植物组织培养技术

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植物组织培养技术

  植物组织培养是70年代快速发展并趋成熟的现代生物技术,是在含有营养物质及植物生长调节物质的培养基中离体培养植物组织(器官或细胞)的技术。它的理论依据是植物细胞的全能性,即植物体的每一个细胞都有分化成一个完整植株的潜在能力。该技术在品种选育、名特优品种的快速繁殖、自然资源的保护、品种质量的提高、濒危植物种质保存等诸方面都表现出巨大的应用前景,取得了明显的经济效益。

  组织培养前景广阔

  植物组织培养技术一诞生就表现了强大的生命力和美好的前景。它在细胞学、遗传学、农学、生理学、生物化学等学科的基础理论研究中,成了一种常用的生物学技术;在实际应用中也发挥了巨大作用,取得了显著的经济效益和社会效益。

  育种:通过组织培养技术,结合诱变育种技术,成功地培育出许多优良品种。如抗黄化叶病的大麦品种;培育出脱病毒的马铃薯、甘蔗品种,使马铃薯产量增加十多倍;选育出早熟(比母本提早15天)、优质(含糖量9.5%)、高产(单果平均重106克)的京早三号桃(中科院植物所培育)等等,这些例子不胜枚举。

  快速繁殖:应用组织培养技术可使某一个优良品种得到快速繁殖,可在一年内从一个芽或一张叶片,培养与繁殖成几十万或上百万株小苗,使得该优良品种很快得以推广。如浙江省金华婺东葡萄良品场,1990年将日本引进的葡萄品种栽培成功后,我们通过快速繁殖,使每月的增殖系数达到6~9,可使一个芽在一年之内产生100万个芽。快繁技术在花卉、果树等经济植物的优良品种繁育中,取得了良好的经济效益。

  名、特、优、稀植物品种的保存与繁殖:许多名贵植物(如兰花)由于繁殖慢或困难,数量不多;而众多的野生植物(如花卉、药材)由于人们过度的采伐,变成濒危植物。这些品种的保存与繁殖越来越显得重要与紧迫。应用组织培养技术,不仅可以在实验室条件下保存种质,还可以进行工业化生产,大量繁殖来满足人类生活的需求。

  无土栽培:现代正在快速推广的无土栽培技术,就是建立在组织培养的基础理论之上的,特别是无土栽培中的营养液成分,与组织培养的培养基配制基本相似。无土栽培以其高产、低成本、低污染与低有害物质的残留而倍受人们的欢迎。

  快速繁殖

  植物快速繁殖技术自60年代开始用于兰花生产以来已得到快速发展。开始时主要应用于花卉生产,现逐渐应用于蔬菜、果树等其他园艺作物,近年来又应用于造林树种的繁育上。现已有数百种植物可通过组织培养进行快速繁殖,并进行了商品化的大规模生产。其中包括用于切花生产的香石竹、唐菖蒲、非洲菊、花烛、百合、菊花等;还有兰花、非洲紫罗兰、大岸桐、杜鹃和某些蕨类植物和观叶植物;以及草莓、芦笋、香蕉、葡萄、桉树等经济作物。在很多国家已成为一种新兴的产业。

  该技术的主要优点有:

  ①所需要的植物材料少;②繁殖速度快,不管从总体上还是单位面积上,其繁殖速度都大大快于常规方法;③如结合茎尖培养等脱病毒技术,可改良作物品种。

  快速繁殖技术一般可分成四个阶段,即无菌培养物的建立,芽的增殖,诱导生根和试管苗的移栽。

  无菌培养物的建立

  要选择合适的外植体(用于组织培养的植物材料),主要有芽(顶芽为主)、叶片、带芽的茎切段等。取得的外植体首先要进行消毒灭菌工作:用自来水冲洗干净→吸水纸吸干表面水分→70%酒精浸5~10秒→无菌水冲洗→2%~10%的次氯酸钠溶液浸泡6~15分钟→无菌水冲洗三次→接种于培养基上。

  培养基是组织培养成功与否的关键,不同的培养目标可选择不同的培养基。常见的有MS、LS、B、Nitsch、White等培养基,它们的主要成分可分为五大类:

  ①无机营养物,有氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、锌、钼、铜、钻等矿质元素,相当于日常植物栽培中的肥料所含的物质;②碳源,主要有蔗糖、葡萄糖、果糖等,相当于光合作用所生产的营养物质;③维生素,它们有利于离体培养物的发育,有维生素B、维生素B、生物素、烟酸、肌醇芽;④有机附加物,有橄子汁、果汁、琼脂等;⑤生长调节物质,主要有生长素和细胞分裂素,它们的比例调节着培养物的生长与分化方式,当生长素和细胞分裂素比例低时,有利于芽的生长与分化,当其比例高时,有利于根的诱导。

  培养基配制好后,装在三角烧瓶或试管等玻璃容器中,加上棉花塞(或铝铂纸)后进行高压灭菌。高压灭菌一般在高压锅内进行,在120℃,1.12公斤/厘米压力下,保持15~20分钟。灭菌后的培养基可用于接种培养物,或在10℃下保存备用。

  灭菌后的外植体在无菌箱(或超净工作台)上接种到灭菌后的培养基上,然后放置于培养室中培养。培养过程要求一定的光照时间(如16小时/天)、光照强度(2000~5000勒克斯)和温度(20~30℃)。不同的植物,不同的培养目的对培养条件的要求不同。

  芽的增殖

  芽的增殖是快速繁殖技术最重要的一环。芽培殖的途径主要有两条:

  ①促进侧芽的形成和生长。高等植物的每一个叶腋中都存在一个腋芽,在正常情况下,由于植物的顶端优势现象,腋芽生长慢或休眠,在培养基中提高细胞分裂素的含量,可以打破腋芽的休眠,促进侧枝生长。由于顶芽和侧枝的生长,形成众多的腋芽,在细胞分裂素的作用下又可快速生长,形成新的侧枝,这样在短时间内可形成丛生的侧枝群,将侧枝反复切割并接种到新的培养基上进行继代培养,就可在短期内得到大量的芽。如葡萄的快速繁殖中芽的增殖率可达到6~9个/月,而草莓则每两周可增加10倍左右,从一个芽开始,一年内可增加到几百万个。②诱导胚状体的形成。胚状体是组织培养中形成的类似于种子中胚的结构的,有胚芽、胚根构成的植株的稚型。外植物在含有丰富的还原态氮的培养基上,在有生长素特别是2,4—D存在时,可诱导产生胚状体的发生,然后转移到低浓度或没有生长素的培养基上使胚状体成熟,并生长成小苗。诱导胚状体产生的途径比诱导侧芽形成和生长的途径,其繁殖速度更快,并且省去了诱导生根这一步,可直接长成试管苗。

  诱导生根

  通过侧芽途径产生的芽长成嫩枝后,需诱导生根,成为小植株才能移植。草本植物一般比木本植物容易生根。一般在培养基中加入适量的生长素(浓度在0.1~10.0毫克/升),使用最多的是萘乙酸,其次是引哚丁酸。在诱导生根时还要减低无机营养物的浓度(常使用1/2、1/3或1/4浓度),蔗糖浓度也由原来的30%下降到1.0%~1.5%,以增强植株的自养能力。同时相应增加光照强度到3000~10000勒克斯,以形成壮苗。

  移栽

  在移栽过程中试管苗要从一个无菌的,光照、温度恒定,湿度饱和的培养条件下转移到一个有菌、环境条件不稳定的环境中。试管苗要从异养转变为完全自养,叶片光合作用能力和根系的主动吸收能力需要逐渐发展,叶片和茎枝表面的保护层需要逐渐形成。在这样一个生长条件剧烈变化的过程中,需要小心控制环境条件,逐步向自然环境过渡。

  在移苗前5~7天将瓶盖去除进行炼苗,移栽时注意保护根系,洗去根系上的琼脂,种于锯末或细砂并含有少量营养物的人工基质中,覆盖塑料薄膜,避免阳光直射和过大的温度波动。待幼苗逐步锻炼,长出2~3片新叶后,再移到土壤中定植。注意肥水管理和病虫害的防治。

  赶走植物体内的病毒

  近年来,为提高复种指数和土地利用率,以温室栽培为代表的保护地栽培面积不断扩大,使得植物能全年生长,许多蔬菜与水果的生产改变了原有的季节性,方便和改善了人们的生活。但随之而来的植物病的发生率快速增加,其中由植物病毒引起的病毒病最难控制。病毒的危害是多方面的,侵染的病毒使寄主代谢异常,植物激素的正常平衡受到破坏,造成植物生长的抑制或形态畸变,产生皱缩、花叶、杂斑等症状,产量大幅度下降,品质(如花卉的花数、花色,果实的商品性)变劣。病毒对无性繁殖的作物,如薯类、甘蔗、花卉、林木和果树等危害尤甚。这些植物受病毒侵染后,由于病毒能分布周身,经繁殖用的营养器官传至下一代,一经侵染,能随繁殖代数的增加,绵延不绝,日益增加。据调查,我国目前栽培的农作物中,几乎找不到没有病毒感染的品种,像马铃薯受侵染的病毒有三十多种。解决病毒病的问题已成为农业生产继续发展的必须解决的问题。

  目前治疗病毒病的方法主要有三种类型:

  物理学方法:采用X射线、紫外线、超短波和高温等物理因子,使病毒失活钝化。而热处理是最常用的方法,它是依据病毒和寄主细胞对高温的忍耐性不同,选择适当的温度和处理时间,使病毒失活而寄主仍然存活,从而达到治疗的目的。目前在南方的甘蔗产区,数以万吨计的甘蔗种用热处理来消除体内病毒,提高甘蔗的产量与产糖量。

  热处理是将植物材料(如甘蔗种)置于热处理箱中,在35~40℃下处理一定时间,不同的植物种类及器官,其处理时间长短不同。短的几十分钟,长的几个月。在开始几天,处理的温度逐渐上升,采取变温交替和辅助光照,保持一定的湿度,既杀病毒又使植物细胞存活。热处理法在马铃薯、甘蔗及花卉上已普通使用,取得明显效益。

  化学方法:使用农药是防治真菌和细菌病害的主要方法,从理论上讲,也应该是防治病毒病的有效途径。有不少化学物质能抑制病毒的复制,如孔雀绿、硫尿嘧啶、8—氮鸟嘌吟等,能抑制病毒的核酸及蛋白质的合成,抑制病毒的复制。但是由于病毒是寄生在植物细胞内,并利用植物细胞内合成蛋白质或核酸的系统,来复制病毒,使用以上病毒复制的抑制剂,对植物细胞合成蛋白质或核酸也同时产生抑制作用,即没有专一性。这样一来,所用化学药品杀灭病毒的同时,也将植物细胞杀死。目前还没有找到一种能专一性抑制病毒复制而又不影响植物细胞生长的化学药品。所以应用化学方法来治疗病毒病应该说只是存在着潜在的可能性,还没有得以应用。

  生物学方法:有些病毒不能侵染种子,通过有性繁殖使种子能排除大多数病毒,达到复壮的目的。但许多园艺作物只能靠无性繁殖来繁衍后代,靠种子来复壮无法实现。1943年怀特发现病毒在植物体内分布不均,他发现在根尖和茎尖没有病毒存在。后来证实病毒是靠输导组织(维管束)来传播的,根尖、茎尖等分生组织部分由于没有分化,病毒无法浸染。1952年法国人莫勒尔和他的同事们,用大丽花的茎尖为材料,培育生产了脱病毒植株,以后又在马铃薯等多种作物上获得成功。到70年代,茎尖培养生产脱病毒苗已成为最常用和有效的方法之一。茎尖培养产生无病毒植株的过程见图。

  应用茎尖培养生产脱病毒苗过程中,影响茎尖成活的因素主要有:

  ①茎尖的大小。一般来说离体茎尖愈大,愈易培养成活,但病毒也越难除去。一般是用带1~2个叶原基的茎尖来培养,生长点附近的组织尽量少带。这样的茎尖既保证一定的成活率,又能排除大多数病毒。②培养基成分和培养条件。基本培养基中提高铵盐和钾盐的浓度,有利茎尖的成活;植物激素的种类和浓度对茎尖生长和发育有重要作用。常用的细胞分裂素是6—苄基腺嘌吟,浓度为0.05ppm;常用的生长素是萘乙酸,浓度在0.1~1ppm之间。植物激素的浓度可根据茎尖生长的情况来进行调节。

  茎尖培养产生无病植株实际应用的大体过程

  接种后茎尖没有明显增大,但颜色逐渐变绿,最后形成一个绿色小点。这是由于生长素浓度偏低,或培养温度过低,如果转到稍高的生长素浓度的培养基中,同时适当提高培养温度,就能促进茎尖生长。接种后茎尖明显增大,一周内茎尖基部产生愈伤组织,但很少看到茎尖伸长,颜色一直较淡。这是由于生长素浓度过高,光照太弱,培养温度偏高。这时应立即转移到生长素浓度较低的培养基中,同时降低温度,增强光照。在正常情况下,接种后茎尖颜色逐渐变绿,基部逐渐增大,形成少量愈伤组织,茎尖也逐渐伸长,大约一个月左右,即可看见明显伸长的小茎和小叶片。这时可转到无植物激素的培养基中,茎尖继续伸长,并形成根系,最后发育成完整的小植株。

  培育成的脱病毒植物苗,经过快速繁殖技术可生产出大量的脱毒苗。在自然环境下栽培脱毒苗,有一个被病毒再侵染的问题,通常栽培1~3年就需要再更换新的脱病苗。因此实际应用时往往在某一个地区建立一个脱病毒苗生产基地,不断向农民提供脱病毒苗,以达到长期高产优质的目的。我国的马铃薯脱病毒技术的推广应用,已在我国北方地区产生了很好的经济效益,使马铃薯产量提高十多倍,70年代末期就已在我国的东北、内蒙古、河北、山东等地建立了众多的马铃薯脱病毒苗生产基地。在生产基地的幼苗培育中,要特别注意防止病毒传播媒介的侵袭,特别是防止昆虫,因为昆虫叮咬有病毒感染的植物后,就带有植物病毒,当它们再去叮咬另一植物时,就将所带的病毒传播到该植物体中,所以昆虫是植物病毒病传播的主要媒介,基地中种植脱病毒苗时,往往要加盖昆虫网。