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植物生物技术在茶树生产中的应用现状与展望第31卷第4期 2004年12月 福建林业科技 Jour0fFujianForestrySciandTech Vo1.31No.4 Dec.,2004 植物生物技术在茶树生产中的应用现状与展望 吴林森,陈燕儿,戴养富. (1.浙江丽水职业技术学院,浙江丽水323000;2.余姚市林业特产推广站,浙江余姚315400; 3.遂昌县王村口林业工作站,浙江遂昌323300) 摘要:综述植物组织培养,植物基因工程,植物细胞工程等植物生物技术在茶树生产上的应用现状,展望其他植物生物技术 在茶树生产上的前景;指出茶树植物生物技术的研究与推广工作比较落后,开展这项工作任重道远. 关键词:茶树;组织培养;基因工程;细胞工程;生物技术 中图分类号:$571.103.53文献标识码:A文章编号:10027351(2004)04011104 TheApplicationStatusandExpectationofPlantBiotechnologyinTeaPlantProduction wuLin.senl, CHENYan.er, DAIYang-fu3 (1.LishuiProfessionalTechnologicalCollege,Lishui323000,China; 2.YuyaoForestrySpecialLocalProductPopularizationStation,Yuyao315400,China; 3.WangCunKouForestryWorkStationofSuichangCounty,Suichang323300,China) Abstract:Thispapersummarizedtheplantbiotechnologlesofplanttissueculture,plantgeneengineering,andplantcellengineer. ing,heteatreeproduction,envisagedtheprospectsofotherplantbiotechnologiesinteatreeproduction;itpointedoutthat thestudyandpopularizationworksofteatreeplantbiotechnologywererdativdybehindschedule,thetaskofdevelopingthework Wasarduo1.18andtheroadaheadWaslong. Keywords:teatree;tissueculture;geneticengineering;cellengineering;biologicaltechnology 21世纪是生物技术的时代,生物技术是现代生命科学发展的重大成果.它包括基因工程,细胞工程, 酶工程和发酵工程等4大工程技术.而作为生物技术的重要组成之一的植物生物技术有3个层次,即分 子水平上的植物基因工程技术,包括基因的克隆和转移;细胞及亚细胞水平上的植物细胞工程技术,包括 突变细胞系的筛选,原生质融合与体细胞杂交,植物细胞的大量培养与次生代谢物的生产;以及在器官水 平上的植物组织培养技术,包括花药培养,胚状体培养,人工种子和种质资源的保存等. 农业现代化是现代农业的重要特征,是当前农业工作的重中之重.实现农业现代化是解决”三农”问 题重要途径之一.茶是我国人民的传统产业,如何提升其科技含量,为茶农创造出更多的经济效益,这是 摆在所有农业科技工作者面前的重大课题.在植物生物技术突飞猛进的今天,把植物生物技术与茶常规 育种技术相结合,这是非常必要的.只有这样才能为茶树育种工作提供新的特异种质,提高育种效率,最 终培育出更多的新优特品种,才能为茶生产尽早迈入农业现代化行列奠定扎实的基础. 1应用植物生物技术是现代茶业生存与发展的根本要求 茶是世界上消费量仅次于水的一种饮料,世界日均消费量30亿杯,也是亚,非,拉第三世界脱贫致富 的一种重要的经济作物.我国是世界产茶大国,拥有大约110万hn12的茶园,约占全世界茶园总数250 万hm2的40%,但在其中可能只有不到25%的茶园栽种的是经过改良的优质品系,其他的绝大多数种植 的是一些质量参差不齐的品种,茶叶总体生产力较低.茶叶的低生产力,低品质造成生产成本递增,经济 效益下降,从而阻碍了茶叶生产的可持续发展. 现代农业的生存与发展的基础是农产品的优质品种的创新与生产推广.茶叶的生产亦是如此.由于 茶树生长周期长,自交结实率较低,仅为3%15%,同时又是属于异花授粉植物,这些因素都使常规育种 收稿日期:20040329;修回日期:20040708 作者简介:吴林森(1969一),男,浙江庆元人,浙江丽水职业技术学院讲师,从事植物组织培养教学与研究工作. 福建林业科技第31卷 方法不能很好地用于茶树育种研究,而植物生物技术的发展为茶树育种摆脱困境提供了一条重要的,先进 的解决途径.利用植物生物技术,并与常规的育种技术相结合,互相取长补短,缩短育种时间,提高效率, 培育出新一代的茶树优质品种,才能有更高产量,更好品质的茶产品的收获.这对于茶树的育种研究及茶 叶的生产都具有非常重要的意义和广阔的应用前景. 2植物生物技术在茶树生产中的应用现状 2.1快速繁殖,实现并加快茶树新品种的培育与推广 茶树的组织培养在茶树生物技术中吸引了最多的注意力,起步最早,取得的成就也是最大的.茶树组 织培养快繁技术最早在1976年由台湾吴振铎用子叶愈伤组织培养出了试管苗,其后日本的安间舜等和我 国的王玉书等分别用成熟的胚和未成熟的胚获得了茶的再生植株,1984年PhuKan和Mitra选择茶茎尖 作为外植体进行了培养.Nakamura在1987年第一次报道了在茎尖培养中得到了再生植株.1990年 sarathchandra和ArulpragaSam采用茎节作为外植体,建立了有效的茶树快速繁殖方法,1a中从50个外 植体得到了36153个新梢.1991年Nakamura详述了通过芽增殖,不定芽形成和不定胚形成等途径进行 茶树的快速繁殖的方法,利用该方法1a内1个外植体可繁殖出50000株茶苗,这为茶良种的快繁提供了 有效的途径.2000年孙仲序等进行的山东茶树良种组织培养及繁殖能力的研究中,证实通过组织培养获 得的茶苗移栽的成活率达85%,1个外植体经3次继代培养可繁殖47棵苗. 茶树组培快繁技术创造了在很短的时间内采用很少的植物材料快速地培育出成千上万的新植株,其 生产周期短,繁殖系数高,易保持亲本的优良性状及占地面积小,容易实现产业化等特点,这对于茶树生产 中优良无性系的快速繁殖体系的建立,缩短茶树育种周期,加快茶新优品种的推广种植具有重大的实践意 义. 2.2借助植物基因工程,培育转基因茶,创造优良品种 随着人们生活水平的提高,人们更加注重茶产品的品质,对其感观,风味,功效和卫生等提出了更高的 要求.传统的育种技术是通过种内或近缘间的杂交将优良性状组合在一起,从而创造产量高,品质更好的 品种.但其所利用的资源一般仅限于种内,一旦超越种的界限,就容易表现为不亲和.而作为植物基因工 程技术的重要组成转基因技术通过Ti质粒农杆菌,基因枪等手段将外源目的基因导入植物体内,从 而可以打破物种的界限,达到动物,植物和微生物的基因资源共享,使常规育种技术中难以实现和不敢想 象的新品种培育成功成为了可能. 植物转基因技术在植物生产中得到了巨大的成功,转基因抗棉,抗除草剂大豆,延熟番茄,改变花色的 矮牵牛等已培育成功,并开始产业化生产,带来了可观的经济效益.而在茶育种生产中的应用较为滞后, 但仍然有不少成功的例子. 分子标记技术包括RFLP,RAPD,AFLP,ssR,SCAR,STS等,它能直接反映出茶品种基因组DNA间 的差异.利用此项技术在茶品种的亲缘关系鉴定,品种识别以及茶树的品种资源评价等方面得到了广泛 的应用.WachairFN等利用RAPD技术,研究了属于茶,普洱茶和尖萼茶等38个无性系的遗传多态性, 分析得出中国茶和柬埔寨的尖萼茶类型内的变异变化比普洱茶大;国内有陈亮等对我国的5份茶树优质 资源进行了RAPD分析,其多态性达84.9%,这表明了我国的茶树具有丰富的遗传多态性,这也进一步地 证实我国是一个历史悠久的茶发源地.而Paul等(1997)利用AFLP分子标记技术研究揭示了印度与肯 尼亚茶群体之间的多样性与遗传差异.利用分子标记可以寻找到与茶品种特定经济性状紧密连锁的,易 于识别的形态标记,进而开展对茶树抗炭疽病,抗寒性及叶色深浅等目的基因进行连锁的分子标记,这为 进一步的复制与转移这些目的基因,进行茶的分子标记辅助选择育种奠定了科学的基础. 这些技术的研究与推广应用,将为茶的转基因技术的进一步成熟和更大的应用,从根本上解决茶品种 问题,提高抗性,提供有效的理论依据和应用基础. 2.3茶细胞培养生产次生代谢产物 茶树是一种富含多种次生代谢产物的植物,如咖啡碱,茶碱,茶氨酸,茶多酚,儿茶素等.这些物质的 第4期吴林森,等:植物生物技术在茶树生产中的应用现状与展望 形成与积累是茶树细胞的重要特征,其中的儿茶素更是茶中量较多,功效比较突出的重要次生代谢产物. 茶叶的众多保健功能,如茶叶对癌细胞繁殖的抑制,防龋,抗氧化,降血糖,降血压,降血脂,防辐射,抗 过敏,抗流感病毒等,其功效发挥的活性组份在今天已证实是由于茶中富含的次生代谢产物.而且它们中 的许多成分已经应用到了食品,医药,保健及日用化工产品的生产中,提高了茶的应用价值,进一步提高了 茶在人们心目中的地位,促进了茶叶的消费增长. 为获取各种有用的次生代谢产物,目前茶叶上主要是采用成茶提取工艺,生产儿茶素等次生代谢产 物,但工艺复杂,成本较高,而利用细胞培养法生产时具有不与传统饮料茶争原料,便于产业化的优点,这 使其受到了国内外的极大关注.中国茶科所的成浩等从20世纪90年代以来在这方面进行了系统的研 究,证实了茶在进行离体细胞培养时仍能保持旺盛的次生代谢产物合成能力,而且可以通过调节培养基组 成等方法大幅度地提高儿茶素含量.另外,湖北孝感学院生物系与湖南农业大学食品科学系的教授专家 们所作的”儿茶素细胞培养生物合成机理及其发酵生产技术”的研究工作,更是为茶细胞培养过程中如何 使合成途径朝酯型儿茶素方向进行的这一技术难关提供了有效的解决办法.儿茶素的研究取得了一定的 成效,为其产业化,同时也为茶的其它各种有效的次生代谢产物的生产探索了一条可靠的方法. 2.4茶树种质资源保存 植物种质资源日益枯竭,大量有用基因的损失,这是现今生物界的一大困扰.如何保护与保存现有的 植物种质资源引起了科学家和各国政府的高度重视.植物组织培养中的低温保存种质资源为植物的保护 工作提供了一个良好的机制. 我国茶树资源丰富,其内在的遗传基因同样也是多种多样的,品种的不同,其种质的差异是明显的,但 随着持续不断的茶园良种化的改造,原有的品种逐渐被整齐划一的无性系所取代;同时茶是一个古老的品 种,上百年树龄的古茶树是各地名木古树中的一个重要种类,它们对于研究茶的历史变化,遗传进化等意 义重大.但随着时间的延伸,这些古老的大树由于众多原因的影响,逐渐走入珍稀濒危植物的行列,保护 它们成了第一大任务.通过种质资源的保存,将小部分的茶材料放置在实验室人工设置的条件下,让其很 好地生长,完全可实现对古茶树的保护与利用,最终维持茶品种的生物多样性.现在我国已对国家一级保 护植物金花茶做了种质资源的保存工作,其他的如桫椤已纳入试管微繁,进行了相当有效的保存.对于普 通一点的植物.取得成功的例子更是不胜枚举,如香石竹,番茄,烟草,豌豆,马铃薯,玉米,梨芽,苹果芽等. 保存起来的种质资源可便于国际,省际间的交流,交换和购买等. 3茶树育种生产中植物生物技术的应用展望 植物生物技术在植物繁育方面取得了巨大的成功.但在茶业中的许多方面的应用研究目前还是处于 初级阶段,远远地落后于其它的植物.因此对于已取得成功的茶生物技术应继续加强研究与推广应用,同 时加快研究在其它植物上已取得成功的生物技术在茶育种生产上的应用可行性. 3.1利用人工种子改变茶苗的运输与播种方式 扦插繁殖是茶树栽培史上的一项极为重要的技术进步,但它要有大量的土地以建立茶的母本园和苗 圃,而且在苗木的贮存和运输方面有一定困难,这增加了茶苗工厂化生产的困难,不利于降低茶苗生产的 成本. 植物组织培养中的人工种子技术是有望解决这一问题的新途径.人工种子是模拟天然种子的基本构 造,将组织培养或体细胞培养所获得的胚或胚状体用含各种营养成分和农药等化学成分包裹起来,然后再 用外皮包装以防止机械损伤.如郭顺星等已成功地以原球茎为材料,以3%海藻钠和2%的CaC12为人工 种皮,以改良1/2MS+3%蔗糖为胚乳制成铁皮石斛人工种子,成活率达80%以上. 人工种子具有繁殖速度快,结构完整的特点,同时人工种子与扦插苗一样能保持原有品种的优良性 状,并且与种子一样能方便地进行贮存和运输,有利于实现茶树新品种的工业化生产和机械化播种.人工 种子技术的研究与利用在目前来看比较少.茶树上的这项技术远未成功,尚处于初试阶段,但由于其具有 种子和扦插苗无可比拟的特性,这一技术的应用前景是广阔的. 福建林业科技第31卷 3.2采用细胞融合技术,组合不同品种的优良特性 细胞融合技术是指将2个不同品种来源的细胞原生质融合在一起,从而产生出兼备2个亲本的新的 遗传性状的细胞,进一步扩大繁殖获取大量的杂交品种,进而发展成为一个具有2个品种各自优良性状的 新品种.目前有320种高等植物的原生质体培养再生植株获成功,如苹果,枇杷,桑树,欧洲山杨,榆树,悬 铃木,泡桐和猕猴桃等已有报道. 作为茶育种生产中要将2个品种的优良性状进行组合主要是通过杂交育种,传统的方法是用异花授 粉和有性繁殖.但由于茶树的自交结实率太低,常常得不到或得到很少的杂交种子,或者出现所得的杂交 种子不孕,这对于扩大生产是不利的,而其它植物的细胞融合技术在培育苗木上所取得的成功经验为这一 技术在茶育种生产中的推广使用奠定了基础,相信这一技术将为提升茶的品质,满足人们对茶品质的日益 增长的要求作出巨大的贡献. 3.3结合其它生物技术,探索解决茶农药残留的难题 茶产品中农药残留问题是制约我国茶产品出口的一个重要因素,特别是2004年欧盟开始实施比 2000年更新,更严格的农残标准后,问题更加严重,这一问题更是成了我国茶叶科研中急需解决的一大难 题.除常规的技术和管理措施之外,利用现在正在发展迅速的生物技术来研究与解决这一难题不失为一 个极好的办法,至少有3条途径很值得研究:茶树抗病虫转基因研究;发酵生产高效无毒或低毒农药 研究;研制高效茶树降残菌肥. 4结语 我国是茶叶的发源地,是世界产茶大国.在科学技术迅猛发展的今天,加强对茶业的科技投入,广泛 开展植物生物技术在茶业中的研究与应用,才能提高茶树育种效率,更快培育出新优品种,促进传统茶业 的改革,实现茶产业化,实现高产高效低耗的现代化生产,提升茶业的市场竞争力,让茶农在产量递增的同 时,也能创造出较好的经济效益. 参考