淺談植物組織培養(yǎng)技術(shù)及應(yīng)用

那 倩 韓 琳

（沈陽(yáng)工學(xué)院 遼寧撫順 113122）

組織培養(yǎng)技術(shù)是現(xiàn)代高技術(shù)之中最重要的、最活躍的技術(shù)之一，它不僅是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，還是應(yīng)用最廣泛的生物技術(shù)，被稱為農(nóng)業(yè)發(fā)展史上的第四次綠色革命，對(duì)解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)資源等重大問(wèn)題，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 植物組織培養(yǎng)技術(shù)

植物組織培養(yǎng)技術(shù)漸漸進(jìn)入人們的視野，通過(guò)不斷開(kāi)發(fā)探索，一些新的技術(shù)和方法的提出，為組織培養(yǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，給技術(shù)優(yōu)化也提供了上升的空間。植物組織培養(yǎng)技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)育種上，讓許多傳統(tǒng)方法上的難題都得到了解決，與其他技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了很大的市場(chǎng)空間和經(jīng)濟(jì)的提升。通過(guò)該技術(shù)還能解決中藥材緊缺、作物育種、生物合成等問(wèn)題，推動(dòng)我國(guó)資源的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1.1 植物組織培養(yǎng)技術(shù)的定義

植物組織培養(yǎng)技術(shù)是指，在無(wú)菌操作條件下，將體外器官（如原生質(zhì)體、莖段、莖）的組織和細(xì)胞或是植物器官放置在一個(gè)合適的培養(yǎng)環(huán)境，連續(xù)培養(yǎng)獲得相關(guān)細(xì)胞的技術(shù)手段。

1.2 植物組織培養(yǎng)條件

首先為避免微生物入侵，愈傷組織的培養(yǎng)環(huán)境必須是無(wú)菌的，并且要保證幼芽和莖尖、新的葉原基生長(zhǎng)點(diǎn)的嫩尖，不受病毒感染。其次新的植株可以由細(xì)胞組織分化得到，但分化的水平不論高低，植物細(xì)胞的全能性不變。接種后，培養(yǎng)室內(nèi)器官與愈傷組織分化時(shí)，每日都必須有一定的光照才可以形成根以及芽,一般在光照下溫度需保持在30 ℃左右。還有一點(diǎn)是，一般植物組織生長(zhǎng)最適宜的pH為5～6.5。

1.3 植物組織培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn)

植物組培的明顯優(yōu)勢(shì)主要有：培養(yǎng)周期短；子代一致保持了親本原有的優(yōu)良品質(zhì)；防止優(yōu)良品系的退化；優(yōu)質(zhì)品種快速選育，快速應(yīng)用；可以獲得無(wú)病毒苗；節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本；節(jié)約耕地，提高商品出品率。

1.4 培養(yǎng)基成分

培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分為無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)（大量元素、微量元素、鐵鹽、鉀鹽、銨鹽）、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)（維生素、糖類、氨基酸）、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、乙烯）、固化劑（瓊脂）和其他成分（活性炭、硝酸鹽、酵母提取液、天然椰子汁）。常用的培養(yǎng)基有MS、MSⅡ、MSⅢ、B5、N6和馬鈴薯培養(yǎng)基等。

2 植物組織培養(yǎng)技術(shù)在育種上的應(yīng)用

2.1 單倍體育種

單倍體植株常常不能夠結(jié)實(shí)，在培養(yǎng)時(shí)用秋水仙素或低溫誘導(dǎo)處理，會(huì)讓染色體加倍成為純合的二倍體植株的技術(shù)[2]。單倍體育種最先是來(lái)自曼陀羅花，意大利植物學(xué)家第一次用曼陀羅花藥獲得了單倍體的植株，加倍純合形成純合品系。單倍體花藥育種就變成了植物育種的新方法，單倍體育種具有快速、高效、基因型一次純合的優(yōu)勢(shì)。例如，選用之前的回交手段培育出一個(gè)新的水稻品種需要五年的時(shí)間，如果利用花藥離體單倍體育種，可以明顯地縮短育種時(shí)間，還可以使需要的基因型能夠穩(wěn)定遺傳。單倍體育種克服了遠(yuǎn)緣雜交不育性，使基因頻率加快，還可以減少人力物力，節(jié)約土地資源。單倍體育種引起了各國(guó)的重視，對(duì)它的研究工作，已先后在水稻、小麥、玉米、藥用植物中獲得單倍體植株?，F(xiàn)已培育出許多禾本科糧食作物的新品種。

2.2 體細(xì)胞雜交育種

美國(guó)科學(xué)家使用細(xì)胞融合技術(shù)，把馬鈴薯和番茄細(xì)胞融合在一起，培育出新型植物，稱為番茄薯。還有一些間體細(xì)胞雜種植物，如煙草和大豆、芥菜和油菜、龍葵和煙草等，為遠(yuǎn)緣雜交育種開(kāi)辟了新途徑。該技術(shù)在轉(zhuǎn)移胞質(zhì)雄性的不育特性、獲得抗病和抗除草性等方面都有進(jìn)展，還為克服遠(yuǎn)緣雜交的障礙提供了新的技術(shù)手段。

2.3 人工種子

種子主要是指植物離體培養(yǎng)過(guò)程中的胚狀體，包裹在具有保護(hù)特性和營(yíng)養(yǎng)的人工種皮與胚乳中還可以發(fā)芽出苗的粒狀體。人工種子具有體積小、易貯存及運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)播種時(shí)間和環(huán)境沒(méi)有具體的限制，是一種可以直接進(jìn)入播種狀態(tài)的種質(zhì)資源。在播種階段進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的操作，有利于人工種子播種的效率化。另外，人工種子結(jié)構(gòu)完善，且數(shù)量比一般植物種子多，繁殖速度很快，能充分滿足那些自交不親和、繁殖繁育周期長(zhǎng)的植物的生長(zhǎng)要求，已成為繁殖無(wú)病種苗的主要材料。

3 植物組織培養(yǎng)技術(shù)在中藥上的應(yīng)用

3.1 生產(chǎn)藥用植物

通過(guò)該技術(shù)可以生產(chǎn)出一些活性物質(zhì)，可以使一些有醫(yī)學(xué)價(jià)值的植物得到保護(hù)，還可以保護(hù)一些瀕臨滅絕的植物。不定根培養(yǎng)和毛狀根培養(yǎng)為藥用植物細(xì)胞提供了許多植物次級(jí)代謝產(chǎn)物，現(xiàn)階段培養(yǎng)規(guī)模正在漸漸擴(kuò)大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，組培生產(chǎn)的一些次級(jí)代謝產(chǎn)物將近一萬(wàn)多種，有六百多種的活性物質(zhì)直接由組培技術(shù)提供，為了滿足目前的需求量，保護(hù)植物藥用資源，現(xiàn)已有一百種毛狀根已經(jīng)被開(kāi)發(fā)。為滿足人參、三七、甘草和許多藥用植物的市場(chǎng)需求量，目前已經(jīng)制定了不同的不定根培養(yǎng)體系。

3.2 道地藥材研究

道地本藥材的研究是基于調(diào)控的基礎(chǔ)之上，如基因的表達(dá)、功能的表達(dá)大多是在組織中進(jìn)行，也可在細(xì)胞中，因?yàn)榻M織和細(xì)胞的培育時(shí)間較短，材料容易獲得。

3.3 遺傳多樣性分析

為了讓植物的基因都相同，保證植株的質(zhì)量，用來(lái)檢測(cè)遺傳基因變化的有3 種：簡(jiǎn)單重復(fù)序列、隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA、相關(guān)序列擴(kuò)增生態(tài)性。在吊燈花屬快繁的研究進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)，在植株的直接芽器官發(fā)生和間接芽器官發(fā)生，與母本植物的基因穩(wěn)定性來(lái)作比較，發(fā)現(xiàn)用簡(jiǎn)單重復(fù)序列和隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA方法，直接芽器官發(fā)生的基因和母本植物是相似的。

3.4 生物合成

在基因組學(xué)的研究基礎(chǔ)上，在細(xì)胞中生成有效生物物質(zhì)，物質(zhì)中的成分作為合成路徑，完成藥用中有效成分的快速組成來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物生產(chǎn)和藥品開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。利用生物技術(shù)生產(chǎn)活性成分有很多優(yōu)勢(shì)，比如繁殖時(shí)間比較短、品質(zhì)安穩(wěn)、生產(chǎn)準(zhǔn)則規(guī)范化等。生物合成技術(shù)廣泛應(yīng)用于青蒿素、丹參酮、紫杉醇、人參皂苷等生物合成研究中，推動(dòng)中藥資源利用的可持續(xù)發(fā)展。

4 植物組織培養(yǎng)技術(shù)存在的問(wèn)題

近年來(lái)，植物組織培養(yǎng)技術(shù)從應(yīng)用于農(nóng)作物栽培、農(nóng)作物生產(chǎn)、花卉生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)植物的幼苗、脫毒苗，逐漸向自動(dòng)化、規(guī)?；⒖刂苹较虬l(fā)展，不受自然影響。雖然在理論方面的研究比較成熟，但在試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。

4.1 褐變

植物的基因型、外植體取材的不同狀態(tài)、外植體的培養(yǎng)條件以及培養(yǎng)基的狀態(tài)均對(duì)組織的褐變有影響。植物體內(nèi)一些物質(zhì)合成量的區(qū)別是由于植物的基因造成的，如在一些木本植物中，色素比例占得多的植物比色素比例低的更容易產(chǎn)生褐變，單寧比例高的植物會(huì)比單寧比例低的更容易產(chǎn)生褐變，還有一些酚類化合物占比多的植物也會(huì)導(dǎo)致褐變的產(chǎn)生，所以木本植物比草本植物更容易褐變，老葉會(huì)比幼葉取材材料褐變情況更嚴(yán)重。外植體的大小與褐化的程度也有關(guān)系，一般小的材料比大的材料更容易發(fā)生褐化。還有一些環(huán)境條件，如光照、溫度等，在正常陽(yáng)光照射下，植株體內(nèi)酶活性高，外植體易褐變，黑暗條件下則相反。溫度對(duì)組織褐變也有影響，溫度與植物體內(nèi)酶的活性直接相關(guān)，低溫會(huì)降低酶的活性，抑制酚類化合物形成，從而抑制褐變。為了降低褐化的程度，可以適當(dāng)增加培養(yǎng)基的硬度。在初代培養(yǎng)基時(shí)無(wú)機(jī)鹽的濃度過(guò)高，會(huì)引起酚類物質(zhì)的外溢，使褐變程度加重。

在植物組織培養(yǎng)中，褐變發(fā)生的情況是多個(gè)影響因素一起產(chǎn)生的結(jié)果，從外植體來(lái)看，外植體材料的基因型，取材材料的部位、時(shí)期、大小都會(huì)引起褐變；從培養(yǎng)基來(lái)看，無(wú)機(jī)鹽，生長(zhǎng)激素濃度、硬度，一些化學(xué)添加劑和培養(yǎng)條件等都會(huì)影響褐變的發(fā)生。不同物種間的基因型褐變存在著差異。

4.2 污染

在培養(yǎng)過(guò)程中，污染是不可避免的。引起污染的原因有很多，比如儀器、工作環(huán)境、培養(yǎng)基的滅菌、操作不規(guī)范等。周圍的環(huán)境條件、操作不慎等這些因素可通過(guò)完善周圍環(huán)境、嚴(yán)格操作來(lái)控制[3]。但如果培養(yǎng)基材料出現(xiàn)污染，可能是外植體帶菌或滅菌不徹底等因素造成的，就得從外植體選擇、消毒等方面來(lái)考慮，取材時(shí)盡量選擇春季生長(zhǎng)旺盛時(shí)，取嫩梢為主，可以根據(jù)不同的取材部位進(jìn)行不同程度的消毒，還可以適量加些抗生素，盡量使污染降到最低。

4.3 玻璃化

葉片縱卷、角質(zhì)層蠟質(zhì)缺少、生理狀態(tài)失調(diào)、苗含水高、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)少、存活率低都是玻璃化苗的表現(xiàn)，影響因素包括培養(yǎng)環(huán)境和外植體材料種類。光照時(shí)間長(zhǎng)就會(huì)加劇試管苗的玻璃化，低溫能夠防止玻璃化苗的形成。濕度也影響玻璃化苗的形成，濕度升高容易出現(xiàn)玻璃化。不同植物都會(huì)有不同程度的玻璃化，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞分化受到抑制，木質(zhì)素合成受阻。

通過(guò)對(duì)引起褐變、污染、玻璃化等的因素進(jìn)行研究，有學(xué)者提出無(wú)糖組織培養(yǎng)技術(shù)，對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行改善可以解決一些問(wèn)題。近幾年發(fā)展新的組織培養(yǎng)技術(shù)，為今后一些領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5 展望

目前，作為一種新興技術(shù)，植物組織培養(yǎng)為其他相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步研究與發(fā)展提供了更有效的途徑。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)將在工、農(nóng)、醫(yī)等各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，不斷滲入人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)論在理論上還是實(shí)踐應(yīng)用上，植物組織培養(yǎng)無(wú)疑將會(huì)使植物器官、組織、細(xì)胞培養(yǎng)的技術(shù)與方法，無(wú)性系快速繁殖，無(wú)病毒苗生產(chǎn)，新品種的創(chuàng)造和培育，突變體的選擇和利用，次級(jí)代謝物生產(chǎn)，以及人工種子技術(shù)更加成熟。但植物組織培養(yǎng)技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，如再生誘導(dǎo)率低、變異度高等，如何解決這些問(wèn)題將成為今后研究的重心。但不可否認(rèn)的是，植物組織培養(yǎng)必將成為今后生產(chǎn)中所使用的重要手段。