植物无糖组织培养技术的研究进展及应用

植物无糖组织培养技术的研究进展及应用

杨长友20111109035

（生物化学与分子生物学，生命科学学院，重庆师范大学，重庆401331）

摘要：植物无糖组织培养作为一种新型的组织培养模式可以有效地防止污染并能显著地促进组培苗的生长，尤其是增强组培苗的生根能力。植物无糖组织培养目前的研究重点在于CO2浓度调节、培养基质的改进以及新型培养容器的研制等方面。到目前为止，无糖组织培养技术已经成功地应用于多种植物的组织培养当中。虽然现今无糖组织培养技术还存在前期投入较大、对设备的要求相对较高等问题，但随着研究的不断深入，无糖组织培养技术将在植物工厂化、规模化生产中发挥重要的作用，应用前景将会越来越广阔。

关键词：无糖组织培养；培养容器；培养基质；应用

植物组织培养技术的优点在于快速繁殖、脱去病毒和种质资源保存，其中应用最为广泛的是快速微繁殖。但由于在传统的组培技术中使用的是含糖培养基，杂菌很容易侵入培养容器并在培养基中繁殖，造成培养植物的污染。为了防止杂菌侵入，我们通常采用密闭性很强的容器, 置于一定的光照条件下以一定的明暗周期恒温培养，组培苗依靠培养基中的糖进行异养生长。但培养容器内通常气体流动性差，相对湿度高，CO2浓度不足，使培养植物生长缓慢，并且容易出现形态及生理异常，同时也大大提高了人工费用[1]。以上诸多不利因素都严重制约了组培技术的发展及推广。为了解决组培技术中存在的这些问题，20世纪80年代末，日本千叶大学古在丰树教授发明了一种全新的植物组织培养技术——无糖组织培养技术[2]。他首先研究发现容器中的小植株也具有光合自养能力, 从而考虑改变植株的营养方式以CO2作为植株的碳源，同时改善植株的生理和能量代谢，使植株更好的发挥自身的光合能力，降低生产成本[3]。无糖组织培养技术将环境控制技术和组培技术有机的结合起来，在环境因子的调节、培养基质以及培养容器等方面较传统组织培养有很大的改进，利用工程技术手段调控组培微环境的空气、光照、湿度等影响因子，使植株的生长环境更接近于自然状态，以达到促进植物体自养生长，提高幼苗的质量和产苗率，缩短培养周期的目的[4]。

1996年，无糖组织培养技术开始引入我国，并逐渐得到应用。它是一种全新的植物组织培养技术，该技术的应用打破了传统组培必须用糖的观念，有效地提高了组培苗的生根率和移栽成活率[5]。

1 植物无糖组织培养技术的概念

植物无糖组织培养技术（Sugar-free micropropagation）又称为光自养微繁殖技术，是指在植物组织培养中改变碳源的种类，以CO2代替糖作为植物体的碳源，通过输入CO2气体作为碳源，并采用微环境控制技术控制影响组培苗生长发育的环境因子，提供适宜植株生长的温度、湿度、光照、气体、营养等条件，促进植株光合作用，使组培苗由兼养型转变为自养型，进而生产优质种苗的一种新的植物微繁殖技术。植物无糖组织培养技术是环境控制技术和组织培养技术的有机结合，又称为光自养微繁殖技术（Photoautotrophic micropropagation），该技术是由日本千叶大学的古在丰树教授于1980年提出和发明的，目前已经受到广泛关注，在许多国家和地区得到了推广应用。

2植物无糖组织培养技术的特点及优势

2.1 植物无糖组织培养技术的特点

2.1.1 CO2代替了糖作为植物体的碳源

在传统的植物组培快繁技术中，小植株以糖（如蔗糖、白砂糖、果糖等）作为主要碳源进行异养或兼养生长，糖被看作是植物组织培养中必不可少的物质。而无糖组培快繁技术中则用CO2替代糖作为小植株生长的唯一碳源，通过自然或强制性换气系统供给小植株生长所需CO2，使其在人工光照下，吸收CO2进行完全的自养生长，在一定程度上避免了微生物的污染。

2.1.2 培养容器的改变

在传统的组织培养中，由于培养基中糖的存在，为了防止污染，一般使用或者说只能使用小的培养容器。而无糖培养在培养过程中不使用糖及各类有机物质，极大地避免了污染的发生，使各类大型培养容器的使用成为可能，可以根据培养材料和生产规模的需要选用不同规格的培养容器，小至试管，大至培养室。

2.1.3多孔的无机材料作为培养基质

在传统的组织培养中，通常使用琼脂作为培养基质，它的透气性差，不利于水分、气体和营养物质的移动和吸收。无糖组织培养在基质的选择上相对广泛，主要是一些多孔的无机基质，如蛭石、纤维、珍珠岩、成型岩棉、石沙子等，这些基质具有良好的透气性，可以极大地提高小植株的生根率和生根质量[6]，而且与琼脂相比，这些无机基质价格相对低廉，节约了培养成本。

2.1.4环境控制促进植株的光合速率

在传统的组织培养中，很少对植株生长的微环境进行研究，研究的重点是放在培养基的配方以及激素的用量和有机物质的添加上。而无糖组织培养技术是建立在对培养容器内环境控制的基础上，根据容器中植株生长所需的最佳环境条件（如光照强度、CO2浓度、环境湿度、温度、培养基质等）来对植株生长的微环境进行控制，最大限度地提高小植株的光合速率，促进植株的生长。

2.2植物无糖组织培养技术的优势

植物无糖组织培养技术理论上适用于所有植物，包括木本植物、草本植物、藤本植物、C3植物、C4植物和CAM植物。到目前为止, 植物无糖组织培养技术已经在60 多种植物上取得成功，昆明环境科学研究所对非洲菊、康乃馨、满天星、彩星、勿忘我、彩色马蹄莲、洋桔梗、草莓、菠萝、马铃薯、甘蔗、甘薯等多种植物进行了无糖组培快繁的研究，并取得成功[7]。植物无糖组织培养技术与传统的有糖培养相比，无糖组织培养技术显示出其特有的优势：

（1）通过人工控制动态调整优化植物生长环境，为种苗繁殖生长提供最佳的CO2浓度、光照、湿度、温度等环境条件，促进了植株的生长发育，苗齐、苗壮；

（2）继代与生根培养过程合二为一，培养周期缩短了40%以上；

（3）大幅度减少了植物繁殖生产过程中的微生物污染率；

（4）消除了小植株生理和形态方面的紊乱，种苗质量显著提高；

（5）植株的生根率和成苗率显著提高，特别是对于木本植物来说，无糖组织培养技术能显著改善根的质量，提高生根率，使得种苗驯化期间的成活率大幅度上升，并且使复杂的驯化过程得以简化；

（6）节省投资，降低生产成本，与传统的微繁殖技术相比，种苗生产综合成本平均降低30%。（7）组培生产工艺的简单化，流程缩短，技术和设备的集成度提高，降低了操作技术难度和劳动作业强度，更易于在规模化生产上推广应用；

（8）培养不受培养容器的限制，可实现穴盘苗商业化生产，也可实现大规模容器自动工厂化生产。

3植物无糖组织培养技术的研究重点