任務一 植物組織培養的基本概念及理論依據

一、植物組織培養的概念

植物組織培養(簡稱組培)是指在無菌和人工控制的環境條件下，將植物的外植體(胚胎、器官、組織、細胞或原生質體)培養在人工培養基上，使其再生發育成完整植株的技術。由于培養的植物材料脫離了植物母體，所以又稱為植物離體培養。

無菌是指物體或局部環境中無活的微生物存在，這是進行組織培養的基本要求。在組織培養中，只有植物材料、培養基、培養器皿均處于無菌條件下，并通過人工控制適宜的溫度、光照、濕度、氣體等，才能使植物材料在離體條件下正常生長和發育。一切用于植物組織培養的接種材料均稱為外植體。從理論上說，所有的植物細胞與組織材料都能培養成功。但實際上接種的外植體不同，培養的難易程度也不同。

二、植物組織培養的基本理論

(一)植物細胞的全能性

在植物有性繁殖過程中，一個受精卵經過一系列的細胞分裂和分化形成各種組織、器官，進而發育成為具有完整形態、結構和機能的植株，表明受精卵具有該物種的全部遺傳信息。由合子分裂產生的體細胞同樣具備全能性。植物細胞全能性的概念是1902年由德國著名植物生理學家戈特利布·哈布蘭特(Gotlieb Haberlandt,1854—1945)首先提出來的。Haberlandt認為，植物的體細胞含有本物種的全部遺傳信息，具有發育成完整植株的潛能。因此，每個植物細胞都與胚胎一樣，能經過離體培養再生出完整的植株。

植物細胞的全能性是指生活著的每個細胞中都含有產生一個完整機體的全套基因，在適宜的條件下能夠形成一個新個體的潛在能力。植物體的所有細胞都來源于一個受精卵的分裂。當受精卵均等分裂時，染色體進行復制，這樣分裂形成的2個子細胞里均含有與受精卵相同的遺傳物質。因此，盡管經過不斷的細胞分裂所形成的千千萬萬個子細胞在分化過程中會形成根、莖、葉等不同器官，但它們具有相同的基因組成，都攜帶著保持本物種遺傳特性所需要的全套遺傳物質，即在遺傳上具有全能性。因此，只要培養條件適宜，離體培養的細胞就有發育成一株植物的潛在能力。1943年，美國人White在進行煙草愈傷組織培養實驗時，偶然發現了形成的一個芽，也證實了Haberlandt的觀點。

植物細胞全能性的潛在能力可以理解為，在自然狀態下，細胞在植物體內所處位置及生理條件不同，其細胞的分化受各方面因素的調控與限制，致使其所具有的遺傳信息不能全部表達出來，只能形成某種特化細胞，構成植物體的一種組織或一種器官的一部分，表現出一定的形態和生理功能，但其全能性的潛力并沒有喪失。

細胞全能性的表達能力與細胞分化的程度呈負相關，從強到弱依次為：生長點細胞、形成層細胞、薄壁細胞、厚壁細胞(木質化細胞)、特化細胞(篩管、導管細胞)。老化的細胞基因表達會受到制約，致使其功能喪失或功能基因表達不完整。

(二)植物細胞全能性與再生性的實現

要證實植物細胞的全能性，需要解決兩個問題，一是離體單細胞增殖，二是從單細胞增殖的組織發育成完整植株。第一個問題在發展細胞培養裝置后得到解決。人們先后發展了四種培養方式：振蕩培養、平板培養、懸浮培養和懸滴培養。在細胞培養的基礎上賴納特(Reinert)和斯圖爾德(Steward)報道了胡蘿卜懸浮培養細胞和愈傷組織形成體細胞胚，首次用實驗科學地論證了植物細胞全能性。細胞全能性表達的條件：細胞離體、無菌、一定的營養物質、植物激素和適宜的外界條件。也就是說，細胞在脫離原來所在器官或組織成為離體狀態，不再受原植物的控制，在一定的營養、激素和外界條件的作用下，細胞的全能性才能得到充分表現，細胞開始分裂增殖、產生愈傷組織，繼而分化器官，并再生形成完整的植株。

成熟植物細胞在離體條件下，經過脫分化、細胞分裂、再分化3個階段才能形成完整的植株。但在某種情況下，再分化可以直接發生在脫分化的分生細胞中，期間不需生成愈傷組織，可直接分化出芽或根，形成完整植株。細胞的分化是指細胞的形態結構和功能發生永久性的適度變化的過程。細胞分化是組織分化和器官分化的基礎，是離體培養再分化和植株再生得以實現的基礎。脫分化是由高度分化的植物器官、組織或細胞產生愈傷組織的過程。細胞脫分化的難易程度與植物種類和器官及其生理狀況有很大關系，一般單子葉植物、裸子植物比雙子葉植物難，成年細胞和組織比幼齡細胞和組織難，單倍體細胞比二倍體細胞難，莖、葉比花難。再分化是指脫分化產生的愈傷組織重新分化成根或芽等器官的過程，表現為由無結構和特定功能的細胞轉變為具有一定結構、執行一定功能的組織和器官，從而構成一個完整的植物體或植物器官。愈傷組織是植物細胞經脫分化不斷增殖形成的一團不規則的、具有分生能力而無特定功能的薄壁組織。它既可以在人工培養基上培養形成，也可以在自然生長條件下在機械損傷或微生物損傷的傷口處產生。在人工培養基上，愈傷組織的形成是一個內、外環境因素相互作用的結果。

在植物中很多是靠種子生長來產生完整的植株，但也有不少可通過根、莖、葉等器官再生而成為完整的植株，這種特性叫細胞的再生性。從植株分離出根、莖、葉的一部分器官，其切口處組織受到了損傷，但這些受傷的部位往往會產生新的器官，長出不定芽和不定根，人們利用這一特點來進行營養繁殖。新器官產生的原因是受傷的組織產生了創傷激素，促進了周圍組織的生長而形成愈傷組織，憑借內源激素和儲藏營養的作用，就產生了新的器官。而在自然條件下，一些植物的營養器官和細胞難以再生主要是由內源激素調整緩慢或不完全，外界條件不易控制等因素所致。在人工控制的條件下，通過對培養基的調整，特別是對激素成分的調整，這些營養器官和細胞就有可能順利地再生。植物組織培養植株再生過程如圖1-1所示。