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中国组培网网络教程之植物组织培养概论

发布时间：2010-10-07

一、植物组织培养的概念和重要性
植物组织培养（plant tissue culture）是把离体的器官、组织或细胞，在营养基质上进行无菌培养的一种方法，用控制培养基成分及其它环境因素的办法，使培养体定向地生长、分化与发育形成完整植株的过程。根据培养的对象不同，组织培养可分为器官培养、组织培养、胚胎培养、细胞培养和原生质体培养等。根据培养过程，将从植物体上分离下来的部分进行第一次培养，称初代培养（primary culture），以后将培养物转移到新的培养基上继续培养，则统称继代培养（subculture）。根据培养基物理状态，把加入琼脂使培养基呈固体状态的培养，称固体培养（solid culture）；不加入琼脂而培养基呈流体状态的培养，称液体培养（liquid culture）。组织培养的优越性在于：可以在不受植物体其他部分干扰的情况下研究被培养部分（这部分称为外植体，explant）的生长和分化的规律。
组织培养是植物生物技术的主要分支之一。组织培养在理论上是研究细胞学、遗传学、育种学、生物化学和药物学等学科的重要手段；在生产上在农学、园艺、林业和次生代嗖物工程等生产领域得到广泛应用。由此可见，组织培养无论在理论研究还是在生产实践都是十分重要的。
基于植物组织培养的重要性，我国农林院校和生物类专业大多开设植物组织培养课程或把这些内容并入另一实验课内；作为第二课堂，一些中学也开展植物组织培养活动；一些农业科研单位也进行植物组织培养工作，因此，植物组织培养工作遍及全国各地。
二、植物组织培养的发展历史
根据细胞学说，德国植物学家Haberlandt于1902年提出细胞全能性概念，认为离体培养的植物细胞具有通过胚胎发生过程而发育成完整植株的潜在能力。为了证实这一点，他用叶肉细胞、髓细胞等进行离体培养。由于取材及技术上的原因，并未获得成功。但他的观点却鼓舞后人继续探索和追求。White在1939年报道了由烟草种间杂种幼茎切段的形成层组织，进行了类似组织培养，获得成功并能继代培养，他提出植物细胞全能性学说。20世纪40年代末50年代初，Skoog等人进行烟草髓培养诱导根、芽器官，获得成功。1958年美国Steward等和德国Reinert等分别由培养的胡萝卜根细胞诱导形成了胚状体，形成新植株。这一过程与胡萝卜的受精卵形成合子胚的发育极为相似。这就是用实验证明植物细胞的全能性。我国李继侗等曾作银杏离体胚培养、发现其胚乳提取物能促进离体胚生长。罗士韦是我国植物组织培养研究的开拓者和奠基人之一。在30年代即开创离体根培养，随着又进行幼胚和茎尖培隆＝夥藕螅特别在70年代以后，身体力行，指导植物组织培养技术的推广工作，取得了很大的成效。近二三十年，我国植物组织培养研究工作取得很大的成就，例如，从花药诱导出许多优良的水稻、小麦、烟草等品种，在花药培养和单倍体育种上，一直处于国际先进水平。又如，应用快速轮臣际酰繁殖出大量优良的甘蔗、香蕉、波萝、杨树、桉树和花卉种苗，对农业、林业生产做出较大的贡献。发展简史如下：
1838-1839年，德国科学家Schleide 和Schwann发表了细胞学说，奠定了组织培养的理论基础。
1902年，德国植物学家Haberlandt 根据细胞学说，提出单个细胞的植物细胞全能性（totipotency）理论。
1904年，Hanning 最先成功地培养了萝卜和辣根菜的胚。
1922年，Knudson 采用胚培养法获得大量兰花幼苗。
1934年，White 用番茄根尖建立起第一个活跃生长的无性繁殖系，从而使非胚器官的培养首先获得成功。
1958年，英国科z家Steward 等用胡萝卜根的愈伤组织细胞进行悬浮培养，成功诱导出胚状体并分化为完整的小植株，不但使细胞全能性理论得到证实，而且为组织培养的技术程序奠定了基础。
1962年，Murashinge 和Skoog 在烟草培养中筛选出至今仍被z泛使用的MS培养基。
1964-1966年，印度科学家Guha 和Maheswari 在曼陀罗花药培养中首次由花粉诱导得到了单倍体植株。
1972年，Carlson 通过两个种的烟草原生质体融合培养，获得z第一个体细胞杂交的杂种植株。
三、植物组织培养的应用领域
1、快速繁殖运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株。例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰z一年繁殖到400万株。
2、种苗脱毒针对病毒对农作物造成的严重危害，通过组织培养可以有效地培育出大量的无病毒种苗。已经取得成功的有马铃薯、草莓、香蕉、葡萄等等。
3、远缘z交利用组织培养可以使难度很大的远缘杂交取得成功，从而育成一些罕见的新物种。比如辽宁果树研究所利用这种方法获得苹果与梨的杂交种。
4、突变育种采用组织培养可以直接诱变和筛选出具抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白等优良性状的品种。象中国林科院用逐步加大培养基中盐的浓度，直接获得耐盐的杨树株系。
5、基因工程基因工程主要研究DNA的转导，而基因转导后必须通过组织培养途径才能实现植株再生。
6、生物制品有些极其昂贵的生物制品，如抗癌首选药物--紫杉醇等，可以用大规模培养植物细胞来直接生产。近年国内在红豆杉组织培养中获得生长量高达0.49gFW/（gFW•d）的细胞系，每升细胞培养物中紫杉醇的产量可达0.25mg。
四、植物组织培养的特点
组织培养的特点是：取材少，培养材料经济；人为控制培养条件，不受自然条件影响；生长周期短，繁殖率高；管理方便，利于自动化控制。
1、培养条件可以人为控制
组织培养采用的植物材料完全是在人为提供的培养基质和小气候环境条件下进行生长，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，便于稳定地进行周年培养生产。
2、生长周期短，繁殖率高
植物组织培养是由于人为控制培养条件，根据不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培养条件，因此生长较快。另外，植株也比较小，往往20―30d为一个周期。n以，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优质种苗或脱病毒种苗。
3、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，既利于高度集约化和高密度工厂化生产，也利于自动化控制生产。它是未来农业工厂化育苗的发展方向。它与盆栽、田间栽培等相比省去了中耕除草、浇水施肥、防治病虫害等一系列繁杂劳动，可以大大节省人力、物力及田间种植所需要的土地。

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