植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用

1、植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用摘要:植物組織培養(yǎng)是以細胞全能性為理論基礎建立的一種離體培養(yǎng)技術，它作為 一種基本的試驗技術和基礎的研究手段。綜述了植物組織培養(yǎng)技術的原理及發(fā)展狀。通 過有關植物組織培養(yǎng)方面的文獻綜述植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)上離體無性系的快速繁殖、培 養(yǎng)無病毒種苗、新品種的選育和人工種子和種質(zhì)的保存方面的應用，并對應用的前景作 簡單的展望。關鍵詞:植物組織培養(yǎng)；無病毒種苗；應用；快速繁殖Abstract : Plant tissue culture is a cell totipotency as the theoretical basis to establish a kind of i

2、n vitro culture technique, it as a basic test technology and basic research means. Plant tissue culture technology were reviewed the principle and development shape. Through the relevant plant tissue culture on literature review of plant tissue culture in agriculture in vitro clonal rapid propagatio

3、n, training no virus seedlings, the breeding of new varieties and artificial seeds and germplasm preservation applications, and the prospect of the application prospect of a simple.Key words : Plant tissue culture; No virus seedlings; Application; Rapid propagation植物組織培養(yǎng)(tissue culture )是二十世紀初興起的一項高

4、新生物技術，至今已經(jīng) 有一百多年的歷史，如今已成為了生物領域里面十分活躍的技術。植物組織培養(yǎng)開始走 上工廠化和商業(yè)化始于 20世紀六十年代，得利于花粉小抱子培養(yǎng)和原生質(zhì)體培養(yǎng)的成功 1。和植物組織培養(yǎng)的歷史相比，中國的在這方面的研究起步算是比較早的，在二十 世紀四十年代在這方面就有所研究，但是大范圍的發(fā)展起來還是始于二十世紀七十年代 的花藥培養(yǎng)。農(nóng)業(yè)對農(nóng)作物和 經(jīng)濟植物的最終要求是提高產(chǎn)量和改進質(zhì)量。常規(guī)方法是以有性雜 交為作為指導進行育種，這種方法局限性很大，而且周期長，效果還不理想。植物組織 培養(yǎng)為農(nóng)業(yè)的優(yōu)化提供了新的途徑，如今，植物組織培養(yǎng)已廣泛應用于植物育種，在單 倍體育種、胚培養(yǎng)、體

5、細胞雜交、細胞突變體篩選、遺傳轉(zhuǎn)化等方面均取得了顯著成 就。1植物組織培養(yǎng)概述植物組織培養(yǎng)，是指在人工控制的條件下，將植物體的任何一部分，或器官、或組 織，或細胞，進行離體培養(yǎng)，使之發(fā)育形成完整的植物體。所謂人工控制的條件，即營 養(yǎng)條件和環(huán)境條件；植物體的任伺一部分是指根、莖、葉、花、果以及它們的組織切片 -2和細胞。它的優(yōu)越性在于：可以在不受其他部分干擾的情況下研究被培養(yǎng)部分的生長 和分化規(guī)律。特點是：取材少，培養(yǎng)材料經(jīng)濟；人為控制培養(yǎng)條件，不受自然條件影 響；生長周期短，繁殖率高；管理方便，利于自動化控制3。植物組織培養(yǎng)的理論基礎是植物細胞的全能性(totipotency )。一個生活的植

6、物細胞，只要有完整的膜系統(tǒng)和細胞核，它就會有一整套發(fā)育成一個完整植株的遺傳基礎， 在一個適當?shù)臈l件下可以通過分裂、分化再生成完整植株，這就是所謂的細胞全能性 :4 O5.植物組織培養(yǎng)的基本方法是材料選擇、培養(yǎng)基配置、接種與培養(yǎng)和最后的小苗移栽。2植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)上的應用植物組織培養(yǎng)應用十分廣泛，特別是和植物密切相關一些領域。農(nóng)業(yè)主要是以植物 的栽培種植為主，因此植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)上的應用是其應用中十分重要的一個方面。 目前植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)上的應用主要有以下四個方面：離體無性系的快速繁殖、培養(yǎng) 無病毒種苗、新品種的選育和人工種子和種質(zhì)的保存。2.1植物離體快速繁殖植物離體快速繁殖是植物組織培

7、養(yǎng)在生產(chǎn)上應用最廣泛，產(chǎn)生較大經(jīng)濟效益的一項技 術。其商業(yè)性應用始于 20世紀70年代美國蘭花工業(yè)，80年代已被認為是能夠帶來全球經(jīng) 濟利益的產(chǎn)業(yè)。組培快繁技術不受季節(jié)等條件的限制，可周年生產(chǎn)，具有生長周期短、繁 殖速度快、苗木整齊一致等優(yōu)點。通過離體快繁可在較短時期內(nèi)迅速擴大植物的數(shù)量，在合適的條件下每年可繁殖出幾 萬倍，乃至百萬倍的幼苗。如 1個草莓芽1年可繁殖1億個芽，1個蘭花原球莖1年可繁 殖400萬個原球莖，1株葡萄1年可繁殖3萬株?？旆奔夹g加快了植物新品種的推廣，以 前靠常規(guī)方法推廣一個新品種要幾年甚至十多年，而現(xiàn)在快的只要12年就可在世界范圍內(nèi)達到普及和應用。特別是對繁殖系數(shù)低的

8、名、優(yōu)、新、奇、特”植物品種的推廣更為重要。全世界組培苗的年產(chǎn)量從 1985年的1.3億株猛增到1991年的5.13億株，現(xiàn)在已超 過10億株。如美國的 Wyford國際公司設有4個組培室，研究和培育出的新品種達1000余個，年產(chǎn)觀賞花卉、蔬菜、果樹及林木等組培苗3000萬株；以色列的 Benzur年產(chǎn)觀賞植物組培苗800萬株；印度Harrisons Malayalam 有限公司年產(chǎn)觀賞植物組培苗400萬株。植物組培快繁技術在我國也得到了廣泛的應用，到目前為止已報道有上千種植物的快 速繁殖獲得成功，包括觀賞植物、蔬菜、果樹、大田作物及其它經(jīng)濟作物。其中蘭花、安 祖花、馬蹄蓮、甘薯、草莓、香蕉、

9、甘蔗、核樹、非洲菊等經(jīng)濟植物已開始工廠化生產(chǎn)。2.2離體無性系的快速繁殖離體無性系的快速繁殖是組織培養(yǎng)在生產(chǎn)上應用最廣泛、最成功的一個方面。無性系 繁殖植物的主要特點是繁殖速度快，通常一年內(nèi)可以繁殖數(shù)以萬計的種苗，特別對于名貴 品種、稀優(yōu)種質(zhì)、優(yōu)良單株或新育成的品種的繁殖推廣具有重要的意義。離體繁殖良種種苗最早在蘭花工業(yè)上獲得成功。蘭花成熟的種子中大多數(shù)的胚不能成 活，種子不能發(fā)芽，通過球莖組織培養(yǎng)，使蘭花的繁殖系數(shù)大為提高，從而形成了20世紀60年代風靡全球的"蘭花工業(yè)”。甘蔗繁殖用種量大，1hm2地需要7.5-15t的種蔗。采 用莖尖、嫩葉組織培養(yǎng)繁殖種苗，節(jié)省了大量的種蔗，加速

10、了優(yōu)良品種的推廣。其他如牡丹、香石竹、唐菖蒲和菊花等難以抨插的名貴品種以及無籽西瓜、草莓、密猴桃、葡萄、菠蘿、櫻桃、核樹、杉木等的無性快速繁殖都取得了進展，有力地推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)萬hm2(1000萬畝)；已審定的品種如水稻中花10號、中花11號累計推廣面積約 250萬畝、南抗2號約15萬畝，還有花培 528、贛早釉11號；小麥京花3號推廣約100萬畝等。在 生產(chǎn)上已應用的新品種如花培 28、花535、花86-5，前兩個品種已推廣約 100萬畝以 上。新品系有水稻花 8504 ;2.3 植物脫蠹苗木培育植物在生長過程中幾乎都要遭受到病毒不同程度的危害，尤其是靠無性繁殖的植物， 如蒙受病毒病后，代代

11、相傳，越染越重，嚴重地影響了產(chǎn)量和品質(zhì)，給生產(chǎn)帶來嚴重的損 失。如草莓、馬鈴薯、甘薯、葡萄、香蕉等植物感染病毒后會造成產(chǎn)量下降、品質(zhì)變劣； 蘭花、菊花、百合、康乃馨等觀賞植物受病毒為害后，造成產(chǎn)花少、花小、花色暗淡，大 大影響其觀賞價值。自20世紀50年代發(fā)現(xiàn)采用莖尖培養(yǎng)方法可除去植物體內(nèi)的病毒以來，脫毒培養(yǎng)就成 為解決病毒病危害的主要方法。由于植物生長點附近的病毒濃度很低甚至是無病毒，切取 一定大小的莖尖分生組織進行培養(yǎng)，再生植株就可能脫除病毒，從而獲得脫毒苗。脫毒苗 恢復了原有優(yōu)良種性，生長勢明顯增強，整齊一致。如脫毒后的馬鈴薯、甘薯、甘蔗、香 蕉等植物可大幅度提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)，最高可增

12、產(chǎn)300%，平均增產(chǎn)也在30%以上；蘭花、水仙、大麗花等觀賞植物脫毒后植株生長勢強，花朵變大，產(chǎn)花量上升，色澤鮮艷。 目前利用組織培養(yǎng)脫除植物病毒的方法已廣泛應用花卉、果樹、蔬菜等植物上，并建立了 脫毒苗的繁殖系數(shù)。2.4 植物新品種培育植物組織培養(yǎng)技術為育種提供了更多的手段和方法，使育種工作在新的條件下更有效 的開展。育種研究基因工程育種是將一種生物中決定某一性狀的基聞轉(zhuǎn)移到另一生物中， 并使其表達的技術8。通過組織培養(yǎng)手段增加遺傳變異性來改良作物品種，開發(fā)新的種質(zhì) 資源，選育新品種已成為一條育種新途徑。在農(nóng)業(yè)上.利用基因工程技術已創(chuàng)造出一些具 有重大應用價值的品種，如抗蟲棉、抗除草劑大豆、

13、玉米等忙I。通過秋水仙素處理，使單倍體植株染色體加倍。成為純合二倍體植株的技術稱為單倍體育種。單倍體育種可以縮 短育種年限。節(jié)約人力物力.較快地獲得優(yōu)良品種。目前已有40多種植物獲得了單倍體植株。原生質(zhì)體融合技術在木本植物育種上有著較好的應用前景，如通過原生質(zhì)體融合獲 得的多抗的速生楊樹品系。已產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。另外原生質(zhì)體融合技術也 可為克服遠緣雜交時有性生殖上的障礙并產(chǎn)生新類型雜種提供一種新的技術。美國科學家 采用細胞融合技術將番茄和馬鈴薯的細胞融合在一起，培育出稱之為“番茄薯”或“薯番 茄”的新型植物。(1)花藥和花粉培養(yǎng)通過花藥或花粉培養(yǎng)可獲得單倍體植株，不僅可以迅速獲得純

14、的品系，更便于對隱性突變的分離，較常規(guī)育種大大地縮短了育種年限。到目前已有幾百種植物的花藥培養(yǎng)成功，一些作物已利用花粉單倍體育出了新品種并應用于大面積生產(chǎn)。如1974年我國科學家用單倍體育成世界上第一個作物新品種一一煙草單育1號，之后有育成水稻中花8號”、小麥京花1號”及大量花培新品系。（2）胚培養(yǎng) 胚培養(yǎng)是組織培養(yǎng) 中最早獲得成功的技術。在遠緣雜交中，雜交后形成的胚珠往往在未成熟狀態(tài)下就停止生 長，不能形成有生活力的種子，導致雜交不孕，這使得植物的種間和遠緣雜交常難以成 功。采用胚的早期培養(yǎng)可以使雜交胚正常發(fā)育，產(chǎn)生遠緣雜交后代，從而育成新品種。如 蘋果和梨雜交種、大白菜與甘藍雜交種、栽培棉

15、與野生棉的雜交種等，胚培養(yǎng)已在50多個科、屬中獲得成功。利用胚乳培養(yǎng)可獲得三倍體植株，再經(jīng)過染色體加倍獲得六倍體， 進而育成植株生長旺盛、果實大的多倍體植株。（3）細胞融合通過原生質(zhì)體的融合，可部分克服有性雜交不親合性，從而獲得體細胞雜種，創(chuàng)造新物種或優(yōu)良品種。目前已獲得40多個種間、屬間甚至科間的體細胞雜種植株或愈傷組織。（4）選擇細胞突變體離體培養(yǎng)的細胞處于不斷的分裂狀態(tài)，容易受到培養(yǎng)條件和外界物理、化學等因素的影響而 發(fā)生變異，從中可以篩選出對人們有用的突變體，進而育成新品種。現(xiàn)已獲得一批抗病蟲、抗鹽、高賴氨酸的突變體，有些已用于生產(chǎn)。（5）植物基因工程植物基因工程是在分子水平上有針對性

16、的定向重組遺傳物質(zhì)，改良植物性狀，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物新品種， 大大地縮短了育種年限，提高了工作效率，為人類開辟了一條誘人的植物育種新途徑。迄 今為止，已獲得轉(zhuǎn)基因植物百余種。植物基因轉(zhuǎn)化的受體除植物原生質(zhì)體外，愈傷組織、 懸浮細胞也都可以作為受體。幾乎所有的基因工程的研究最終都離不開應用植物組織培養(yǎng) 技術和方法，它是植物基因工程必不可少的技術手段。2.5 植物次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)利用植物組織或細胞的大規(guī)模培養(yǎng)，可以生產(chǎn)一些天然有機化合物，如蛋白質(zhì)、糖 類、脂肪、藥物、香料、生物堿及其他生物活性物質(zhì)等。這些次生代謝產(chǎn)物往往具有一些 特定的功能，對人類有重要的影響和作用。目前次生代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)主要集中在

17、制藥工業(yè) 中一些價格高、產(chǎn)量低、需求量大的化合物上（如紫杉醇、長春堿、紫草寧等），其次是 油料（如小豆蔻油、春黃菊油）、食品添加劑（如生姜、洋姜等）、色素、調(diào)味劑、飲 料、樹膠等。2.6 植物種質(zhì)資源的離體保存種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，常規(guī)的植物種質(zhì)資源保存方法耗資巨大，使得種質(zhì)資源 流失的情況時有發(fā)生。通過抑制生長或超低溫儲存的方法離體保存植物種質(zhì)，可節(jié)約大量 的人力、物力和土地，還可挽救那些瀕危物種。如一個0.28m3的普通冰箱可存放 2000支試管苗，可容納相同數(shù)量的蘋果植株則需要近6hm2 土地。離體保存還可避免病蟲害侵染和外界不利氣候及其栽培因素的影響，可長期保存，有利于種質(zhì)資源材料

18、的遠距離之間的 交換。2.7 人工種子人工種子是模擬天然種子的基本構(gòu)造，利用人工種子包皮被植物組織培養(yǎng)中得到的體 細胞胚。人工種子在自然條件下能夠象天然種子一樣正常生長，它可為某些珍稀物種的繁 殖以及轉(zhuǎn)基因植物、自交不親和植物、遠緣雜種的繁殖提供有效的手段9。低溫儲存及種質(zhì)庫的建立近些年來.植物組織培養(yǎng)技術在植物材料保存及其種質(zhì)庫的建立方面也取得了 重要進展。超低溫種質(zhì)保存就是將植物材料保存在液氮（一 1960C）條件下.降低其代謝水平，但仍保持生長和形態(tài)建成的潛力。具有節(jié)省人力物力.保持較高的增殖率。保存空間 小.有利于國際間的種質(zhì)交流及瀕危物種的搶救和快繁.因此是一種經(jīng)濟有效的種質(zhì)保存 方

19、基金項目：寧夏自然科學基金“不同光質(zhì)對植物組織培養(yǎng)的影響研究植物組織培養(yǎng)技術 作為生物科學的一項重要技術，已經(jīng)滲透到生物科學的各個領域，它為研究植物細胞、組 織分化以及器官形態(tài)建成規(guī)律提供了實驗條件，促進了植物遺傳、生理生化、病理學的深 入研究。隨著科學技術的發(fā)展，組織培養(yǎng)技術的應用范圍將日趨廣泛，發(fā)揮越來越重要的 作用。2.8藥物及其它生物制劑的工業(yè)化生產(chǎn)目前植物細胞的大量培養(yǎng)主要用來生產(chǎn)藥物和次生代謝物質(zhì)，如抗癌藥物、生物 堿、調(diào)味品、香料、色素等1°。近年來.這一領域的發(fā)展極為迅速，已經(jīng)研究了400多種植物，從培養(yǎng)細胞中分離到600多種次級代謝產(chǎn)物。另外.還可以借助植物基因工程

20、技術通過農(nóng)桿菌介導的方法獲得轉(zhuǎn)基因藥用植物。藥用植物的細胞培養(yǎng)，克服了藥用植物生長 緩慢、有效成分積累有限的缺陷，其發(fā)展前景十分誘人。3植物組織培養(yǎng)新技術的應用3. 1開放組培技術植物開放式組織培養(yǎng)，簡稱開放組培，是在使用抗菌劑的條件下，使植物組織培養(yǎng)脫 離嚴格無菌的操作環(huán)境，不需高壓滅菌和超凈工作臺，利用塑料杯代替組培瓶。在自然開 放的有菌環(huán)境中進行的植物組織培養(yǎng)。崔剛等P噪用中醫(yī)理論，從多種植物中提取具有殺菌、抗菌活性物質(zhì)，成功研制出了具有廣譜性殺菌能力的抗菌劑。已有研究報道，通過開 放組培方法成功建立了葡萄外植體的開放式培養(yǎng)。趙青華等18J采用開放式組培技術.在培養(yǎng)基中添加抑菌劑，克服了

21、非滅菌條件下魔芋組織培養(yǎng)污染問題，有效地簡化了實驗步 驟.降低了生產(chǎn)成本。開放組培技術突破了人工光源培養(yǎng)的限制.實現(xiàn)了大規(guī)模利用自然 光進行植物培養(yǎng)的目標。3. 2無糖組培技術（光獨立培養(yǎng)法）植物組織培養(yǎng)過程中。小植株生長方式是以植物體靠培養(yǎng)基中的糖以人工光照進行異 養(yǎng)和自養(yǎng)生長。由于傳統(tǒng)的組培技術中使用的是含糖培養(yǎng)基，雜菌很容易侵入培養(yǎng)容器中 繁殖，造成培養(yǎng)基的污染。為了防止雜菌侵入，通常將培養(yǎng)容器密閉，這樣既造成植物生 長緩慢，又容易出現(xiàn)形態(tài)和生理異常，同時增加了費用。20世紀80年代末，日本千葉大學古在豐樹教授發(fā)明了一種全新的植物組培技術一一無糖組培技術回，又叫光自養(yǎng)微繁技術。其特點在于

22、將大田溫搴環(huán)境控制的原理引入到常規(guī)組織培養(yǎng)中。通過改變碳源的供給 途徑，用CO:氣體代替培養(yǎng)基中的糖作為組培苗生長的碳源。采用人工環(huán)境控制的手 段，提供適宜不同種類組培苗生長的光、溫、水、氣、營養(yǎng)等條件，促進植株的光合作 用.從而促進植物的生長發(fā)育.使之由異養(yǎng)型轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)型.從而達到快速繁殖優(yōu)質(zhì)種苗 的目的I刪。由于該培養(yǎng)基主要采用多孔無機物質(zhì).如蛭石、珍珠巖和砂等作為培養(yǎng) 基.因此不易引起微生物的污染IIII。無糖培養(yǎng)技術的優(yōu)點在于可大量生產(chǎn)遺傳一致、生理一致、發(fā)育正常、無病毒的組培苗，并且縮短馴化時問.降低生產(chǎn)成本舊。目前，無糖 組培技術已經(jīng)成功的應用于半夏呻1、草莓1141、花椰菜115

23、1的培養(yǎng)中。并且取得了很好的實驗效果。但是，無糖培養(yǎng)法對環(huán)境要求較高.若無糖組培環(huán)境不能被控制并達不到 一定的精度.就會嚴重影響組培苗質(zhì)量和經(jīng)濟效益。隨著理論研究的不斷深入及相關配套 技術的不斷完善，無糖組培技術必將成為今后組培生產(chǎn)的一種重要手段。4植物組織培養(yǎng)技術在農(nóng)業(yè)上的應用前景植物組織培養(yǎng)是根據(jù)植物細胞全能性這個理論，近幾十年來發(fā)展起來的一項無性繁殖 的生物技術12,13，我們組培室這幾年的應用主要是：中藥材良種苗的組織培養(yǎng)擴繁及快繁 已成功應用在桔梗、半夏等品種，馬鈴薯脫毒組培苗的生產(chǎn)及微型薯擴繁，花卉組織 培養(yǎng)，組織培養(yǎng)是分離和誘導產(chǎn)生突變體的有效途徑，在作物改良上的作用已突顯。其作

24、 用改良的優(yōu)點是：（1）加速改良后代的遺傳特性穩(wěn)定，使雜種從雜合子迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧兒献?從而縮短育種周期，提高選擇效率。（2）誘變?nèi)后w大 誘變率高，篩選方便時間短，可在人力條件下篩選出特定種群，便于進行細胞遺傳分析。為了加快組培苗的生長速度.提高其質(zhì)量.改善其品質(zhì)。并降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)外的 學者將環(huán)境控制技術和植物組織培養(yǎng)技術有機結(jié)合起來做了大量研究，發(fā)明了一些植物組織培養(yǎng)的新技術和新方法。開放組培技術使組織培養(yǎng)突破了傳統(tǒng)組培必須無菌的概念，使 帶菌組培成為現(xiàn)實，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。無糖培養(yǎng)改革了傳統(tǒng)組培以糖作為碳源的培養(yǎng) 模式.通過增加 CO:濃度，創(chuàng)造更接近于自然狀態(tài)的植物生長環(huán)境，從而提高了組培苗 的成活率和生長發(fā)育速度。不僅降低了組培苗的生產(chǎn)成本。更有利于實施組培微生態(tài)環(huán)境 的自動化監(jiān)控和自動化生產(chǎn)管理，用此項技術構(gòu)建的組培快繁技術新體系，將使植物組培 形成規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化格局。新型光源LED的應用為組培苗的生長提供了更加適宜的光照條件.有利于提高組培苗的成活率和促進其生長發(fā)育，還能延長光源的使用壽命.大大降低 了生產(chǎn)成本.新型光源還具有高效、節(jié)能、節(jié)省空間等優(yōu)點。隨著研究工作的不斷深入， 植物組織培養(yǎng)技術的發(fā)展和應用正朝著植物生產(chǎn)的規(guī)?；?、工廠化方向邁進。且收入不減 反增。土地流轉(zhuǎn)使部分勞動力不