选始于1959年，G. Melchers在金鱼草悬浮细胞培养中获得了温度突变体。1970年，P. S. Carlson, H. Binding和Y. M. 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科45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，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。

4．体细胞胚胎和人工种子

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。一些重要粮食作物如水稻、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年列入国家高技术研究发展计划（“863”计划）。

5．植物种质资源保存

植物细胞全能性的发现和证实，为植物种质资源的长期保存开辟了一条新途径。采用液氮超低温保存技术，植物细胞能保持很高的存活率，且能再生出新植株并保持原来的遗传特性。如建立茎尖分生组织培养物的超低温保存种质库，不仅可以防止种质的遗传变异和退化，而且可以长期保存无病毒的原种。

6．转基因技术应用

我国第一个T-DNA插入突变体库的构建和研究为我国水稻功能基因组学研究奠定了良好的技术和材料基础，为确保我国拥有一批有自主知识产权的基因资源做出了积极贡献。由中国水稻研究所、农业部水稻生物学重点开放实验室和中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所合作，通过建立大规模、高效的农杆菌介导的转基因技术体系，将玉米转座子Ac-Ds等外源基因导入水稻未成熟胚和种子诱导的愈伤组织，获得了1.2万个独立的T-DNA插入株系，并构建了水稻突变体的数据库。

7．次生代谢物生产

利用植物愈伤组织或细胞悬浮培养可以生产用于预防和治疗疾病的植物次生代谢产物。近年来，这一领域的发展极为迅速，已经研究了400多种植物，从培养细胞中分离到600多种次级代谢产物，其中60多种在含量上超过或等于原植物，20种以上干重超过原植物19.6倍。最近抗癌药物紫杉醇—红豆杉细胞培养物，可用75 t发酵罐培养，已达到商业化生产水平。另外，达到商品化水平的还有紫草、人参、黄连、老鹳草等；长春花、洋地黄、烟草等已实现工业化生产；牙签草、红花等20多种植物正在向商品化过渡。

【思考题】

1．什么是植物组织培养？

2．愈伤组织是怎样产生的？有何特点？

3．外植体有哪几类？

4．简要说明植物组织培养的主要特点。

5．植物组织培养的类型有哪些？

6．简述植物组织培养的意义和研究领域。