植物组织培养技术在农业生产的应用

[植物组织培养技术在农业生产的应用]

● 研究性课题（2014----2015）

● 南春中学高三（2）班

组长：杨坤贤

指导老师：卢英钦

组员：陆创伟、陈庆祥、魏斯狄

陈逵、陈勤莹、陈银涛

蔡承楷

一、课题提出

近年来，组培苗工厂化生产已作为一种新兴技术和生产手段，在园艺植物的生产领域蓬勃发展。组培苗工厂化生产，是以植物组织培养为基础，在含有植物生长发育必需物质的人工合成培养基上，并附加一定量的生长调节物质，把脱离于完整植株的本来已经分化的植物器官或细胞，接种在不同的培养基上，在一定的温度、光照、湿度及pH 值条件下，利用细胞的全能性以及原有的遗传基础，促使细胞重新分裂、分化长成新的组织、器官或不定芽。最后长成和母株同样的小植物体。工厂化生产组培苗，是按一定工艺流程规范化程序化生产的，具有繁殖速度快、整齐、一致、无虫少病、生长周期短、遗传性稳定的特点，可以加速产品的发展，尽快获得繁殖无性系。特别是对一些繁殖系数低、杂合的材料有性繁殖优良性状易分离、或从杂合的遗传群体中筛选出表现型优异的植株，需要保持其优良遗传性，有更重要的作用。组培苗的无毒生产，可减少病害传播，更符合国际植物检疫标准的要求，扩大产品的流通渠道，增加产品市场的销售能力，同时减少了气候条件对幼苗繁殖的影响，缓和了淡、旺季供需矛盾。因此，小组开展了关于“植物组织培养技术在农业生产的应用”的课题研究。

二、研究目的

1、了解植物组织培养技术。

2、研究有关植物组织培养技术在农业生产的应用。

3、学会对知识的探讨与研究。

三、研究过程

1、查找资料：网上搜索，农业报刊等。

2、总结整理：（1）整理资料，分析内容。（2）制作电子文本。

四、研究成果

（1）技术原理 植物组织培养即植物无菌培养技术，又称离体培养，是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物体离体的器官(如根、茎、叶、茎尖、花、果实等）、组织（如形成层、表皮、皮层、髓部细胞、胚乳等）或细胞（如大孢子、小孢子、体细胞等）以及原生质体, 在无菌和适宜的人工培养基及温度等人工条件下，能诱导出愈伤组织、不定芽、不定根，最后形成完整的植株的学科。

（2）培养分类 1、胚胎培养

指以从胚珠中分离出来的成熟或未成熟胚为外植体的离体无菌培养。

2、器官培养

指以植物的根、茎、叶、花、果等器官为外植体的离体无菌培养，如根的根尖和切段，茎的茎尖、茎节和切段，叶的叶原基、叶片、叶柄、叶鞘和子叶，花器的花瓣、雄蕊（花药、花丝）、胚珠、子房、果实等的离体无菌培养。

3、组织培养

指以分离出植物各部位的组织（如分生组织、形成层、木质部、韧皮部、表皮、皮层、胚乳组织、薄壁组织、髓部等），或已诱导的愈伤组织为外植体的离体无菌培养。这是狭义的植物组织培养。

4、细胞培养

指以单个游离细胞（如用果酸酶从组织中分离的体细胞，或花粉细胞，卵细胞）为接种体的离体无菌培养。

5、原生质体培养。

指以除去细胞壁的原生质体为外植体的离体无菌培养。

（3）培养方法

1、非试管微组织快繁

非试管微组织快繁技术是将外植体（一般要求带一叶一芽）放置在室内外普通沙子培养

基上进行培养，利用植物腋芽自然倍增达到快速繁殖的目的。一般植物7～15天可以生长出根系。此技术投资低，操作环节少。

2、试管组织培养

试管组织培养是将外植体（即离体组织、器官或细胞）放置在组培瓶等器皿中在无菌的条件下进行组织培养获得组培瓶苗。

（4）培养步骤

第一步，将采来的植物材料除去不用的部分，

将需要的部分仔细洗干净，如用适当的刷子等刷

洗。把材料切割成适当大小，即灭菌容器能放入为

宜。置自来水龙头下流水冲洗几分钟至数小时，冲

洗时间视材料清洁程度而宜。易漂浮或细小的材

料，可装入纱布袋内冲洗。流水冲洗在污染严重时

特别有用。洗时可加入洗衣粉清洗，然后再用自来

水冲净洗衣粉水。洗衣粉可除去轻度附着在植物表

面的污物，除去脂质性的物质，便于灭菌液的直接接触。当然，最理想的清洗物质是表面活性物质—吐温。

第二步是对材料的表面浸润灭菌。要在超净台或接种箱内完成，准备好消毒的烧杯、玻璃棒、70%酒精、消毒液、无菌水、手表等。用70%酒精浸10～30秒。由于酒精具有使植物材料表面被浸湿的作用，加之70%酒精穿透力强，也很易杀伤植物细胞，所以浸润时间不能过长。有一些特殊的材料，如果实、花蕾、包有苞片、苞叶等的孕穗，多层鳞片的休眠芽等等，以及主要取用内部的材料，则可只用70%酒精处理稍长的时间。处理完的材料在无菌条件下，待酒精蒸发后再剥除外层，取用内部材料。

第三步是用灭菌剂处理。表面灭菌剂的种类较多，可根据情况选取1—2种使用见表。第四步是用无菌水涮洗，涮洗要每次3min 左右，视采用的消毒液种类，涮洗3-l0次左右。无菌水涮洗作用是免除消毒剂杀伤植物细胞的副作用注意：①酒精渗透性强，幼嫩材料易在酒精中失绿，所以浸泡时间要短，防止酒精杀死植物细胞。②老熟材料，特别是种子等可以在酒精中浸泡时间长一些，如种子可以浸泡5分钟。③升汞的渗透力弱，一般浸泡10分钟左右，对植物材料的杀伤力不大。④漂白粉容易导致植物材料失绿，所以对于幼嫩材料要慎用。⑤在消毒液中加入浓度为0.08—0.12%的吐温20或80（一种湿润剂），可以降低植物材料表面的张力，达到更好的消毒效果。

（5）培养特点

1、培养条件可以人为控制

组培采用的植物材料完全是在人为提供的培养基和小气候环境条件下进行生长，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响，且条件均一，对植物生长极为有利，便于稳定地进行周年培养生产。

2、生长周期短，繁殖率高

组培是由于人为控制培养条件，根据不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培养条件，因此生长较快。另外，植株也比较小，往往20-30天为一个周期。所以，虽然组培需要一定设备及能源消耗，但由于植物材料能按几何级数繁殖生产，故总体来说成本低廉，且能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。

3、管理方便，利于工厂化生产和自动化控制

植物组织培养是在一定的场所和环境下，人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件，极利于高度集约化和高密度工厂化生产，也利于自动化控制生产。它是未来农业工厂化育苗的发展方向。它与盆栽、田间栽培等相比省去了中耕除草、浇水施肥、防治病虫等一系列繁杂劳动，可以大大节省人力、物力及田间种植所需要的土地。

（6）培养优点

1、占用空间小，不受地区、季节限制。

2、培养脱毒作物

3、培养周期短

4、可用组培中的愈伤组织制取特殊的生化制品

5、可短时间大量繁殖，用于拯救濒危植物

6、可诱导之分化成需要的器官，如根和芽

7、解决有些植物产种子少或无的难题，

8、不存在变异，可保持原母本的一切遗传特征

9、投资少，经济效益高

10、繁殖方式多，试用品种多

（7）培养材料采集

要根据培养目的适当选取材料，选择原则：易

于诱导、带菌少。要选取植物组织内部无菌的材料。

这一方面要从健壮的植株上取材料，不要取有伤口

的或有病虫的材料。另一方面要在晴天，最好是中

午或下午取材料，决不要在雨天、阴天或露水未干

时取材料。因为健壮的植株和晴天光合呼吸旺盛的

组织，有自身消毒作用，这种组织一般是无菌的。

培养材料的消毒

从外界或室内选取的植物材料，都不同程度地带有各种微生物。这些污染源一旦带入培养基，便会造成培养基污染。因此，植物材料必须经严格的表面灭菌处理，再经无菌操作手续接到培养基上。

试剂

· 乙醇。

· 吲哚乙酸（ IAA） 或 2 ，4 – D （生长素类似物）。

· 氯化汞（升汞）或次氯酸钠。

· 6- 苄基氨基腺嘌呤（ 6-BA ）

· MS 培养基

·0.1 mol/L NaOH与 0.1 mol/L HCl

配制培养基

（ 1 ）愈伤组织诱导培养基： MS 培养基（蔗糖含量为 10 g/L ， 2,4 – D 含量为 2 mg/L ，琼脂10 g/L ）。

（ 2 ）试验培养基：在 MS 培养基中加入 IAA 和 6–BA 。

吲哚乙酸（IAA) 先用少量 0.1 mol/L NaOH 溶解， 6- 苄基氨基腺嘌呤先用少量 0.1 mol/L HCl 溶解，然后用蒸馏水稀释，再加入培养基中。

仪器设备

培养室，高压灭菌锅，水浴锅，解剖刀，三角烧瓶（ 100mL ），烧杯，量筒，组培瓶，组培盖或封口膜，棉线，接种箱或超净工作台，分析天平，长镊子，剪刀，容量瓶，移液管，

牛皮纸。

培养基灭菌

将配好的培养基加入琼脂加热溶解，调至 pH 5.6- 5.8 ，趁热分装于 100 mL组培瓶中，每瓶约 30 mL 。待培养基冷却凝固后，盖上组培盖，或盖上封口膜并用棉线扎牢，然后在高压灭菌锅中 121 ℃（ 1 kg/cm 2 ）下灭菌 20 min 。取出组培瓶放在台子上，冷却后备用。接种操作所需的一切用具（如长镊子、解剖刀、剪刀等）及灭菌水，需同时灭菌。

（8）植物组织培养在农业上的应用

植物组织培养应用十分广泛，特别是和植物密切相关一些领域。农业主要是以植物的栽培种植为主，因此植物组织培养在农业上的应用是其应用中十分重要的一个方面。目前植物组织培养在农业上的应用主要有以下四个方面：离体无性系的快速繁殖、培养无病毒种苗、新品种的选育和人工种子和种质的保存。

1、离体无性系的快速繁殖

离体无性系的快速繁殖是组织培养在生产上

应用最广泛、最成功的一个方面。无性系繁殖植物

的主要特点是繁殖速度快，通常一年内可以繁殖数

以万计的种苗，特别对于名贵品种、稀优种质、优

良单株或新育成的品种的繁殖推广具有重要的意

义。

离体繁殖良种种苗最早在兰花工业上获得成

功。兰花成熟的种子中大多数的胚不能成活，种子

不能发芽，通过球茎组织培养，使兰花的繁殖系数

大为提高，从而形成了20世纪60年代风靡全球的“兰花工业”。甘蔗繁殖用种量大，1hm2地需要7.5-15t 的种蔗。采用茎尖、嫩叶组织培养繁殖种苗，节省了大量的种蔗，加速了优良品种的推广。其他如牡丹、香石竹、唐菖蒲和菊花等难以扦插的名贵品种以及无籽西瓜、草莓、猕猴桃、葡萄、菠萝、樱桃、桉树、杉木等的无性快速繁殖都取得了进展，有力地推动了农业生产。

目前世界上80%~85%兰花是通过组织培养进行脱毒和快繁的。我国第一个将优质杉木组培苗进行人工造林并取得了良好的经济效益；选用“雷林1号”优良桉树进行商业化生产的桉树组培苗，结合常规营养繁殖方法营造大面积人工林也获得了成功。目前我国为其他国家代加工生产或直接出口的组培苗品种有甘蔗、香蕉、百合、玉簪、大花萱草、唐菖蒲、丝石竹等近30种。另外，植物离体快繁也适合于一些价值较高的F1杂种植株的繁殖。如美国每年种植火炬松F1实生苗20亿株，采用试管繁殖的约占10亿株。

2、培养无病毒种苗

许多植物都遭受到病毒病不同程度的危害。有的种类甚至同时受到数种病毒病的危害，严重地影响了产品的商品价值。对于无性繁殖的作物如绝大部分的果树、部分蔬菜（洋葱、大蒜、石刁柏、菊芋、马铃薯）和花卉（菊花、唐菖蒲、风信子、秋海棠、月季）等，如遭受病毒侵染后，代代相传，则体内可以积累相当高浓度的病毒，影响生长和成活，严重

危害生产的发展。而病毒病又不同于真菌和细菌病害，采用杀菌剂和抗生素等化学药剂防止很难凑效。自从Morel(1952)发现采用茎尖培养的方法可以从严重感染病毒的植株得到无病毒苗后，这方面的工作引起了人们的重视。在许多园艺植物上进行培育试验也相继得到成功，从此茎尖培养就成为解决病毒病害的一个重要途径。也可以采用茎尖培养与热处理相结合的方法来提高茎尖培养的脱毒效果。对于一些木本果树植物，如果茎尖培养得到的植株难以发根生长， 且结果晚，则可采用茎尖微体嫁接的方法来培养无病毒苗。 利用组织培养生产无病毒苗的方法，已在许多果树（柑橘、苹果、草莓、葡萄）、蔬菜（马铃薯、大蒜）、花卉（兰花、菊花、康乃馨、水仙、唐菖蒲）等作物的常规生产上得到应用。目前中国已建成葡萄、苹果、香蕉、马铃薯、甘蔗等作物脱毒快繁生产线多条。

3、新品种的选育

1964年，印度的Guha 和Maheshwari 在毛叶曼陀罗花药培养中，成功地由花粉诱导得到了单倍体植株，从而促进了花药和花粉培养的研究，以后在烟草、水稻、小麦、玉米、番茄、甜椒、草莓、苹果等多种植物上获得成功。利用花药和花粉培养诱导花粉发育成单倍体植株，单倍体植株经过秋水仙素等药剂处理后，染色体加倍可以获得同源二倍体的纯合系，其后代不会分离，可以直接用于选育杂种一代的亲本或性状纯合的常规品种。前者如甜辣椒“海丰12号”的亲本，后者如甜椒“海花3号”。与常规育种方法相比，通过花药花粉培养获得单倍体的单倍体育种方法，可以在短时间内得到作物的纯系，从而加快了育种进程。 我国在利用花药和花粉培养进行单倍体育种方面处于世界先进水平，取得了很大成就。我国科学家设计的N6培养基和马铃薯培养基，不仅在国内得到推广，在国外也被采用。我国利用花药和花粉培养已培育出许多优良品种，仅在“七五”期间，我国通过花药和花粉培养培育出的新品种和新品系就已超过20个。其中著名的如小麦“京花1号”、“京花3号”，水稻“中花8号”、“中花9号”等，其累积推广面积均超过了66.7万hm2（1000万亩）；已审定的品种如水稻中花10号、中花11号累计推广面积约250万亩、南抗2号约15万亩，还有花培528、赣早籼11号；小麦京花3号推广约100万亩等。在生产上已应用的新品种如花培28、花535、花86-5，前两个品种已推广约100万亩以上。新品系有水稻花8504；小麦京单84-1685、中8701、中8606、花57、花95-2、花12、851373、852163、86912；烟草单育1号和单育3号等。 近几年来，通过组织培养和有关技术又培育出了很多新品种，这些新品种都有高产、优质、抗病或早熟等优良性状，有的仍在扩大种植和推广中。

4、人工种子和种质的保存

生命物质的保存，已引起许多科研工作者的兴

趣，其中包括原核生物、植物及动物材料的保存，

种质保存的目的是为了确保有用的种质能在任何时

候都具有生命力。组织培养能安全地保存植物的细

胞、愈伤组织或分生组织，且在储藏几年后，仍能

稳定地产生再生过程。通过无性系繁殖保存作物已

成为迫切要求，尤其对于热带作物。另外，由于自

然和人为的破坏，许多具有或可能具有育种价值的

能成为基因库的品系在消失，作物栽培品种、亲本

植物品系以及突变种也通常需要保存。种质资源的保存和基因库的建立在育种工作中是十分重要的。 由于许多植物的组织和细胞培养物在液氮超低温条件下贮藏后，仍然能够保持很高的存活率并能重新再生出植株，保持原来的遗传特性，因此可以利用植物组织培养技术保存植物种质资源，从而节省了大量的人力和土地资源。如建立茎尖分生组织培养物的超低温

保存种质库时, 不仅可以防止种质的遗传变异和退化, 而且可以长期保存无病毒的原种。我国对水稻、小麦、玉米、甘蔗、马铃薯、红豆、草莓、唐菖蒲、三分三、长春花等植物的茎尖分生组织、愈伤组织、胚状体和幼胚、花粉等材料, 展开了材料特性、预处理、光照、冰冻保护剂、降温冰冻方法对恢复生长的影响以及种质保存后遗传性状分析等研究。

将植物材料以组培形式保存在容器内运输，开展国家、地区间的种质资源交换和植物商品交流，不仅能够节省时间和空间，降低运输成本，而且能够减少种子和非试管植株材料所携带的有害生物的危险。设在秘鲁首都利马的国际马铃薯中心已对14个国家以组培形式运输，以后，甘蔗、姜、甘薯及多种花卉在国家间也采用了组培形式进行商品交流。

（9）植物组织培养在农业上的应用前景

组织培养是分离和诱导产生突变体的有效

途径，在作物改良上的作用已随着通过花药培育

的新品种的产生而得到证明。其应用于作物改良

的优点是：(1)加速杂交后代遗传特性的稳定，

使杂种从杂合子迅速达到纯合，从而缩短了育种

周期，提高选择效率；(2)诱变处理群体大，诱

变率高，筛选方便时间短，可以在人力控制条件

下筛选出特定的细胞群体，便于进行遗传分析。

但应用过程中也存在一定的问题：其一，不同基

因型材料的花粉植株生产率差异很大，许多组合H2代优良基因型不能完全表达，尤其是籼型材料的花粉植株生产率距离育种的要求还很远。其二，诱变这一领域处于尝试阶段，我们还未建立能有选择地增强所期望的植株变异频率，对于诱变剂量、筛选方法和时机以及白化苗的控制等问题的解决都有待于探明。

植物组织培养快速繁殖能快速繁衍濒危植物，使物种得以保存。快速繁殖的植株能保持母本的生物学特性和遗传性状，并可在短期内种植于田间，是当前植物细胞工程中最有效、应用最广泛的方法之一。

组织保存的方法和技术近年来逐渐增多，但实际应用过程还存在许多空白。因为天然种子保存具有优越性，组织保存必须人工处理才能储存，所以有时种子保存显得简便有利。但在特殊情况下，组织和细胞不能被种子取代时，组织保存法就为其提供了一种新的可能途径。将来建立一个植物组织培养种质储藏所是有可能的。

六、收获体会

1、意识到团队合作的重要性。

2、了解学习到有关植物组织培养技术以及在农业生产的应用。

3、加深了对课本有关知识的理解。

*参考文献

文字来源：百度百科。

图片来源：百度百科。