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植物组织培养的应用现状
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发布时间：2007-03-05
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摘要 本文系统介绍了植物组织培养的基本概念以及植物组织培养在植物育种、脱毒和快速繁殖、有用产物(次生代谢产生)生产、种质资源保存和交换及其在遗传、生理、生化和病理研究上的应用现状。
关键词 植物 组织培养 应用现状
自哈布兰特(G.Haberlandt)提出细胞全能性理论在无数科学家的努力下以及进行离体培养以来，经过80多年的历程，才使这项技术趋于完善，趋于成熟。近40年来，植物组织培养技术得到了迅速发展，已渗透到植物生理学、病理学、药学、遗传学、育种以及生物化学等各个研究领域，成为生物学科中的重要研究技术和手段之一。并广泛应用于农业、林业、工业、医药业等多种行业，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当代生物科学中最有生命力的一门学科。
1 植物组织培养的基本概念
植物组织培养是指在无菌条件下，将离体的植物器官(如根尖、茎尖、叶、花、未成熟的果实、种子等)、组织(如形成层、花药组织、胚乳、皮层等)、细胞 (如体细胞、生殖细胞等)、胚胎(如成熟和未成熟的胚)、原生质体(如脱壁后仍具有生活力的原生质体)，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱发产生愈伤组织，或潜伏芽等，或长成完整的植株，统称为植物组织培养。由于是在试管内培养，而且培养的是脱离植物母体的培养物，因此也称离体培养和试管培养，根据外植体来源和培养对象的不同，又分为植株培养、胚胎培养、器官培养、组织培养、原生质体培养等。
2 植物组织培养的应用现状
2.1 在植物育种上的应用
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)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，并已开始育成大面积种植的作物新品种。在单倍体育种方面，我国科学家做出了突出贡献。1974年就育成了世界上第一个作物新品种--单育1号烟草品种。随后又育成了中花8号水稻和京花1号、京单92-2097小麦等面积栽培的作物新品种，还获得了多种作物的大量花培新品系。河南省在花培育种方面卓有成效，培育出了花培28、花配 2321、峡麦1号、豫麦1号、豫麦37号、花9、花特早、豫麦60号等优良品种(系)，已累计推广700多万亩，在全国名列前茅。
(2)胚胎培养在植物种间杂交或远缘杂交中，杂交不孕给远缘杂交带来了许多困难。而采用胚的早期离体培养可以使胚正常发育并成功地培养出杂交后代，可以通过无性系繁殖获得数量较多、性状一致的群体，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。
(3)细胞融合通过原生质体融合，可部分克服有性杂交不亲和性，而获得体细胞杂种，从而创造新种或育成优良品种，这是组织培养应用最诱人的一个方面，目前已获得40余个种间、属间、甚至科间的体细胞杂种、愈伤组织，有些还进而分化成苗。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。
(4)基因工程用基因工程的方法，把目标基因切割下来并通过载体使外来基因整合进植物的基因组是完全有可能的，这项研究如果获得成功，将克服作物育种中的盲目性，而变成按人们的需要操纵作物的遗传变异，育成优良品种，目前这项研究刚刚起步，加上植物的遗传背景比原核生物更为复杂，因此，要用基因工程实现作物改良，以增加产量和改善品质，将是21世纪需要解决的一个问题。
(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，用这种方法已筛选到抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白、矮秆高产的突变体，有些已用于生产。
2.2 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。很多农用物都带有病毒，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。目前组织培养在甘蔗、菠萝、香蕉、草莓等主要经济作物上已成功应用。取用的外植体已不仅限茎尖，其他如侧芽、鳞片、叶片、球茎、根等都可以应用。
由于组织培养法繁殖作物的突出特点是快速，因此，对一些繁殖系数低、不能用种子繁殖的“名、优、特、新、奇”作物品种的繁殖，意义更大。对于脱毒苗、新育成、新引进、稀缺育种、优良单株、濒危植物和基因工程植株等可通过离体快速繁殖，同时可不受地区、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薯和种苗。马铃薯茎类脱毒、无毒种苗和微型脱毒种薯已在马铃薯生产上广泛应用，从根本上解决了马铃薯的退化问题。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。
2.3 在植物有用产物上的应用
利用组织或细胞的大规模培养，有可能生产出人类所需要的一切天然有机化合物，如蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱及其他活性化合物。因此，近年来这一领域已引起人们的极大兴趣，许多产业部门纷纷投资进行研究。目前，大约已有20多种植物的培养组织中有效物质高于原植物，国际上已获得这方面专利100多项。近年来，用单细胞培养生产蛋白质，将给饲料和食品工业提供广阔的原料生产前途；用组织培养方法生产微生物以及人工不能合成的药物或有效成分的研究，正在不断深入，有些已投入工业化生产，预计今后将有更大发展。
2.4 在植物种质资源保存和交换上的应用
农业生产是在现有种质资源的基础上进行的，由于自然灾害和生物之间的竞争以及人类活动对大自然的影响，已有相当数量的植物物种在地球上消失或正在消失。具有独特遗传性状的生物物种的绝迹是一种不可挽回的损失。利用植物组织和细胞法低温保存种质，可大大节约人力、物力和土地，同时也便于种质资源的交换和转移，防止有害病虫的人为传播，给保存和抢救有用基因带来了希望。例如胡萝卜和烟草等植物的细胞悬浮物，在-20℃至-196℃的低温下贮藏数月，尚能恢复生长，再生成植株。
2.5 在遗传、生理、生化和病理研究上的应用
组织培养推动了植物遗传、生理、生化和病理学的研究，已成为植物科学研究中的常规方法。花药和花粉培养获得的单倍体和纯合二倍体植株，是研究细胞遗传的极好材料。在细胞培养中很容易引起变异和染色体变化，从而可得到作物的附加系、代换系和易位系等新类型，为研究染色工程开辟新途径。
细胞培养和组织培养为研究植物生理活动提供了一种极有力的手段。植物组织培养工作曾在矿质营养、有机营养、生长活性物质等方面开展了很多研究，有益于了解植物的营养问题。用单细胞培养研究植物的光合代谢是非常理想的，近年来，光自养培养研究也是十分有效的。在细胞的生物合成研究中，细胞组织培养也极为有用，如查明了烟碱在烟草中的部位等。细胞培养为研究病理学提供了方便，如植株的抗病性就可以单细胞或原生质体培养进行鉴定，几天之内就可以得到结果。
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