自哈布蘭特( G. Haberlandt ) 提出細胞全能性理論在無數科學家的努力下以及進行離體培養以來, 經過80多年的歷程,才使這項技術趨於完善,趨於成熟.近40 年來,植物組織培養技術得到了迅速發展,已滲透到植物生理學、病理學、藥學、遺傳學、育種以及生物化學等各個研究領域, 成為生物學科中的重要研究技術和手段之壹. 並廣泛應用於農業、林業、工業、醫藥業等多種行業, 產生了巨大的經濟效益和社會效益, 已成為當代生物科學中最有生命力的壹門學科. 2. 1 在植物育種上的應用
目前, 國內外把植物組織培養已普遍應用於作物育種, 並在以下幾個方面取得了較大進展:
( 1) 單倍體育種 單倍體植株往往不能結實, 在培養中用秋水仙素處理, 可使染色體加倍, 成為純合二倍體植株, 這種培養技術在育種上的應用稱為單倍體育種. 單倍體育種具有高速、高效率、基因型壹次純合等優點, 因此, 通過花藥或花粉培養的單倍體育種, 已經作為壹種嶄新的育種手段問世, 並已開始育成大面積種植的作物新品種. 在單倍體育種方面, 我國科學家做出了突出貢獻. 1974 年就育成了世界上第壹個作物新品種——單育1 號煙草品種. 隨後又育成了中花8號水稻和京花1號、京單92 - 2097 小麥等面積栽培的作物新品種, 還獲得了多種作物的大量花培新品系. 河南省在花培育種方面卓有成效, 培育出了花培28、花配2321、峽麥1號、豫麥37號、花9、花特早、豫麥60 號等優良品種( 系) , 已累計推廣700 多萬畝,在全國名列前茅.
( 2) 胚胎培養 在植物種間雜交或遠緣雜交中, 雜交不孕給遠緣雜交帶來了許多困難. 而采用胚的早期離體培養可以使胚正常發育並成功地培養出雜交後代, 可以通過無性系繁殖獲得數量較多、性狀壹致的群體, 胚培養已在50多個科屬中獲得成功. 遠緣雜交中, 可把未受精的胚珠分離出來, 在試管內用異種花
粉在胚珠上萌發受精, 產生的雜種胚在試管中發育成完整植株, 此法稱為“試管受精”.用胚乳培養可以獲得三倍體植株, 為誘導形成三倍體植物開辟了壹條新途徑. 三倍體加倍後可得到六倍體, 可育成多倍體新品種.
( 3) 細胞融合 通過原生質體融合, 可部分克服有性雜交不親和性, 而獲得體細胞雜種, 從而創造新種或育成優良品種, 這是組織培養應用最誘人的壹個方面. 目前已獲得40 余個種間、屬間、甚至科間的體細胞雜種、愈傷組織, 有些還進而分化成苗. 目前, 采用原生質體融合技術已經能從不雜交的植物中如番茄和馬鈴薯、煙草和龍葵、芥菜和油菜等獲得屬間雜種, 但這些雜種尚無實際應用價值. 隨著原生質體融合、選擇、培養技術的不斷成熟和發展, 今後可望獲得更多有壹定應用價值的經濟作物體細胞雜種及新品種.
( 4) 基因工程 用基因工程的方法, 把目標基因切割下來並通過載體使外來基因整合進植物的基因組是完全有可能的, 這項研究如果獲得成功, 將克服作物育種中的盲目性, 而變成按人們的需要操縱作物的遺傳變異, 育成優良品種. 目前這項研究剛剛起步, 加上植物的遺傳背景比原核生物更為復雜, 因此, 要
用基因工程實現作物改良, 以增加產量和改善品質, 將是21 世紀需要解決壹個問題.
( 5) 培養細胞突變體 無論是愈傷組織培養還是細胞培養, 培養細胞均處在不斷分生狀態, 容易受培養條件和外界壓力( 如射線、化學物質等) 的影響而產生誘變, 從中可以篩選出對人們有用的突變體, 從而育成新品種. 尤其對原來誘發突變較為困難、突變率較低的壹些性狀, 用細胞培養進行誘發、篩選和鑒定
時, 處理細胞數遠遠多於處理個體數, 因此壹些突變率極低的性狀有可能從中選擇出來. 例如植物抗病蟲性、抗寒、耐鹽、抗除草劑毒性、生理生化變異株等的誘發, 為進壹步篩選和選育提供了豐富的變異材料. 目前, 用這種方法已篩選到抗病、抗鹽、高賴氨酸、高蛋白、矮稈高產的突變體, 有些已用於生產.
2. 2 在植物脫毒和快速繁殖上的應用
植物脫毒和離體快速繁殖是目前植物組織培養應用最多、最有效的壹個方面. 很多農用物都帶有病毒, 特別是無性繁殖植物, 如馬鈴薯、甘薯、草莓、大蒜等. 但是, 感病植株並非每個部位都帶有病毒, White早在1943 年就發現植物生長點附近的病毒濃度很低甚至無病毒. 如果利用組織培養方法, 取壹定大小的莖尖進行培養, 再生的植株有可能不帶病毒, 從而獲得脫病毒苗, 再用脫毒苗進行繁殖, 則種植的作物就不會或極少發生病毒. 目前組織培養在甘蔗、菠蘿、香蕉、草莓等主要經濟作物上已成功應用. 取用的外植體已不僅限莖尖, 其他如側芽、鱗片、葉片、球莖、根等都可以應用.由於組織培養法繁殖作物的突出特點是快速, 因此, 對壹些繁殖系數低、不能用種子繁殖的“名、優、特、新、奇”作物品種的繁殖, 意義更大. 對於脫毒苗、新育成、新引進、稀缺育種、優良單株、瀕危植物和基因工程植株等可通過離體快速繁殖, 同時可不受地區、氣候的影響, 比常規方法快數萬倍到數百萬倍的速度擴大繁殖, 及時提供大量優質種薯和種苗. 馬鈴薯莖類脫毒、無毒種苗和微型脫毒種薯已在馬鈴薯生產上廣泛應用, 從根本上解決了馬鈴薯的退化問題. 目前, 觀賞植物、園藝作物、經濟林木、無性繁殖作物等部分或大部分都用離體快繁提供苗木, 試管苗已出現在國際市場上並形成產業化.
2. 3 在植物有用產物生產上的應用
利用組織或細胞的大規模培養, 有可能生產出人類所需要的壹切天然有機化合物, 如蛋白質、脂肪、糖類、藥物、香料、生物緘及其他活性化合物. 因此, 近年來這壹領域已引起人們的極大興趣, 許多產業部門紛紛投資進行研究. 目前, 大約已有20 多種植物的培養組織中有效物質高於原植物, 國際上已獲得這方面專利100 多項. 近年來, 用單細胞培養生產蛋白質, 將給飼料和食品工業提供廣闊的原料生產前途; 用組織培養方法生產微生物以及人工不能合成的藥物或有效成分的研究, 正在不斷深入, 有些已投入工業化生產,預計今後將有更大發展.
2. 4 在植物種質資源保存和交換上的應用
農業生產是在現有種質資源的基礎上進行的, 由於自然災害和生物之間的競爭以及人類活動對大自然的影響, 已有相當數量的植物物種在地球上消失或正在消失. 具有獨特遺傳性狀的生物物種的絕跡是壹種不可挽回的損失. 利用植物組織和細胞法低溫保存種質, 可大大節約人力、物力和土地, 同時也便於種質
資源的交換和轉移, 防止有害病蟲的人為傳播, 給保存和搶救有用基因帶來了希望. 例如胡蘿蔔和煙草等植物的細胞懸浮物, 在- 20℃至-196℃ 的低溫下貯藏數月, 尚能恢復生長, 再生成植株.
2. 5 在遺傳、生理、生化和病理研究上的應用
組織培養推動了植物遺傳、生理、生化和病理學的研究, 已成為植物科學研究中的常規方法. 花藥和花粉培養獲得的單倍體和純合二倍體植株, 是研究細胞遺傳的極好材料. 在細胞培養中很容易引起變異和染色體變化, 從而可得到作物的附加系、代換系和易位系等新類型, 為研究染色工程開辟了新途徑.細胞培養和組織培養為研究植物生理活動提供了壹種極有力的手段. 植物組織培養工作曾在礦質營養、有機營養、生長活性物質等方面開展了很多研究, 有益於了解植物的營養問題. 用單細胞培養研究植物的光合代謝是非常理想的, 近年來, 光自養培養研究也是十分有效的. 在細胞的生物合成研究中, 細胞組織培養也極為有用, 如查明了尼古丁在煙草中的部位等. 細胞培養為研究病理學提供了方便, 如植物的抗病性就可以單細胞或原生質體培養進行鑒定, 幾天之內就可以得到結果.
2. 6 開放式組織培養技術研究破解世界性難題
以壹次性塑料飲水杯和食品保鮮膜作為培養容器和封口材料，添加抑菌劑抑制培養基汙染，在自然光的溫室裏就可以快速繁育出合格、健壯的植物組培苗。該課題日前在北京通過了由我國著名工程院資深院士陳俊愉等9位專家學者的鑒定審核。 專家認為，此項研究針對植物組織培養必須在嚴格的無菌環境下操作的限制，研制出了高效抑菌劑，抑菌劑加入培養基後，使培養基具有了抑制真菌和細菌生長的功能，並在有限抑菌濃度範圍內，對植物生長無不良影響，因此，在植物組織培養過程中，可以省去培養基高壓滅菌程序，不需應用超凈工作臺即可接種，這在植物組織培養技術史上是壹項重大突破，在國內外尚屬首創；由普通的聚乙烯塑料水杯代替傳統的耐高溫高壓的玻璃和聚丙烯塑料制品、由食品保鮮膜代替封口膜這項技術也是國內外首例。該研究所提出的完善的植物開放式組織培養規程，開發的中藥抑菌劑生產性商品培養基，大幅度降低了植物組織培養的成本，使植物組織培養這個高精技術走向了普通大眾，必將加快我國組織培養產業化發展步伐，推動組培事業的發展 。