淺談林木植物組織培養(yǎng)技術(shù)中存在的問題及對策

劉文靜 徐俊杰

摘 要：該文從褐化、玻璃化、生根困難、組培成本較高等方面分析了林木植物組織培養(yǎng)技術(shù)存在的主要問題，介紹了植物無糖組培技術(shù)，以期提升林木植物組織培養(yǎng)技術(shù)水平，為該領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：林木植物;組織培養(yǎng)技術(shù);問題;對策

中圖分類號 S723.132 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）05-0024-02

自細(xì)胞全能性理論于1902年被提出以來，人們對植物組織培養(yǎng)技術(shù)的研究已有100多年的歷史，并且研究成果在不斷增加，對細(xì)胞全能性理論的利用也越來越廣泛。長期以來，對于植物組織培養(yǎng)主要是從外植體方面進(jìn)行相關(guān)的研究，同時(shí)也對完善培養(yǎng)基和提高增殖率方面加強(qiáng)了研究。我國在研究植物組織培養(yǎng)的方面較早，最初在組培技術(shù)方面的利用是對歐洲赤松進(jìn)行胚胎培養(yǎng)，20世紀(jì)70年代以后，一些研究成果已處于世界領(lǐng)先水平。近年來，我國開始利用小型化的培養(yǎng)材料和試管苗，為在小空間培育出大量植物幼苗提供了條件。組織培養(yǎng)最顯著的特點(diǎn)是“快”，以1個(gè)莖尖或少量的葉片為基數(shù)，可以在組織培養(yǎng)下增殖10000～100000株/年。目前，相較于花卉、草本植物，移植存活率更低、生長周期更長的林木植物在組培研究中受到褐化、玻璃化、生根困難、組培成本較高等因素的影響，需要通過相關(guān)研究解決這些難題。

1 林木植物組織培養(yǎng)存在的主要問題

1.1 褐化 褐化又被稱為酚污染，出現(xiàn)這一情況不僅會影響培養(yǎng)組織的再分化，也會影響外植體脫分化，對林木植物的組織培養(yǎng)具有重要的影響。褐化包括酶促褐化和非酶促褐化2個(gè)方面，通常酶促褐化是常見的病變。在正常生長發(fā)育的植物組織細(xì)胞中，多酚類物質(zhì)不會與多酚氧化酶接觸，所以不存在褐化的問題。植物體在切割后，可以發(fā)現(xiàn)傷口處分泌出酚類化合物，這類物質(zhì)的在氧化反應(yīng)后會形成醌類化合物，通過復(fù)雜的生物反應(yīng)和化學(xué)變化，對植物的生長不利。此外，受到溫度的影響，會導(dǎo)致細(xì)胞壞死，出現(xiàn)非酶促褐化，并且酚類物質(zhì)出現(xiàn)。總體看來，褐化與培養(yǎng)基、外植體材料的關(guān)系密切[1]。

1.1.1 外植體材料 外植體材料的年齡、取材時(shí)間、大小等均與褐化有關(guān)。從年齡的角度講，不同物種之間會體現(xiàn)出不同程度的褐化，比如，高度分化的莖尖、葉片更容易褐化，年齡老以及木質(zhì)化程度高也容易出現(xiàn)褐化，幼齡材料褐化的程度較低;從溫度的角度講，這一因素會影響到多酚氧化酶的活躍度，林木植物在冬春季節(jié)取材褐化偏低;從大小的角度講，較小的外植體褐化情況會更加嚴(yán)重。

1.1.2 培養(yǎng)基 培養(yǎng)基中含有的成分、狀態(tài)以及pH值、硬度均對褐化率產(chǎn)生了一定的影響，比如，無機(jī)鹽濃度過高會加劇褐化。防止褐化主要是使用紙板培養(yǎng)，其次是選擇液體培養(yǎng)基，而固體培養(yǎng)基的效果最差。同時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)培養(yǎng)基硬度變大，相應(yīng)的褐化率也會降低。培養(yǎng)基的酸堿度降低，也會抑制褐化[2]。

1.2 玻璃化 當(dāng)前，主要把組培苗玻璃化視為苗適應(yīng)性生理問題，不過在自然界很少出現(xiàn)玻璃化的陸生植物，多數(shù)是以莖尖、不定芽出現(xiàn)的。林木已經(jīng)生長完全的組織、器官則不會伴隨玻璃化出現(xiàn)。目前，對玻璃化的研究主要體現(xiàn)在培養(yǎng)過程中激素平衡、水勢的影響和礦質(zhì)元素平衡供應(yīng)等方面。不同的植物種類在玻璃化上的成因也是不同的，不過均會造成木質(zhì)素合成受阻和細(xì)胞分化受阻，需要對這一問題加以解決。

1.3 污染 在組培中常出現(xiàn)污染材料，這是導(dǎo)致培養(yǎng)失敗的重要因素之一。為此，需要在選材和接種前、接種期間投入大量的人力和物力。從污染情況上看，出現(xiàn)接種前污染主要是接種人員、接種工具問題，也與接種環(huán)境有關(guān)。在接種后同樣也會造成污染，這主要是接種室的超凈工作臺不干凈，或者在轉(zhuǎn)接操作過程中不規(guī)范導(dǎo)致的，需要對這些問題加以重視[3]。

1.4 成本高 對于植物組織培養(yǎng)技術(shù)的利用而言，主要可以實(shí)現(xiàn)林木的快速繁殖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)價(jià)值。而要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，花費(fèi)的成本將會很高，其成本主要包括勞動力、培養(yǎng)基、能耗、蔗糖等。同時(shí)，長期采用的組培技術(shù)還存在增值系數(shù)低和出苗率不高的問題，這也導(dǎo)致最終成本偏高。

1.5 配套設(shè)施不健全 相較于一些歐美國家，我國在組培自動化技術(shù)的開發(fā)和利用上仍有些落后。在植物組織培養(yǎng)技術(shù)的利用期間，多數(shù)是采用人工的方法，配套設(shè)施較為缺乏。相信隨著我國科技的不斷發(fā)展，會在自動化技術(shù)上加強(qiáng)和組培技術(shù)的結(jié)合，這也是今后組培的研究大方向[4]。

2 植物無糖組培技術(shù)

在我國生物技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，我國植物組織培養(yǎng)開始出現(xiàn)植物無糖組培技術(shù)，該技術(shù)又被稱為光自養(yǎng)微繁殖技術(shù)，對我國的林業(yè)發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用。具體而言，該技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，通過小植株借助光合作用，以此滿足自養(yǎng)能力的無糖培養(yǎng)。這項(xiàng)技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，主要是培養(yǎng)基中不含蔗糖，可有效解決污染問題，提升試管苗的生根能力和出苗成功率。從經(jīng)濟(jì)型的角度講，對該技術(shù)的利用，可以節(jié)約組培成本，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展[5]。研究表明，無糖培養(yǎng)與光照條件、CO2濃度有關(guān)，在光自養(yǎng)生根培養(yǎng)過程中，可以對CO2濃度進(jìn)行調(diào)整，然后影響到生根率。具體表現(xiàn)在容器里CO2的濃度一旦超出補(bǔ)償點(diǎn)就會通過對光強(qiáng)提升對試管苗的光合作用起到改善作用，實(shí)現(xiàn)良好生長。在對林木植物無糖培養(yǎng)過程中，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)容器也會對無糖組培產(chǎn)生一定的影響。如果大型培養(yǎng)容器得到使用，不僅保證了容積，也會顯著提升空氣流通性，有利于苗的生長;不過也需要保證相對濕度較小。在最新的研究中發(fā)現(xiàn)，高分子膜材料可以憑借透氣性高的優(yōu)勢加速內(nèi)外的氣體交換[6]。

植物無糖組培技術(shù)主要使用抗菌劑，可在開放的、有菌環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)。該技術(shù)對環(huán)境的要求較低，可以不使用滅菌鍋及超凈工作臺，從而極大地優(yōu)化了組培環(huán)節(jié)，顯著降低了成本，這一研究的發(fā)現(xiàn)使帶菌組培及培養(yǎng)基進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)成為了可能。要想實(shí)現(xiàn)開放式光自養(yǎng)微繁技術(shù)的利用，需要提供抗菌劑，但高質(zhì)量的抗菌劑很難找到，這也是我國開發(fā)該技術(shù)的一大難題。不同種類的植物存在適宜的抗菌劑，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在植物中對廣譜性抗菌活性物質(zhì)進(jìn)行提取，可以達(dá)到理想的效果，不過抗菌劑對組培苗的發(fā)育影響還要從生、理、化不同的角度分析。開放式的光自養(yǎng)微繁技術(shù)，也就是在無糖組培的容器內(nèi)部以及在開放培養(yǎng)環(huán)境下培育，具有培育技術(shù)多種優(yōu)勢。對該技術(shù)的利用是在培養(yǎng)基中添加廣譜抗菌劑，進(jìn)而對操作的環(huán)境要求降低，實(shí)現(xiàn)對培養(yǎng)環(huán)境的改善。目前，光自養(yǎng)、光照條件影響植物生長研究方面還需要加強(qiáng)，主要方向是通過提升自動化程度對培養(yǎng)環(huán)境中的光照、溫度、濕度實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)控，以及積極利用新型材料，進(jìn)而為規(guī)模化的林木培育提供條件[7]。

3 結(jié)語

當(dāng)今，我國對林業(yè)事業(yè)的發(fā)展越來越重視，研究林木植物的組織培養(yǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)林木的快速繁殖、良種選育，對培育優(yōu)質(zhì)苗木起著重要的作用。隨著林木植物組織培養(yǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在植物的遺傳育種、品種繁育等多個(gè)方面均實(shí)現(xiàn)了突破，在很大程度上解決了褐化、玻璃化、污染、成本高等問題。相信今后隨著我國生物工程的大力支持以及工廠化育苗的實(shí)施，林木植物組織培養(yǎng)技術(shù)必將日趨完善。

參考文獻(xiàn)

[1]黃烈健，王鴻.林木植物組織培養(yǎng)及存在問題的研究進(jìn)展[J].林業(yè)科學(xué)研究，2016，29（3）：464-471.

[2]湯曉辛，陳后英.植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在本科教育中存在的問題及對策[J].亞太教育，2016（29）：292.

[3]付為國，韋晨，王醒.蘋果屬植物組織培養(yǎng)的研究進(jìn)展[J].分子植物育種，2019（4）：1320-1325.

[4]吳多.植物組織培養(yǎng)技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].民營科技，2015（3）：229.

[5]林茜，韓曉華，高營營.紅豆杉組織培養(yǎng)中的褐化現(xiàn)象及防控策略[J].南方園藝，2015（2）：45-47.

[6]肖小君，陳文年.珙桐科植物組織培養(yǎng)研究進(jìn)展[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（8）：20-24.

[7]蘇銘昊.植物組織培養(yǎng)無菌技術(shù)的改進(jìn)研究[J].中學(xué)生物教學(xué)，2016（7）：65-66.

（責(zé)編：張宏民）