{企业组织设计}第11章组织培养

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1、第三篇 植物细胞工程,植物组织培养 植物的快速繁殖 单倍体诱导与单倍体育种 植物胚胎培养 体细胞胚胎发生和人工种子 植物原生质体融合技术 植物染色体工程 植物转基因技术,第11章 植物组织培养,植物组织培养概念 发展历史 组织培养的理论基础 植物组织培养培养基,植物组织培养概念,定义：在含有营养物质及植物生长物质的培养基中，培养离体植物组织，并诱导使其长成完整植株的技术。 植物组织培养是二十世纪发展起来的新技术，近三十年来由于组织培养基础理论研究的深入，发展极为迅速，几乎以植物为研究对象的各个分支学科都在广泛进行组织培养。,植物组织培养与细胞培养的区别,组织培养：指从机体内取出组织或细胞，模拟

2、机体内生理条件，在体外进行培养，使之生存或生长成组织。 细胞培养：指动植物细胞在体外条件下的存活或生长，此时细胞不再形成组织。 植物组织培养：主要指用于植物快速繁殖的组培技术。 植物细胞培养：指以生产次生代谢产物（色素、固醇、生物碱、植物杀虫剂等）为目的的大规模细胞培养技术。,发展历史,1902年，德国植物学家Haberlandt 根据细胞学说，提出单个细胞的植物细胞全能性理论。并首次尝试分离植物组织并培养叶片细胞，但未成 功。他被称为“植物组织培养之父”。 1904年，Hanning 最先成功地培养了萝卜和辣根菜的胚。 1922年，Knudson 采用胚培养法获得大量兰花幼苗。,1934年，

3、White 用番茄根尖建立起第一个活跃生长的无性繁殖系，从而使非胚器官的培养首先获得成功。 1948年，斯科克发现腺嘌呤生长素的比例是控制芽和根形成的重要条件。 1954年，Skoog发现一种叫激动素的细胞分裂素它与生长素的比例可控制器官分化。 1958年，英国科学家Steward 等用胡萝卜根的愈伤组织细胞进行悬浮培养，成功诱导出胚状体并分化为完整的小植株，不但使细胞全能性理论得到证实，而且为组织培养的技术程序奠定了基础。,1962年，Murashinge 和Skoog 在烟草培养中筛选出至今仍被广泛使用的MS 培养基。 1964-1966年，印度科学家Guha 和Maheswari 在曼陀

4、罗花药培养中首次由花粉诱导得到了单倍体植株。 1972年，Carlson 通过两个种的烟草原生质体融合培养，获得了第一个体细胞杂交的杂种植株。,20世纪60年代，植物组织培养开始大规模应用。 1960年，莫雷尔用兰属的茎尖培养，实现了去病 毒和快速繁殖。这一技术导致欧美“兰花工业”的兴起。 20世纪中期，美国应用组培技术获得的芹菜苗已 经成功地取代了种子繁殖的传统方法。 我国目前在番茄、辣椒、马铃薯、人参、花卉、 果品生产中广泛投入应用。 组织培养技术被誉为农业发展史上第四次绿色革命。,植物组织培养的理论基础,无性繁殖（asexual reproduction） 不经生殖细胞结合的受精过程，由

5、母体的一部分直接产生子代的繁殖方法。后代与亲代在遗传性上完全一致。 林业上常用树木营养器官的一部分和花芽、花 药、雌配子体等材料进行无性繁殖。花药、花 芽、雌配子体常用组织培养法离体繁殖。生根后 的植物与母株的基因是完全相同的。,无性繁殖的意义： 有性繁殖： 是用种子进行播种繁殖，故又称种子繁殖。 优点：是繁殖数量大，根系完整，生长健壮。 缺点：是一些通过异花授粉的花卉容易发生变 异，不易保持原品种的优良特征。,无性繁殖： 是利用母体营养器官的一部分作为繁殖材料，进行分生、扦插、压条、嫁接繁殖和组织培养快速繁殖及植物的无融合生殖等，使之形成一个新的个体，所以又称营养繁殖。 优点：是能保持品种的

6、优良特性、生长快、短期内 获得大量后代。 缺点：是繁殖方法不如有性繁殖简便。,植物细胞的全能性,植物细胞全能性：植物细胞具有该植物体全部遗传的可能性，在一定条件下具有发育成完整植物体的潜在能力。是植物细胞工程的理论基础。 实验表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。,植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱: 营养生长中心 形成层 薄壁细胞 特化细胞 (筛管、导管细胞) 厚壁细胞(木质化细胞) ； 根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织 居间分生组织 侧生分生组织

7、 薄壁组织(基本组织) 厚角组织 输导组织 厚壁组织。,植物细胞全能性的表达,脱分化（dedifferentiation)：分化的细胞在一定条件下，转变为胚性状态，重新获得分裂能力。 愈伤组织：脱分化细胞经过细胞分裂，产生无组 织结构、无明显极性、松散的细胞团。 细胞由静止状态被诱导激活，蛋白质合成旺盛，RNA含量迅速增加。细胞进入分裂期，形成愈伤组织。 愈伤组织的诱导是植物细胞体外再生的第一步。,愈伤组织的种类 1、胚性愈伤组织： 表面光滑、组织结构紧凑、细胞小、再生力强。在适宜的培养条件下能分化出再生植株的离体培养物。胚性愈伤组织容易形成胚状体。 2、非胚性愈伤组织： 表面粗糙、组织结构疏

8、松、细胞大，呈淡黄色 。不具备产生再生植株潜力的离体培养物。,注意： 并不是所有的细胞脱分化的结果都必然形成愈伤组织。有些植物体的细胞脱分化以后直接形成胚性细胞，进而形成体细胞胚。 愈伤组织内的细胞并不都是未分化的细胞，即同一愈伤组织内的细胞的分化状态存在一定的差异。,细胞和组织分化与脱分化的区别,再分化（redifferentiation): 经脱分化的组织或细胞在一定的培养条件下，重新分化为各种类型细胞，并进一步发育为完整植株。 愈伤组织再分化的2个途径： 器官发生：将愈伤组织先后置于两种培养基上，分别诱导形成芽和根。 胚状体发生：愈伤组织形成类似种子的胚的结构，产生芽端结构与根端结构，成

9、为胚状体。再进一步发育为成熟胚。,胚状体分为： 体细胞胚：来源于植物二倍体细胞（根、茎、叶），发育为正常可育植株。 生殖细胞胚：来源于单倍体大、小孢子细胞，发育为单倍体植株。染色体加倍后可育。,再分化期的细胞酶活性增强，RNA和组蛋白合成速 度加快，营养物质积累。 再分化期细胞的形态大小保持相对稳定，细胞由 平周分裂转变为组织内部局部分裂，形成“瘤状” 或“片状”分生组织。,甘蓝,辣椒,草莓,离体的植物器官、组织、细胞,脱分化,愈伤组织,再分化,根 芽,植物体,植物组织培养过程,植物组织培养条件：,含有全部营养成分的培养基、一定的温度、空气、无菌环境、适合的PH、适时光照等。,影响细胞脱分化与

10、再分化的因素,激素 ： 生长素能促进维管组织形成 细胞分裂素与木质部的发生有关 激素可能是通过在转录或翻译水平上的调节作用而影响相关基因的表达，从而调控细胞分化。 在植物中细胞种类的不同或同一种细胞不同的发育状态，均会影响该种细胞对激素的反应，所以很难寻找到不同激素在分化中作用的共同模式。,蔗糖浓度,光照与温度 光照对于维管组织的分化具有促进作用， 适宜的温度对于维管组织的分化是必需的。,植物组织培养特点, 培养条件可以人为控制 组织培养采用的植物材料完全是在人为提供的培养基质和小气候环境条件下进行生长，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响，且条件均一，对植物生长极为有利，便

11、于稳定地进行培养生产。, 生长周期短，繁殖率高 植物组织培养是由于人为控制培养条件，根据不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培养条件，因此生长较快。另外，植株也比较小，往往2030d为一个周期。所以，虽然植物组织培养需要一定设备及能源消耗，但由于植物材料能按几何级数繁殖生产，故总体来说成本低廉，且能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。, 管理方便，利于工厂化生产和自动化控制 植物组织培养是在一定的场所和环境下，人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件，既利于高度集约化和高密度工厂化生产，也利于自动化控制生产。它是未来农业工厂化育苗的发展方向。它与盆栽、田间栽培等相比省去了中耕除草

12、、浇水施肥、防治病虫害等一系列繁杂劳动，可以大大节省人力、物力及田间种植所需要的土地。,植物组织培养,营养条件培养基(culture medium) 是植物组织培养的重要基质。在离体培养条件下，不同种植物的组织对营养有不同的要求，甚至同一种植物不同部位的组织对营养的要求也不相同。因此，没有一种培养基能够适合所有类型的植物组织或器官，在建立一项新的培养系统时，首先必须找到合适的培养基，培养才有可能成功。,培养基的种类,培养基有许多种类，根据不同的植物和培养部位及不同的培养目的需选用不同的培养基。 Sacks(1680)和Knop(1681)，对绿色植物的成分进行了分析研究，根据植物从土中主要是吸

13、收无机盐营养，设计出了由无机盐组成的Sacks和Knop溶液，至今仍在作为基本的无机盐培养基得到广泛应用。 White培养基在40年代用得较多，现在还常用。 60和70年代则大多采用MS等高浓度培养基，可以保证培养材料对营养的需要，并能生长快、分化快。,目前，常用的培养基及特点如下： (1)MS培养基 1962年，由Murashige和Skoog为培养烟草细胞而设计的。特点： 无机盐和离子浓度较高，是较稳定的平衡溶液。由于浓度高，在配制中某些成分有些出入，也不致影响培养基的离子平衡。 硝酸盐含量较其他培养基高。 养分的数量和比例较合适，可满足植物的营养和生理需要。 广泛地用于植物的器官、花药、

14、细胞和原生质体培养，效果良好。,(2)B5培养基 是1968年由Galmborg等为培养大豆根细胞而设计的。其主要特点是含有较低的铵，对不少培养物的生长有抑制作用。双子叶植物，特别是木本植物在B5培养基上生长更适宜。 (3)White培养基 是1943年由White为培养番茄根尖而设计的。1963年又作了改良，称作White改良培养基，提高了MnSO4的浓度和增加了硼酸。其特点是无机盐数量较低，适于生根培养。,（4）N6培养基 是1974年朱至清等为水稻等禾谷类作物花药培养而设计的。其特点是成分较简单，KNO3和（NH4）2SO4含量高。在国内已广泛应用于小麦、水稻及其他植物的花药培养和其他组

15、织培养。 (5) KM8P培养基 它是1974年为原生质体培养而设计的。其特点是有机成分较复杂，它包括了所有的单糖和维生素，广泛用于原生质融合的培养。,培养基的组成： 培养基的成分主要可以分水、无机盐、有机物、天然复合物、培养体的支持材料等五大类。,水是植物原生质体的组成成分，也是一切代谢过程的介质。它是生命活动过程中不可缺少的物质。 配制培养基母液时要用蒸馏水，以保持母液及培养基成分的精确性，防止贮藏过程发霉变质。 大规模生产时可用自来水。但在少量研究上尽量用蒸馏水，以防成分的变化引起不良效果。,无机元素,大量元素：指浓度大于0.5mmolL的元素等。 (1) N 是蛋白质、酶、叶绿素、维生

16、素、核酸、磷脂、生物碱等的组成成分，是生命不可缺少的物质。在制备培养基时以NO3N和NH4N两种形式供应。大多数培养基既含有N03N又含NH4N。NH4N对植物生长较为有利。供应的物质有KNO3、NH4NO3等。,(2) P 是磷脂的主要成分。而磷脂又是原生质、细胞核的重要组成部分。磷也是ATP、ADP等的组成成分。在植物组织培养过程中，向培养基内添加磷，不仅增加养分、提供能量，而且也促进对N的吸收，增加蛋白质在植物体中的积累。常用的物质有KH2P04或NaH2P04等。,(3) K 对碳水化合物合成、转移、以及氮素代谢等有密切关系。K增加时，蛋白质合成增加，维管束、纤维组织发达，对胚的分化有促进作用。但浓度不易过大，一般为13mgL为好。制备培养基时，常以KCL、KN03等盐类