植物组织培养技术及其应用

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植物组织培养是在植物细胞具有全能性的理论的基础上发展起来的一项无性繁殖新技术。植物组织培养技术指从植物体分离出符合需要的细胞、组织、器官或原生质体等，无菌条件下在适当的培养基上（水、矿质元素、蔗糖、维生素、有机添加物和植物激素等），通过人工控制进行培养，以获得再生的完整植株或生产上具有经济价值的其他产品的技术。

■ 一、 植物组织培养的原理、基本过程及应用

1. 原理：细胞全能性。

2. 基本过程：外植体愈伤组织胚状体新植物体。

将已消毒的材料，在无菌的环境下，剥去芽的鳞片、嫩枝的外皮和种皮胚乳等，切成小片制成外植体；外植体中的活细胞经诱导，恢复其潜在的全能性，转变为分生细胞，继而其衍生的细胞分化为薄壁组织而形成愈伤组织；这些细胞继续分裂和分化形成胚状体，最后生长成为一株新植物体。整个过程要确保无菌条件，并调节温度、营养、激素等因素以满足植物组织培养的需要。

3. 应用：

植物组织培养技术已广泛应用于快速繁殖某些稀有植物或有较大经济价值的植物；使用组织培养法获得脱毒苗已经在草莓、葡萄、康乃馨等获得成功，产生了明显的经济效应；人们还利用植物组织培养技术进行植物种质资源的保存、挽救濒临灭绝的植物；甚至，通过花药和花粉培养获得单倍体植株、缩短育种年限。

■ 例1 紫草素是紫草细胞的代谢产物，可作为生产治疗烫伤药物的原料。用植物组织培养技术可以在生物反应器中通过培养紫草细胞生产紫草素。下图记录了生物反应器中紫草细胞产量、紫草素产量随培养时间发生的变化。

（1） 在生产前，需先加入紫草细胞作为反应器中的“种子”。这些“种子”是应用组织培养技术，将紫草叶肉细胞经过_________而获得的。这项技术的理论基础是__________。

（2） 从图中可以看出：反应器中紫草细胞的生长呈现____________规律；影响紫草素产量的因素是__________和___________。

（3） 在培养过程中，要不断通入无菌空气并进行搅拌的目的是__________________和___________________________。

■ 解析 由于紫草素是从大量培养的紫草愈伤组织细胞中提取的，所以生产前无需对离体的紫草细胞进行脱分化，从而获得大量的紫草愈伤组织细胞，这一培养过程利用了植物细胞的全能性。从图中可以看出，反应器中紫草细胞的数量呈“S”型增长，因为紫草细胞开始生长较慢，要经过适应期进入稳定期，细胞的数目才能相对稳定，在该时期紫草细胞产生大量次级代谢产物紫草素，所以紫草素产量的高低与紫草愈伤组织细胞的数目和生长期密切相关。在生产实践中，获得细胞代谢产物是植物组织培养技术的重要应用。

■ 答案 （1） 脱分化（或脱分化形成愈伤组织） 细胞的全能性

（2） S型增长 细胞数量 细胞所处的生长期

（3） 保证氧气供应充足 使细胞与培养液充分接触

■ 二、 影响植物组织培养的因素

1. 外植体的选取：生长旺盛的嫩枝等，生理状况好，容易诱导脱分化和再分化。

2. 培养基：

（1） 配制：要严格灭菌，并进行无菌操作。

（2） 营养：矿质元素和有机物。

（3） 调节剂：生长素、细胞分裂素（注意两者比例）。

3. 环境条件：温度、pH、光照等。

■ 例2 在的组织培养操作完成了3~4 d后，观察同一温室中的外植体，发现有的瓶内的外植体正常生长，有的瓶内的外植体死亡，你认为外植体死亡的原因不可能是（ ）

A. 接种培养基灭菌不彻底

B. 接种工具灼烧后未待冷却就接种外植体

C. 愈伤组织形成初期没有给予充足的光照

D. 培养过程中保持温度、pH的适宜，但没有及时调整各种营养物质、激素的比例

■ 解析 因为植物组织培养利用的植物材料体积小、抗性差，所以对培养基的要求较高。用于植物组织培养的培养基也能用于某些微生物的培养，如细菌和真菌，但培养基一旦受到微生物的污染，就不再适合植物组织培养，因此要进行严格的无菌操作。培养的不同阶段，植物对营养物质和激素水平的需求有所差异，所以要及时调整各种营养物质的比例。愈伤组织形成过程中，细胞还没有开始再分化，未形成叶绿素和叶绿体，不具备光合作用的结构，因此愈伤组织形成初期不需要光照。

■ 答案 C

■ 三、 植物激素在组织培养过程中的重要作用

生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键性激素，其作用及特点见下表。

■ 例3 植物甲、乙是两种濒危药用植物（二倍体）。请按要求回答问题：

（1） 以植物甲、乙的茎尖和叶片为材料，通过组织培养获得了再生植物，解决了自然繁殖率低的问题。这表明植物细胞具有____________。由叶片等材料形成的愈伤组织的形态结构特点是________________。

（2） 图1和图2分别是植物甲、乙的萌发花粉粒和未受精胚珠的示意图。

在分离胚珠细胞的原生质时，通常使用纤维素酶和果胶酶破坏细胞壁。其原理是利用了酶的________（性质）。如果将图1中的1个与图2中的1个_______细胞或2个_______融合，可培育出三倍体植株。用适当浓度的秋水仙素处理该三倍体植株的幼苗，能获得药用成分较高的六倍体植株。秋水仙素的作用机理是_______________。

（3） 植物乙自然结实率低，主要原因是花粉粒萌发后多数花粉管不能伸长。为探究生长素对植物乙花粉管伸长的影响，某生物兴趣小组进行了课外实验，得到下表结果：

请结合表中数据对实验结果进行简要分析：___________________________。

根据上述分析，可以得出的结论是：____________________________________。

■ 答案 （1） 全能性 排列疏松无规则，高度液泡化而无定形状态的薄壁细胞 （2） 专一性 珠被 极核 抑制纺锤体的形成，导致染色体不分离而发生染色体数目加倍 （3） 生长素在一定的范围内，随着生长素浓度的增加，对花粉管萌发的促进作用逐渐加强，超过一定的浓度后，随着生长素浓度的增加，对花粉管萌发的抑制作用逐渐加强 低浓度生长素促进花粉管的萌发，高浓度的生长素抑制花粉管的萌发

■ 巩固训练

1. （多选）明党参是我国珍稀药用植物，对其进行保护性开发利用的方法有（ ）

A. 设计细胞培养反应器，实现药用成分的工厂化生产

B. 大量培养愈伤组织，直接提取药用成分

C. 大规模栽培组织培养苗，获取药用成分

D. 利用组织培养获得胚状体，制成人工种子

2. 人工种子是人们模仿天然种子的结构造出来的生命有机体，它能像天然种子一样萌发生长。人工种子的核心部分是被外层物包埋的具有类似种子胚功能的胚状体，胚状体不同于一般种子的胚，它是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构物，所以又称“体细胞胚”、“花粉胚”。胚状体可从悬浮培养的单细胞中得到，也可以通过试管培养的茎尖、芽尖、子房、花粉等获得。将胚状体包埋在一个能提供营养的胶质中，便制成了所谓的“人工种子”。其培育过程如下图所示：

请根据以上材料回答：

（1） 人工种子依据的原理是_________，经过______________技术培育而成的。

（2） 包埋胚状体的胶质可以看作是种子的哪部分结构？_____________________。

（3） 某二倍体植物基因型是DdTt，利用这种生物技术采用花药离体培养的方法，可培育成“花粉胚”，也可制成人工种子，这种种子萌发形成的个体为_____________，基因型________。

（4） 如果外植体为植物的茎尖，通过①的处理可使细胞彼此分离，可加入_______。

A. 15%的盐酸 B. 淀粉酶

C. 果胶酶 D. 胰蛋白酶

（5） ②表示脱分化过程，其实质是____

______________；③表示再分化过程，其实质是_________________

________________。

（6） 从上面所述胚状体的类型分析，人工种子萌发长成的植株是否可育？________

___________________

__________________。

3. 右图为植物体细胞杂交过程示意图。据图回答：

（1） 步骤①是___

__________________，最常用的方法是_____

_____________。

（2） 步骤③一般常用的化学试剂是____________，目的是_________________。

（3） 在利用杂种细胞培育成为杂种植株的过程中，运用的技术手段是__________，其中步骤④相当于__________，步骤⑤相当于_____________。

（4） 植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株。使___________________________

能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是________________________。

（5） 若远源杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植物为_____倍体。

（6） 从理论上讲，杂种植株的育性为_______。若运用传统有性杂交方法能否实现？______，原因是_____________________。因此，这项研究对于培养作物新品种方面的重大意义在于_______________________。

（7） 利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔的遗传规律？为什么？

__________________________________________________________。

4. 请回答：

（1） 植物微型繁殖技术属于植物组织培养的范畴。该技术可以保持品种的，繁殖种苗的速度。离体的叶肉细胞在适宜的条件下培养，最终能够形成完整的植株，说明该叶肉细胞具有该植物的全部__________________。

（2） 把试管苗转接到新的培养基上时，需要在超净工作台上进行，其原因是避免的

_______________污染。

（3） 微型繁殖过程中，适宜浓度的生长素单独使用可诱导试管苗_______________，而_________与_________配比适宜时可促进芽的增殖。若要抑制试管苗的生长，促使愈伤组织产生和生长，需要使用的生长调节剂是（脱落酸、2，4-D）。

（4） 将某植物试管苗培养在含不同浓度蔗糖的培养基上一段时间后，单株鲜重和光合作用强度的变化如图。据图分析，随着培养基中蔗糖浓度的增加，光合作用强度的变化趋势是_____________，单株鲜重的变化趋势是_____________。据图判断，培养基中不含蔗糖时，试管苗光合作用产生的有机物的量______（能、不能）满足自身最佳生长的需要。

（5） 据图推测，若要在诱导试管苗生根的过程中提高其光合作用能力，应_________（降低，增加）培养基中蔗糖浓度，以便提高试管苗的自养能力。

■ 参考答案

1. ABCD

2. （1） 细胞的全能性 植物组织培养

（2） 种皮及提供营养的胚乳或子叶 （3） 单倍体 DT、Dt、dT、dt （4） C （5） 使细胞恢复分裂 基因的选择性表达，导致了细胞形态、结构和功能的改变 （6） 若是由花粉（或三倍体植物的营养器官）发育而来的则不可育；若是由茎尖、根尖等营养器官发育而来的则可育

3. （1） 去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体 酶解法 （2） PEG 诱导不同植物体细胞的原生质体融合 （3） 植物组织培养 脱分化 再分化 （4） 远源杂交亲本的遗传特征 杂种植株获得双亲的遗传物质

（5） 四 （6） 可育不能 因为不同种生物之间存在生殖隔离 克服远源杂交不亲和的障碍 （7） 否 有性生殖的过程中进行减数分裂，才遵循孟德尔的遗传规律

4. （1） 遗传特性或遗传信息 （2） 微生物 （3） 生根 细胞分裂素 生长素 2，4-D （4） 逐渐下降 先增加后下降 不能 （5） 降低