植物组织培养的研究进展
植物组织培养的研究进展
摘要:植物组织培养技术作为一种新兴的科研手段,发展速度异常的快,本文从组织培养的实验原理,组织培养的实验方法,植物组织培养的发展状况,组织培养中遇到的问题,植物组织培养的前景这五个方面,详细介绍组织培养技术的研究进展。
关键词:植物组织培养,愈伤组织,发展现状,前景,原生质体
Abstract:The Techniques of Plant Tissue Culture,as a burgeoning way of science research has developed rapidly. This article is going to present research progress of The Techniques of Plant Tissue Culture in detail, basing on the principle method and development of tissue culture, the problem and the future during the tissue culture.
1902年以来,在德国科学家Gottlieb Haberlandt 提出植物细胞的全能性理论之后,关于植物全能性的研究变得火热起来,而以此为基础的植物组织培养技术也渐渐兴起,利用这项技术,不仅可以生产大量的优良无性系, 并可获得人类需要的多种代谢物质; 同时通过组织培养的细胞,可以成为细胞水平上分析研究的理想材料。这项技术可以被用于多个领域,例如植物学、植物生理学、遗传学、育种学、栽培学、胚胎学、解剖学、病理学,拥有巨大潜力。笔者拟通过介绍植物组织培养技术的原理,方法,发展状况,前景,问题,详尽的介绍植物组织培养这项技术。
1 植物组织培养技术的原理
植物细胞的“全能性”和植物的“再生作用”为植物组织培养提供了依据。1902年, 德国著名植物学家G. Haberlanclt大胆地提出了高等植物的器官和组织可以不断分割,直到单个细胞,即植物体细胞,在适当的条件下,具有不断分裂和繁殖, ,发育成完整植株的潜力的观点(依据是细胞学理论)。而在
1943年美国科学家Whi te在烟草愈伤组织培养中,偶然发现形成一个芽,使G. Haberlanclt 的论点得以证实。
组织培养选用的基础培养基有很多种类(例如MT 、MS 、SH 、White 、N6)由于不同种类植物需要的不同生长条件,培养基需要相对应的做出改变,但是MS 培养基的使用频率最高。组织培养大多使用用固体培养基,但固体培养基面临的问题是,只有植物的周边的营养物和激素才会被吸收, ,而剩余的还很大量的营养,激素类的物质还残留在培养基里,若是这些培养基还能被利用, 可以在很大程度上减少工厂化生产的成本。
如果在基础培养基中适当添加一定浓度的外源激素(例如生长素类、细胞分裂素类、赤霉素),可以诱导出愈伤组织、胚状体、不定芽、根等器官, 最终可获得再生植株或者次生产物。同时还有人做了关于外源激素的添加对内源激素的影响这方面的课题研究,不同的外源激素有很大的可能性会引起内源的多胺发生不同的变化,而多胺可以影响植物的许多生理生化过程,例如可以影响可溶性蛋白、过氧化物酶, 进而导致发生不同的形态。
在组织培养过程中,愈伤组织和胚状体的形成决定了是否能培育出新植株。胚性愈伤组织比非胚性愈伤组织拥有更为强大的的生长能力、胚胎发生能力、同工酶活性,而通过形成胚状体进而分化出植株的过程比形成愈伤组织后再形成植株的过程要更为容易。
2 组织培养的实验方法
组织培养的材料称为外植体,主要形式有器官、胚胎、单细胞、原生质体等等。近年来, 通过利用各种外植体进行组织培养,在筛选突变体、获得次生代谢产物等方面取得了一定的成绩。利用细胞培养的方法,可以获得次生代谢产物,例如色素、紫杉醇、人参皂甙、生物碱、萜内酯等(例如:中国林科院曾经对东北红豆杉叶愈伤组织进行过细胞克隆及悬浮磁头研究,获得了生长量高达0. 49 Fw /g· Fw· d的细胞系, 而每升细胞培养物紫杉醇的产量可达0. 25 mg )。众多实验结果表明,通常致密的、聚集组织的细胞培养物比松散的、无组织的细胞培养物会积累出更多的次生代谢产物,其原因可能是由于培养物细胞的组织化,使细胞间接触更加紧密,对细胞间的联络更加有利,形成光照、营养物质、机械压力等物理、化学上的梯度,更接近于整体植物细胞代谢环境,从而有利于次生代谢产物的积累。而在培养过程中,适当并且及时地取走此生代谢产物可以提高产率。
3 植物组织培养的发展状况
3.1 研究比例稳定增长
近年来植物组织培养相关技术发展的十分迅猛,其发展的水平和程度最突出的体现现在相关研究的数量。在中国知网,笔者以植物组织培养为篇名,进行精确检索,结果发现在所有组织培养的有关研究中,植物组织培养的比率占到90%以上,拥有绝对优势。在植物组织培养领域,通过对每年发表的相关文章数量进行详细统计,可将其分为三个时期:停滞阶段,主要处于20 世纪50 年代到70 年代; 相对增长阶段,主要表现在70 年代到90 年代末; 繁荣阶段,进入21 世纪后,植物组织培养迎来了其快速增长的繁荣期。
3.2 研究领域大幅扩展
由于植物组织培养技术在国内的快速兴起和发展,使该项技术的应用和研究迅速渗入到相关的部门和领域。笔者在中国知网,通过对国内已发表权威核心期刊论文进行的系统搜索,并将其根据所属领域进行系统划分,发现, 目前植物组织培养的应用和研究主要涉及到花卉、药用植物、农林蔬菜和理论研究4 个方面。通过统计可以得知,虽然有四种不同的研究领域,但是各领域关于植物组织培养的文章随年代的增加均呈现增长趋势;但是对于不同领域, 文章数量发展变化幅度各有不同。
3.3, 研究向两极化发展
由于生物科学正在朝着宏观和微观进行两极发展,而植物组织培养技术作为生物科学中重要的一员,其发展方向也渐渐呈现出两极化的趋势。20 世纪50到60 年代,随着植物组织培养技术的刚刚起步,主要定位点显得相对比较粗放、
宏观。其目的在于探索组织培养的基本机理,发展和完善基本理论。而70 年代期间已有学者试图通过细胞水平上的研究植物组织培养,进一步了解植物组织培养的相关知识。80 年代, 植物组织培养的研究内容逐步从生理、生化水平研究植物组织培养的机理。 90 年代, 微观研究逐步向分子水平过渡,并且以生理生化水平为主。21 世纪, 植物组织培养技术与各种分子技术的密切结合, 并从分子水平去探索植物组织培养的机理。
4 组织培养中遇到的问题
进行组织培养的过程中,些许外植体会发生褐变现象,其原因是PPO 作用于天然底物酚类物质。影响组培外植体褐变的因子,主要有外植体酚类物质的含量及PPO 活性上的差异、外植体的大小、酶促因子对外植体褐变的影响, 以及培养基成分、激素类型。可以通过将易于褐变的外植体放在黑暗条件下培养一段时间;连续转移;进行预处理;在培养基中加入抗氧化剂和其他抑制剂等途径来抑制褐化。植物离体培养及大量快速繁殖过程中, 试管苗通常会产生玻璃化的现象。在进行组织培养的过程中,有事还会形成白化苗。白苗的形成原因并不是无质体,而是由于不完整的质体结构,因此不能正常合成叶绿素,而这种苗一般是不能遗传的。
5 组织培养技术的前景
组织培养技术已经被广泛的应用在众多领域,它为许许多多的学科提供了很多的良好试材和有效途径,主要关于植物生长发育,抗性生理,激素及器官发生与胚胎发生。由于组培是在人工控制的条件下进行的,所以对控制花芽分化,和开花成因更有把握。通过对单倍体细胞的分离,可以培育出纯合的二倍体优良品系,缩短育种时间。通过对于突变体的选择,可以相应的提高植物的品质,扩大植物的生长区间。通过冷藏植物体细胞的途径,建立基因库,进而保存物种。可以获得药用价值高和工厂化生产所需的次生产品,解决其获得难度大的问题。
但是很久以来,组织培养大多还停留在实验研究上,在应用,生产方面还存在一定不足,因此需要有一种可行的方案,将研究成果转化为具有经济价值的大规模生产实践。
生物技术132
张溢峰
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