植物組織培養(yǎng)基中添加蔗糖的原因

高中生物的質(zhì)壁分離實驗中，用的分離劑是蔗糖溶液，能使成熟的植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離，但因為蔗糖不能進入植物細胞內(nèi)，故不能自動復(fù)原；而在植物組織培養(yǎng)時，培養(yǎng)基里要加入蔗糖，難道就不會發(fā)生質(zhì)壁分離嗎?那么植物組織培養(yǎng)時植物細胞如何吸收利用蔗糖?

植物組織培養(yǎng)的初期(即再分化之前)，用于培養(yǎng)的外植體(用于培養(yǎng)的離體的植物組織、器官或細胞)基本上不能進行光合作用，需要在培養(yǎng)基中添加一些碳水化合物以供植物正常生活的需要。培養(yǎng)基中的碳水化合物通常是蔗糖，蔗糖除作為培養(yǎng)基內(nèi)的碳源和能源物質(zhì)外，對維持培養(yǎng)基的滲透壓也起重要作用。

蔗糖能進入植物細胞被利用嗎?早在20世紀40年代，有人曾做過這樣的實驗：將標記的蔗糖溶液直接噴灑到葉表面，剝?nèi)ヒ恍∑~表皮或角質(zhì)層，蔗糖溶液就能進入細胞，這與外植體從培養(yǎng)基中吸收蔗糖極其相似；研究人員在葉片的韌皮部發(fā)現(xiàn)了一系列蔗糖運輸載體，包括菠菜蔗糖載體、馬鈴薯蔗糖載體StSUT1、車前草蔗糖-H⁺共運輸載體PmSUC2和2個擬南芥蔗糖運輸載體suc1和suc2；另有學(xué)者證明：在0.3g／mL(相當于30％)蔗糖溶液中，植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離后可自動復(fù)原；另外在植物體內(nèi)的莖和葉中都能夠合成蔗糖，是光合作用的主要產(chǎn)物之一，并且可以向其他部位運輸轉(zhuǎn)移，也是植物體內(nèi)運輸?shù)闹饕问剑贿@些實驗都充分表明了植物細胞可以吸收蔗糖(而在高中一般是說蔗糖分子不能進入細胞的)。

蔗糖分子是通過次級主動運輸形式直接被植物細胞吸收。次級主動運輸是細胞利用初級主動運輸?shù)腁TP酶或質(zhì)子泵建立的質(zhì)子梯度進行的物質(zhì)運輸，并非直接利用ATP水解釋放的能量。經(jīng)科學(xué)家研究，其吸收過程大致如下：質(zhì)子泵將質(zhì)子泵出細胞，胞外形成較高的質(zhì)子濃度，建立起細胞內(nèi)外的濃度梯度，這樣，胞外的質(zhì)子順著濃度梯度趨向于向胞內(nèi)擴散。細胞膜上的特殊載體(蔗糖一質(zhì)子同向共運輸載體)除運輸質(zhì)子外，連同蔗糖一起轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，這是一種蔗糖一質(zhì)子同向共運輸。

植物組織培養(yǎng)中之所以以蔗糖作為碳源，主要有三個方面的原因：首先，同樣作為碳源為植物細胞提供能量來源，蔗糖較葡萄糖能更好地調(diào)節(jié)培養(yǎng)基內(nèi)的滲透壓。配制相同質(zhì)量分數(shù)的培養(yǎng)基，蔗糖形成的滲透壓要明顯低于葡萄糖，因此若采用葡萄糖作為碳源，易使植物細胞脫水而生長不良。同時，植物細胞吸收蔗糖的速率要明顯慢于吸收葡萄糖的速率，所以蔗糖形成的滲透壓可相對長期的保持穩(wěn)定。其次，植物組織培養(yǎng)過程中，要時刻注意防止培養(yǎng)基受到微生物的污染。微生物生長所需的碳源最常用的是葡萄糖，一般很少利用蔗糖。因此，采用蔗糖作為培養(yǎng)基的碳源，可一定程度上減少微生物的污染。再次，誘導(dǎo)作用，在培養(yǎng)基成分中，增加生長素的濃度，導(dǎo)致木質(zhì)部形成，增加蔗糖濃度則導(dǎo)致韌皮部形成。當生長素水平恒定時，2％蔗糖使分化出的全部是木質(zhì)部，4％蔗糖使分化出的幾乎全部是韌皮部，3％蔗糖則可以分化出兩者。所以，生長素和蔗糖濃度決定愈傷組織中維管束的類型與數(shù)量。因此，在植物組培中要選用蔗糖而不選用葡萄糖。

植物組織培養(yǎng)中，培養(yǎng)基中的蔗糖濃度較低的，一般為3％～10％，而質(zhì)壁分離中的蔗糖濃度為30％，可見兩者濃度差距之大，質(zhì)壁分離由于時間短，吸收速度緩慢，細胞吸收的量很少，而不是不能吸收，不足以對細胞液滲透壓造成影響，才會出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象。因而只要濃度不是過高，時間又足夠長，那么蔗糖就可以進入植物細胞內(nèi)而被植物利用。同時植物體內(nèi)有蔗糖轉(zhuǎn)化酶，可以吸收和利用蔗糖，而且轉(zhuǎn)化酶在高等植物蔗糖代謝中起著關(guān)鍵的作用，研究表明，轉(zhuǎn)化酶參與植物的生長、器官建成、糖分運輸?shù)榷囗椆δ埽虼嗽谥参锱囵B(yǎng)基中加蔗糖。