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植物組織培養

(無性繁殖新技術)

鎖定
植物的組織培養是根據植物細胞具有全能性這個理論,近幾十年來發展起來的一項無性繁殖的新技術。植物的組織培養廣義又叫離體培養,指從植物體分離出符合需要的組織、器官或細胞,原生質體等,通過無菌操作,在無菌條件下接種在含有各種營養物質及植物激素的培養基上進行培養以獲得再生的完整植株或生產具有經濟價值的其他產品的技術。狹義是指用植物各部分組織,如形成層、薄壁組織、葉肉組織、胚乳等進行培養獲得再生植株,也指在培養過程中從各器官上產生愈傷組織的培養,愈傷組織再經過再分化形成再生植物。
中文名
植物組織培養
外文名
Plant Tissue Culture
別    名
離體培養
技術類別
無性繁殖技術
作    用
人工控制條件下進行植株培養
理論基礎
植物細胞具有全能性

植物組織培養理論起源

植物組織培養研究歷史

西番蓮 西番蓮
19世紀30年代,德國植物學家施萊登和德國動物學家施旺創立了細胞學説,根據這一學説,如果給細胞提供和生物體內一樣的條件,每個細胞都應該能夠獨立生活;1902年,德國植物學家哈伯蘭特細胞全能性的理論是植物組培的理論基礎。1958年,一個振奮人心的消息從美國傳向世界各地,美國植物學家斯蒂瓦特等人,用胡蘿蔔韌皮部的細胞進行培養,終於得到了完整植株,並且這一植株能夠開花結果,證實了哈伯蘭特在五十多年前關於細胞全能的預言。
植物組培的簡單過程:剪接植物器官或組織——經過脱分化(也叫去分化)形成愈傷組織——再經過再分化形成組織或器官——經過培養髮育成一顆完整的植株。
植物組培的大致過程:在無菌條件下,將植物器官或組織(如芽、莖尖、根尖或花葯)的一部分切下來,用纖維素酶果膠酶處理用以去掉細胞壁,使之露出原生質體,然後放在適當的人工培養基上進行培養,這些器官或組織就會進行細胞分裂,形成新的組織。不過這種組織沒有發生分化,只是一團薄壁細胞,叫做愈傷組織。在適合的光照、温度和一定的營養物質與激素等條件下,愈傷組織便開始分化,產生出植物的各種器官和組織,進而發育成一棵完整的植株 [1] 

植物組織培養技術原理

技術原理
技術原理(4張)
植物組織培養即植物無菌培養技術,又稱離體培養,是根據植物細胞具有全能性的理論,利用植物體離體的器官(如根、莖、葉、莖尖、花、果實等)、組織(如形成層、表皮、皮層、髓部細胞、胚乳等)或細胞(如大孢子、小孢子、體細胞等)以及原生質體,在無菌和適宜的人工培養基及温度等人工條件下,能誘導出愈傷組織、不定芽、不定根,最後形成完整的植株的學科。 [5] 

植物組織培養植物細胞的全能性

細胞全能性 細胞全能性
組織培養是指植物的任何器官、組織或細胞,在人工預知的控制條件下,於含有營養物質和植物生長調節物質等組成的培養基中,使其生長、分化形成完整植株的過程。組織培養的理論依據是植物細胞具有全能性。即植物體任何一個細胞都攜帶着一套發育成完整植株的全部遺傳信息,在離體培養情況下,這些信息可以表達,產生出完整植株。
A循環表示生命週期,它包括孢子體和配子體的世代交替。B循環表示細胞的核質週期(細胞週期),由於核質互作,DNA複製、轉錄RNA並翻譯為蛋白質,使全能性形成和保持。C循環是組織培養週期,組織或細胞與供體失去聯繫,處於無菌條件下,靠人工的營養及激素進行異養狀態的代謝。這時的分生組織可通過3個途徑實現細胞的全能性:一是由分生組織直接分生芽而達到快速繁殖的目的;二是由分生組織形成愈傷組織,經過分化實現細胞的全能性;三是遊離細胞或原生質體形成胚狀體,由胚狀體直接重建完整植株,或製成人工種子後再重建植株 [1] 

植物組織培養培養分類

指以從胚珠中分離出來的成熟或未成熟胚為外植體的離體無菌培養。
2、器官培養
指以植物的根、莖、葉、花、果等器官為外植體的離體無菌培養,如根的根尖和切段,莖的莖尖、莖節和切段,葉的葉原基、葉片、葉柄、葉鞘和子葉,花器的花瓣、雄蕊(花葯、花絲)、胚珠、子房、果實等的離體無菌培養。
3、組織培養
指以分離出植物各部位的組織(如分生組織、形成層、木質部、韌皮部、表皮、皮層、胚乳組織、薄壁組織、髓部等),或已誘導的愈傷組織為外植體的離體無菌培養。這是狹義的植物組織培養。
指以單個遊離細胞(如用果酸酶從組織中分離的體細胞,或花粉細胞,卵細胞)為接種體的離體無菌培養。
指以除去細胞壁的原生質體為外植體的離體無菌培養。

植物組織培養組織培養

植物組織培養培養方法

1、非試管微組織快繁
非試管微組織快繁技術是將外植體(一般要求帶一葉一芽)放置在室內外普通沙子培養基上進行培養,利用植物腋芽自然倍增達到快速繁殖的目的。一般植物7~15天可以生長出根系。此技術投資低,操作環節少。
2、試管組織培養
試管組織培養是將外植體(即離體組織、器官或細胞)放置在組培瓶等器皿中在無菌的條件下進行組織培養獲得組培瓶苗。

植物組織培養培養步驟

植物組織培養實驗過程
植物組織培養實驗過程(5張)
第一步,將採來的植物材料除去不用的部分,將需要的部分仔細洗乾淨,如用適當的刷子等刷洗。把材料切割成適當大小,即滅菌容器能放入為宜。置自來水龍頭下流水沖洗幾分鐘至數小時,沖洗時間視材料清潔程度而宜。易漂浮或細小的材料,可裝入紗布袋內沖洗。流水沖洗在污染嚴重時特別有用。洗時可加入洗衣粉清洗,然後再用自來水衝淨洗衣粉水。洗衣粉可除去輕度附着在植物表面的污物,除去脂質性的物質,便於滅菌液的直接接觸。當然,最理想的清洗物質是表面活性物質——吐温
第二步是對材料的表面浸潤滅菌。要在超淨台或接種箱內完成,準備好消毒的燒杯、玻璃棒、70%酒精、消毒液、無菌水、手錶等。用70%酒精浸10~30秒。由於酒精具有使植物材料表面被浸濕的作用,加之70%酒精穿透力強,也很易殺傷植物細胞,所以浸潤時間不能過長。有一些特殊的材料,如果實、花蕾、包有苞片、苞葉等的孕穗,多層鱗片的休眠芽等等,以及主要取用內部的材料,則可只用70%酒精處理稍長的時間。處理完的材料在無菌條件下,待酒精蒸發後再剝除外層,取用內部材料。
第三步是用滅菌劑處理。表面滅菌劑的種類較多,可根據情況選取1~2種使用見表。第四步是用無菌水涮洗,涮洗要每次3min左右,視採用的消毒液種類,涮洗3~10次左右。無菌水涮洗作用是免除消毒劑殺傷植物細胞的副作用注意:①酒精滲透性強,幼嫩材料易在酒精中失綠,所以浸泡時間要短,防止酒精殺死植物細胞。②老熟材料,特別是種子等可以在酒精中浸泡時間長一些,如種子可以浸泡5分鐘。③昇汞的滲透力弱,一般浸泡10分鐘左右,對植物材料的殺傷力不大。④漂白粉容易導致植物材料失綠,所以對於幼嫩材料要慎用。⑤在消毒液中加入濃度為0.08~0.12%的吐温20或80(一種濕潤劑),可以降低植物材料表面的張力,達到更好的消毒效果 [2] 

植物組織培養培養特點

恆温培養 恆温培養
1、培養條件可以人為控制
組培採用的植物材料完全是在人為提供的培養基和小氣候環境條件下進行生長,擺脱了大自然中四季、晝夜的變化以及災害性氣候的不利影響,且條件均一,對植物生長極為有利,便於穩定地進行週年培養生產。
2、生長週期短,繁殖率高
組培是由於人為控制培養條件,根據不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培養條件,因此生長較快。另外,植株也比較小,往往20~30天為一個週期。所以,雖然組培需要一定設備及能源消耗,但由於植物材料能按幾何級數繁殖生產,故總體來説成本低廉,且能及時提供規格一致的優質種苗或脱病毒種苗。
3、管理方便,利於工廠化生產和自動化控制
植物組織培養是在一定的場所和環境下,人為提供一定的温度、光照、濕度、營養、激素等條件,極利於高度集約化和高密度工廠化生產,也利於自動化控制生產。它是未來農業工廠化育苗的發展方向。它與盆栽、田間栽培等相比省去了中耕除草、澆水施肥、防治病蟲等一系列繁雜勞動,可以大大節省人力、物力及田間種植所需要的土地 [3] 

植物組織培養培養優點

1、佔用空間小,不受地區、季節限制;
2、培養脱毒作物;
3、培養週期短;
4、可用組培中的愈傷組織製取特殊的生化製品;
5、可短時間大量繁殖,用於拯救瀕危植物
6、可誘導之分化成需要的器官,如根和芽;
7、解決有些植物產種子少或無的難題;
8、不存在變異,可保持原母本的一切遺傳特徵;
9、投資少,經濟效益高;
10、繁殖方式多,試用品種多。

植物組織培養培養材料採集

要根據培養目的適當選取材料,選擇原則:易於誘導、帶菌少。要選取植物組織內部無菌的材料。這一方面要從健壯的植株上取材料,不要取有傷口的或有病蟲的材料。另一方面要在晴天,最好是中午或下午取材料,決不要在雨天、陰天或露水未乾時取材料。因為健壯的植株和晴天光合作用、呼吸作用旺盛的組織,有自身消毒作用,這種組織一般是無菌的。
培養材料的消毒:
從外界或室內選取的植物材料,都不同程度地帶有各種微生物。這些污染源一旦帶入培養基,便會造成培養基污染。因此,植物材料必須經嚴格的表面滅菌處理,再經無菌操作手續接到培養基上。
試劑
  • 乙醇。
  • 吲哚乙酸(IAA)或 2,4 – D(生長素類似物)。
  • 氯化汞(昇汞)或次氯酸鈉。
  • 6- 苄基氨基腺嘌呤(6-BA)
  • MS 培養基
  • 0.1 mol/L NaOH與 0.1 mol/L HCl
配製培養基
(1)愈傷組織誘導培養基: MS 培養基(蔗糖含量為 10 g/L ,2,4 – D 含量為 2 mg/L,瓊脂10 g/L)。
(2)試驗培養基:在 MS 培養基中加入 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,然後用蒸餾水稀釋,再加入培養基中。
儀器設備
培養室,高壓滅菌鍋水浴鍋,解剖刀,三角燒瓶(100mL),燒杯,量筒,組培瓶,組培蓋或封口膜,棉線,接種箱或超淨工作台,分析天平,長鑷子,槍狀鑷子,剪刀,容量瓶,移液管,牛皮紙。
培養基滅菌
將配好的培養基加入瓊脂加熱溶解,調至 pH 5.6~5.8,趁熱分裝於 100 mL組培瓶中,每瓶約 30 mL 。待培養基冷卻凝固後,蓋上組培蓋,或蓋上封口膜並用棉線扎牢,然後在高壓滅菌鍋中 121 ℃( 1 kg/c㎡)下滅菌 20 min 。取出組培瓶放在台子上,冷卻後備用。接種操作所需的一切用具(如長鑷子、解剖刀、剪刀等)及滅菌水,需同時滅菌。

植物組織培養商業應用

在商業領域的運用主要是在各大大型花卉生產基地或鐵皮石斛、鐵線蓮等藥材的生產。

植物組織培養異常表現與改進措施

試管或瓶中培養物的表現、可能原因及改進措施
培養階段
培養物的表現
症狀產生的可能原因
可供選擇的改進措施
初代培養階段啓動與脱分化
培養物水浸狀、變色、壞死,莖段面附近乾枯
表面滅菌劑濃度過高,時間過長;外植體選用部位不當;時期不當
試用較温和滅菌劑,降低濃度,減少時間;試用其他部位,改在生長初、中期採樣
培養物長期培養沒有多少反應
生長素種類不當;用量不足;温度不適宜;培養基不適宜
增加生長素用量,試用2,4-D;調整培養温度
愈傷組織生長過旺,疏鬆,後期水浸狀
生長素及細胞分裂素用量過多;培養温度過高;培養基滲透勢低
減少生長素、細胞分裂素用量,適當降低培養温度
愈傷組織生長過緊密、平滑或突起,粗厚,生長緩慢
細胞分裂素用量過多;糖濃度過高;生長素過量亦可引起
適當減少細胞分裂素和糖的用量
側芽不萌發,皮層過於膨大,皮孔長出愈傷組織
採樣枝條過嫩;生長素、細胞分裂素用量過多
減少生長素、細胞分裂素用量,採用較老化枝條
繼代培養階段再分化與叢生芽苗增殖
苗分化數量少、速度慢、分枝少,個別苗生長細高
細胞分裂素用量不足;温度偏高;光照不足
增加細胞分裂素用量,適當降低温度
苗分化較多,生長慢,部分苗畸形,節間極度短縮,苗叢密集,過度微型化
細胞分裂素用量過多;温度不適宜
減少細胞分裂素或停用一段時間,調節適當温度
分化出苗較少,苗畸形,培養較久苗可能再次愈傷組織化
生長素用量偏高,温度偏高
減少生長素用量,適當降温
葉粗厚變脆
生長素用量偏高,或兼有細胞分裂素用量偏高
適當減少激素用量,避免葉接觸培養基
再生苗的葉緣、葉面等處偶有不定芽分化出來
細胞分裂素用量過多,抑或該種植物適宜於這種再生方式
適當減少細胞分裂素用量,或分階段利用這一再生方式
從生苗過於細弱,不適合生根操作和移栽
細胞分裂素過多,温度過高,光照短,光強不足,久不轉接,生長空間窄
減少細胞分裂素用量,延長光照,增加光強,及時轉接繼代,降低接種密度,改善封口條件
常有黃葉、死苗夾於叢生苗中,部分苗逐漸衰弱,生長停止,草本植物有時水浸狀、燙傷狀
瓶內氣體狀況惡化;pH值變化過大;久不轉接糖已耗盡,光合作用不足自身維持;瓶內乙烯含量升高;培養物可能已污染;温度不適
部分措施同上。去除污染,控制温度
幼苗生長無力,陸續發黃落葉,組織水浸狀、煮熟狀
部分原因同上。植物激素配比不適,無機鹽濃度不適等
部分措施同上。及時繼代,適當調節激素配比
幼苗淡綠,部分失綠
忘加鐵鹽或量不足;pH值不適,鐵、錳、鎂元素配比失調,光過強,温度不適
仔細配製培養基,注意配方成分,調好pH值,控制條件
誘導生根階段
培養物久不生根,基部切口沒有適宜的愈傷組織生長
生長素種類不適宜;用量不足;生根部位通氣不良;基因型影響,生根程序不適當;pH值不適;無機鹽濃度及配合不當
改進培養程序,選用或增加生長素用量,改用濾紙橋液培生根
愈傷組織生長過大過快,根部腫脹或畸形,幾條根並聯或癒合;苗發黃受抑制或死亡
生長素種類不適;用量過高;或伴有細胞分裂素用量過高;程序不適等
減少生長素或細胞分裂素用量,改進培養程序等 [4] 
參考資料
  • 1.    潘瑞熾主編. 植物組織培養[M]. 廣州:廣東高等教育出版社, 2000.08.
  • 2.    李秀霞著. 植物組織培養[M]. 瀋陽:東北大學出版社, 2014.06.
  • 3.    王清連主編. 植物組織培養[M]. 北京:中國農業出版社, 2003.07.
  • 4.    任傑. 植物組培快繁技術案例與實訓[M]. 銀川:寧夏人民教育出版社, 2010.03.
  • 5.    Plant regeneration: cellular origins and molecular mechanisms  .Biologists[引用日期2022-01-19]