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关键词：组织培养；形成；应用；新技术
植物组织培养是指通过无菌操作,把植物的外植体接种于人工配置的培养基上,在人工控制的环境里进行培养,使其成为完整植株的方法.植物组织培养萌芽于20世纪初,形成于20世纪中,20世纪60年后开始广泛应用.植物组织培养已经成为现代生物技术的重要组成部分,其新技术的进一步研究和应用,必将大大提高植物的生产水平,加速植物科学的现代化.
一、植物组织培养的形成
(一)细胞全能性设想的提出
20世纪初,细胞全能性设想的提出是植物组织培养的萌芽.在Schleiden和Schwann所发展起来的细胞学说推动下,德国植物生理学家Haberlandt提出了高等植物的器官和组织可以不断分割,直至分到单个细胞而不影响细胞增殖的观点,并设想离体细胞具有再生完整植株的潜力.为了证实他的设想,他用小野芝麻、凤眼兰的叶肉组织、万年青属植物的表皮细胞等进行离体培养.虽然,由于当时技术水平的局限,实验未能成功；但它对植物组织培养的发展起到了先导作用,在技术上也成为一个良好的开端.1902年Haberlandt发表了植物组织培养第一篇论文,预言： “植物的体细胞在一定条件下,可以如同受精卵一样,具有潜在发育成植株的能力.”人们可以培养植物的体细胞成为人工胚.
1922年Haberlandt的学生W.Kotte和美国的Robbins采用无机盐、葡萄糖和各种氨基酸培养豌豆和玉米的茎尖,结果形成缺绿的叶和根,能进行有限的生长.1925年、1929年Laibach将亚麻种间杂交不能成活的胚取出,在人工培养基上培养至成熟,从而证明了胚培养在植物远缘杂交中利用的可能性.
(二)植物组织培养基本方法的确立
1934年美国植物生理学家White培养番茄的根,他在包含无机盐和蔗糖的培养基中加入了酵母浸出液,结果建立了第一个活跃生长的无性繁殖系,并能进行继代培养.后来他用3种维生素B代替酵母浸出物,同样获得了成功.从而发现了维生素B族对离体根生长的重要性.与此同时,法国的Gautheret在山毛柳和黑杨等形成层组织的培养中也发现了维生素B族的作用,又在1939年连续培养胡萝卜形成层获得成功；同年,Wlute由烟草种间论文范文的瘤组织,Nobecourt由胡萝卜,也建立了类似的连续生长的组织培养物.White、Gautheret和Nobecourt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技术基础,他们3人被誉为植物组织培养的奠基人.
(三）植物组织培养技术的形成
1941年Overbeek等首次把椰子汁(CM)加入培养基中,使曼陀罗的心形期幼胚离体培养至成熟.1943年White出版了《植物组织培养》手册,使植物组织培养开始成为一门新兴技术.Skoog(1944)和中国学者崔徵等(1951)在烟草茎切段和髓培养以及器官形成研究中,发现腺嘌呤或腺苷可以解除生长素(吲哚乙酸,I—AA)对芽形成的抑制,并诱导成芽,从而确定腺嘌呤与生长素的比例是芽和根形成的控制条件.1955年Miller等由鲱鱼精子DNA中分离出一种首次为人所知的细胞分裂素,并把它定名为激动素( kinetin).1957年Skoog和Miller提出了有关植物激素控制器官形成的概念,指出在烟草髓组织培养中,细胞分裂素与生长素的比值控制器官的分化：生长素与细胞分裂素的比例大时促进生根,比例小时促进芽的分化,二者浓度相当时倾向于一种无结构（愈伤组织）的方式生长.1958年英国人Steward等将胡萝卜髓细胞培养成为一个完整植株,这是人类第一次获得了人工体细胞胚,也首次通过实验证明了植物细胞的全能性,成为植物组织培养研究历史中的一个里程碑,对植物组织和细胞培养产生了深远的影响.
植物组织培养:植物组织培养
二、植物组织培养的应用
20世纪60年代以后,植物组织培养进入了迅速发展阶段,研究工作更加深入与广泛.1960年Cocking等人用酶分离原生质体获得成功,开创了植物原生质体培养和体细胞杂交工作.同年,Morel培养兰花的茎尖,获得了快速繁殖的脱毒兰花.1962年,Murashinge和Skoog在烟草的培养中筛选出MS培养基.1964年Guha和Meheshwafi报道,在毛叶曼陀罗中通过离体花药培养由小孢子直接发育成胚.1967年Bourgin和Nitsch通过花药培养获得了完整的烟草植株.1971年,Takebe等在烟草上首次由原生质体获得了再生植株.1972年Carl-son等通过两个烟草植物之间原生质的融合,获得了第一个体细胞论文范文.1974年,Kao,Michayluk,Wallin等建立的通过PEG处理促进细胞融合的方法.1975年,Kao和Michayluk开发出了专门用于植物原生质体培养的8P培养基.1978年,Melchers等获得了马铃薯和番茄的体细胞论文范文.同年,Murashige提出了“人工种子”的概念.1982年,Zimmermann开发了原生质的电融合法.20世纪70年代中期,植物组织培养和分子生物学结合诞生了转基因育种技术.1983年,Zambryski等用根癌农杆菌转化烟草,在世界上获得首例转基因植物.1985年,Horsch等建立了农杆菌介导的叶盘法,开创了植物遗传转化的新途径.1987年,美国的Sanford等人发明了基因论文范文法,用于单子叶植物的遗传转化.
植物组织培养的形成和深入研究,使这项技术得到了广泛应用
(一)在植物快速繁殖与脱毒方面的应用
1．离体快速繁殖快速繁殖在植物组织培养中应用最多,也最有成效.Morel提出的离体无性繁殖兰花方法,很快被兰花生产者所采用,迅速建立起“兰花工业”.以后,国内外植物快繁技术的发展突飞猛进,许多花卉、林木、果树、蔬菜都可通过组织培养进行大规模离体快繁,试管苗已在国际市场形成产业化,取得了巨大的经济效益和社会效益.
离体快速繁殖可用于新育成、新引进、短期内急需大量生产的良种的快速繁殖,生产用苗量大、需进行无性系繁殖的品种的快速繁殖,繁殖系数低、不能用种子进行繁殖或经种子繁殖后常易丧失其优良特性的植物的快速繁殖,少量脱毒良种苗的快速繁殖和无病毒苗的大量繁殖,特殊育种材料和制种材料的快速繁殖,基因工程植株、自然和人工诱导有用突变体（芽变）、离体保存种质的快速繁殖,新发现的、稀有的、珍贵的或濒危的植物的快速繁殖.
2．脱毒培养果树、花卉、蔬菜等植物病毒病有500多种,由于病毒通过无性繁殖（扦插、分株等）传递,在母体内逐代积累,种性退化严重,表现为植物生长受到抑制,形态畸变,产量下降,品质变劣,严重时只好拔除病株,因而造成很大经济损失,可目前生产上对病毒病的防治尚无特效药物.由于病毒在植物体内分布不均匀,生长点附近的病毒浓度低,甚至无病毒,因此可利用茎尖进行离体培养,获得无毒苗,再用无毒苗进行大量繁殖来脱除病毒,恢复品种特性,快速增殖,以满足生产的需要.
目前,通过组织培养实现商业化的脱毒试管苗,在果树、蔬菜、花卉领域已十分普遍,如马铃薯、甘薯、大蒜、香蕉、柑橘、苹果、葡萄、百合、草莓、矮牵牛、康乃馨、月季、菊花、牡丹、花叶芋、山茶、甘蔗等已在中国广泛应用,经脱毒处理的作物产量可以得到大幅度提高.
(二)在种质资源的保存和交流方面的应用
一直以来,种质资源大多是以种子的形式保存的,但随着时间的延长种子的生活力下降,并会受到病虫害的侵扰；尤其是杂交种在有性繁殖中会产生性状分离,导致遗传的不稳定.另外,还有些植物没有种子,只能在植物园内长期栽培保存,耗费大量的土地和劳力.如果采用组培的方式,将种质资源的外植体放在无菌环境中进行离体培养,并置于低温(1～9℃)或超低温（-196℃）条件下,由于培养物缓慢生长甚至无生长,则可以达到长期保存的目的.近年来,人们为了保持生态平衡、维护遗传多样性和持续利用野生植物资源,对濒危野生植物的保护加大了研究力度,已由室外的种子和田间保存转向应用组织培养技术,利用植物的少量器官、组织和细胞等,离体培养再生成完整植株,建立室内的“试管植物园”以保护这些濒危植物,再结合微繁技术进行大量繁殖,为人类所用.
离体保存的种质资源无菌、材料小,便于国际、省际、人际的交流、交换、购买等.利用组培可以将培养后的瓶苗引入,携带方便,不受季节限制,不会造成损伤,也不需要特定的储藏条件.
(三)在植物育种方面的应用
1．胚胎培养在植物远缘杂交中,由于生理代谢等方面的原因,常使论文范文胚早期败育,不能形成有活力的种子,因而得不到论文范文植物.用胚培养技术可以将早期的论文范文胚从母体上分离下来进行组织培养,使论文范文胚顺利生长,从而克服远缘杂交不亲和的障碍,获得远缘论文范文.胚培养已在植物50多个科属中获得成功.
2．花药或花粉培养通过花药或花粉培养可以获得单倍体植株,对其进行染色体加倍后便可得到基因纯合的二倍体植株.单倍体育种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.花药培养在20世纪70年代得到了迅速发展,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.
3．突变体培养 自然界中有芽变出现,随着时间的推移,芽变可能消失.发现芽变后,可以通过组织培养的方法对芽变进行分离和固定.利用植物细胞的全能性,可以将突变细胞培养成完整的植株,从而丰富植物的遗传变异,选育出新的品种和类型.在组织培养过程中,植物的体细胞会发生各种各样的变异,可以采用愈伤组织诱变、花粉培养诱变等方法来进行植物育种等.这种方法已经筛选出了抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白、矮秆高产的植物突变体,有的已经在生产上应用.
4．体细胞杂交 通过原生质的融合,可部分克服有性杂交不亲和性,从而获得体细胞论文范文,创造新种或优良品种.体细胞杂交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.这种方法已经将不易杂交的番茄与马铃薯、烟草和龙葵、芥菜与油菜等植物的原生质融合而获得属间论文范文.
5．植物基因工程植物组培是转基因技术不可或缺的组成部分,无论是转基因受体的提供,还是转化细胞的筛选和再生,都需要有组织培养技术作支撑.利用基因技术可克服作物育种的盲目性,基因工程已成为改良植物抗病、抗虫、抗草、抗逆、品质等特性的新的重要手段.现在,转基因抗虫棉花、抗虫玉米、抗除草剂大豆、抗虫油菜等一批植物新品种已在生产上大面积推广种植,并取得了巨大的经济效益.
(四)在植物次生代谢产物生产方面的应用
植物次生代谢产物的常规生产需要大量原材料,在目前植物资源紧缺的条件下,生产非常有限,不能满足需要.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.近年来,这一领域已引起人们的广泛兴趣和重视,国际上已获得的这方面专利有100余项.
(五)在人工种子生产方面的应用
人工种子是指将植物离体培养产生的体细胞胚包埋在人工配制的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.人工种子技术是在组织培养基础上发展起来的新兴生物技术,具有可工厂化大规模制备、储藏和迅速推广优良种质资源等优点.目前,橡胶树、桉树、兰花、胡萝卜、旱芹、小麦、番木瓜、黄连、杂交水稻等的人工种子已进入开发阶段,可望实现人工种子的工厂化、自动化生产.
三、植物组织培养的新技术展望
100多年以来,植物组织培养从理论和实践上都得到了快速发展.组织培养技术不断完善,走出实验室,在生产上得到了广泛的应用；同时它作为一种实验手段,在生物科学其他领域也得到了广泛的应用.但是传统组培苗成长于小而密闭的容器中,处于高湿、少气、弱光的环境条件下,容易产生组培苗污染、生长弱、差异大,驯化苗成活率低等问题,使植物组织培养的进一步应用受到了限制.为了充分发挥这项高新技术在现代植物生产和农林业产业化中的重要作用,研究人员在技术改进上作出了有意义的实践与探索.
（一）植物无糖组织培养技术 植物无糖组织培养技术,简称无糖组培技术,又叫光自养微繁技术,它是20世纪80年代末,日本千叶大学古在丰树教授发明的一种新的植物组培技术.该技术用C02气体代替培养基中的糖作为组培苗生长的碳源,采取人工环境控制的手段,提供适宜不同种类组培苗生长的光、温、水、气、营养等条件,充分发挥植株自身的光合能力,使之由异养型转变为自养型,从而达到快速繁殖优质种苗的目的.李晓玲等试验发现苹博1号梨组培苗能够在无糖培养基上存活并生长.屈云慧等研究表明,虎眼万年青用无糖培养体系进行生根培养时,再生芽的生根率高,种苗质量优于常规培养.昆明环境科学研究所对非洲菊等多种植物进行了无糖快繁的研究、示范和生产,开发了大型的培养容器和C02强制性供气系统,并成功地应用于生产.
无糖组培改变了用糖作为碳源的传统培养技术,减少污染,降低组培苗生产成本,还有利于实施组培微生态环境的自动化监测和控制,实施生产管理自动化.植物无糖组培对环境的要求较高,但随着环境控制等配套技术的完善,无糖组培技术将会有非常广阔的应用前景.
(二)植物开放式组培技术
植物开放式组培是在使用抗菌剂的条件下,利用塑料杯代替组培瓶,在自然开放的有菌环境中进行的植物组培.开放式组培的关键是找到能够添加到培养基的广谱性抗菌剂,利用抗菌剂解决传统组培过程中的培养基污染问题.据报道,崔刚等从多种植物中提取具有杀菌、抗菌活性物质,研制了具有广谱性杀菌能力的抗菌剂,并成功建立了葡萄外植体的开放性培养体系.赵青华等在培养基中添加抑菌剂,克服非灭菌条件下魔芋组织培养污染问题,有效的简化步骤,降低了生产成本.
开放式组织培养不需要高压灭菌和超净工作台,使带菌组培成为现实；突破了人工光源培养的限制,实现了大规模自然光培养,具有简化组培环节,降低组培成本的优点,有利于农业现代化的大批量、高质量种苗生产,是组培发展的一个方向.
(三)新型光源的应用
目前的新型光源有LED、CCFL、SILHOS等. LED(light emitting diode),即发光二极管被誉为21世纪的新型光源,具有效率高,寿命长,不易破损等优点.LED波长正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合,光能有效利用率可达80%～90%,并能对不同光质和发光强度实现单独控制.因此,在植物组织培养中采用LED提供照明,能够调控组培植物的生长发育和形态建成,缩短培养周期.LED在植物组培中的应用研究主要集中在日本和美国.日本不但开发了专门应用于植物组织培养的LED发光系统,而且与其他环境调控因子相结合,取得了一些重要的基础数据.中国一些科研机构也开始了这方面的研究,并自主开发了一些LED光源系统,用于植物组培.日本的田中道男等自行设计和开发出了直径小、寿命长、热量低、红蓝光比例可控、耗电量低的阴极荧光灯(CCFL)作为植物组培苗的光源,运用此光源为文心兰试管苗提供光照条件,结果表明其地上部干、鲜重和试管苗的高度都有显著提高.日本的田中道男等还自行设计和开发了另一种新型光源SILHOS,这是一种间接照明系统,其侧部发出均匀一致的光线,光线进入反射空间经反射薄膜反射后均匀分布.田中道男等利用SILHOS作为生菜组培光源,获得了高质量的组培苗.
新型光源克服了高压钠灯、金属卤化物灯和荧光灯寿命短、发热量大以及发光效率不理想等缺点.它的应用将为组培苗的生长提供更加适宜的光照条件,有利于试管苗的生长,并且能延长光源的使用寿命,降低生产成本,还对试管苗栽培成活率有促进作用,随着相关技术的成熟和制造成本的降低,它将成为未来组培的应用光源.
(四)组培容器的改进
目前,大量使用的组培容器是玻璃或耐高温塑料制成的三角瓶、罐头瓶,体积一般不超过500ml.这些组培容器中的空气流动性差,相对湿度高,C02浓度低,对组培苗的正常生长产生不利影响.因此,研究人员着手通过模拟植物在微生态条件下的气体交换、营养吸收、形态建成,计算植物群落生长的最佳空间形状与大小,从而改进容器形态,扩大体积,增加单位培养面积中组培苗的数量；同时,改良容器和封口材料,以达到优质（通气隔菌）、方便、耐久的目的.一些学者研究了利用高分子膜材料制成的培养容器的有效性.这类材料普遍具有高透气性的特点,还具有透光率高、耐高温、耐腐蚀等优点.何松林用四碳氟乙烯树脂膜为材料制作新型培养容器(CP),培养文心兰试管苗,结果促进文心兰试管苗的生长和提高其品质效果明显.但是目前市场上的聚四氟乙烯树脂膜论文范文较高,影响了试管苗生产成本的降低.随着生产的发展,聚四氟乙烯树脂膜成本的进一步降低,它在植物组培中的应用会有更为广阔的空间.
(五）多因子综合控制技术
多因子综合控制技术,是指利用大型组培设施,对组培苗生长过程中的C02浓度、光照、温度、湿度等环境因子进行综合控制的技术.该技术通过有效调控组培苗的微生态环境,可以解决传统的组培苗繁殖周期不稳定,个体生长差异大,驯化成活率低等问题,有利于降低组培成本,促进组培苗商品化的进程.1987年日本千叶大学开发了一套具有强制通风功能的大型组培设施,该设施的环境调控系统能够控制组培苗生长环境中的光照度、C02浓度、温度和相对湿度,生长在该设施内的草莓组培苗的干重显著提高.目前,已有许多组培科技人员开发、研制了相关的组培设施,对组培环境进行调控.
研究表明,多因子综合控制技术培养的组培苗与常规的组培苗相比,在种苗质量及生产成本上具有明显的优势,但该技术涉及的许多生理生态等方面的问题还没有完全解决.随着生物、工程、环境与信息等领域的技术突破,多因子综合控制技术一定具有广阔的应用前景.
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植物组织培养引用文献:
[1] 植物组织培养和植物论文范本 植物组织培养和植物相关论文范本8000字
[2] 植物组织培养和植物论文范文集 植物组织培养和植物类有关论文范文检索2000字
[3] 植物组织培养和植物论文范文数据库 植物组织培养和植物类有关专升本论文范文8000字
