任務三 植物組織培養的發展及研究熱點

植物組織培養的研究開始于1902年德國植物生理學家Haberlandt，至今已經有100多年的歷史，其發展過程經歷了探索、奠基和迅速發展3個階段。

一、探索階段(20世紀初至30年代中期)

18世紀30年代，德國科學家Schleiden和Schwann認為細胞是一切植物及動物結構的基本組成單位，即細胞學說。1902年，另一位德國植物生理學家Haberlandt提出細胞全能性學說，首次嘗試對植物細胞進行體外培養并提出細胞培養的概念，毋庸置疑地成為“植物組織培養之父”。細胞全能性的提出為植物組織培養技術的產生奠定了理論基礎，人們開始對植物組織培養的各個方面進行大量的探索研究。

1904年，Hanning在無機鹽和蔗糖溶液中對蘿卜和辣根菜的胚進行研究，結果發現離體胚可以充分發育成熟，并萌發形成小苗。1922年，Haberlandt的學生Kotte和美國的Robins分別報道離體培養根尖獲得某些成功，這是有關根培養的最早試驗。Laibach將由亞麻種間雜交形成的幼胚在人工培養基上培養成熟，從而證明了胚培養在植物遠緣雜交中利用的可能性。1933年，我國學者李繼桐和沈同培養銀杏的離體胚時，將銀杏胚乳提取物加入培養基，促進了胚的生長。

在Haberlandt試驗后的約30年中，由于知識和技術的局限，對影響植物組織和細胞增殖及形態發生能力的因素尚未研究清楚，除了在胚和根的離體培養方面取得一些結果外，植物組織培養技術發展緩慢。

二、奠基階段(20世紀30年代末期至50年代中期)

直至1934年，美國植物生理學家White利用無機鹽、蔗糖和酵母提取液組成的培養基成功實現番茄根尖離體培養，建立了第一個活躍生長的無性系。同年，法國植物學家Gautheret在山毛柳和黑楊等形成層組織的培養中發現了B族維生素的作用，又在1939年連續培養胡蘿卜形成層獲得成功。1937年，White又以小麥根尖為材料，研究了光照、溫度、培養基組成等各種培養條件對根生長的影響，發現了B族維生素對離體根生長的作用，并用吡哆醇、硫胺素、煙酸3種B族維生素取代酵母提取液，建立了第一個由已知化合物組成的培養基，該培養基后來被定名為White培養基。在這個人工合成培養基上，他將1934年建立起來的根培養物一直保存到1968年他逝世前不久，共繼代培養了1600多代。

與此同時，法國植物學家Gautheret在研究山毛柳和黑楊等植物的形成層組織培養試驗中，提出了B族維生素和生長素對組織培養的重要意義，并于1939年在連續培養胡蘿卜根形成層試驗上獲得首次成功。同年，法國植物病理學家Nobécourt利用胡蘿卜根成功建立連續生長的組織培養物，這一系列的成就標志著植物組織培養技術正式建立。同年，White用煙草種間雜種的瘤組織，Nobécourt用胡蘿卜均建立了與上述類似的連續生長的組織培養物。1943年，White出版了專著《植物組織培養手冊》(A Handbook of Plant Tissue Culture)，使植物組織培養開始成為一門新興的學科。White、Gautherer和Nobécourt三位科學家被譽為植物組織培養學科的奠基人。

19世紀五六十年代是新技術高速涌現、現有技術快速發展的時代，期間，植物組織培養技術也經歷了從細胞、組織離體培養到完整植株再生的發展過程，不僅如此，其背后的生物學過程也受到越來越多的關注。從1948年開始，美國學者Skoog和我國學者崔澂等人在煙草莖切段和髓培養以及器官形成的研究中發現，植物激素、磷酸鹽等外源物質比例的平衡對于植物的組織培養及再生都有著極為重要的意義。

1952年，Morel和Martil首次通過莖尖分生組織的離體培養，從已受病毒侵染的大麗花中獲得脫毒植株。1953年，Muir將萬壽菊和煙草的愈傷組織轉移到液體培養基中，放在搖床上振蕩，獲得由單細胞和細胞團組成的懸浮培養物，并成功繼代培養。在尋找促進細胞分裂的物質過程中，Miller等人于1956年發現了激動素。不久即知道激動素可以代替腺嘌呤促進發芽，并且效果可增加3萬倍。隨后，活力更高的細胞分裂素被發現并被應用于組織培養中，使得該技術如虎添翼，迅猛發展。這些發現，有力地推動了植物組織培養的發展。1957年，Skoog和Miller提出通過改變細胞分裂素與生長素的比例，調節植物的器官形成。1958年，英國學者Steward等報道以胡蘿卜根韌皮部細胞為材料培養，形成了體細胞胚，并使其發育成完整植株，也證實了Haberlandt的細胞全能性理論。

在這一發展階段，通過對培養基成分和培養條件的廣泛研究，特別是對B族維生素、生長素和細胞分裂素作用的研究，確立了植物組織培養的技術體系，并首次用試驗證實了細胞全能性，為以后的快速發展奠定了基礎。

三、迅速發展階段(20世紀60年代至今)

20世紀60年代以后，植物組織培養進入了迅速發展時期，研究工作更加深入，從大量物種誘導獲得再生植株，形成了一套成熟的理論體系和技術方法，并開始大規模生產應用。

1960年，Cocking用真菌纖維素酶分離番茄原生質體獲得成功，開創了植物原生質體培養和體細胞雜交的研究工作。同年，Kanta在植物試管受精研究中首次獲得成功，Morel利用莖尖培養的方法，脫去蘭花病毒，且繁殖系數極高。這一技術導致了歐洲、美洲和東南亞許多國家蘭花產業的興起。

1962年，美國科學家Murashige和Skoog發表了適用于煙草愈傷組織快速生長且至今依然廣泛使用的MS培養基，為植物組織培養技術的持續發展奠定了重要基礎。1964年，印度Guha等成功地由毛葉曼陀羅花藥培養獲得單倍體植株，這一發現掀起了采用單倍體育種技術來加快常規雜交育種速度的熱潮。1965年，Vimla Vasil和Hildebrandt通過改善培養及再生條件，成功得到離體培養的煙草細胞再生出的完整植株，細胞全能性再次得到了證實。在組織培養這樣一個對激素等人工環境動態依賴的過程被逐漸認識之后，對于這個動態過程所涉及的一系列宏觀及微觀的穩定性的研究也逐漸成為熱點。

1969年到1973年間，Heinz和Mee報道了甘蔗組織培養再生植株中出現的各種形態學變異。1970年，Carlson通過離體培養篩選得到煙草生化突變體。同年，Power首次成功實現原生質體融合。1971年，Takebe等首次由煙草原生質體獲得了再生植株，這一成功促進了體細胞雜交技術的發展，同時也為外源基因的導入提供了理想的受體材料。1972年，Carlson等利用硝酸鈉進行了兩個煙草物種之間的原生質體融合，獲得了第一個體細胞種間雜種植株。1974年，Kao等建立了原生質體的高Ca2+、高pH值的PEG融合法，將植物體細胞雜交技術推向新階段。

1978年，Murashige提出了“人工種子”的概念，之后的幾年在世界各國掀起了“人工種子”的開發熱潮。1968年和1978年，Nishi和Henke等分別報道了水稻再生植株中出現的如分蘗數、穗長、株高等表型變異，之后關于水稻組織培養誘導產生的表型變異以及小麥、燕麥、大麥、玉米、天竺葵、苜蓿等其他物種中經歷組織培養過程進而產生表型變異的研究層出不窮。近二三十年，我國植物組織培養研究工作取得很大的成就，例如，從花藥誘導出許多優良的水稻、小麥、煙草等品種，在花藥培養和單倍體育種上，一直處于國際領先水平。應用組織培養快繁技術，繁殖了大量優良的甘蔗、香蕉、菠蘿、楊樹、桉樹和花卉種苗，對農業、林業生產做出了較大的貢獻。