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植物组织培养的发展及其应用

发布时间:2019-02-04 23:19
德国的植物生理学家Haberlandt提出细胞全能性理论以后,在无数科学家的努力下,植物组织培养经过近百年的发展历程后,该技术日趋完善和成熟,得到了广泛的应用。随着科学技术的不断发展,研究领域的不断拓展与深入,植物组织培养技术的应用也越发的广泛。育种方面的应用非常广泛,已经形成了一门理论和技术;在工厂化育苗方面,产生巨大的经济及社会价值;同时植物组织培养技术的发展也促进设施农业、食品、工业、医药业等领域发展,现就植物组织培养技术的发展和应用作简单总结。
1、植物组织培养的发展
1.1植物组织培养的发展历史
   1838-1839年,德国的植物学家T. Schleidon和动物学家T. Schwann提出细胞学说。1902年德国的植物学家Haberlandt提出:高等植物的器官和组织,具有植物细胞全能性。1904年Harming在无机盐和蔗糖溶液中对萝卜和辣根菜的胚进行培养,发现离体胚可以发育成熟,并提前萌发成小苗。1937年White发现了B族维生素,建立了第一个由已知化合物组成的培养基,该培养基被定名为White培养基。同时法国的Gautherer和Nobecourt也发现了B族维生素的重要性,三个人被誉为植物组织培养学科的奠基人。1952年Morel和Martin通过茎尖分生组织的离体培养,从已受病毒侵染的大丽花中首次获得脱毒植株。1953-1954年Muir利用震荡培养和机械方法获得了万寿菊和烟草的单细胞,实施了看护培养,使单细胞培养获得了成功。1957年Skoog和Miller提出生长素和细胞分裂素控制器官形成。1958年英国学者Steward通过体细胞胚胎发生途径获得了人工体细胞胚,这一实验证实了Haberlandt的细胞全能性理论。到20世纪60年代组织培养进入快速发展阶段,在基础理论、实际操作方面不断取得进展,比如在植物体细胞杂交、单倍体育种、种质资源保存、快速育苗、人工种子制造、次生代谢物生产等方面取得了可喜的成果。
1.2植物组织培养发展现状
1.2.1国内的研究发展现状  我国的组织培养与国外相比起步相对较晚,但发展却比较快。20世纪70年代我国掀起了单倍体育种的高潮,在作物育种上取得了一些实用性的成果。据不完全统计,目前我国用花药或花粉育出的植物已超过22科52属160种。目前我国组培已经进入了生产阶段,实现了花卉、果树、蔬菜等100多个品种的工厂化生产。花卉出口年创汇达800多万美元。
1.2.2国外植物组织培养的研究发展现状   国外的组培发展的比较快,20世纪70年代在美国形成了兰花产业。80年代后,以商品为目的的组培苗生产量以20%-30%的速度递增,年产组培苗在10万株以上的植物微繁殖公司约占50%,年产量大于50万株的公司约占25%,整个西欧年产组培苗达2亿多株。
2、工厂化植物快繁及脱毒方面的应用
    组织培养技术有几乎不受地理环境和季节的限制、遗传背景一致、生长周期短、成本低等诸多优点。同时,结合茎尖培养方法可以去除植物病毒、使植物复壮、提高质量和产量,所以,离体快繁和植物脱毒是目前植物组织培养应用最广泛的一个方面,尤其在兰花、名贵树种、马铃薯、草毒等无性繁殖为主的植物显的更是尤为重要。据估计,目前全球有关生物技术产业的年交易额约为1 500亿美元,其中50%一60%与农业有关。植物组培苗的贸易额约占总额的10%,即150亿美元,并以每年15%速度递增。
在我国,离体快繁育苗技术的开发应用起步于20世纪80年代初。如华乐种苗有限公司,年生产能力在500万株以上兰花克隆苗,主要出口日本、美国、荷兰、德国等,北京杉友兰业生物科技有限公司,年生产能力为350万株兰花克隆苗,连云港振兴恒巨生物科技有限公司,年生产蝴蝶兰克隆苗3 000万株,产品远销欧洲、美洲、亚洲等十多个国家和地区。据不完全统计植物快繁涉及观赏植物、蔬菜、果树、药材等300种以上,其中观赏园艺植物约200种,约占60%。在脱毒方面,如通过脱毒的马铃薯、甘蔗、甘薯、大蒜、草毒、香蕉平均可以增产30%以上,兰花、水仙、康乃馨、大丽花通过脱毒后植株生长势强、花色艳丽、花朵大、产量高。
3、在植物育种上的应用
    植物组织培养技术对培育优良作物品种开辟了全新的途径。目前,国内外已把植物组织培养普遍应用于作物育种,并在单倍体育种、胚胎育种、细胞融合育种、细胞突变育种、基因工程育种等方面取得了较大进展。
3.1单倍体培养育种
    通过对植物的花药、花粉、未受精的子房或胚珠进行组织培养获得单倍体(其中以花药和花粉培养应用最为广泛),单倍体在培养过程中利用秋水仙素处理,可使染色体加倍,成为纯合二倍体植株,这种培养技术在育种上的应用称为单倍体育种。研究表明,常规育种一般需要8-10 天或更长的时间,而通过单倍体进行育种一般仅需要4-5 天的时间,单倍体育种具有程序简单、育种周期短、基因型一次纯合等优点,单倍体育种是常规育种程序和方法的重大改革,尤其在林业等生长周期长的物种中效果更为显著。因此,单倍体育种在国际上引起了很大的重视,各国纷纷开展单倍体育种方面的研究工作。
3.2胚胎培养育种
    植物的胚(包括成熟胚和幼胚)、胚珠、子房和胚乳的离体培养技术统称为胚胎培养,其应用领域主要包括胚胎发育机理、克服杂交不亲合、胚胎拯救、克服自交不亲和、克服珠心胚的干扰、打破种子体眠、获得体细胞胚和人工种子等方面,因此在农作物、园艺作物、林木和药用植物上有着广泛应用。
    在克服杂交不亲合、克服自交不亲和方面主要通过植物离体受精来实现,在广义上通过离体柱头授粉、离体子房授粉、离体胚珠授粉、离体精细胞和卵细胞融合等均称做植物离体受精。但严格意义上的离体受精或试管受精是20世纪90年代精、卵离体融合成功。该技术不仅可以克服植物授粉不亲和问题,还可以进行胚胎、种子和果实发育机理等基础研究。人工分离的精细胞和卵细胞融合后进行合子胚培养,已在玉米、药用牡丹、婴粟、烟草等植物上获得成功。植物离体受精技术是植物细胞工程中的重要实验技术,为研究植物胚胎发育机理提供了新的实验系统,为开发新的植物转基因途径提供了可能。
    胚培养在打破种子体眠应用较为广泛,种子体眠的原因很多,利用组织培养方式打破种子体眠一般有种胚发育不全或种子含抑制物抑制种胚发芽2种情况,如胚乳发育尚不完全的兰科种子可以通过组织培养的方式获得再生植棵,而莺尾属、蔷薇科、野麦等植物可以通过组织培养的方式打破抑制物对种子发芽的影响。另外,胚培养还可以应用于胚胎拯救。
    胚乳培养的主要目的是获得具有利用价值的三倍体植株,再经过染色体加倍获得六倍体,从而育出多倍体新品种。目前有40多种植物的胚乳培养达到了不同程度的细胞分化或器官分化,不少植物已获得了再生植株。我国在马铃薯、小麦、水稻、苹果、桃、称猴桃等多种植物上得到了胚乳再生植株。同时,胚乳培养产生的混倍体,可用于染色体工程方面的研究。
3.3细胞融合培养育种
    细胞融合所使用的材料一般是指利用除去植物细胞壁的裸露细胞即原生质体,通过原生质体融合,可克服种、属以上植物有性杂交不亲和性障碍,为广泛重组遗传物质开辟了新途径。同时,因去壁后的原生质体消除了核酶等对外源DN A的破坏,为携带外源遗传物质的大分子渗入细胞创造条伴 。另外,在有些没有有性生殖能力或其有性生殖能力很低(如香蕉、木薯、马铃薯、甘蔗等)的植物作物改良中,体细胞杂交具有不可取代的重要性。通过大量的研究认为叶肉组织分离的原生质体较好,遗传性较为一致。在原生质体融合方面主要有物理(如电融合)、化学(如高PIE高钙、聚乙二醇)、生物(如仙台病毒)等融合方式。
3.4细胞突变体育种
    在研究中发现,通过愈伤组织获得的再生植株中常常出现基因型变异。这是因为无论是愈伤组织还是细胞培养,培养细胞均处在不断分生状态,容易受培养条件和外界环境(如物理因素、化学物质等)的影响而产生诱变。利用这一特点结合人工诱变方法包括物理诱变(Y射线、X射线、电子束、离子束、激光、紫外线等)、化学诱变(甲基磺酸乙醋、秋水仙素、叠氮化钠、平阳霉素、52BU ,EB等)和生物诱变(转座子插入突变、跳跃基因等)获得了一大批植物新品种和新材料。目前,这种方法已筛选出抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白、矮秆高产的植物突变体。
3.5基因工程育种
通过基因枪或农杆菌进行植物基因工程育种的关键环节之一是建立一个高效的组织培养再生体系。植物遗传转化的理想受体系统应具有高效稳定的再生能力,研究认为用于基因转化的受体系统,应具有80%-90%的再生频率,且每个外植体必须具有能再生的丛生芽,其芽数量越多越好。目前,用于遗传转化的受体主要有二种途径,一是外植体在激素的诱导下产生愈伤组织后再培养成体细胞胚即体细胞胚发生途径,二是诱导外植体产生单极性不定芽后再培养生成完整的再生植株即器官发生途径。目前,与组培技术结合的转基因的方法主要有农杆菌介导和基因枪两种方法。
 
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参考文献:
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