植物组织培养的基础理论和基本知识

任务一　植物组织培养的基础理论和基本知识

一、植物组织培养的概念和类型

（一）植物组织培养的概念

植物组织培养（plant tissue culture）是指在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞或原生质体，培养在人工配制的培养基（medium）上，人为控制适宜的培养条件，使其生长、分化、增殖，发育成完整植株或生产次生代谢物质的过程和技术。由于植物组织培养是在脱离植物母体条件下的试管内进行的，所以也称为离体培养（in vitro culture）或试管培养（test tube culture）。凡是用于离体培养的材料（器官、组织、细胞、原生质体等）统称为外植体（explant）。

原生质体（protoplast）是细胞的主要组成部分，指细胞壁以内各种结构的总称，包括细胞膜、细胞质与细胞核。

（二）植物组织培养的类型

植物组织培养有很多种分类方法，根据不同分类的依据可以分为不同类型。其中，比较常用的分类方法是根据培养材料将植物组织培养分为以下6个培养类型：植株培养、胚胎培养、器官培养、组织培养、细胞培养和原生质体培养。

（1）植株培养（plant culture）：是对完整植株材料的无菌培养。植株培养一般多以种子为材料的无菌培养，如春兰诱导种子萌发成苗。

（2）胚胎培养（embryo culture）：指从胚珠中分离出来的成熟或未成熟胚为外植体的离体无菌培养。

（3）器官培养（organ culture）：指以植物的根（根尖、根段）、茎（茎尖、茎段）、叶（叶原基、叶片、叶柄）、花器（花瓣、雄蕊）、果实、种子为外植体的离体无菌培养。

（4）组织培养（tissue culture）：指以分离出植物各部位的组织（如分生组织、形成层、表皮、皮层、薄壁组织等）或已诱导的愈伤组织为外植体的离体无菌培养，也是狭义的组织培养。

（5）细胞培养（cell culture）：指对植物体的单个细胞或较小细胞团的离体无菌培养，获得单细胞无性繁殖系。

（6）原生质体培养（protoplast culture）：指以除去细胞壁的原生质体为外植体的离体无菌培养。通过原生质体融合即体细胞杂交，能够获得种间杂种或新品种。

根据培养基状态将植物组织培养分为3个培养类型：固体培养（在培养基内加入琼脂）、半固体培养和液体培养（也叫悬浮培养）。液体培养又分为静止培养、振荡培养（培养过程中，将培养基和外植体放入振荡器中振荡而完成的培养过程，主要应用于组织培养和细胞培养）、旋转培养（培养过程中，将培养基和外植体放入摇床旋转而完成的培养过程，主要应用于器官脱分化培养）和纸桥培养（培养过程中，在培养基中放入滤纸，再将材料置于滤纸上而进行的培养过程，主要应用于植物脱毒茎尖培养）4种类型。

根据培养方法可将植物组织培养分为4个培养类型：平板培养（将制备好的单细胞悬浮液，按照一定的细胞密度，接种在1 mm左右的薄层固体培养基上进行培养）、微室培养（人工制造一个小室，将单细胞培养在小室中的少量培养基上，使其分裂增殖形成细胞团的方法）、悬浮培养（将单个游离细胞或小细胞团悬浮在液体培养基中进行增殖培养的方法）和单细胞培养（在离体条件下对植物单个细胞进行增殖培养的方法）。

根据培养过程可将植物组织培养分为2个培养类型：初代培养（Primary culture，将植物体上分离下来的外植体进行最初培养的过程）和继代培养（Subculture，由于营养物质的枯竭、水分的散失以及一些组织代谢产物的积累，将初代培养诱导产生的培养物重新分割，转移到新鲜培养基上继续进行培养的过程称为继代培养，也称增殖培养，一般每隔4～6周进行一次继代培养）。

根据培养基的作用可将植物组织培养分为3个培养类型：诱导培养、增殖培养和生根培养。

根据培养目的可将植物组织培养分为4个培养类型：脱毒培养、微体快繁、试管育种和试管嫁接。

根据培养条件（培养过程是否需要光照）可将植物组织培养分为2个培养类型：光培养和暗培养。

二、植物组织培养的原理及过程

（一）植物组织培养的原理

植物组织培养的原理就是植物细胞具有全能性。细胞全能性（cell totipotency）是指植物体的每一个细胞都携带有一套完整的基因组，并具有发育成为完整植株的潜在能力，细胞的这种特性叫作细胞全能性。

细胞具有这种潜能是因为每个细胞都包含了这个物种所特有的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。

对于植物细胞来说，不仅受精卵具有全能性，体细胞也具有全能性。植物细胞表达全能性大小顺序为受精卵＞生殖细胞＞体细胞。

植物生长调节物质是植物组织培养中的关键性物质，其中应用最多的是生长素类（IAA，诱导愈伤组织形成、诱导生根）和细胞分裂素类（CTK，诱导生芽）。已有实验表明赤霉素（GA）类物质可以促进已分化芽的伸长生长，而脱落酸（ABA）和乙烯（ETH）在实际应用中极少。

（二）植物组织培养的过程

植物组织培养的过程如图1-1所示。

图1-1完全展示了整个植物组织培养的过程，下面分别介绍组培过程中的几个关键性概念：

（1）脱分化（dedifferentiation）：又叫去分化，是指在一定条件下，已分化成熟细胞或静止细胞脱离原状态而恢复到分生状态的过程，即形成愈伤组织的过程。

（2）愈伤组织（callus）：指外植体在培养一段时间以后，通过细胞分裂，形成的一团无定形、高度液泡化、具有分生能力而无特定功能的薄壁组织，如图1-2所示。

图1-1　植物组织培养过程图

图1-2　愈伤组织

（3）再分化（redifferentiation）：是指在一定的条件下，植物的成熟细胞经历了脱分化形成愈伤组织后，由愈伤组织再形成完整植株的过程。

（4）试管苗（test-tube plantlet）：是指外植体在试管容器中经无菌培养所得到的植物种苗，如图1-3所示。

图1-3　试管苗

三、植物组织培养的特点

植物组织培养是20世纪发展起来的一门新技术，由于科学技术的进步，尤其是外源激素的应用，使植物组织培养不仅从理论上为相关学科提供了可靠的实验证据，而且一跃成为一种大规模、批量工厂化生产种苗的新方法，并在生产上越来越得到广泛的应用。植物组织培养之所以发展迅速、应用广泛，是由于其具备以下几个特点。

（一）培养材料的来源广

由于植物细胞具有全能性，单个细胞、小块组织、茎尖或茎段等经过离体培养均可再生成完整的植株。在实际生产中，多以茎尖、茎段、根、叶片、子叶、下胚轴、花瓣、花药等器官或组织作为外植体，并且所需材料只需几毫米，甚至不到1 mm。如果用细胞或原生质体培养时，所需材料更小。由于取材较少，培养效果较好，对于新品种的推广和良种复壮更新，尤其是对名、优、特、新、奇品种的保存、利用与开发，都有很高的应用价值和重要的实践意义。

（二）培养条件可以人为控制，可连续周年试验或生产

植物组织培养采用的植物材料完全是在人为提供的培养基和小气候环境条件（温度、光照、湿度等环境条件完全可人为控制）下进行生长，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响，且条件均一，对植物生长极为有利，便于连续、稳定地进行周年试验或生产。

（三）生长周期短，繁殖速度快

植物组织培养由于人为控制培养条件，可根据不同植物、不同器官、不同组织的不同要求而提供不同的培养条件，来满足其快速生长的要求，缩短培养周期。植株也比较小，一般20～30 d就完成一个繁殖周期，每一个繁殖周期可增殖几倍到几十倍，甚至上百倍，植物材料以几何级数增加。

植物组织培养在良种苗木及优质脱毒种苗的快速繁殖方面也是其他方法无可比拟的。虽然植物组织培养需要一定设备及能源消耗，但由于植物材料能按几何级数繁殖生产，故总体来说成本低廉，且能及时提供规格一致的良种苗木及优质脱毒种苗。一些珍稀繁殖材料往往以单株的形式存在，单单依靠常规无性繁殖方法，需要几年或几十年才能繁殖出为数不多的苗木，而用植物组织培养的方法可在1～2年内生产上百万株整齐一致的优质种苗。比如取非洲紫罗兰的1枚叶片进行培养，经3个月培养就可得到5 000株苗。

（四）管理方便，利于工厂化生产和自动化控制

植物组织培养是在一定的场所和环境下，人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件，进行高度集约化、高密度的科学培养生产，可比盆栽、田间栽培繁殖省去中耕除草、施肥浇水、病虫害防治等一系列繁杂的劳动，大大节省了人力、物力及田间种植所需要的土地，并可通过仪器仪表进行自动化控制，有利于工厂化生产。植物组织培养是未来农业工厂化育苗的发展方向。