植物細(xì)胞工程相關(guān)問(wèn)題釋疑

摘 要：本文主要對(duì)“植物細(xì)胞工程”一節(jié)中學(xué)生產(chǎn)生的疑問(wèn)進(jìn)行解答，涵蓋作物脫毒原理、外植體滅菌劑選擇、花藥與花粉培養(yǎng)差異、原生質(zhì)體融合后細(xì)胞壁再生及次生代謝物的作用等問(wèn)題，以期為教學(xué)提供實(shí)用參考。

關(guān)鍵詞：作物脫毒；滅菌劑；植物組織培養(yǎng)；細(xì)胞壁再生；次生代謝物

文章編號(hào)：1003-7586（2024）10-0090-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）在“植物細(xì)胞工程”一節(jié)中增加了花粉培養(yǎng)、次生代謝物等內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)花粉培養(yǎng)和花藥培養(yǎng)的區(qū)別、次生代謝物是否必需、植物頂端分生區(qū)病毒極少的原因、外植體滅菌劑種類(lèi)選擇和處理時(shí)間不同的原因以及原生質(zhì)體融合后細(xì)胞壁再生的時(shí)間和意義等問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚興趣。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者查閱相關(guān)資料作出詳細(xì)解釋。

1 植物頂端分生區(qū)病毒極少的原因

教材在該節(jié)“植物細(xì)胞工程的應(yīng)用”中介紹了“作物脫毒”這一應(yīng)用，其中提到用無(wú)性繁殖的方式進(jìn)行繁殖的植物感染的病毒容易傳給后代，而且會(huì)逐年積累，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，品質(zhì)變差。但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)植物頂端分生區(qū)附近（如莖尖）的病毒極少，甚至沒(méi)有病毒。科學(xué)家利用這些無(wú)病毒組織進(jìn)行植物組織培養(yǎng)可以獲得脫毒作物。學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn)：為什么植物頂端分生區(qū)附近的病毒極少，甚至沒(méi)有病毒？

病毒在植物體內(nèi)依靠維管束系統(tǒng)（導(dǎo)管和篩管）移動(dòng)，植物感染病毒后能夠很快傳至全身大部分組織，而分生組織中還沒(méi)有形成維管束，病毒只能靠胞間連絲傳播，移動(dòng)速度很慢。分生組織生長(zhǎng)速度比病毒的傳播速度快，因此生長(zhǎng)旺盛的莖尖、根尖通常只含有極少量的病毒，甚至沒(méi)有病毒。^［1］但莖尖或者根尖并非絕對(duì)沒(méi)有病毒，因此，外植體的選擇十分關(guān)鍵。越是新鮮生長(zhǎng)的外植體感染病毒的概率越小，且越小的材料脫毒效果越好。但材料過(guò)小會(huì)增加培養(yǎng)的難度，因此可以使用熱處理法或抗病毒藥劑法來(lái)輔助脫毒。熱處理法是根據(jù)病毒和植物對(duì)高溫的耐受性差異，選擇適當(dāng)?shù)臏囟忍幚碇参铮辜纳牟《锯g化，減緩其擴(kuò)散，從而達(dá)到殺滅病毒而不傷害植物的目的。抗病毒藥劑法是利用抗病毒藥劑干擾病毒的繁殖，將抗病毒藥劑注射到植物上或直接加到正在培養(yǎng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)基中，可得到脫毒的分生組織，再通過(guò)植物組織培養(yǎng)得到脫毒苗。

2 外植體滅菌劑種類(lèi)選擇和處理時(shí)間不同的原因

教材“菊花的組織培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)中提到“將流水充分沖洗后的外植體（幼嫩的莖段）用酒精消毒30 s，然后立即用無(wú)菌水清洗2～3次；再用次氯酸鈉溶液處理30 min后，立即用無(wú)菌水清洗2～3次”，學(xué)生據(jù)此產(chǎn)生疑問(wèn)：為什么外植體的消毒既要用酒精又要用次氯酸鈉？為什么酒精處理的時(shí)間僅需30 s，而次氯酸鈉溶液的處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30 min？筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，選擇滅菌劑既要考慮滅菌效果，也要考慮滅菌劑對(duì)外植體生長(zhǎng)的影響以及是否容易清除。滅菌劑種類(lèi)的選擇、處理時(shí)間及處理方式，不僅會(huì)影響滅菌效果，而且會(huì)影響植物體的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響培養(yǎng)效果，因此，滅菌劑的選擇及處理時(shí)間應(yīng)根據(jù)植物材料的具體情況而定。^{［2］［3］} 濃度為70%～75%的酒精具有較強(qiáng)的細(xì)胞穿透力，但不能達(dá)到徹底的滅菌效果，因此需要配合使用次氯酸鈉等其他滅菌劑。此外，由于酒精對(duì)外植體具有強(qiáng)烈的殺傷作用，應(yīng)嚴(yán)格控制處理時(shí)間，而次氯酸鈉既有強(qiáng)殺菌能力又對(duì)植物體無(wú)害，因此酒精消毒時(shí)間短而次氯酸鈉溶液處理時(shí)間較長(zhǎng)。教材中選用的滅菌程序經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，染菌率低。

3 花藥培養(yǎng)和花粉培養(yǎng)的區(qū)別

教材在該節(jié)“單倍體育種”中提到“單倍體育種可以先通過(guò)花藥（或花粉）培養(yǎng)獲得單倍體植株”，其中涉及兩個(gè)概念：①花藥培養(yǎng)和花粉培養(yǎng)的區(qū)別；②花藥或者花粉經(jīng)組織培養(yǎng)后形成的幼苗是否均為單倍體幼苗。

花藥培養(yǎng)是利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)，選取發(fā)育到一定程度的花藥，通過(guò)誘導(dǎo)花藥內(nèi)的花粉連續(xù)分裂，形成細(xì)胞團(tuán)，進(jìn)而發(fā)育為愈傷組織或胚狀體，最終分化成單倍體植株。而花粉培養(yǎng)要先從發(fā)育到一定程度的花藥中分離出單個(gè)花粉粒，再進(jìn)行組織培養(yǎng)，最終獲得單倍體植株。

花藥培養(yǎng)相比花粉培養(yǎng)操作更簡(jiǎn)便，但是也具有一定局限性。由于花藥培養(yǎng)是將整個(gè)花藥轉(zhuǎn)接到培養(yǎng)基上，花藥壁細(xì)胞、絨氈層細(xì)胞等二倍體細(xì)胞也會(huì)分裂，可能導(dǎo)致形成的新植株是二倍體，或者是二倍體和單倍體的嵌合體。此外，一個(gè)花藥中含有多個(gè)花粉粒，每個(gè)花粉粒不一定都具有相同的基因，而這些花粉粒形成的愈傷組織常常混在一起，最終導(dǎo)致形成的個(gè)體細(xì)胞基因型不完全相同，會(huì)成為一個(gè)嵌合體。花粉培養(yǎng)采用單個(gè)花粉粒進(jìn)行培養(yǎng)，最終形成的個(gè)體基因型相同，因此不存在上述問(wèn)題。

4 原生質(zhì)體融合后細(xì)胞壁再生的時(shí)間和意義

植物細(xì)胞的細(xì)胞壁阻礙了細(xì)胞間的雜交，因此在進(jìn)行體細(xì)胞雜交前，需去除細(xì)胞壁，獲得原生質(zhì)體。原生質(zhì)體融合后得到的雜種細(xì)胞再經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)形成愈傷組織，進(jìn)一步發(fā)育成完整的雜種植株。有活力的原生質(zhì)體都具有細(xì)胞壁再生和細(xì)胞分裂的潛在能力。那么細(xì)胞壁什么時(shí)候再生？筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，原生質(zhì)體在特定培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時(shí)間后會(huì)再生出細(xì)胞壁，不同植物的原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁所需的時(shí)間不同，從幾小時(shí)到幾天時(shí)間不等。多數(shù)原生質(zhì)體經(jīng)培養(yǎng)數(shù)小時(shí)后開(kāi)始再生細(xì)胞壁，兩天至數(shù)天后完成細(xì)胞壁的再生。細(xì)胞壁的再生是細(xì)胞分裂的先決條件，原生質(zhì)體通常在培養(yǎng)二到七天后開(kāi)始第一次分裂，但開(kāi)始第一次分裂的具體時(shí)間與植物的種類(lèi)、分離原生質(zhì)體的材料、原生質(zhì)體的質(zhì)量、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件等因素均有關(guān)。因此，研究原生質(zhì)體再生細(xì)胞壁的影響因素，對(duì)得到具有全能性的完整細(xì)胞進(jìn)而生成完整植株具有重要意義。再生細(xì)胞壁后一定能進(jìn)行細(xì)胞分裂嗎？筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，完成原生質(zhì)體細(xì)胞壁的再生是進(jìn)行規(guī)則有絲分裂的前提，但再生細(xì)胞壁后不一定都能進(jìn)行細(xì)胞有絲分裂，這可能與原生質(zhì)體內(nèi)細(xì)胞骨架的完整性有關(guān)。^［4］

5 次生代謝物是否必需

教材中對(duì)次生代謝物的相關(guān)描述為“植物代謝會(huì)產(chǎn)生一些一般認(rèn)為不是植物基本的生命活動(dòng)所必需的產(chǎn)物——次生代謝物。”教材在“相關(guān)信息”中關(guān)于次生代謝物的描述為：次生代謝不是生物生長(zhǎng)所必需的，一般在特定的組織或器官中，并在一定的環(huán)境和時(shí)間條件下才進(jìn)行。學(xué)生進(jìn)而產(chǎn)生疑問(wèn)：次生代謝物都是植物體必需的嗎？

1891年，科賽爾（A. Kossel）首次明確提出植物次生代謝的概念，與其對(duì)應(yīng)的是初生代謝的概念。綠色植物及藻類(lèi)通過(guò)光合作用將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成糖類(lèi)，生成的糖通過(guò)不同途徑（如磷酸戊糖途徑、糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為核酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等，上述過(guò)程對(duì)維持植物生命活動(dòng)過(guò)程是不可或缺的，且?guī)缀醮嬖谟谒械木G色植物中，因此被稱為初生代謝。而次生代謝是指有些生物體采用某些初生代謝物為“原料”，在一系列酶的催化作用下，形成一些特殊化學(xué)物質(zhì)的過(guò)程，這些特殊的化學(xué)物質(zhì)即為次生代謝產(chǎn)物，其產(chǎn)生和分布通常具有種屬、器官、組織和生長(zhǎng)發(fā)育期的特異性。^{［5］［6］}科賽爾認(rèn)為植物次生代謝物是植物體中一大類(lèi)并非生長(zhǎng)發(fā)育所必需的小分子有機(jī)化合物，但是隨著研究的深入，他發(fā)現(xiàn)植物次生代謝物在植物生命活動(dòng)的許多方面均起著重要作用。有些植物次生代謝物是植物生命活動(dòng)所必需的^［7］，如吲哚乙酸、赤霉素等植物激素是調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)，葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素是植物光合作用必需的物質(zhì)，這些物質(zhì)在所有植物中幾乎都存在；還有一些植物次生代謝物僅存在于某些特定植物中，例如，某些植物能產(chǎn)生多酚單寧，這類(lèi)物質(zhì)對(duì)植物本身無(wú)害，但對(duì)動(dòng)物或微生物有毒，可用于防御天敵；某些植物遭受微生物感染時(shí)，會(huì)合成植保素以抵御微生物入侵。

6 小結(jié)與反思

植物細(xì)胞工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，已在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。本文圍繞教材中“植物細(xì)胞工程”一節(jié)，就“植物頂端分生區(qū)病毒極少的原因”“外植體滅菌劑種類(lèi)選擇和處理時(shí)間不同的原因”“花藥培養(yǎng)和花粉培養(yǎng)的區(qū)別”“原生質(zhì)體融合后細(xì)胞壁再生的時(shí)間和意義”“次生代謝物是否必需”五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討與解答。

在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，幫助學(xué)生深入理解植物細(xì)胞工程的原理及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)解析作物脫毒技術(shù)，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到植物組織培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值；通過(guò)學(xué)習(xí)外植體滅菌的過(guò)程，學(xué)生能夠理解滅菌劑選擇的重要性及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響；通過(guò)對(duì)比花藥培養(yǎng)與花粉培養(yǎng)，學(xué)生能夠掌握單倍體育種的基本原理；通過(guò)探討原生質(zhì)體融合后細(xì)胞壁的再生，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到細(xì)胞壁再生對(duì)細(xì)胞分裂和植株生長(zhǎng)的意義；通過(guò)了解次生代謝物的功能，學(xué)生能夠意識(shí)到植物次生代謝物在植物生命活動(dòng)中的重要作用。此外，教師在課堂上除了要給學(xué)生講解專業(yè)知識(shí)并對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的疑問(wèn)進(jìn)行解答外，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)踐操作，讓學(xué)生親自動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)進(jìn)而加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，進(jìn)一步提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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