植物組織培養(yǎng)技術在園林植物育種中的應用進展

邵煜 李璐

[摘要]組織培養(yǎng)作為常用技術在園林植物育種中發(fā)揮了重要的作用。通過對組織培養(yǎng)技術在園林植物育種中研究現(xiàn)狀進行了全面綜述，并對未來應用前景進行展望，以期為今后園林植物育種工作提供更多的參考。

[關鍵詞]組織培養(yǎng);園林植物;生物育種

[中圖分類號]S603[文獻標識碼]A

植物組織培養(yǎng)（Plant tissue culture），簡稱植物組培，即通過體外無菌操作，分離植物細胞、組織或器官等植物體的一部分，配合一定營養(yǎng)及生長調節(jié)劑，通過控制合適的光照、溫度等因素實現(xiàn)植株再生或快速繁殖。植物組織培養(yǎng)最早源自于1902年，由德國科學院的植物生理學家Gottlieb Haberlandt提出的可以由單細胞誘導培養(yǎng)重獲完整個體的可能性假說。隨后，逐步發(fā)展起來了以莖、葉、根尖、胚芽、形成層等組織器官誘導獲得新植株的技術。組培技術的本質就是利用細胞全能性。理論上，來源于同一個體的所有細胞均具有相同的遺傳信息，通過誘導脫分化，可以重新分化成各種器官和完整植株。從上個世紀30年代開始到目前為止，組培技術已經(jīng)逐步完善，已成功在包含番茄、大麗花、蘭花、煙草等上千種植物中應用。

隨著組培技術的廣泛應用，該技術不僅可以有效用于植物脫毒，防止品種的退化，也能通過無性繁殖的方式短時間內(nèi)獲得大量性狀穩(wěn)定的植株，因此為經(jīng)濟作物商業(yè)化推廣提供了有力的技術保障，同時也為瀕危珍稀物種的保護做出了巨大貢獻。隨后發(fā)展起來的基于組培系統(tǒng)構建的遺傳轉化系統(tǒng)在基因功能的研究和分子育種方面發(fā)揮了極其重要的作用。

園林植物在城市綠化、生活環(huán)境改善等方面發(fā)揮了不可或缺的作用。隨著社會的快速發(fā)展，一方面由于環(huán)境破壞造成的生物多樣性的喪失問題日趨嚴重，另一方面人們對生活品質的追求則日益增加。因此如何開發(fā)挖掘并培育更多新奇園林植物品種以滿足人們的需求，已成為解決這一矛盾的關鍵，因此組培技術未來還有極為廣闊的前景。盡管組培技術在園林植物中應用廣泛，但目前尚缺少全面系統(tǒng)的文章對其總結。本文通過大量文獻檢索，對現(xiàn)有常見園林植物的組培現(xiàn)狀進行了綜述，以期為相關研究人員全面了解該領域研究現(xiàn)狀提供參考，也為今后相關園林植物育種提供借鑒。

1 園林植物組培技術常規(guī)手段

植物組培過程相對比較固定，一般包含外植體的選擇、外植體消毒、誘導培養(yǎng)、增殖培養(yǎng)、生根培養(yǎng)、煉苗、移栽等階段，園林植物組培也基本都遵守此步驟進行。盡管過程看似簡單，但實際操作中每一步都需要根據(jù)不同材料進行相應調整與優(yōu)化。由于物種間的差異，基本不存在統(tǒng)一的培養(yǎng)配方。已有研究表明，不同科屬，甚至同一屬下不同種之間，適用的外植體材料、消毒的方法，以及培養(yǎng)基中激素類型與濃度都存在一定的差異。

根據(jù)現(xiàn)有的成功經(jīng)驗，外植體材料選擇和誘導培養(yǎng)是影響園林植物組培成敗的兩個關鍵環(huán)節(jié)。外植體的選擇一般選取幼嫩的葉片、芽或莖段，針對一些表皮毛較多的外植體，前期通常需要添加洗滌精進行浸泡，然后自來水沖洗，以充分去除表面殘留的細菌。而對于一些過于嫩脆的特殊材料，常規(guī)消毒極易造成材料壞死的情況，一般會選擇用種子，經(jīng)消毒后播種在無菌培養(yǎng)基中，待長出無菌小苗后，選取其葉片或莖段作為外植體，如此可以大大提高成功率。

誘導培養(yǎng)通常是決定組培成敗的瓶頸。誘導培養(yǎng)基一般是在基本培養(yǎng)基中添加不同類型和一定濃度的生長調節(jié)劑?；九囵B(yǎng)基比較固定，通常為MS（Murashige & Skoog），但也有少數(shù)植物使用了其他基本培養(yǎng)基，如杜鵑花科植物，除了MS外，針對不同的品種還分別使用了Aderson、WPM（woody plant medium）及Read 培養(yǎng)基。而在一些特殊植物類群中，如蘭花，普遍需要在基本培養(yǎng)基中添加天然提取物如蛋白胨、胡蘿卜汁、番茄汁、牛肉膏、土豆勻漿、椰子汁、香蕉勻漿等。生長調節(jié)劑主要包括生長素和細胞分裂素兩大類。常用的細胞分裂類主要包含 6-BA（6-Benzylaminopurine，6-芐氨基嘌呤）、2，4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）、ZT（Zeatin，玉米素）、KT（Kinetin，激動素）、TDZ（Thidiazuron， 噻苯隆），2iP（6-（g，g-dimethylallylamino purine），N6異戊烯基腺嘌呤），生長素類主要有NAA（1-Naphthyl acetic acid，1-萘乙酸）、IBA（3-indolebutyric acid，4-（indol-3-yl） butyric acid，吲哚丁酸）、IAA（indole-3-acetic acid，吲哚-3-乙酸）。其中6-BA與NAA使用頻率最高，大多數(shù)的園林植物僅使用這二種生長調節(jié)劑便可以成功誘導分化出愈傷組織或直接成苗。2-iP 和 TDZ近幾年也應用于杜鵑組織培養(yǎng)中，而在木犀科植物中TDZ的使用頻率也較高。一旦外植體被成功誘導，后續(xù)的增殖及生根等培養(yǎng)則相對容易。

2 園林草本花卉育種研究進展

組培技術在草本植物的應用較為廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前至少有上千種草本植物已經(jīng)成功建立組培體系，對于一些名貴及商品化的花卉品種，研究就更加深入。蘭科（orchidaceae）植物、報春花（Primula malacoides）、長壽花（Kalanchoe blossfeldiana）、大巖桐（Sinningia speciosa）、倒掛金鐘（Fuchsia hybrida）、風信子（Hyacinthus orientalis）、雞冠花（Celosia cristata）、金魚草（Antirrhinum majus）、三色堇（Viola tricolor）、繡球花（Hoya carnosa）、胭脂花（Primula maximowiczii）、酢漿草（Oxalis corniculata）、天南星科（Araceae）植物以及世界五大鮮切花（香石竹（Dianthus caryophyllus）、月季（Rosa hybrida）、郁金香（Tulipa gesneriana）、菊花（Dendranthema morifolium）、非洲菊（Gerbera hybrida））等上百種常見的園藝觀賞花卉組培體系已經(jīng)相當成熟。以下選擇有代表性的幾個重要科屬植物進行介紹：

2.1 蘭科

蘭科植物（蘭花）在我國具有悠久的培育歷史。蘭花素而不艷，高品質的蘭花更是稀缺而昂貴。由于蘭花種子胚小無子葉提供營養(yǎng)，無法通過常規(guī)的種子繁殖，因此傳統(tǒng)的蘭花繁育方式主要通過分株或野外采集，遠遠達不到商品化的需求。組培技術完美解決了這一難題。目前常見的幾種蘭花，如蝴蝶蘭（Phalaenopsis aphrodite）、春蘭（Cymbidium goeringii）、蕙蘭（Cymbidium faberi）、石斛蘭（Dendrobium spp）、建蘭（Cymbidium ensifolium）、文心蘭（Oncidium hybridum）、蓮瓣蘭（Cymbidium tortisepalum）、火焰蘭（Renanthera imschootiana）、萬代蘭（Vanda coerulea）、卡特蘭（Cattleya hybrida）、金線蓮（Anoectochilus roxburghii）、鶴頂蘭（Phaius tankervilleae）、香子蘭（Vanilla fragrans）、竹葉蘭（Arundina graminifolia）、指甲蘭（Aerides falcata）等均建立了成熟組培體系。

2.2 報春花科

報春花屬（Primula）是報春花科中觀賞價值較高的屬，該屬植物大多早春開花，花色豐富艷麗，被列于世界三大高山花卉和中國三大天然名花之一。截至目前，已經(jīng)有翠南報春（P. sieboldii）、報春花（P. malacoides）、小報春（P. forbesii）、鄂報春（P. obconica）等至少16種以上的報春花屬植物已建立組培體系。

2.3 百合科

百合科（Liliaceae）全球有280屬、4000種，我國有62屬600種，分布遍及全國各地。該科很多類群具有較高的觀賞價值。百合（Lilium brownii）、郁金香（Tulipa gesneriana）、風信子（Hyacinthus orientalis）便是其典型代表。研究表明，目前至少有50種以上百合科植物已建立組培體系，其中百合、玉簪（Hosta plantaginea）、郁金香、蘆薈（Aloe vera）、萬年青（Rohdea Roth）等已經(jīng)建立了工廠化繁殖體系，相比之下，無葉蓮屬（Petrosavia）、白絲草屬（Chionographis）等植物組培技術還不夠完善。

3 園林木本育種研究進展

與草本相比，木本植物由于木質化的外植體誘導能力相對較差，此外很多種類在培養(yǎng)過程中容易出現(xiàn)褐化，生長周期也普遍比較長，因此組培成功的數(shù)量總體上較草本的要少。盡管如此，目前在一些重要的木本園林植物如木蘭科（Magnoliaceae）、槭樹科（Aceraceae）、懸鈴木科（Platanaceae）、山茶科（Theaceae）、薔薇科（Rosaceae）、蘇木科（Caesalpiniaceae）、木犀科 （Oleaceae ）、杜鵑花科（Ericaceae）等科屬植物上還是有了突破。

3.1 木蘭科

木蘭科植物廣泛利用有木蘭屬（Magnolia）、含笑屬（Michelia）和木蓮屬（Manglietia），由于其觀賞價值較高、適應性強，受到越來越多的重視，在城市園林綠化中應用越來越廣泛。目前已經(jīng)有鵝掌楸（Liriodendron chinense）、深山含笑（Michelia maudiae）、醉香含笑（M. macclurei）、紫花含笑（M. crassipes）、紅花山玉蘭（Magnolia delavayi 'Rubra'）、白玉蘭（Michelia alba）等多個種的組培體系。

3.2 槭樹科

槭樹科槭屬大多數(shù)種類極具觀賞價值，是溫帶最重要的觀賞樹木，也是國外重要的行道樹種。全世界槭樹植物有199種，我國是槭樹種類最多的國家，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)155余種。槭樹獨樹一幟，形態(tài)優(yōu)美，葉色豐富多彩，古往今來一直是世界聞名的觀賞植物，歷代文人墨客對其青睞有佳，描繪的詩文也屢見不鮮。目前已有血皮槭（Acer griseum）、挪威槭（A.platanoides）、紅翅槭（A.fabri）、拿大紅楓（A.rubrum）、茶條槭（A.ginnala）等多種槭樹科植物被報道。

3.3 木犀科

木犀科植物全球約有29屬600余種，廣布于溫帶、亞熱帶及熱帶地區(qū)。中國有12屬200種左右，南北各省區(qū)都有分布。該科植物有不少種類為觀賞樹。目前通過對該科的桂花（Osmanthus fragrans）、對節(jié)白蠟（Fraxinus hupehensis）、連翹（Forsythia suspensa）、紫丁香（Syringa oblata）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、雪柳（Fontanesia fortunei）、絨毛白蠟（Fraxinus velutina）、貫葉連翹（Hypericum perforatum）等植物的帶芽莖段的組培材料均得到了各自的再生植株。

3.4 杜鵑花科

杜鵑花科共50屬，約1300種，主產(chǎn)南非和中國西南及西部，中國有14屬，718種。其中杜鵑花屬900多種，我國約530種。杜鵑花屬植物有著非常廣泛的應用，可用于園林庭院種植，也可盆栽供屋前或廳室內(nèi)美化等。目前已建立完善組培體系的有高山杜鵑（Rhododendron lapponicum）、喇叭杜鵑（R.discolor）、大白杜鵑（R.decorum）和美容杜鵑（R.calophytum）、牛皮杜鵑（R.aureum）、毛葉杜鵑（R.radendum）、大白杜鵑（R.decorum）、大萼杜鵑（R.megacalyx）、西洋杜鵑（R.hybridum）、紅楓杜鵑（R.hybride）、春夏鵑（R. imsii）、映山紅（R. pulchrum）、迎紅杜鵑（R. mucronulatum）等。

4 小結與展望

植物組培從上世紀初起步發(fā)展到現(xiàn)在，歷時一個多世紀，已經(jīng)取得了豐碩的成果。組培技術的成功不僅從理論上證實了細胞全能性的存在，推動了整個植物學科的進步，同時也為植物的繁育保護與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展掀開了嶄新的一頁。該技術使植物繁殖不再完全依賴于空間、季節(jié)等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必需的條件，短時間內(nèi)可培育出大量的種苗，加快了園林觀賞植物的商業(yè)化進程，促進了園林產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)階段組培已經(jīng)應用十分廣泛，技術也不斷完善成熟，在處于當前自然環(huán)境惡化所帶來的物種消亡加快的歷史時期，該技術將在珍稀瀕危植物的搶救性保育等方面煥發(fā)出新的生機。此外，隨著遺傳學、分子生物學等學科的快速進步，以定向改良為目標的基因編輯等生物科技手段不斷完善，培育更優(yōu)良的園藝品種已經(jīng)成為未來的一大趨勢，因此依賴于組培的遺傳轉化系統(tǒng)需求也顯得極為迫切。相信在不久的將來，組培技術在園林植物方面還將迎來新的春天。

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