植物组织培养在育种中的应用

植物组织培养在育种中的应用

作者：祝剑峰

来源：《安徽农业科学》2014年第35期

摘要随着植物组织培养技术的日趋完善，在农业中应用越来越广泛，分别从单倍体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、人工种子、筛选突变体、转基因育种和种质资源离体保存7个方面论述植物组织培养在育种中的应用。

关键词植物组织培养；育种；应用

中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12415-03

植物组织培养技术具有培养材料经济、培养条件可以人工控制、生产周期短和繁殖效率高等特点，广泛应用于农业生产，并对传统的植物育种方式产生了革新。目前国内外已将植物组织培养普遍应用于作物育种研究，并在单倍体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、突变育种、转基因育种以及种质资源离体保存等方面取得了较大进展。笔者分别从单位体育种、多倍体育种、远缘杂交育种、人工种子、筛选突变体、转基因育种和种质资源保存等方面对植物组织培养在育种中的应用进行了综述。

1 单倍体育种

单倍体育种是植物育种手段之一，是常规纯和育种手段的革新。即利用植物组织培养技术对植物的生殖细胞进行离体培养诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍（常用秋水仙素处理），从而获得纯和的二倍体植株。常规的纯和育种一般需要经过8～10个世代选育，而通过单倍体育种只需要一个世代基因即可达到纯和，大大缩短了育种周期[1]。

在自然界单倍体一般是通过孤雌生殖的方式产生，出现的频率极低，只有十万分之一，并没有得到广泛利用。随着单倍体在植物遗传育种领域中的重要性逐渐为人们所认知，世界各国纷纷开始了单倍体育种研究。目前，单倍体植株的获得主要是对花粉或花药和未受精的子房和胚珠进行离体培养。

1.1 花药和花粉培养

花药是植物雄性生殖器官，由2种不同倍性的细胞组成，药壁和药隔组织为二倍体细胞，雄性生殖细胞（花粉粒）为单倍体细胞。花药和花粉培养是改变花粉原来的发育途径，诱导花粉分裂增殖，形成愈伤组织，经过再分化，发育成单倍体植株[2]。

自1964年Guha和Maheshwari首次用曼陀罗的花药进行培养获得单倍体植株以来，世界各国都相继进行了花药单倍体育种研究。我国的花药培养育种研究始于1972年，在世界上处于领先地位。1974年，我国利用单倍体培育出世界上第一个作物新品种——烟草单育1号[1]。近年来，花药培养的研究十分活跃，进展也很显著。已培育出烟草、水稻、小麦、玉米和辣椒等20多个新品种，如烟草“单育1号”、水稻“单丰1号”、水稻“中花9号”和小麦“花培1号”等[3]。我国科学家朱至清设计的花药培养基N6和改良N6培养基，在国内外被广泛应用。

花药与花粉培养已与常规杂交育种、远缘杂交育种、诱变育种以及转基因育种技术相结合，发展形成了一套育种技术体系。由于花药和花粉培养的方法日趋完善，花药培养育种已成为生物技术在农作物育种中应用最广泛、最有成效的方法之一，逐渐成为作物改良和新品种培育工作的一个重要手段。

1.2 子房与胚珠培养

胚珠是种子植物的大孢子囊，是雌配子孕育的场所，直接使用子房或者从胚囊中分离出未受精的胚珠，在人工控制的条件下进行离体培养，诱导大孢子或卵细胞增殖，形成单倍体植株，与花粉单倍体植株相同，可用于单倍体育种。

虽然花粉（花药）培养是获得单倍体植株的主要途径，并广泛应用于生产，但对于花药培养诱导率过低和雄性不育的植物，要想获得单倍体植株，子房与胚珠培养是唯一可行的途径。此外，花粉植株的性状变异率较胚珠培养获得的单倍体植株高，在禾本科植物中，花粉植株试管苗玻璃化率较高，而子房和胚珠培养获得的单倍体植株试管苗玻璃化几率较低[4]。

2 多倍体培育

多倍体在自然界广泛存在，较之二倍体植株，普遍具有植株巨型化、抗逆性增强、营养成分含量增加等优势，被广泛应用于育种研究中。被子植物的胚乳是双受精的产物，属于三倍体，通过被子植物的胚乳离体培养可以获得三倍体植株，三倍体品种具有产量高、观赏性提升及不结实等优势而备受育种工作者的关注。而将三倍体植株通过染色体加倍，可以获得六倍体植株，以解决三倍体不结实的问题，并用于培育多倍体新品种。常规的三倍体是采用2n×4n有性杂交获得，但此方法选育时间长，杂交难度大，而采用胚乳作为外植体进行组织培养获得再生植株，可以有效地解决这一难题。胚乳培养研究始于20世纪30年代，并首次在苹果上获得了三倍体，随后相继在马铃薯、水稻、小麦、苹果、枣、柑橘、梨、猕猴桃等植物中获得胚乳植株。目前已有40余种植物的胚乳培养取得突破，有近20种植物成功获得了胚乳再生植株[5]。

3 培育远缘杂交品种

3.1 试管受精

在远缘杂交中，由于亲本亲缘关系较远，易发生生殖隔离的障碍，出现花粉与柱头不亲和，花粉在柱头上不能萌发，花粉管生长受抑而不能进入胚珠，花粉管在花柱中破裂等现象[6]，使受精过程不能正常进行，导致不能形成合子，这些均属于受精前生殖隔离障碍。对于上述发生在受精前的生殖隔离障碍，可以采用离体授粉技术予以克服，即通过离体培养使花粉与柱头亲和，或者使花粉不经过柱头直接与胚珠接触。离体授粉是将未受精的子房或胚珠进行离体培养，然后授以无菌的花粉，使之在试管内完成受精的技术，又称为离体受精或试管受精。试管受精技术研究始于20世纪60年代初，Dulieu等分别在烟草和金鱼草、玉米上通过离体柱头授粉获得成功；Inomata等进行了有性杂交不亲和的油菜与甘蓝的离体子房受精研究，成功获得了种间杂种植株。叶树茂等在小麦中获得成功，得到了普通小麦×黑麦草和节节小麦×普通小麦的杂种植株。

3.2 胚挽救

在远缘杂交中，虽然受精成功并形成了合子，但由于胚乳发育不正常或者杂种胚和胚乳之间生理上的不协调，易导致杂种胚在发育过程中夭折，这属于受精后的生殖隔离障碍。通过将远缘杂交获得的杂种幼胚进行离体培养，可以克服远缘杂交受精后的生殖隔离障碍，成功获得远缘杂种植株，这种应用在远缘杂交中的幼胚离体培养技术称为胚挽救，又称为胚拯救。将胚挽救与试管受精技术相结合，大大提高了远缘杂交的成功率。目前，已通过该方法获得了很多种间、甚至属间的杂种植株，扩大了杂种优势的利用范围。

3.3 原生质体培养与体细胞杂交

原生质体是指植物细胞经质壁分离后，除去细胞壁的裸露细胞组织，与完整的单细胞相比，除没有细胞壁外，其他功能与活细胞相同，并具有植物细胞的全能性。1892年Klercker

最早利用机械切割的方法分离得到原生质体，1960年英国植物生理学家Cocking首次利用纤维素酶从番茄根细胞分离得到原生质体[7]。原生质体经过分离、纯化后，进行离体培养，可以再生细胞壁，然后通过愈伤组织或胚状体途径，发育成完整植株。

原生质体最大的研究价值在于这些除去细胞壁的裸细胞没有细胞壁的束缚，无论亲缘关系如何，都具有彼此融合的能力。采用物理或者化学的方法诱导，使不同物种之间由体细胞获得的原生质体发生融合，经组织培养体系再生成完整植株，称为体细胞杂交。通过体细胞杂交，不需要进行受精过程即可获得杂种植株，因此可以有效克服远缘杂交的不亲和性，培育出更多的新品种和创造新的物种。目前已经获得40余个种间、属间和科间的体细胞杂种植株。

4 体细胞胚胎发生与人工种子