细胞工程在植物组织培养中的应用

        细胞工程在植物组织培养中的应用

        [文章摘要] 目前，生物技术正在世界突飞猛进地发展，而且在医学、农业、食品工业、能源工业、环境保护各个领域显示出极大的生产潜力。作为生物技术有力手段的组织培养，也日益受到重视，组织培养在农林作物的脱毒快繁、突变诱发、细胞工程和基因工程等方面都可以发挥作用。当前人类正面临淡水资源短缺的困难，同时土地沙荒化、盐渍化也对人类造成威胁。我国是属于淡水资源缺乏的国家，除积极进行节用水，在农业上选育耐旱作物品种以及提高农作物的抗旱性之外，应用细胞工程技术快速繁殖固沙植物，筛选抗旱和抗盐的细胞突变体，以至利用基因工程方法将抗旱基因引入到禾谷类作物中，最终将会对干旱、半干旱及滩涂地区的开发利用产生极大影响。可喜的是，目前科学家们已做出积极努力，在渗透调节基因工程方面取得了有意义的进展。
   
    生物技术的应用将对我国农林生产带来革命性的变化。
    一、植物组织培养中的细胞分化与器官建成
　　（一）植物细胞的全能性
　　植物细胞的全能性即是每个植物的本细胞或性细胞都具有该植物的全套遗传基因，因此在一定培养条件下每个细胞都可发育成一个与母体一样的植株。这个概念虽然在本世纪初已经提出，但在当时的技术条件下，在实践上并没做到，经过几十年来组织培养技术的不断改进，目前细胞的全能性不但在理论上完全被证实，而且为组织培养在实践上的应用奠定了基础。
　　植物细胞要表现出全能性，须经过几个步骤：
　　成熟细胞→分生细胞→胚状体→完整植株。
　　成熟细胞→愈伤组织→出根出芽→完整植株。
　　脱分化也就是已经分化定型的细胞，经过诱导成为重新恢复了分裂能力（也就是成为分生状态）细胞的过程。
　　不但植物体细胞可以表现全能性，花粉在培养条件下也可能进行脱分化，通过愈伤组织或胚状体发育成单倍体植株。
   （二）组织的分化与器官建成
　　1、维管组织的分化
　　早期研究发现（Wetmore，1955），丁香的芽可以诱导邻近的组织分化出维管束，后证明这是芽中IAA的作用。将一块含有14C-IAA和蔗糖的琼胶楔形物插入到愈伤组织切口中，14C-IAA表明蔗糖和IAA通过琼胶扩散到愈伤组织，从而在愈伤组织中造成这两种物质的梯度，在楔形物一颇有同感形成维管束的瘤状物，瘤状物含有一形成层带，一面形成韧皮部，一面形成木质部，与正常的维管束有类似的排列。增加IAA的浓度，导致木质部形成，增加蔗糖浓度则导致韧皮部形成。生长素水平恒定时，2%蔗糖则全部分化出木质部，4%蔗糖几乎全部分化出韧皮部，3%蔗糖则可以分化出二者。所以，生长素和蔗糖浓度决定愈伤组织中维管束的类型与数量。
　　2、根和芽的分化
　　外植体诱导出愈伤组织后，经过继代培养，可以在愈伤组织内部形成一类分生组织（meristemoid）即具有分生能较往年小细胞团，然后，再分化成不同的器官原基。有些情况下，外植体不经愈伤组织而直接诱导出芽、根。所以器官发生有两种方式，即直接和间接的。
　　（1）外植体→器官发生（根、芽或胚状体）→再生植株。
　　（2）外植体→愈伤组织→类分生组织→根、芽→再生植株。
   3、胚状体是指在组织培养吕从一个非合子细胞，通过合子胚相似的胚胎发生过程所形成的胚状结构。从胚状体可以形成完整的植株，这是植株细胞全能性的最强有力的一个证据。
   二、植物组织培养的应用
　　（一）增加遗传变异性，改良作物
　　单倍体育种：通过花药培养，从小孢子获得单倍体植株，染色体加倍后获得正常二倍体植株，这是一条育种的新途径。单倍体育种可以缩短育种年限，节约人力物力，较快地获得优良品种，目前已有四十多种植物获得了单倍体植株。我国在水稻、小麦、烟草、柏树、橡胶、辣椒等植物的单倍体育种的工作上，处于领先地位。
　　胚培养、子房培养、胚珠培养：为了克服远缘杂交的不亲和性，可采用胚、子房、胚珠培养和试管受精等手段。最早成功的例子是两个栽培种亚麻的杂交胚发生败育，利有杂种胚培养克服了一些障碍，得到种子。现在在棉花、黄麻上也获得成功。从玉米的离体子房培养，经体外受粉可以得到种子。
   （二）繁殖植物
　　组织培养中从一个单细胞，一块愈伤组织，一个芽（或其它器官）都可以获得无性系。无性系就是用植物体细胞繁殖所获得的后代。用植物组织培养技术繁殖的无性系可概括为五个类型：
　　原球茎：细胞或组织培养经原球茎途径分化成植株。大部分兰花属于这一类型，即兰花的各个部分的离体组织都能诱导形成原球茎，再经培养分化形成植株。
　　器官发生型：即从细胞或愈伤组织培养通过不定芽形成植株，如烟草愈伤组织培养分化所得的植株。
　　胚状体发生型：从细胞或愈伤组织通过胚状体途径，即由球形期、鱼雷期、心形期、子叶期经成熟胚发育成植株，如胡萝卜体细胞培养可通过胚状体途径形成植株。
　　器官型：从离休珠茎、花芽、叶、鳞片等，亦即从离体的母体组织直接产生小植株，如贝母、百合等。
　　无菌短枝扦插:选取已发育成熟的腋芽，连同短枝经表面灭菌后在无菌条件下培养，使其生根。腋芽可用生长激素处理促使其萌发。这一方法在较短时间内即可获得一个植株。对保存珍贵的优良树种或花卉品种是简易而有效的方法。
   （三）有用化合物的工业化生产
　　组织培养除了在农业上的应用外，目前世界各国都在重视另一个方面，即有用化合物的工业化生产。有用化合物包括药物、橡胶、香精油、色素……等。这些化合物许多都是高等植物的次生代谢物，有些化合物还不能大规模地人工合成，而靠植物产生这些化合物来源有限。因此，利用组织培养方法，培养植物的某些器官或愈伤组织，并筛选出高产、高合成能力、生长快的细胞株系，以进行工业化生产，是一条行之有效的途径。
   （四）培养物质温贮藏和种质库的建立
　　在液氮（-196℃）条件下，加入冷冻保护剂，可使组织培养物的代谢水平降低，有利于细胞、胚状体、试管苗、愈伤组织等的长期保存。据报导，冷冻保存的胡萝卜胚状体，在保存1年后仍有再生成植株的能力，有些国家已利用此方法建立了种质库，但我国在这方面仍是空白。
    在国际上一个新的动向是"人工种子"的试验。所谓"人工种子"，是指以胚状体为材料，经过人工薄膜包装的种子。在适宜条件下它萌发长成幼苗。据美国遗传公司报道，美国科学家已成功地把芹菜，苜蓿，花椰菜的胚状体包装成人工种子，并得到较高的萌发率，这些人工种子已生产并投放市场。我国科学工作者成功地研制成水稻人工种子。可见，组织培养将在遗传育种、作物改良和改革作物栽培中获得更大的成效。
    [参考文献]
1  （作者不详）植物组织培养及其应用，2003.8.20
2   中国农业在线网 www.agrionline.net.cn
3   高中生物网 www.pep.com.cn
4   高中生物 第四章 细胞与细胞工程
5   周祥 《解密生命》