高中生物《植物组织培养技术》文字素材3 苏教版选修1

1 植物组织培养技术植物组织培养技术 一 植物细胞的全能性 植物组织培养的理论依据是细胞全能性 所谓细胞全能性就是指植物体的 任何一个有完整细胞核的活细胞都具有该种植物的全套遗传信息和发育成完整 植株的潜在能力 例如 一个受精卵通过细胞分裂和分化产生具有完整形态和 结构机能的植株 这是受精卵具有该物种全部遗传信息的表现 同样 由合子 分裂产生的体细胞也具备全能性 但在自然状态下完整植株不同部位的特化细 胞只表现出一定的形态与生理功能 构成植物体的组织或器官的一部分 是因 为细胞在植物体内所处的位置及生理条件不同 其分化受到各方面的调控 某 些基因受到控制或阻遏 致使其所具有的遗传信息得不到全部表达的缘故 植物细胞的全能性是潜在的 要实现植物细胞的全能性 必须具备一定的 条件 体细胞与完整植株分离 脱离完整植株的控制 创造理想的适于细 胞生长和分化的环境 包括营养 激素 光 温 气 湿等因子 只有这样 细胞的全能性才能由潜在的变为现实的 植物的离体组织 器官 细胞或原生 质体在无菌 适宜的人工培养基和培养条件下培养 就满足了细胞全能性表达 的条件 因而能使离体培养材料发育成完整植株 二 植物的再生性 一一 植物再生性的含义植物再生性的含义 在植物分化根 茎 叶等器官的过程中 某处组织受到一定的损伤 则在 受伤部位往往会产生新的器官 长出不定芽和不定根 从而形成新的完整植株 人们利用这种植物的再生作用进行无性繁殖 并结合应用生根激素 使原来扦 插不易成活的种类也可达到成苗的目的 植物之所以会产生器官 是由于受伤 组织产生了创伤激素 由此促进愈伤组织的形成 并凭借内源激素和贮藏营养 的作用又产生了新的器官 植物组织培养技术的成功 使植物的再生作用在更大的范围内表现出来 其中 不但表现为植物种类大大的增加 再生的部位不断扩大 甚至小到肉眼 无法辨别 在解剖镜下操作的材料也可培养再生 在自然情况下 有些植物的 营养器官和细胞再生比较困难 主要是由于内源激素调整缓慢或不完全 以及 外界条件不易控制等因素所致 植物组织培养通过对培养基的调整 特别是对 激素成分的调整 在人工控制的培养条件下 就有可能顺利地再生出新植株 植株再生的过程即为植物细胞全能性表达的过程 一般经过脱分化和再分 化两个阶段 一般所说的细胞分化是指细胞在分裂过程中发生结构和功能上的 改变 逐渐失去分裂能力 而形成各类植物组织和器官 由种子萌发到长成完 整植株 这是胚性细胞不断分裂和分化的结果 所谓脱分化正好与分化过程相 反 是指植物组织培养中构成离体植物器官和组织的成熟细胞或已分化的细胞 转变成为分生状态的过程 即诱导成为愈伤组织的过程 其特征是已失去分裂 2 能力的细胞重新获得了分裂能力 所谓愈伤组织是指在人工培养基上经诱导后 外植体表面上长出来的一团无序生长的薄壁细胞 脱分化的难易程度与植物的 种类 组织和细胞的状态有关 一般单子叶植物比双子叶植物难 成熟的植物 细胞和组织比未成熟的植物细胞和组织难 单倍体细胞比二倍体细胞难 所谓 再分化是指由脱分化的组织或细胞转变为各种不同的细胞类型 由无结构和特 定功能的细胞团转变为有结构和特定功能的组织和器官 最终再生成完整植株 的过程 具体的植株再生途径见第三章内容 二 愈伤组织的形成和形态发生 1 愈伤组织的形成 几乎所有植物材料经离体培养都有诱导产生愈伤组织的潜在能力 并且能 够在一定的条件下能分化成芽 根 胚状体等 一般而言 诱导外植体形成典 型的愈伤组织 大致要经历三个时期 启动期 分裂期和分化期 启动期又称诱导期 是指细胞准备进行分裂的时期 启动期的长短 因植 物种类 外植体的生理状态和外部因素而异 如菊芋的诱导期只要 1 天 胡萝 卜需要几天时间 用于接种的外植体细胞 通常都是处在静止状态的成熟细胞 在一些刺激因素 如增加空气中 02含量 受到机械损伤等 和激素的诱导下 其 合成代谢活动加强 迅速进行蛋白 质和核酸的合成 分裂前细胞呼吸作用增强 多聚核糖体 RNA 和蛋白质含量 显著增加 分裂有关的酶活力增强 这些变化为下一步的细胞分裂提供充足的 物质基础 诱导启动的因素主要是外源激素 最常用的有 2 4 D NAA IAA 和 细胞分裂素等 其中 2 4 D 在诱导细胞分裂过程中 效果最明显 分裂期是 指外植体细胞经过诱导后脱分化 不断分裂 增生子细胞的过程 处于分裂期 的愈伤组织的特点是 细胞分裂快 结构疏松 缺少有组织的结构 颜色浅或 呈透明状 愈伤组织的增殖生长发生在不与琼脂接触的表面 在经过一段时间 的生长后 愈伤组织常呈不规则的馒头状 如果把分裂期的愈伤组织及时转移 到新鲜的培养基上 则愈伤组织可以长期保持旺盛的分裂生长能力 分化期是指停止分裂的细胞发生生理代谢变化而形成不同形态和功能的细 胞的过程 若分裂期的愈伤组织在原培养基上长期培养 细胞将不可避免地进 入分化期 产生新的结构 分化期愈伤组织的特点是 细胞分裂的部位由愈伤 组织表面转向愈伤组织内部 形成了分生组织瘤状结构和维管组织 出现了各 种类型的细胞 出现一定的形态特征等 生长旺盛的愈伤组织一般呈奶黄色或 白色 有光泽 也有淡绿色或绿色的 老化的愈伤组织多转变为黄色甚至褐色 活力大减 2 愈伤组织的生长与分化 3 外植体细胞经过启动 分裂和分化等一系列变化过程 形成了无序结构的 愈伤组织块 如果使他们在原培养基上继续培养 就应解决由于其中营养不足 或有毒代谢物的积累 而导致愈伤组织块的停止生长 直至老化变黑死亡的问 题 若要愈伤组织继续生长增殖 必须定期将它们分成小块 接种到新鲜的原 培养基上继代增殖 愈伤组织才可以长期保持旺盛生长 这是长期保存愈伤组 织的一种方法 旺盛生长的愈伤组织的质地存在显著差异 可分为松脆型和坚硬型两类 并且两者可以互相转化 当培养基中的生长素类浓度高时 可使愈伤组织块变 松脆 相反 降低或除去生长素 愈伤组织则可以转变为坚实的小块 同一种 类的愈伤组织也可随外植体的部位及生长条件的差异而不同 即便是同一块愈 伤组织也会因各种因素的作用存在颜色和结构上的差异 愈伤组织在转入分化培养基后会出现体细胞胚胎发生及营养器官的分化 出现哪种情况取决于植物种类 外植体的类型与生理状态 以及环境因子的 影响 有时也有难以分化的情况 3 愈伤组织的形态建成 分化期的愈伤组织虽然形成维管化组织和瘤状结构 但并无器官发生 只 有满足某些条件 愈伤组织才能再分化出器官 根或芽 或胚状体 进而发育 成苗或完整植株 愈伤组织的形态发生 一般有三种方式 先芽后根 这是最普遍的发生方式 先 根后芽 但芽的分化难度比较大 在愈伤组织块的不同部位上分化出根或芽 再通过维 管组织的联系形成完整植株 通过在愈伤组织表面或内部形成胚状体 是愈伤组织形态发 生的特殊方式 关于愈伤组织形态发生的影响因素见第三章内容 三 根芽激素理论三 根芽激素理论 在植物组织培养过程中 外植体往往通过器官发生的途径来再生植株 但 根和芽的产生并不是同步的 通过大量研究表明 植物激素是影响器官建成的 主要因素 1955 年 Skoog 和 Miller 提出了有关植物激素控制器官形成的理论 即根芽激素理论 根和芽的分根和芽的分化由生长素和细胞分裂素的比值所决 定 二者比值高时促进生根 比值低时促进茎芽的分化 比值适中则组织倾向 于以一种无结构的方式生长 通过改变培养基中这两类激素的相对浓度可以控 制器官的分化 大量的试验结果证明 根芽激素理论适用多数物种 只是由于在不同植物 组织中这些激素的内源水平不同 器官发生的能力有差异 导致不同组织来源 的外植体可能在相同的培养条件下诱导再生不同的器官类型 或用不同的培养 条件诱导相同的器官发生 这就是激素的位置效应问题 因而对于某一具体的 形态发生过程来说 它们所要求的外源激素的水平也会有所不同 4 四 组培苗遗传稳定性的问题四 组培苗遗传稳定性的问题 遗传稳定性问题 即保持原有物种特性的问题 虽然植物组织培养中可获 得大量形态 生理特性不变的植株 但通过愈伤组织或悬浮培养诱导的组培苗 经常会出现一些变异个体 其中有些是有益变异 而更多的不良变异 如观赏 植物不开花 花小或花色不正 果树不结果 抗性下降或果小 产量低 品质 差等 给生产造成很大损失 因此 组培苗遗传稳定性问题是植物组织培养的 一个重要问题 一 影响组培苗遗传稳定性的因素 1 基因型 基因型不同 发生变异的频率也不同 如在玉簪组培过程中 杂色叶培养 的变异频率为 43 而绿色叶仅为 1 2 香龙血树愈伤组织培养再生植株全 部发生变异 嵌合体植株通过组培 其嵌合性变异更大 单倍体和多倍体变异 大于二倍体 同一植株的不同器官的外植体对无性系变异率也有影响 在菠萝 组织培养中 来自幼果的再生植株几乎 100 出现变异 而来自冠芽的再生植株 的变异率只有 7 似乎表明从分化水平高的组织产生的无性系较从分生组织产 生的无性系更容易出现变异 2 继代次数与继代时间 据报道 试管苗的继代培养的次数和时间的长短影响植物的稳定性 是造 成变异的关键因素 一般随着继代次数和培养时间的增加 变异频率不断提高 朱靖杰 1995 报道 香蕉诱导不定芽产生 其变异率继代 5 次为 2 14 10 次为 4 2 继代 20 次后则 100 发生变异 因而香蕉继代培养不能超过一年 研究表明 变异往往出现在由年龄渐老的培养物所再生的植株中 而由幼龄培 养物再生的植株一般较少发生 另外 长期营养繁殖的植物变异率较高 有人 认为这是由于在外植体的体细胞中已经积累着遗传变异 3 发生方式 离体器官发生有多种类型 以茎尖 茎段等发生不定芽的方式繁殖 不易 发生变异或变异率极低 甘肃农业大学通过节培法繁殖名贵葡萄品种 经 5 8 年继代培养 其变异频率与常规方法相同 在数万株中仅发现 1 株变异 菊花 通过茎尖 腋芽培养变异较低 而从花瓣诱导的植株变异率则较高 通过胚状 体发生途径再生植株变异较少 而通过愈伤组织和悬浮培养分化不定芽的方式 而获得再生植株的变异率则较高 4 外源激素 培养基中的外源激素是诱导体细胞无性系变异的重要原因之一 一般认为 较低浓度的外源激素能够有选择地刺激多倍体细胞的有丝分裂 而较高浓度的 5 激素则能抑制多倍体细胞的有丝分裂 Kallack Yarve kylg 1971 的研究指出 如果 2 4 D 的作用浓度为 0 25 mg L 能够增加多倍体细胞的有丝分裂 减少二 倍体细胞的有丝分裂 但若 2 4 D 的作用浓度为 20 mg L 时 则能促进二倍体细 胞的分裂 在高浓度激素的作用下 细胞分裂和生长加快 不正常分裂频率增 高 再生植株变异也增多 二 减少变异 提高遗传稳定性的措施 在组培工厂化快繁过程中 产生大量与亲本性状完全一致的