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2018年1月19日 星期五

丁酉(鸡)年十二月初三

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  在人工培养基上离体培养植物的器官组织或细胞和原生质体并使其生长、增殖、分化以及再生植株的技术。组织培养是植物学研究的一种重要方法,也是植物生物技术的组成部分。
  发展简史 1839年德国学者T.A.H.施万就指出,如果提供适宜的外界条件,多细胞有机体的每一个细胞都能独立地发育。1901年美国遗传学家T.H.摩尔根第一次用全能性一词来表示生物细胞独立发育的能力。植物细胞全能性是指植物细胞在离开机体后可以在适宜条件下再生为完整的植株。1934年美国学者P.R.怀特第一次实现了离体根在人工培养液中的无限生长。1946年中国学者罗士韦培养菟丝子茎尖并观察到花的形成。20世纪50年代法国R.H.韦特莫尔和G.莫雷尔从只带有1~2个叶原基的茎尖获得再生的无病毒植株,并将这一方法用于经济植物的快速繁殖。1939年P.R.怀特和法国学者R.J.戈特雷分别从胡萝卜和烟草的形成层组织,诱导出一种设有特定形态结构和功能的组织,即愈伤组织,并发现生长素(吲哚乙酸)是诱导愈伤组织形成和维持其连续生长的关键因素。以后植物组织培养学家的注意力便集中于如何控制愈伤组织的器官发生和胚胎发生。
  1948年, 美国学者F.斯科格和中国学者崔澂发现在培养基中添加腺嘌呤可促使烟草愈伤组织产生不定芽,从而提出了特定的化学物质可以诱导器官发生的观点。1955年,同一实验室的C.O.米勒等发现了诱导芽形成效率更高的一种腺嘌呤衍生物──激动素,后来其他研究者发现了另外几种细胞分裂素。由于结合使用了生长素和细胞分裂素,植物组织培养学家不仅能够有效地诱导各种植物的各种器官产生愈伤组织,而且能使培养的植物组织实现根和芽的分化,再生完整植株,迄今已得到植株再生的植物种类接近千种。
  关于植物离体胚发生的研究,自从1925年德国F.莱巴赫将未成熟的亚麻属种间杂种胚培养成植株以来,人们一直想找出能够影响离体胚发育的活性物质。1934年,中国植物学家李继侗最先注意到银杏的胚乳提取物能明显促进人工培养的银杏胚的生长和发育。7年以后J.van奥弗贝克发现椰子乳(未成熟椰子的液体胚乳)对未成熟的曼陀罗胚的离体发育具有更加明显的促进作用。由于椰子乳容易取得,使用方便,后来被广泛用作培养基中的一种添加物。1958年美国学者F.C.斯图尔德用含椰子乳的液体培养基培养胡萝卜的细胞,使之长成胚状体和小植株,首次用实验证明了植物细胞的全能性。这一实验也使人们想到在椰子乳中可能存在一种能够诱导胚发生的物质──“胚胎因子”,但一直未能分离出这种物质。现在已能使百余种植物的组织或细胞在离体培养条件下形成胚状体。
  1960年,K.贝格曼用平板法得到单细胞无性系(由单个细胞发育成的再生植株),为现代的单细胞突变体筛选奠定了基础。同年库金用纤维素酶除去细胞壁,制备出大量的原生质体并开始进行原生质体培养。1971年,田中等首次从烟草原生质体培养出植株。1972年,A.J.卡尔森通过原生质体的融合得到了烟草属种间的细胞杂种,开辟了体细胞杂交这一新领域。1964年,S.古哈和S.C.马赫什瓦里用花药培养的方法使曼陀罗的未熟花粉发育为单倍体植株。20世纪70年代,中国学者欧阳俊闻、朱至清、胡含、王敬驹、孙敬三等得到了小麦、小黑麦、杨树等许多经济植物的花粉植株,并首先用这种方法来选育农作物新品种。在这一时期,传统的茎尖培养和组织培养技术也广泛地用于快速繁殖各种花卉和林木,出现了工厂化育苗的新兴产业。
  诱导胚发生的因素不止一个,植物本身的特性、培养基的营养组成和激素平衡以及外界的物理条件等,都会影响离体细胞的胚发生。80年代中期,有人提出离体胚发生是由特定的基因控制的,外部因素通过对这些基因的表达的调节来影响胚状体的发育。
  培养技术 使离体的器官、组织和细胞能够生长、增殖和分化的主要技术措施有:
  外植体的消毒和接种 从植株切下的用于组织培养的器官或组织片称外植体。它必须是无菌的,通常用次氯酸钠或升汞溶液等消毒剂对培养的植物材料进行表面消毒,然后在无菌的条件下,例如在超净工作台中,将材料切割成大小适宜的外植体,然后种植到培养基上。
  培养基 组织培养的基质。由细胞生长发育所必需的各种无机盐(大量的微量元素)、有机营养物(氨基酸和糖类)、生物活性物质(维生素类)、植物生长调节物质(生长素、细胞分裂素、赤霉素等)、天然提取物(椰子乳和酵母提取物等)和水所组成。也可在培养基中加入琼脂使之成为凝胶态的固体培养基。培养基的成分随培养物和培养目的的不同可作适当的调整。除了培养基的化学成分外,还应考虑物理因素,特别是培养基的渗透压。过高或过低的渗透压都会使植物细胞受害乃至死亡。有时培养基中还加入甘露醇、山梨醇等作为专门的渗透剂来提高培养基的渗透压。配制好的培养基需经过热压消毒或过滤消毒方可使用。
  培养方式 不同的目的,采用不同的培养方式。①固体培养:将器官或组织置于固体培养基上培养。②平板培养:将细胞或原生质包埋在固体培养基中,在培养皿中做成平板进行培养。③液体培养:有 3种方式:浸没在培养液中放置不动的静止培养;将器官或组织(例如花药)漂浮在液体表面的漂浮培养;将装有培养液和培养物的培养器置于摇床或转床上的悬浮培养。为了在显微镜下观察和追踪细胞的生长和分裂,可将细胞或原生质体接种在培养板的微室中进行微室培养,也可将含细胞的液滴滴在盖玻片上,倒扣在凹玻片上进行悬滴培养。④滋助培养:将一张滤纸放在培养的愈伤组织上,在滤纸上接种培养物,利用愈伤组织的分泌物来滋助被培养的细胞。⑤发酵培养:为了工厂化生产,在发酵罐或生物反应器中大量培养植物细胞。⑥固相化细胞培养:把植物细胞粘附在一种支持物上,放置在生物反应器中,在流动的培养液中进行培养。
  培养条件 培养物生长和发育需要适当的温度、光照(或黑暗)和湿度。最适宜的温度因植物种类而异,一般为25~30℃。光照强度因培养的目的而改变,光线的质量(波长)和光周期会影响细胞分化和形态建成,有时也需加以调整。对湿度的要求相对不严格。通常专门设计可以控制光线和温度的培养室,小规模的组织培养可以在人工培养箱或人工气候箱内进行。
  应用 植物学基础理论研究 在严格控制的条件下,植物细胞或组织培养物可以作为一种实验系统,研究细胞的分裂、生长和分化,组织和器官的建成以及在这些过程中发生的生理和生物化学变化。例如,用同步分裂的培养细胞来测定细胞周期中每一阶段的生物化学变化,用愈伤组织系统来研究各种激素对组织和器官发生的作用以及用原生质体系统来观察细胞壁再生时细胞骨架所起的作用等。组织培养物也是体细胞遗传变异的理想实验材料,可以从它们得到各种类型的单细胞无性系,进行细胞遗传学分子遗传学分析。此外原生质体培养物,还是研究植物病毒感染和病理学的良好实验材料。
  植物快速繁殖 也叫微繁殖。主要是利用器官、组织和细胞培养的方法快速、大量生产有经济价值的试管苗,然后移入温室或苗圃栽培,供应市场需要。如采用茎尖培养方法还可去除植物中所带的病毒,大量生产无毒苗,改善苗木的质量,提高经济产量。在马铃薯、兰花和草莓等植物上已用此方法进行工厂化育苗。
  植物品种改良 植物组织培养技术已渗透到传统植物育种的每个环节,也是现代植物遗传工程的一个组成部分。利用幼胚培养技术可以克服杂种不育,得到在自然条件下得不到的种间或属间杂种。在品种间杂交中采用花药培养方法可以控制杂种分离,提高选择效率,大大缩短育种周期。利用组织培养中出现的自发变异和诱发变异能够筛选出许多优质、抗病和抗逆的新品种。在进行基因工程时,必须以原生质体或悬浮培养的细胞体作为外源基因的受体,在导入基因后再通过细胞培养将它们培养成转化了的再生植株,创造出新的品系。
  细胞大量培养 在植物细胞悬浮培养的基础上,可以在发酵罐或生物反应器中大量培养经济植物的细胞,从培养液或细胞中分离有关的代谢次生产物,如苷类、生物碱、色素和辅酶等,摆脱对农业和植物原料的依赖,用工业方式生产植物化学产物。

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更新时间 : 2009-05-13

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