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植物组织培养的种类、优势和发展

作者:生命科学事业部时间:2019-11-10 20:31:43浏览142 次

信息摘要:

植物组织培养概念指用植物各部分组织,如形成层、薄壁组织、叶肉组织、胚乳等进行培养获得再生植株,也指在培养过程中从各器官上产生愈伤组织的培养,愈伤组织再经过再分化形成再生植物。

什么是组织培养?

植物组织培养概念(广义)又叫离体培养,指从植物体分离出符合需要的组织。器官或细胞,原生质体等,通过无菌操作,在人工控制条件下进行培养以获得再生的完整植株或生产具有经济价值的其他产品的技术。
植物组织培养概念(狭义)指用植物各部分组织,如形成层、薄壁组织、叶肉组织、胚乳等进行培养获得再生植株,也指在培养过程中从各器官上产生愈伤组织的培养,愈伤组织再经过再分化形成再生植物。

植物组织培养概念

植物组织培养的意义
植物组织培养, 严格的说来,只是没有分化的组织即细胞群的培养。它在一定的培养条件下,一直保持分生、生长的能力,但是不进行分化,除非给予一定条件的处理[3]。在广义 上讲是指在人工的操纵下,把植物体的一个器官,一种组织 或单个细胞从植物体取出后放在玻璃容器里并在供给适应营养物质的条件下,使得他们继续生存或发展的一种培养方法。

植物组织培养的方法不但在探求植物学的基本理论问题上,而是已成为一个重要的手段,而且在应用上也逐渐表现出它的大潜力。近年来植物组织和细胞培养的技术在蔬菜作物的繁殖方面获得了飞跃的发展不仅使繁殖速度可以极大地增加, 而且使不易用常规无性繁殖方法繁殖的植物,也获得了新的繁殖途径。这在一定程度上解决了通过去病毒等提 高作物产量与品质问题,也为配合育种进行新品种的培育。 提供 了新途径组织培养的研究中,发现培养细胞中含有大 量的次生物质,而且这些次生物质具有一定的药用价值。这明显地促进了药物生产,扩大了某些短缺药物的来源。同时, 减少对天然药材的过度采集,对于生态环境的平衡也具有一定 的积极影响。调味品和香料等日用化合物在近半个世纪以 来一直依靠有机化学合成。但单纯依靠化学合成的方法还 有一定的局限性。比如化学合成反应的条件往往人工达不到, 某些复杂的混合物的合成路线还未定,而且合成时伴有副产物的生成,这对于产物分离提出了更高的要求。显然,这些局限性限制了有机化学合成的应用发展。无疑,植物组织培养这 一技术的发展为获得这些有机物开辟了一条新的途径。

植物组织培养的筛选
上海路阳生物技术有限公司销售便携式荧光蛋白激发光源,能够在超净台里面筛选带有荧光蛋白标签的愈伤组织,方便快捷筛选出阳性的愈伤组织。无论是绿色荧光蛋白还是红色荧光蛋白,操作者只需佩戴专业的观察眼镜,就可以直接筛选出阳性的愈伤组织。

植物组织培养的种类
组织培养按培养对象可分为组织或愈伤培养、器官培养、植株培养、细胞和原生质体培养等。
1组织或愈伤组织培养
组织或愈伤组织培养(tissue, callus culture)为狭义的组织培养,是对植物体的各部分组织进行培养,如茎尖分生组织、形成层、木质部、韧皮部、表皮组织、胚乳组织和薄壁组织等;或对由植物器官培养产生的GFP愈伤组织进行培养,二者均通过再分化诱导形成植株。
2器官培养
器官培养(organ culture)即离体器官的培养,根据作物和需要的不同,可以包括分离茎尖、茎段、根尖、叶片、叶原基、子叶、花瓣、雄蕊、雌蕊、胚珠、胚、子房、果实等外植体的培养。

3植株培养
植株培养(plant culture)是对完整植株材料的培养,如幼苗及较大植株的培养。
4细胞培养
细胞培养(cell culture)是对由愈伤组织等进行液体振荡培养所得到的能保持较好分散性的离体单细胞或花粉单细胞或很小的细胞团的培养。
5原生质体培养
原生质体培养(protoplast culture)是用酶及物理方法除去细胞壁的原生质体的培养。

组织培养的种类

植物组培培养需要的条件 
温度: 对大多数植物组织20~28℃ 即可满足生长所需,其中26~27℃ 最适合。
光: 组织培养通常在散射光线下进行。光的影响可导致不同的结果,有些植物组织在暗处生长较好,而另一些植物组织在光亮处生长较好,但由愈伤组织分化成器官时,则每日必须要有一定时间的光照才能形成芽和根。有些次生物质的形成,光是决定性因素。
渗透压: 渗透压对植物组织的生长和分化很有关系。在培养基中添加食盐、蔗糖、甘露醇和乙二醇等物质可以调整渗透压。通常1~2个大气压可促进植物组织生长,2个大气压以上时,出现生长障碍,6个大气压时植物组织即无法生存。
酸碱度: 一般植物组织生长的最适宜ph为5~6.5 。在培养过程中pH可发生变化,加进 磷酸氢盐或二氢盐,可起稳定作用。
通气: 悬浮培养中细胞的旺盛生长必须有良好的通气条件。小量悬浮培养时常转动或振荡,可起通气和搅拌作用。大量培养中可采用专门的通气和搅拌装置。

组织培养的优势
 繁殖速度快、繁殖系数大
用试管快繁技术繁殖,可节约繁殖材料,只取原材料上的一小块组织或器官就能在短期内生产出大量市场所需的优质苗木,每年可以繁殖出几万甚至数百万的小植株,既不损伤原材料又可获得较高的经济效益。

繁殖方式多
有短枝扦插、芽增殖、原球茎、器官分化和胚状体发生。适用的品种多,据文献报道组培成功的植物种类达1500多种,能产业化生产的有几百种。特别适用于不能通过扦插繁殖植物的快速繁殖,如兰花、百合、非洲菊等等。虽然木本植物的组培比草本要难,通过科研人员的努力,已在杨树、桉树许多植物上获得成功。

繁殖后代整齐一致,能保持原有品种的优良性状
试管繁殖是一种微型的无性繁殖,它取材于同一个体的体细胞而不是性细胞,因此其后代遗传性非常一致,能保持原有品种的优良性状。对保质、保纯有着特殊作用。可获得大量的统一规格、高质量的苗木,苗木商品性好。

可获得无毒苗
采用茎尖培养的方法或结合热处理除去绝大数植物的病毒、真菌和细菌,使植株生长势强、花朵增大、色泽鲜艳、抗逆能力提高、产花数量增加。

可进行周年工厂化生产
试管快繁是在人工控制的条件下进行的集约化生产,不受自然环境中季节和恶劣天气的影响。所以不受季节限制,可以全年进行连续生产,生产效率高。从取材→接种→培养→生根→移栽,可像工厂化一样生产,所以这一技术在农业上的应用被称为是农业上的一次“革命”。对反季节生产有着特殊作用,如在夏天不耐高温的倒挂金钟、四季海棠等花卉,夏天可在培养室内进行组培苗生产,秋天进行花卉生产。

经济效益高
花卉组织培养快速繁殖由于种苗在培养瓶中生长,立体摆放,所需要的空间小,节省土地。生产可按一定的程序严格执行,生产过程可以微型化、精密化,能更大限度发挥人力、物力和财力,取得很高的生产效率,如在一个200平方米的培养室内一年可生产试管苗上百万株。如按每株1元计算,每年产值上百万元。

植物组织培养的设备与使用方法
植物组织培养是在严格的无菌条件下培养植物材料。要达到无菌操作和无菌培养,就需要人为创造无菌的环境,使用无菌的器具,同时还需要人工控制的温度、光照、湿度等培养条件。无菌环境和无菌条件的创造需要一定的254nm短波紫外线灯和其他设备,实验设备因工作的目的、具体的任务和所具有的条件而异。但大多数采用化学实验室、微生物实验室及医疗上的一些荧光蛋白标签的激发光源、紫外交联仪等器材和用具。

1. 实验室基本组成
(a)无菌操作室
在植物组织培养中,无菌操作室(clean chamber)是进行植物材料的分离及培养体转移的一个重要场所。由于植物组织培养需长时间的无菌操作,所以无菌条件的好坏对组织培养成功与否起重要作用。微生物的培养生长时间短,而植物组织培养短的一个月,长的达几年。所以,防止细菌和霉菌混入是提高工作效率和影响生产成本的关键。
无菌操作室基本要求是:干净无菌、密闭、光线好。一般安装滑动门,使空气不致流动,以防外界菌及尘埃的侵入;墙壁光滑平整,地面平坦无逢,便于清洁工作;室内安装紫外线灯,以便灭菌,还要有照明装置及灯座,以备临时增加设备之用;室内有超净工作台、移动式载物台(医用平板推车)、广口瓶、试管、三角瓶、酒精灯、接种工具等。面积根据工作性质可大可小,小的无菌操作室一般一间 5~7㎡即可。
接种室内主要安放超净工作台,分单人使用和双人同时连续作业使用两种。超净台中准备接种用的器具,如尖头小镊子、弯头小镊子、接种针、解剖刀、手术剪刀等,以及酒精灯、储存70%酒精浸泡的棉球的广口瓶等。如果进行生长点或幼胚等细小结构的分离与接种,还应当在超净工作台内放置一台小型的双目解剖镜,以便观察、解剖和分离细小的外植体。

小型离心机主要用于分离和收集液体培养中的细胞、单花粉及原生质体等,也可用来筛选处于不同发育阶段的胚状体。无菌室外更好设置预备室作为缓冲间,以防工作人员进出时带进杂菌。控温光照培养箱可以安放在缓冲间内。预备室与无菌室之间更好以玻璃相隔,便于观察和参观。在预备室可放置工作服、鞋、帽等,也需要装自来水和高强度紫外线灯

组织培养的优势

植物组织培养研究进展
早在1902年,德国植物学家哈伯兰德就曾预言,植物细胞 具有全能性。每个细胞都象胚胎细胞那样,可以经过在体外培养成为一颗完整的植株。他也曾尝试用培养植物叶片细胞来证明他的设想,结果没能成功,但他所提出的科学假说却一直指引着许多植物学者去攀登并的高峰。1936年前后, 法国科学家高特里特和诺比考特几乎同时培养了胡萝卜根的小块组织, 并使 细胞增殖获得成功。美国科学家怀特用烟草的基段形成层为材料还成功地进行了组织培养和继代培养,他们的工作为植物组织和细胞培养技术的发展奠定了基础。

斯图尔德的胡萝卜研究工作,为组织培养这一领域打开了新的局面。他用液体的悬浮培养法把胡萝卜的体细胞经胚状 体途径培养成了植株,并且开花结实。这项重大的突破,不但证实了哈泊兰德的“细胞全能性”的设想,而且也为组织培养中研究器官建成和胚胎发生开创了一个新的领域。

从五十年代以来,组织培养技术日新月异,由静止的固体培养发展到液体培养,其中又分悬浮培养、微室培养、看护培养、平板培养等等。特别是六十年代初科金等人用真菌的纤维素酶分离植物原生质成功,为近年来新发展的原生质体融合细胞杂交工作的迅速开展创造了条件。组织和细胞培养的研究,不但促进了对植物激素的研究工作,并且带动了形态、细胞、生理、生化、遗传育种、林业、医药等一系列学科的进展。

早在 30 年代初,我国两位已故的教授罗宋洛和李继侗就已经是远东植物组织培养的先驱者。罗宋洛教授研究离体根尖培养的适宜条件,李继侗教授发现了胚乳提出物对离体胚发育的促进作用。从三十年代以来,我国的组织培养工 作一直都在不断的研究之中,到现在为止,植物组织培养的研究工作已经取得了相当大的进展,而且我国的专家还将继续在这一领域里努力钻研[2]。
用组织培养得到的离体无性系可以加快繁殖植物并使之脱病毒复状。由于这种技术的无菌操作条件,因此可以有效地大量扩增没有病毒感染的植物品系。例如苹果如被病毒感染后一般要减产14 %一45 %,而且品质恶化后不耐储藏。如采用无毒化与快速繁殖,有的试验从一个茎尖一年中可以得到2万株以上种苗,减少大量损失, 目前已推广3万亩以上。现在已有以下几大类植物实现了利用组织培养来繁殖后代的情况。

1.观赏植物
很多种具有观赏性的植物已成功地得到了无性系繁殖, 而且范围也日益扩增。通过人工无性系繁殖,便具有观赏性 的植物如菊花大量上市,繁荣了我国的花市。现已作过植物组织培养的观赏性植物主要有:甜叶菊、袖珍、月季、大丽花、 满天星、中国水仙、倒挂金钟叶、香马兰、百合、金桔、君 马兰、白兰花、雪松、海棠、郁金香、吊兰、腊梅、 巴 西铁树、大绣球、虎叶海棠、大花茉莉等。

2.经济植物
经济作物中有些植物用种子繁殖,它们后代便会出现各种变异,不能保持原来品种的特性,因此有时需要采用无性繁殖。经济作物中包括蔬菜、果树、油料作物、林木和许多可食用的作物都已进行了组织培养,有的已应用于生产实践之 中。使用组织培养这一技术来进行无性繁殖,克服了常规繁殖 的许多弊端,避免了病毒感染,挽救了稀有和面临灭绝危机的物种,并大大加快了繁殖的速度。这方面的工作国内学者已 经做了很多研究。在繁殖蔬菜作物的研究工作中,主要针对 茄科[9]、伞形科、十字花科、葫芦科、豆科、菊科、百合科、 石蒜科、襄荷科做了广泛的研究工作,例如襄荷科的生姜病 害虽有些是土壤感染的,但无性繁殖的母株经组织培养除去病原菌,亦可减少损失心。

3.药用植物
药用植物由于野生资源少,栽培技术等问题,有的尚待开发, 有的供不应求。估计目前短缺的药用植物至少不下1 0 种。应用植物组织培养生产药用植物可不受客观外在条件的限制,便于进行代谢调控和工厂化生产。同时组织培养中的细胞生长速度要比植物正常生长的速度快,接近于分生组织的生长速度等有利条件。例如金线连是一种小型兰花,有名的药用植物,整个植物都可入药,可用来治疗肺病、糖尿病、高血压等许多病,新鲜植物可以卖到每公斤150美元。它通常生长于海拔60 0 ~800的森林覆盖地,但野生的逐渐消失。因此可以利用组织培养进行繁殖,通常采用的方式有两种:
(1)种子萌发:成熟及未成熟种子在人工培养基上萌发,不 同植物通过人工授粉得到植物种子,一个周期约需5 0一60d。
(2)茎培养:将带有至少一个茎节的茎段进行体外培养可 以得到新的植物,培养于2 5一27 ℃,照光16h,4周继代一次, 可扩增一倍 (L: u等,1987)。这几年来文献报道的已通过组织培养繁殖的药用植物有:红花、平贝母、党参、半夏、川芳、 桔梗、拘祀、唐昌浦、玄参、红豆草、小苍兰、紫云英、落蓝、银杏等。

组织培养的展望

组织培养的展望
近年来,植物组织培养的研究发展得如此之快,并取得 了巨大的进步,使得科学理论和科学实践应用都从中受益匪浅,并且带动了其它学科的飞速发展。植物组织培养的方法不 断提高的同时也更加拓宽了植物组织培养的应用范围。它有助于育种学家提高育种的多样性,改变了单纯依靠常规无性繁殖而无法进行繁殖的面貌。对于许多农作物及园艺植物, 组织培养能加速种子和种苗的繁殖,有利于提高农业产量和农作物的品质。植物组织培养的研究对于药物生产的这一领域也具有着举足轻重的作用,它能在人工控制的条件下加快药物生产的时间、含量并且大大减少了单纯依靠天然植物的被动性,并在一定程度上维护了生态平衡系统、保护短缺、稀有、濒临灭绝的物种。植物组织培养这一研究领域有着广阔的前景和潜力, 相信在不久的将来,植物组织培养这一技术将更加深入地渗透到人们的生产、生活和科研领域之中。但 是,由于植物组织培养仍存在着一定的局限性,这必将阻碍了这一领域的发展,例如细胞培养中细胞变异非常普遍高产细 胞株的遗传稳定性是非常重要的,然而目前还没有有效的方 法保持其遗传稳定性。不过,在不久的将来 一定会克服植物组织培养技术发展中所遇到的困难,使组织培养一技术日趋完善。


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