淺談植物組織培養技術在育種上的應用

肖琳茜

摘? ?要：植物組織培養技術在育種上有廣泛應用。針對植物組織培養技術在單倍體育種、多倍體育種、突變體育種及轉基因育種方面的研究作了簡要論述。

關鍵詞：植物組織培養技術;育種;應用

文章編號： 1005-2690（2018）12-0053-02? ? ? ?中圖分類號： Q943.1? ? ? ?文獻標志碼： A

植物組織培養技術是以植物細胞全能性為基本理論，利用植物的離體組織器官，如植物的根、莖、葉和花等，培育出完整可育后代的一種生物技術。當前，植物組織培養技術已廣泛應用于農業、林業、醫學等方面，尤其在作物育種方面的應用取得了卓越成效[1]。本文主要就植物組織培養在單倍體育種、多倍體育種、突變體育種及轉基因育種方面的研究進行了探討。

1? ?單倍體育種

單倍體育種是指對植物的單性生殖細胞（如花藥），利用植物組織培育技術進行離體培養，從而產生單倍體植物，再經過藥物（如秋水仙素或者低溫誘導）形成二倍體純合植株的方法[2]。單倍體育種最早起源于曼陀羅花，1921年意大利植物學家Blakesly和Guha首次利用曼陀羅花藥獲得單倍體植株，并成功將其加倍形成純合品系。自此單倍體花藥育種成為植物育種的新手段。我國于1972年開始進行花藥單倍體育種，并于1974年成功培育出世界上第一個單倍體作物新品種——煙草單育一號。近年來，我國研究工作者又陸續培育出煙草、小麥、水稻、橡膠、玉米和辣椒等20多個品種，如煙草單育一號、水稻單豐一號、水稻中花一號及小麥花培一號等。到目前為止，通過單倍體育種手段成功培養出的新品種和雜交品種達到34科、88屬、256種。

單倍體育種在雜交育種方面優勢明顯。以水稻為例，利用傳統回交方法得到一個水稻新品種所需時間為5年，但利用花藥離體單倍體育種，不僅可明顯縮短育種年限，而且能將所需基因型穩定遺傳下去。因此，單倍體育種可明顯縮短育種年限[3]，簡化育種選育過程，提高基因型選擇率，突破自交不親和物種，克服遠緣雜交不育性。此外，單倍體育種還可減少人工成本，節約土地資源。

2? ?多倍體育種

多倍體育種起源于18世紀40年代，美國科學家Blakeslee和Avery利用秋水仙素處理未萌發植物種子，成功獲得了同源多倍體。1840年，全世界各地育種工作者利用多倍體育種獲得1 000余種植物。20世紀30年代，科研工作者開始利用植物胚乳作為外植體進行多倍體育種，并首次在蘋果上獲得了三倍體，隨后又成功在多種經濟作物，如小麥、水稻、柑橘、馬鈴薯、獼猴桃等作物上獲得多倍體植株，到目前為止，已經在20余種植物中獲得胚乳多倍體植株。傳統三倍體植物通過2n×4n有性雜交獲得，但此方法選育時間較長且雜交難度大，現如今采用的胚乳多倍體育種可解決這一難題。被子植物的胚乳屬于雙受精三倍體植物，將胚乳作為外植體進行離體組織培養可獲得三倍體植株，再進行染色體數目加倍可得到六倍體植株，從而解決單倍體植株不育性問題。

多倍體植物在自然界中普遍存在，在植物遺傳進化中有著重要的作用，具有植株巨型化、重瓣性強、花色濃艷、抗逆性強、營養成分增加等諸多優勢，也是克服遠緣雜交不親和性及遠緣雜種不育性的重要手段，被廣泛應用于育種研究中。

3? ?突變體育種

人口增多、耕地減少、環境污染、病蟲害嚴重等是我國21世紀面臨的重大挑戰，從20世紀60年代起，我國通過誘發突變培育出高效優質的植物品種，已取得了較大進展。人工誘變已成為育種學家創造新的種質資源的重要途徑，其有效地促進了農作物新品種選育工作的發展。突變體育種是指人為選用自發突變體和誘發突變體材料進行組織培育獲得新品種的方法[4]。自發突變體是指在自然狀態下基因突變形成的突變體材料，一般突發頻率較低。誘發突變體是指由于物理、化學及生物因素誘發基因突變、染色體畸變、細胞質突變等形成的突變體材料。突變體育種中更多采用的是誘發突變體育種手段。

在植物組織培養過程中，由愈傷組織途徑獲得再生植株的頻率比不定芽高，而由細胞培養途徑獲得再生植株的頻率比器官、組織途徑高，這是因為處于分裂旺盛的愈傷組織和懸浮培養的細胞缺乏組織結構，容易受培養基和物理、化學等誘變因素的影響而產生基因變異，從而形成一個巨大的可供突變體選擇和利用的遺傳變異庫。突變體育種在改良作物單一性狀、提高植物抗性、改善植物營養成分等方面有著重要作用。目前，育種專家已經成功篩選出耐鹽小麥、耐旱水稻、抗病馬鈴薯等農作物新品種。在培養基中添加高濃度氯化鈉創造高鹽條件，在此狀態下會造成大部分小麥細胞死亡，那些極少存活下來的、能穩定遺傳的細胞便具有耐鹽特性，進而通過組織培養形成耐鹽植株。目前，國外已經有學者在海邊利用鹽堿地進行大麥種植試驗，雖然還未能推廣，但對選育抗鹽植株及改良西部鹽堿地作物品質具有重要的推動意義。抗旱水稻的選育過程與上述類似。抗病馬鈴薯選育過程是采用提純毒素的方法，在培養基中添加毒素混合物培養細胞，最終選取對毒素不敏感的并能穩定遺傳的細胞系。

相較于單倍體育種和多倍體育種而言，突變體育種的優勢極為明顯，主要體現在以下幾方面：首先，可大幅提高經濟作物產量。以糧食作物為例，通過突變體育種使得其產量在1949—1984年間增加1倍多。其次，突變體育種可明顯改善植物品質，增強抗性。通過突變體育種改良的抗倒伏、適應性強且產量較高的小麥新品種，在東南亞及中東等地區有較大范圍種植。此外，突變體育種也可選育出抗病蟲害、抗旱經濟作物，既為我國西北干旱地區農業生產作出貢獻，又減輕了農藥殘留對環境的污染。最后，大幅度提高農業生產效率。通過突變體人工選育的農作物，其性狀單一、穗層整齊且成熟一致，可大大提高機械化收獲的效率。

4? ?轉基因育種

轉基因育種是指通過基因工程手段，將從植物、動物或微生物中分離得到的目的基因片段進行定向修飾，并整合到植物基因組中，從而得到抗性較強、優質高產的轉基因作物[5，6]。轉基因育種的研究開始于20世紀60年代，并于1983年成功獲得第一株轉基因植物。截至目前，全世界種植了約24種轉基因作物，其中，大豆的種植面積約占轉基因作物總面積的50%;另外，玉米占30%、棉花占14%、其他作物僅占1%。近年來，發展中國家大力種植轉基因作物，不僅解決了田間害蟲、雜草的問題，還將農作物的經濟效益提高了14%。

轉基因育種相較于傳統雜交育種，實現了跨物種基因重組，其將目的基因定向轉移到目標植株中，使植株獲得人類所需的特定性狀。例如，抗蟲棉就是將蘇云金芽孢桿菌中的特定殺蟲蛋白基因和棉花基因進行基因重組，實現棉花的抗蟲特性，減少棉鈴蟲的危害及農藥使用對土壤的污染。抗除草劑農作物是將抗除草劑甘膦基因轉入到農作物中，從而在農藥甘膦使用時，達到只除草不為害農作物的效果。轉基因育種的出現為高產、優質、高抗農作物新品種培育提供了新的技術途徑。

5? ?展望

目前，植物組織培養技術已經廣泛應用于指導農業生產，特別在育種上的長足發展，使許多傳統方法無法解決的問題迎刃而解，并與其他技術相結合創造了巨大的經濟效益。其產生的高效應為解決目前國際上存在的糧食問題、瀕危物種保護問題作出了巨大的貢獻。而對于組織培養過程中出現的污染現象、外植體褐變等問題，尚未找到普遍適用的解決方法，成為植物組織培養技術的主要阻礙。因此，應加強對植物組織培育技術的研究，以便輔助其在育種上的應用發展。

參考文獻：

[ 1 ] 吳桂容.植物組織培養的應用及存在問題[J].高教論壇，2007（03）：119-121.

[ 2 ] 祝劍峰.植物組織培養在育種中的應用[J].安徽農業科學，2014，42（35）：12 415-12 417.

[ 3 ] 張東旭，周增產，卜云龍，等.植物組織培養技術應用研究進展[J].北方園藝，2011（06）：209-213.

[ 4 ] 陳力.植物組織培養在育種上的應用及其潛力[J].黑龍江農業科學，1982（04）：40-42，55.

[ 5 ] 王秀麗，楊煜，徐平麗，等.植物組織培養的應用及進展[J].山東農業科學， 2005（03）：78-80.

[ 6 ] 李永欣，王義強.植物組織培養的應用研究概述[J].江蘇林業科技，2005（03）：44-46.

（收稿日期：2018-11-13）