植物組織培養(yǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展研究

陳 霞

（莆田市城廂區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，福建 莆田 351100）

植物組織培養(yǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展研究

陳 霞

（莆田市城廂區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，福建 莆田 351100）

植物組織培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用原理是通過細(xì)胞的全能性培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)植株再生的目標(biāo)，由于其具備保存種質(zhì)資源、克服雜交不親和及快速繁殖的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。主要探討了植物組織培養(yǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展。

植物組織培養(yǎng)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；應(yīng)用進(jìn)展

植物組織培養(yǎng)的原理是基于植物生理學(xué)，通過無菌培養(yǎng)的方式完成植物再生。植物組織培養(yǎng)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一項(xiàng)新型的生物技術(shù)，在培養(yǎng)植物的過程中，其主要是根據(jù)植物細(xì)胞全能性的基本理論，并采用人工培養(yǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)離體部分的組織、植物原生質(zhì)體、器官及細(xì)胞再生長(zhǎng)。因而植物組織培養(yǎng)也可以說是長(zhǎng)成完整植株的過程。因此，可以選擇一個(gè)容易觀察的角度，采用組織培養(yǎng)措施，分析外界因素對(duì)細(xì)胞、器官、組織、植物原生質(zhì)體的生長(zhǎng)、繁殖及分化的影響，為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠性的依據(jù)。

1 在植物育種上的應(yīng)用

1.1 種質(zhì)資源保存

植物種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺失的一部分。然而受到自然條件、自然災(zāi)害與人為活動(dòng)的影響，植物種質(zhì)資源消失的數(shù)量不斷增加，有一些植物種類現(xiàn)有的數(shù)量非常稀少，接近瀕危狀態(tài)。尤其是一些具有特殊遺傳性特征的珍貴物種幾乎已經(jīng)滅絕了，其產(chǎn)生的損失很難再挽回。通過保存種子的方式保存被子植物，其種子的生活力會(huì)隨著保存時(shí)間的推移越來越弱，當(dāng)種子生活力處在微弱階段時(shí)，其受到病蟲害侵?jǐn)_的可能性會(huì)大大增加。在獲得植物雜交種子后，種子的形狀存在明顯的分離特征，其遺傳也存在多種不穩(wěn)定的因素。

還有一些植物沒有種子，而采用栽培繁殖方式保存，需要應(yīng)用大量的財(cái)力、人力及物力才能保證其生活力與遺傳穩(wěn)定性，會(huì)進(jìn)一步增加植物育種的成本。而采用組織培養(yǎng)方式來保存上述內(nèi)容中提到的植物種質(zhì)，即在無菌條件下，將植物中的細(xì)胞與組織分離出來，再將植物的離體部分放在超低溫或低溫的環(huán)境下保存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保存種質(zhì)資源的目標(biāo)。同時(shí)，離體種質(zhì)資源的保存可以在常溫環(huán)境下進(jìn)行，同樣可以達(dá)到長(zhǎng)期保存種質(zhì)資源的目的。如在溫度為4℃的黑暗環(huán)境下，草莓莖（培養(yǎng)物）的生活力可以維持在6年左右的水平狀態(tài)，在這期間，相關(guān)的植物培養(yǎng)技術(shù)人員只需要每隔90 d在其培養(yǎng)物中加入一些養(yǎng)料。此外，還有一些植物可以通過超低溫的保存方式維持其生活力，將這種保存方式簡(jiǎn)稱為冷凍保存。冷凍保存主要是在-196℃的超低溫液態(tài)氮條件下，改變植物生長(zhǎng)細(xì)胞代謝的狀態(tài)，使其處于基本停滯的狀態(tài)，這種保存方式可以有效地避免種質(zhì)資源材料的基因出現(xiàn)變異現(xiàn)象。

植物組織培養(yǎng)技術(shù)程序簡(jiǎn)單、操作難度低、成本投入少，尤其是在保存無性繁殖植物方面，其優(yōu)勢(shì)更加的明顯。無性繁殖植物的體細(xì)胞與莖尖分生組織在經(jīng)過超低溫離體的保存后，進(jìn)一步地提高了空間的利用率，同時(shí)還可以有效地防止病蟲害侵襲。在一定的條件下，可以增加植物繁殖的效率，為植物遺傳特性的穩(wěn)定奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

1.2 原生質(zhì)體培養(yǎng)與體細(xì)胞獲得

在加入原生質(zhì)體后，不僅可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的常規(guī)育種有性雜交不親和的問題，而且可以獲得新的細(xì)胞、組織與體細(xì)胞雜種，這也是植物組織培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)之一[1]。現(xiàn)階段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，通過原生質(zhì)體融合技術(shù)成功獲得體細(xì)胞雜種的作物有芥菜、油菜、水稻、大麥、茄子、番茄、馬鈴薯。我國(guó)最早開始研究原生質(zhì)體培養(yǎng)與體細(xì)胞雜交的時(shí)間是1972年，到現(xiàn)在已有40多年的歷史，有將近60種植物的離體培養(yǎng)獲得了成功，并獲得再生植株。在研究的過程中，越來越多新的自我體細(xì)胞雜種出現(xiàn)在植物再生與培養(yǎng)的過程中，其中有一部分經(jīng)濟(jì)類植物自身的有性生殖能力很低，甚至沒有有性生殖能力，這些植物對(duì)原生質(zhì)體培養(yǎng)與體細(xì)胞的研究具有重要的意義。

1.3 培育無病毒苗

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，大部分的植物都會(huì)遭受病毒的為害，只是為害程度各不同。有些種類的植物會(huì)同時(shí)受到多種病毒病的為害，給產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值帶來極大的影響。無性繁殖作為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一項(xiàng)重要的繁殖技術(shù)，其繁殖成功的很多作物在受到病毒侵染后，會(huì)代代相傳，植物體內(nèi)的病毒濃度也會(huì)隨著時(shí)間的積累越來越高，直至給植物的正常生長(zhǎng)與成活構(gòu)成極大的威脅，甚至還有可能會(huì)成為束縛農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的因素，如菊花、風(fēng)信子、月季、唐菖蒲、秋海棠、馬鈴薯、洋蔥、菊芋、石刁柏等，都是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)利用無性繁殖技術(shù)繁殖成功的作物。而病毒病與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的細(xì)菌病害、真菌的處理方式不同，采用傳統(tǒng)的抗生素與殺菌劑等化學(xué)藥劑，很難達(dá)到消除植物體內(nèi)病毒病的效果。1952年，Morel根據(jù)自己以往的植物病毒病研究結(jié)論與成果，創(chuàng)造了莖尖培養(yǎng)的方式，這種方式應(yīng)用在含有高濃度病毒的植株中，使通過莖尖培養(yǎng)的植株體內(nèi)病毒開始出現(xiàn)分解直至消失的變化，因此引起了人們的重視。隨著莖尖培養(yǎng)技術(shù)的不斷提升，其可應(yīng)用的范圍也有了新的突破，在培育園藝植物的試驗(yàn)過程中，通過莖尖培育方式，獲得園藝植物培育的成功。同時(shí)在幫助莖尖培育脫毒的過程中，可以將熱處理與莖尖培養(yǎng)這兩種方法結(jié)合在一起，加快其脫毒。

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的木本類植物，如果僅依靠莖尖培養(yǎng)來獲得植株，要實(shí)現(xiàn)發(fā)根正常生產(chǎn)難度相當(dāng)大，而且結(jié)果的時(shí)間也非常晚。針對(duì)這種情況，可以采用莖尖微體嫁接的方式，來達(dá)到成功培養(yǎng)無病毒苗的目的。利用組織培養(yǎng)生產(chǎn)無病毒苗的方法，已在許多果樹、花卉、蔬菜等農(nóng)作物的常規(guī)生產(chǎn)上得到應(yīng)用，如葡萄、草莓、柑橘、大蒜、馬鈴薯、水仙、蘭花等。當(dāng)前，我國(guó)已建成甘蔗、馬鈴薯、葡萄、香蕉、蘋果等作物脫毒快繁生產(chǎn)線11條。

2 植物組織培養(yǎng)條件

將植物組織培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，大部分植物培養(yǎng)環(huán)境的溫度必須在20～28℃的范圍內(nèi)，確保其生活力在正常水平，其中最適合植物組織培養(yǎng)的溫度是26～27℃。通常情況下，會(huì)在光線散射的條件下，開展相關(guān)的光組織培養(yǎng)工作，亮度與散射范圍不相同的光會(huì)帶來不一樣的結(jié)果。如在生物質(zhì)的形成過程中，光是決定其成形的重要因素。一般pH為5～6.5是最適宜植物組織生長(zhǎng)的。植物組織培養(yǎng)階段，若pH發(fā)生變化，可在植物組織的培養(yǎng)物中加入磷酸氫鹽，以確保植物遺傳與生活力的穩(wěn)定。此外，在進(jìn)行通氣懸浮培養(yǎng)的過程中，要滿足植物離體細(xì)胞的生長(zhǎng)需求，提高一個(gè)良好的通氣環(huán)境。在小量懸浮培養(yǎng)階段，可以通過采用振蕩與轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，產(chǎn)生通氣的作用。而在大量懸浮培養(yǎng)的過程中，可以借助專門的攪拌裝置與通氣設(shè)備，為細(xì)胞的生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好的通氣環(huán)境。

此外，在培養(yǎng)藥用植物選材的過程中，要根據(jù)次生物質(zhì)的要求，確定其在植物體中的合成位置，合理地選擇植物材料與培養(yǎng)方式，使原植物體內(nèi)所產(chǎn)生的代謝物通過組織培養(yǎng)獲得優(yōu)秀的成分，而在實(shí)際的培養(yǎng)過程中，通過植物組織培養(yǎng)成功的作物越來越多，給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而推動(dòng)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3 培養(yǎng)基的組成與配制

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)用化學(xué)合成的培養(yǎng)基培養(yǎng)植物種質(zhì)資源，這種培養(yǎng)基涵蓋了生長(zhǎng)素、糖類、維生素、氨基酸、微量元素與多種無機(jī)鹽這6種成分。另外，還有一些植物培養(yǎng)基可以添加麥芽浸出液、椰子汁、水解酪蛋白、酵母提取液等其他的天然汁液。可在培養(yǎng)基中加入0.5%～1%的瓊脂，使其培養(yǎng)的狀態(tài)成為靜止的固體培養(yǎng)基。由于每一種植物材料的特性不同，需要通過改變配方的方式，滿足其生長(zhǎng)需求。如細(xì)胞的生長(zhǎng)、分裂和分化的培養(yǎng)基配方不同，需要根據(jù)不同材料改變配方。現(xiàn)階段，以MS作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中植物培養(yǎng)基的主要配方資源，這種培養(yǎng)基配方的使用，可以進(jìn)一步提高植物組織與細(xì)胞生長(zhǎng)的速度。

此外，在實(shí)際開展組織培養(yǎng)的相關(guān)研究工作中，相關(guān)的研究人員需要結(jié)合培養(yǎng)植物的種類及研究目的，來確定其培養(yǎng)基的組成。在培養(yǎng)基中加入符合植物生長(zhǎng)需求的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)還要平衡離子，注意毒性問題[2]。如培養(yǎng)基中的水一般會(huì)采用蒸餾水，無機(jī)鹽類需要采用化學(xué)成分高的藥品，通過2 mol/LHCl、1mol/L KOH溶液調(diào)整pH。此外，在配制培養(yǎng)基的過程中，需要注意藥品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及毒性。

4 人工種子

美國(guó)生物學(xué)家Murashige是最早提出人工種子概念的，提出的時(shí)間是1978年。人工種子主要是指植物離體培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的胚狀體，包裹在含有保護(hù)性能、營(yíng)養(yǎng)成分的人工種皮與人工胚乳中，并能夠發(fā)芽出苗的顆粒體[3]。人工種子具有體積小、運(yùn)輸及儲(chǔ)藏方便的優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)播種的時(shí)間、環(huán)境沒有特定的限制，是一種可以直接進(jìn)入播種狀態(tài)的種質(zhì)資源。在播種階段通過機(jī)械設(shè)備的操作，有利于提高人工種子播種的效率。此外，人工種子的結(jié)構(gòu)完善，胚狀體的數(shù)量與一般植物種子相比要多，其繁殖的速度非常快，不僅可以有效地解決自交不親和的問題，滿足繁殖生育周期長(zhǎng)的植物生長(zhǎng)要求，而且可以將人工種子作為繁殖無病毒苗的主要材料。同時(shí)，可以通過在人工種子中添加農(nóng)藥、菌肥、抗生素的方式，使種子的品質(zhì)與活力得到進(jìn)一步的提高。

雖然人工種子的研究時(shí)間已超過30年，但在實(shí)際研究過程中，仍有一些問題一直沒有得到有效的解決，如制作成本高、防腐、人工種皮等其他手工操作的問題。在解決這些問題的過程中，會(huì)應(yīng)用到高分子化學(xué)、細(xì)胞工程學(xué)、植物胚胎學(xué)、機(jī)械加工、生物化學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，這對(duì)技術(shù)水平的要求非常高。目前，我國(guó)人工種子的研究還在探索的過程中。人工種子具有繁殖速度快、節(jié)約糧食、保持固定雜種的優(yōu)勢(shì)，雖然我國(guó)研究人工種子的時(shí)間不長(zhǎng)，但不可否定其具有廣闊的發(fā)展前景。尤其是近年來，人工種子技術(shù)研究開始向非體細(xì)胞胚人工種子的方向發(fā)展。由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，只有少部分的植物才能構(gòu)建高質(zhì)量的體細(xì)胞發(fā)生系統(tǒng)，并且這些植物在生長(zhǎng)與發(fā)育的過程中可以不用人工種子作為繁殖手段，如芹菜、紫苜蓿、胡蘿卜等。

5 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，植物組織培養(yǎng)是一項(xiàng)發(fā)展前景廣闊的技術(shù)，可以有效地解決遺傳不穩(wěn)定、雜交不親和、誘導(dǎo)細(xì)胞分裂的問題。同時(shí)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，植物組織培養(yǎng)還為解決其工業(yè)化生產(chǎn)問題提供了可靠性的依據(jù)，如自主材料污染、玻璃化、褐變及組織苗成本。因此，應(yīng)用植物組織培養(yǎng)技術(shù)，可以進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

[1]田偉偉．基于行動(dòng)導(dǎo)向的高職《植物組織培養(yǎng)》課程改革與探索[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017(15)．

[2]張彩玲，張娣，孫平平，等．植物組織培養(yǎng)教學(xué)科研相結(jié)合模式的應(yīng)用[J]．中國(guó)園藝文摘，2017(08)．

[3]卻志群，詹文文．淺談植物組織培養(yǎng)的教學(xué)改革[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013(11)．

1005-2690（2017）10-0123-03

Q943.1

B

2017-09-05）