植物組織培養技術基礎

植物組織培養（Plant tissue culture）技術，是20世紀興起的一項植物細胞工程技術。它的基本內容是：從外界植物體上取下任意的一個到幾個細胞或者一塊組織在全人工的離體條件下進行培養，經過細胞或者組織的分裂、分化及幾何增殖達到植株的形態重建和快速繁殖的目的。

 

     植物細胞具有全能性，即任何一個植物細胞都具有形成該植物體的能力。換言之，任何一個高度分化的細胞都具有回複到原始未分化細胞的能力，並且能分化為其他形式的高分化細胞。`這種“全能性”就是植物組織培養的理論基礎。我們依據植物細胞的這種特性，可以任意的使植物體的任何一個高分化的細胞經過脫分化培（Dedifferentiationculture）,形成原始幹細胞團，或者稱之為愈傷組織（Cellus），將得到的愈傷組織經過一定的的培養途徑，這種低分化細胞開始分化，逐步形成各種高分化細胞，這個過程稱為植物細胞的再分化（Redifferentiation）。再分化後的植物細胞即可形成宏觀形態上的芽和根，至此該種植物的離體繁殖係宣告建成。

   

    將得到的該種植物的離體繁殖係經過反複的分離和微扡插，即可達到幾何數級的增殖，此過程就是所謂的快速微繁殖或者快速繁殖（Rapid propagation）。植物快速繁殖通常是在離體繁殖係建成之後進行，有時也可以將愈傷組織進行快速增殖，此時通常采用液體懸浮培養。若該種植物能形成球狀胚體（Embryois），則又常常把快速繁殖階段選定在球胚的增殖。總之，隻要能達到快速繁殖的目的，用作快繁的階段可以隨意選擇。

   

     植物組織培養的成功與否取決於外植體的製備、無菌操作和人工培養環境。外植體的製備是能否建成離體繁殖係要過的第一關。所謂的外植體是指將外界生長的植物的細胞和組織經過一係列的無菌處理形成的有活性的無菌組織和細胞。習慣上我們經常使用化學藥劑處理，例如氯化汞、次氯酸鹽或者抗生素等。將從母株上取下的組織進行一定的剝離和分割，經過流水衝洗數分鍾，再浸入適宜濃度的化學藥劑中一段時間，最後經無菌水衝洗並適當分割即成外植體。製備外植體的原則是無菌和有活性，無菌是外植體植被的要求，有雜菌帶入培養基會造成微生物汙染，而阻滯甚至殺死外植體。有活性是外植體製備的前提，無活性的外植體的培養在植物組織培養中是無意義的。

   

     無菌操作是貫穿於整個組織培養過程的一門關鍵技術，甚至可以說組織培養的前提就是無菌。事實上外植體的製備過程就是無菌處理過程，而其後的一係列操作都是在無菌環境下進行的，實驗室中經常使用的無菌操作設備是超淨工作台。超淨工作台通常借助紫外光結合逆壓滲透的超濾風技術來滿足無菌要求。無菌操作者的操作手法和習慣也是無菌操作成功與否的關鍵，通常進行無菌操作的實驗人員也要經過嚴密的無菌操作訓練並建立嚴格的“無菌概念”。

 

     能否把植物組織培養做到滿意的人工調控，關鍵在於人工培養環境。人工培養環境是整個組織培養的難點和重點，也是近百年來植物生理學家一直探討和研究的重要話題。人工培養環境包括能量的來源——光照，新陳代謝的保證——溫度，氣-水平衡——濕度，生物原料的來源——培養基。這與植物的自然環境是類似的，即光照、溫濕度和土壤。光照、溫度的選定通常依據所培養植物的生態習性，習慣上采用暗培養與光照培養(8h/d,3000lx)的結合，溫度在25-28度。濕度在組織培養中不需特意的調整，因為培養容器中的濕度幾乎達到100%.如此說來，人工培養環境的重難點自然而然地落在了培養基上。

   

 培養基(Culture medium)是從無土栽培的營養液發展而來的，在某種意義上說就是模擬土壤。最初的培養基就是簡單的馬鈴薯浸出液即土豆汁。後來隨著植物生理學和生物化學的研究的深入，培養基越來越複雜，成分越來越多。當支持物(如：瓊脂、明膠)的發現並且應用到培養基的培養基中時，固體培養基隨之誕生。固體培養基是組織培養基中最常用的一種培養基的類型。人工合成培養基通常包括大量元素、微量元素、鐵鹽、有機複合物、糖、支持物和植物激素。大量元素和微量元素通常使用無機鹽代替，鐵鹽通常以螯合鐵的形式出現，有機複合物通常包括氨基酸、代謝載體和維生素等，糖可采用蔗糖或者葡萄糖，支持物一般采用高分子交聯糖鏈(如聚半乳糖硫酸酯)，這幾類物質的用量和配比在多少年的發展中已經基本上形成了若幹個模板，例如實驗室中常用的MS 、B5、Nicher培養基。

   

植物激素，是植物組織培養中發揮生物學效力最強的培養因素，也是人工調控組織培養的“魔術棒”。幾乎所有的植物組織培養工作者都認同植物激素在組織培養中具有無可動搖的核心地位。植物激素包括五大類：生長素類、細胞分裂素類、赤黴素、乙烯類和生長抑製素類。在植物組織培養中最常用的是生長素和細胞分裂素。生長素與細胞分裂素的協同調控作用在組織培養中很重要，即所謂的“激素杠杆”。例如：生長素生物學效應高於細胞分裂素時，誘導植物組織脫分化和根原基的形成；細胞分裂素的效應高於生長素時，誘導植物組織再分化和芽原基的形成。生長素包括很多種，如1-奈乙酸、吲哚乙酸和2，4-D等，它們的生物學效應有著微妙的不同，但總體效應是一致的。細胞分類素也是如此，包括6-苄基腺嘌呤、6-糠氨基嘌呤和玉米素等。植物激素在培養基中的用量通常在0.01-10mg/L(ppm).之間變化，細胞分裂素的濃度在非生根培養中要大於生長素。值得指出的是，植物激素的用量要考慮組織內源激素的含量及其生理學周期效應。換言之，激素的生物學效應是組織內源激素和人工添加的外源激素效應的總和。隻有準確把握內源激素與外源激素的協同作用，才能有效地操作“激素杠杆”，用好植物激素這根“魔術棒”，做好植物組織培養。

   

 當應用組織培養技術建成了某種植物的整體形態，即得到了有莖、根、葉的苗子，要經曆一定的煉苗處理，使之逐步由無菌環境到有菌環境，由人工培養環境過渡到自然環境。習慣上是采用“過渡處理法”，即逐漸地使環境改變，如出瓶苗要使用消毒的土壤、保濕、保溫，同時還要做一定的壯苗處理，如增加光照和補充營養液等。經過一係列的處理，一株組織培養出來的“克隆苗”就順利成活了。

 

植物組織培養技術，是植物細胞工程學、遺傳學、植物生理學、生物化學與分子生物學研究的重要基本技術。也就是說，植物組織培養技術不僅僅用於快速繁殖，而是有著相當廣泛的用途。例如：單倍體育種、種質保存、生理學研究和基因轉化等等。近年來，組織培養技術日趨完善，但仍然存在很大的不足和有待改善的方麵，這就需要廣大的科學工作者和組織培養的愛好者的共同努力。目前，組培快繁技術在蘭花等觀賞花卉中基本實現了工廠化育苗，由此可見其應用前景的光明。考慮到技術與產業之間的距離，切忌盲目建立大規模的組織培養室，在某一種植物工廠化育苗係統的建立之前一定要充分審視各相關要素，權衡利弊後再行建設，以減少無謂的投入。