第一章 植物组织培养

1、 Plant Tissue Culture 植物组织培养植物组织培养2014年9月3日同学们好！同学们好！ Welcome to my class ！Service 01Service 02Service 03组培组培专业选修课专业选修课学时：学时：36 36 学分：学分：2 2课程简介课程简介植物组织培养是一门生物科学领域的核心技术，主要内容：植物组织培养是一门生物科学领域的核心技术，主要内容： 理论篇：理论篇：基本概念、基本原理、基本方法和技术；基本概念、基本原理、基本方法和技术； 应用篇：应用篇：在农业、林业、工业和医药行业等方面的的应在农业、林业、工业和医药行业等方面的的应用方法和技术

2、。用方法和技术。课程内容课程内容定义（定义（DefinitionDefinition）：）： 狭义：主要指对植物组织及培养产生的愈伤狭义：主要指对植物组织及培养产生的愈伤组织进行培养。组织进行培养。 广义：植物组织培养相关技术的总称，包括广义：植物组织培养相关技术的总称，包括器官培养，细胞培养和原生质体培养等。器官培养，细胞培养和原生质体培养等。一、植物组织培养的定义一、植物组织培养的定义植物组织培养的概念植物组织培养的概念1.1.外植体（外植体（explantsexplants）：）：从活体植物体上切取下来从活体植物体上切取下来, , 进行培养的那部分组织或器官叫做外植体进行培养的那部分组织

3、或器官叫做外植体 。2.2.无菌无菌: :（asepsisasepsis）：）：指没有活菌的意思。指没有活菌的意思。 防止菌类进入人体或其他物品的操作技术，称为防止菌类进入人体或其他物品的操作技术，称为无菌操作无菌操作。组培技术常指快速繁殖技术，组培技术常指快速繁殖技术，又称又称植物克隆。植物克隆。 植物组织培养的优越性植物组织培养的优越性材料来源单一，遗传特性一致材料来源单一，遗传特性一致成本低，效率高成本低，效率高环境条件可控环境条件可控生长快，周期短，可重复性强生长快，周期短，可重复性强可连续生产，利于自动化控制可连续生产，利于自动化控制世界范围组培苗产量世界范围组培苗产量现在现在 19

4、91 1985年年 全世界组培苗产量全世界组培苗产量1.31.3亿株亿株 已超过已超过1010亿株亿株 世界范围内组培苗世界范围内组培苗5.15.1亿株亿株目前全球有关生物技术产业的年交易额约为目前全球有关生物技术产业的年交易额约为1 500 亿美元亿美元,其中其中50% 60%与农业有与农业有关。植物组培苗的贸易额约占总额的关。植物组培苗的贸易额约占总额的10%,即即150 亿美元亿美元,并以每年并以每年15%速度递增。速度递增。手手指指玫玫瑰瑰 一、植物组织培养的理论基础一、植物组织培养的理论基础 细胞全能性学说细胞全能性学说 脱分化和再分化理论脱分化和再分化理论 组培植物的生长发育组培植

5、物的生长发育 器官发生途径器官发生途径 1. 1. 细胞全能性学说细胞全能性学说 植物体的每一个具有完整细胞核的细胞都具有植物体的每一个具有完整细胞核的细胞都具有该物种全部遗传的物质，在一定条件下具有发该物种全部遗传的物质，在一定条件下具有发育成完整植物体的潜在能力。育成完整植物体的潜在能力。脱分化（脱分化（dedifferentiation)dedifferentiation)：将已分化的不分裂的静止细胞，将已分化的不分裂的静止细胞，放在培养基上培养后，细胞重新进入分裂状态。一个成熟的细胞放在培养基上培养后，细胞重新进入分裂状态。一个成熟的细胞转变为分生状态的过程叫脱分化。转变为分生状态的过

6、程叫脱分化。 v 再分化（再分化（redifferentiation):redifferentiation):经脱分化的组织或细胞在一定的经脱分化的组织或细胞在一定的培养条件下可转变为各种不同的细胞类型，形成完整植株的过程。培养条件下可转变为各种不同的细胞类型，形成完整植株的过程。 2.2.植物细胞全能性的表达植物细胞全能性的表达 一个细胞一旦沿着某一条特定的途径分化发育后，一般一个细胞一旦沿着某一条特定的途径分化发育后，一般不会再回复到未分化状态，但在组织培养条件下，可能发不会再回复到未分化状态，但在组织培养条件下，可能发生脱分化和再分化。生脱分化和再分化。离体的植物离体的植物器官、组织、器

7、官、组织、细胞细胞脱分化脱分化愈愈伤伤组组织织再分化再分化根根芽芽再再生生植植株株3 3. .组培植物的生长发育组培植物的生长发育4 4. .组织培养植株再生的途径组织培养植株再生的途径魔芋胚状体魔芋胚状体1 1）体细胞胚胎发生途径）体细胞胚胎发生途径（胚状体发生途径）（胚状体发生途径） ： 是指在组织培养中起源于一个非合子细胞，经过胚胎发是指在组织培养中起源于一个非合子细胞，经过胚胎发生和胚胎发育过程（经过原胚、球形胚、心形胚、鱼雷胚和生和胚胎发育过程（经过原胚、球形胚、心形胚、鱼雷胚和子叶胚子叶胚5 5个时期）。个时期）。胚状体发生途径胚状体发生途径外植外植体体脱脱分分化化愈伤组愈伤组织织

8、胚状胚状体体再生再生植株植株再再分分化化脱脱分分化化2 2）器官发生途径：）器官发生途径： 由愈伤组织或外植体诱导形成不定根或不由愈伤组织或外植体诱导形成不定根或不定芽，再获得再生植株的方法。定芽，再获得再生植株的方法。百合鳞叶培养百合鳞叶培养外植体器官发生途径外植体器官发生途径愈伤组织愈伤组织芽分化芽分化再生苗再生苗小小麦麦愈伤组织器官发生途径愈伤组织器官发生途径外植体外植体愈伤组愈伤组织织芽芽根根再生再生植株植株脱分化脱分化再分化再分化高生长素高生长素(1,2-D)高高(生长素生长素/细胞分裂素细胞分裂素)低低(生长素生长素/细胞分裂素细胞分裂素)器官发生途径器官发生途径胡胡萝萝卜卜离离体

9、体根根愈伤组织（愈伤组织（calluscallus）在人工培养基上由外植体上形成的一团在人工培养基上由外植体上形成的一团无序生长状态的薄壁细胞。无序生长状态的薄壁细胞。叶诱导愈伤组织叶诱导愈伤组织二、植物组织培养的类型二、植物组织培养的类型根据培养对象分类根据培养对象分类植株培养植株培养胚胎培养胚胎培养器官培养器官培养组织培养组织培养细胞培养细胞培养原生质体培养原生质体培养烟草的器官培养按培养基物理状态分为按培养基物理状态分为: : 1. 固体培养固体培养 2. 液体培养液体培养按培养过程分为按培养过程分为: : 1.初代培养初代培养 2.继代培养继代培养固体培养固体培养液体培养液体培养三、植

10、物组织培养的发展简史三、植物组织培养的发展简史探索阶段（探索阶段（1838-19291838-1929年）：细胞学说的提出年）：细胞学说的提出奠基阶段（奠基阶段（1930-19501930-1950）：培养基和激素）：培养基和激素迅速发展阶段（迅速发展阶段（1960-1960-至今）：植物改良至今）：植物改良1. 1. 探索阶段（探索阶段（1838-19291838-1929年）年）HaberlandtHaberlandt：观点：观点：贡献：贡献：提出细胞全能性提出细胞全能性小野芝麻、凤眼兰的栅栏细胞和虎眼万年青属表皮细胞小野芝麻、凤眼兰的栅栏细胞和虎眼万年青属表皮细胞无分裂无分裂细胞高度分化

11、细胞高度分化+ +培养基中无生长激培养基中无生长激素素首次进行离体细胞培首次进行离体细胞培养养高等植物的组织和器官可以分割成单个细高等植物的组织和器官可以分割成单个细胞胞Knop+Knop+蔗糖蔗糖关于单离植物细胞培养实验关于单离植物细胞培养实验我愿意指出：在我的培养实验中，虽然经常我愿意指出：在我的培养实验中，虽然经常观察到细胞的明显生长，但从未观察到细胞分观察到细胞的明显生长，但从未观察到细胞分裂。发现单细胞培养的条件，将是未来培养试裂。发现单细胞培养的条件，将是未来培养试验的难题。在未来，人们可以成功地从营养细验的难题。在未来，人们可以成功地从营养细胞培养出人工胚。胞培养出人工胚。190

12、41904年：年：HanningHanning胚培养：培养萝卜和胚培养：培养萝卜和辣根菜辣根菜的胚，的胚，得到植株得到植株19221922年：年：KnudsonKnudson采用胚培养法获得采用胚培养法获得兰花兰花幼苗，克服幼苗，克服其种子发芽困难的问题。其种子发芽困难的问题。19251925年：年：LaibachLaibach亚麻亚麻种间杂交幼胚培养得到杂种种间杂交幼胚培养得到杂种其它研究其它研究玉米成熟玉米成熟胚的培养胚的培养2.2.奠基阶段（奠基阶段（1930-19501930-1950年）年）19341934年：年：WhiteWhite番茄根建立第一个植物无性系。番茄根建立第一个植物无

13、性系。当根当根2 2厘米长切成厘米长切成0.5-10.5-1厘米切断，无菌液体培厘米切断，无菌液体培 养完全相同的离体根根离体培养真正成功养完全相同的离体根根离体培养真正成功; ;19341934年：年：高特里特高特里特（GautheretGautheret） 在研究山毛柳和黑在研究山毛柳和黑杨等形成层的组织培养实验中，杨等形成层的组织培养实验中，提出了提出了B B族维生素和族维生素和生长素生长素对组织培养的重要意义对组织培养的重要意义; ;19391939年：年：WhiteWhite由烟草种间杂种的瘤组织由烟草种间杂种的瘤组织, ,诺比考特诺比考特（NobecourtNobecourt）由胡

14、萝卜均建立了与上述类似的连续由胡萝卜均建立了与上述类似的连续生长的组织培养物。生长的组织培养物。19371937年：年：WhiteWhite发现发现3 3种种B B族维生素和族维生素和IAAIAA对植物生长有对植物生长有用用组织培养的奠基人组织培养的奠基人19431943年：年：WhiteWhite植物组织培养手册植物组织培养手册A Handbook of Plant A Handbook of Plant Tissue CultureTissue Culture，标志组织培养成为一门新兴学科。，标志组织培养成为一门新兴学科。19461946年：年：罗士韦罗士韦在菟丝子茎尖培养地观察到在菟丝子

15、茎尖培养地观察到花的形成花的形成，为试，为试管受精奠定了基础。管受精奠定了基础。19481948年：年：斯库克斯库克( (SkoogSkoog) )和和崔徵崔徵在烟草茎切段和髓培养以及器官在烟草茎切段和髓培养以及器官形成的研究中发现，发现形成的研究中发现，发现腺嘌呤或腺苷腺嘌呤或腺苷可解除生长素可解除生长素对芽生长的抑制作用，腺嘌呤对芽生长的抑制作用，腺嘌呤/ /生长素高，生芽；低，生长素高，生芽；低，生根；相等，不分化。生根；相等，不分化。从而明确了腺嘌呤与生长素的比腺嘌呤与生长素的比例是控制芽和根形成的主要条件之一例是控制芽和根形成的主要条件之一。1952-19531952-1953年：年

16、：美国植物学家美国植物学家斯图尔德（斯图尔德（StewardSteward）等人，用胡萝等人，用胡萝卜根韧皮部的细胞进行培养，卜根韧皮部的细胞进行培养，得到了完整植株得到了完整植株，并且这一植株能，并且这一植株能够开花结实，首次证实了够开花结实，首次证实了HaberlandtHaberlandt在五十多年前关于细胞全能在五十多年前关于细胞全能性的预言；性的预言；19521952年：年：莫雷尔（莫雷尔（MorelMorel）和马丁（）和马丁（MartinMartin）通过茎尖分生组织通过茎尖分生组织的离体培养，从已受病毒侵染的大丽花中首次获得无病毒植株；的离体培养，从已受病毒侵染的大丽花中首次获

17、得无病毒植株；19541954年：年：MuirMuir将将烟草愈伤组织置于固体培养基上，在其上放一片烟草愈伤组织置于固体培养基上，在其上放一片滤纸，再在滤纸片上放上一个烟草体细胞，滤纸，再在滤纸片上放上一个烟草体细胞，单细胞培养单细胞培养成功成功。19561956年：年：MillerMiller分离出分离出Kinetin(KT)Kinetin(KT)激动素激动素, ,不久即知道激动素可不久即知道激动素可以代替腺嘌呤促进发芽，并且效果可增加以代替腺嘌呤促进发芽，并且效果可增加3 3万倍。万倍。3. 3. 迅速发展阶段迅速发展阶段19601960年以来组织培养理论、实践、技术和方法不断年以来组织培

18、养理论、实践、技术和方法不断完善和发展，形成独具特色的专业技术。完善和发展，形成独具特色的专业技术。在实验技术上建立了较完整的实验程序，已成为一在实验技术上建立了较完整的实验程序，已成为一种重要和精细的实验技术。种重要和精细的实验技术。组织培养已广泛应用于生物学的许多分支学科，并组织培养已广泛应用于生物学的许多分支学科，并取得取得丰硕的成果。丰硕的成果。3.1 3.1 原生质体培养原生质体培养19601960年：年：科金科金CockingCocking开创植物原生质体培养和体开创植物原生质体培养和体细胞杂交研究工作（用真菌纤维素酶从番茄幼根分离细胞杂交研究工作（用真菌纤维素酶从番茄幼根分离得到

19、活性原生质体）得到活性原生质体）19711971年，日本年，日本 takebetakebe和和NagataNagata首次利用烟草叶片分离首次利用烟草叶片分离原生质体并获得再生植株。原生质体并获得再生植株。我国我国获得了获得了3030个以上品种的原生质体再生植株，其中个以上品种的原生质体再生植株，其中包括难度较大的重要粮食作物和经济作物大豆、水稻、包括难度较大的重要粮食作物和经济作物大豆、水稻、玉米、小麦、谷子、高梁、大麦、棉花、油莱、马铃玉米、小麦、谷子、高梁、大麦、棉花、油莱、马铃薯等薯等19721972年，美国年，美国CarlsonCarlson诱导粉蓝烟草和郎氏烟草的原生诱导粉蓝烟草和

20、郎氏烟草的原生质体融合得到质体融合得到种间体细胞杂种种间体细胞杂种第一株体细胞杂种。第一株体细胞杂种。19781978年，年，有性杂交不亲和的番茄有性杂交不亲和的番茄/ /马铃薯间的体细胞杂马铃薯间的体细胞杂交获得了交获得了杂种植株杂种植株(Melchers)(Melchers)。随后获得了地上结番。随后获得了地上结番茄，地下生马铃薯的杂种植物。茄，地下生马铃薯的杂种植物。19851985年，年，马铃薯的栽培品种与野生种的体细胞杂交，马铃薯的栽培品种与野生种的体细胞杂交，得到了抗晚疫病和卷叶病的得到了抗晚疫病和卷叶病的体细胞杂种体细胞杂种(Austin)(Austin)。3.2 3.2 细胞融

21、合与体细胞杂交细胞融合与体细胞杂交萝卜-白菜萝卜-甘蓝 避免避免受精后胚乳发育不良受精后胚乳发育不良或因或因种胚与胚乳间不亲和种胚与胚乳间不亲和而而致使杂种胚夭折，致使杂种胚夭折，及时分离幼胚及时分离幼胚接种在接种在无激素培养基无激素培养基上使之上使之直接成苗直接成苗，这就是，这就是胚挽救胚挽救。大大提高远缘杂交的成功率大大提高远缘杂交的成功率: :印度科学家印度科学家在裁培种菜豆、黄麻和花生的远缘杂交中在裁培种菜豆、黄麻和花生的远缘杂交中获得了理想的重组体。获得了理想的重组体。中国农科院蔬菜所中国农科院蔬菜所培养结球甘蓝和大白菜的杂种胚得培养结球甘蓝和大白菜的杂种胚得到了种间杂种。到了种间杂

22、种。3.3 3.3 胚胎培养和试管内传粉受精技术胚胎培养和试管内传粉受精技术l近近5050年来飞速的发展。从年来飞速的发展。从400400多种植物培养细胞中分离到多种植物培养细胞中分离到600600多种次级代谢产物多种次级代谢产物，其中，其中6060多种在含量上多种在含量上超过或等于其原植超过或等于其原植物物，2020种以上干重超过种以上干重超过1 1。l在日本，在日本，人参人参细胞培养细胞培养已达已达130600L130600L发酵罐；发酵罐；l德国用德国用1000L1000L发酵罐发酵罐培养培养毛地黄毛地黄细胞细胞；l利用培养细胞的生物转化能力生产利用培养细胞的生物转化能力生产高值化合物高

23、值化合物，德国科学家，德国科学家进行了出色的研究。他们在进行了出色的研究。他们在毛地黄毛地黄细胞的培养中加入生物合细胞的培养中加入生物合成途径的成途径的中间化合物毛地黄毒素和中间化合物毛地黄毒素和 一甲基毛地黄毒素一甲基毛地黄毒素，培养，培养细胞以几乎细胞以几乎 100100的转化速率使之的转化速率使之羟基化羟基化，变为医药，变为医药强心剂强心剂地高辛地高辛。3.4 3.4 组织及细胞培养生产有用物质组织及细胞培养生产有用物质19641964年印度年印度GuhaGuha和和MaheshwariMaheshwari成功地在成功地在毛叶曼陀罗毛叶曼陀罗花花药培养中，由花粉诱导得到单倍体植株，从而促

24、进了药培养中，由花粉诱导得到单倍体植株，从而促进了花花药和花粉培养药和花粉培养的研究；的研究；以后相继在以后相继在烟草、水稻、小麦、玉米、番茄、辣椒、烟草、水稻、小麦、玉米、番茄、辣椒、草莓、苹果草莓、苹果等多种植物培养中获得成功，其数目达到等多种植物培养中获得成功，其数目达到160160多种，其中烟草、水稻和小麦等的花药育种培养在多种，其中烟草、水稻和小麦等的花药育种培养在中国取得了引入注目的成就。中国取得了引入注目的成就。花药培养花药培养：中花：中花8 8号水稻、京花号水稻、京花1 1号小麦。号小麦。3.5 3.5 单倍体育种单倍体育种3.6 3.6 体细胞无性系变异：体细胞无性系变异：

25、我国已经培育出我国已经培育出抗白叶枯病及赖氨酸、甲硫氨酸、抗白叶枯病及赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、丝氨酸和酪氨酸含量高于亲本系的水稻变异亮氨酸、丝氨酸和酪氨酸含量高于亲本系的水稻变异体。异体。3.7 3.7 突变体诱导和筛选突变体诱导和筛选 细胞突变体的筛选最早始于细胞突变体的筛选最早始于19591959年年，MelchersMelchers在在金鱼草悬浮细胞培养金鱼草悬浮细胞培养中获得了中获得了温度突变体温度突变体。四、植物组织培养的应用四、植物组织培养的应用快速繁殖快速繁殖种苗脱毒种苗脱毒远源杂交远源杂交转基因育种转基因育种种质资源的保存种质资源的保存人工种子人工种子6060年代，法国的年代，法国的MorelMorel用用茎尖培养茎尖培养的方法大量的方法大量繁殖兰繁殖兰花花获得成功。植物获得成功。植物快速繁殖技术、试管苗工厂化生产快速繁殖技术、试管苗工厂化生产和和无病毒种苗生产技术无病毒种苗生产技术在在7070年代得到了快速的发展。年代得到了快速的发展。美国、法国、意大利、荷兰等欧美国家美国、法国、意大利、荷兰等欧美国家试管苗的年产试管苗的年产量量均在数千万株以上，并且以每年均在数千万株以上，并且以每年7 7-8-8的速度增加。的速度增加。 我国快速繁殖和无病毒种苗生产的研究始于我国快速繁殖和无病毒种苗生产的研究