植物组织培养技术的应用以及

植物组织培养技术的应用以及在培养过程中存在的问题

摘要:介绍了植物组织培养技术的应用以及在培养过程中遇到的问题并提出解决的方法。植物组织培养技术的应用范围很广,目前主要用在离体无性系快速繁殖与无毒化、植物育种、遗传物质的保存、植物次生代谢物的生产和植物基因转化等方面。

关键词:植物组织培养;次生代谢物;基因转化;褐化

植物组织培养技术是指在无菌条件下,将离体的植物器官、组织、细胞以及原生质体,在人工配制的环境里培养成完整的植株。植物组织培养的依据是植物细胞“全能性”及植物的“再生作用”。1902年,德国著名植物学家G。Haberlanclt根据细胞学理论,大胆地提出了高等植物的器官和组织可以不断分割,直到单个细胞,即植物体细胞在适当的条件下,具有不断分裂和繁殖,发育成完整植株的潜力的观点。1943年,美国人White在烟草愈伤组织培养中,偶然发现形成一个芽,证实了G。Haberlanclt的论点。自G。Haberlandt提出的细胞全能性理论以来,在许多科学家的努力下,植物组织培养技术得到了迅速发展,其理论和方法逐渐趋于完善和成熟,并广泛应用于农业、林业、园艺、医药等行业,产生了巨大的经济效益和社会效益。

1 植物组织培养技术的应用前景

植物组织培养技术的应用前景很广泛,目前主要用在以下几个方面。

1.1 在植物脱毒和快速繁殖上的应用

植物脱毒和离体快速繁殖是目前植物组织培养应用最多、最有效的一个方面。很多农作物都带有病毒,特别是无性繁殖植物,如马铃薯、甘薯、草莓、大蒜等。但是,感病植株并非每个部位都带有病毒,White早在1943年就发现植物生长点附近的病毒浓度很低甚至无病毒。如果利用组织培养方法,取一定大小的茎尖进行培养,再生的植株有可能不带病毒,从而获得脱病毒苗,再用脱毒苗进行繁殖,则种植的作物就不会或极少发生病毒。此法已在马铃薯、大蒜、草莓、葡萄、康乃馨等多种作物上获得成功,并产生了明显的经济效益。国外40%~80%草莓是通过试管脱毒后繁殖的,意大利每个州都有年产百万草莓无毒种苗的工厂。由于运用组织培养法繁殖植物的明显特点是快速,每年可以数以百万倍的速度繁殖,因此,对一些繁殖系数低、不能用种子繁殖的名、优、特植物品种的繁殖,意义尤为重大。同时组织培养可不受地区、气候的影响,比常规方法快数万倍到数百万倍的速度扩大繁殖,及时提供大量优质种苗。目前,观赏植物、园艺作物、经济林木、无性繁殖作物等部分或大部分都用离体快繁提供苗木,试管苗已出现在国际市场上并形成产业化。

1.2 在植物育种上的应用

植物组织培养技术对培育优良作物品种开辟了新途径。目前,国内外把植物组织培养已普遍应用于作物育种,并在以下几个方面取得了较大进展:

1.2.1 单倍体育种

单倍体植株往往不能结实,在培养中用秋水仙素处理,可使染色体加倍,成为纯合二倍体植株,这种培养技术在育种上的应用称为单倍体育种。单倍体育种具有高速、高效率、基因型一次纯合等优点,因此,通过花药或花粉培养的单倍体育种,已经作为一种崭新的育种手段问世,自从1964年Guha和Maheshwari报道利用花药培养技术由蔓陀罗花药诱导单倍体植株以来,各国科学家致力于花药培养。1974年,我国科学家用单倍体育种法育成世界上第一个作物新品种---单育1号烟草品种,现已有300种植物花药培养成功。其中我国首先培育出来的就有40余种,它们主要是粮食、油料、蔬菜、林木、果树等重要经济作物。据报道,水稻品种

中花8号、9号等已累计推广面积超过66。67万hm2;小麦新品种京花1号、3号、甘春11号、甘肃花培746等也累计推广面积超过66。67万hm2。

1.2.2 离体胚培养和体外受精

胚状体类似于植物种子中的胚,是完整植株的雏形,很容易形成完整的植株,这就克服了一些组培苗生根难的缺点。对胚状体的形成研究不但可为扩大繁殖系数,拓宽变异谱打下基础,而且也为将来制造人工种子和进行外源基因的导入打下基础。植物胚胎培养是采用人工的方法在无菌条件下从种子中把成熟胚或未成熟胚分离出来,然后放在人工合成的培养基上培养,使它发育成正常的植株,从而有效地克服了远源杂交不实的障碍,获得杂种植株。胚培养已在50多个科属中获得成功。远缘杂交中,可把未受精的胚珠分离出来,在试管内用异种花粉在胚珠上萌发受精,产生的杂种胚在试管中发育成完整植株,此法称为“试管受精”。用胚乳培养可以获得三倍体植株,为诱导形成三倍体植物开辟了一条新途径。三倍体加倍后可得到六倍体,可育成多倍体新品种。目前,已在怀地黄、矮牵牛、普通小麦、黑麦草等自交或远源杂交不亲和性植物的试管受精方面获得成功。

1.2.3 细胞融合

植物体细胞杂交在植物远源杂交育种中,除了应用离体胚培养或离体受精和授粉培养技术之外,还可采用植物体细胞杂交技术---原生质体融合。由于不同来源的原生质体都有彼此融合的能力,在远源杂交中,通过细胞融合可获得种间、属间、科间、甚至界间的细胞融合体系,因此,细胞融合打破了种属间的界限,克服远缘杂交不亲和性障碍,在植物新品种的培育和种性改良中有着巨大的潜力。目前,采用原生质体融合技术已经能从不杂交的植物中如番茄和马铃薯、烟草和龙葵、芥菜和油菜等获得属间杂种,但这些杂种尚无实际应用价值。随着原生质体融合、选择、培养技术的不断成熟和发展,今后可望获得更多有一定应用价值的经济作物体细胞杂种及新品种。

1.2.4 在基因转化方面的应用

基因转化是有目的地将外源基因或DNA导入植物细胞内,使之整合、表达并遗传,通过外源基因的导入,并植物体内表达,有目的地改变植物性状,以提高作物的抗逆性,改良作物品质。植物组织培养是外源基因导入植物细胞的关键技术,通过组织培养技术可以建立一个良好的植物转化系统,目前通常使用的再生系统有愈伤组织再生系统、直接分化再生系统、原生质体再生系统、胚状体再生系统和生殖细胞受体系统等,根据不同的植物材料选择不同的再生系统。在基因转化中,一个很重要的环节是抑制农杆菌生长,防止细菌过度生长而产生污染。为了解决这个难题,在培养基中经常添加对植物细胞无毒害作用的抑菌性抗生素(如头孢霉素、羧苄霉素)。这类抗生素即能有效地抑制细菌的生长,又不影响植物的正常生长,同时能够有效地提高转化效率以及快速获得转基因植物。因此,组织培养技术的有效利用对基因转化的成功十分关键。从1983年第一株转基因植株问世以来,全世界已分离的目的基因有100多个,获得转基因植株近200种,其中农杆菌转化成功的植物已达近百种,有的已进入或正在进入商业开发阶段。

1.2.5 培养细胞突变体

无论是愈伤组织培养,还是细胞培养,培养细胞均处在不断分生状态,容易受培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而产生诱变,从中可以筛选出对人们有用的突变体,从而育成新品种。尤其对原来诱发突变较为困难、突变率较低的一些性状,用细胞培养进行诱发、筛选和鉴定时,处理细胞数远远多于处理个体数,因此一些突变率极低的性状有可能从中选择出来,例如植物抗病虫性、抗寒、耐盐、抗除草剂毒性、生理生化变异株等的诱发,为进一步筛选和选育提供了丰富的变异材料。目前,用这种方法已筛选出抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白、矮秆高产的突变体,有些已用于生产。

1.3 在人工种子和种质保存方面的应用