第二章　前景广阔的细胞培养

1. 组织培养　微繁育苗

从萋萋小草到参天大树，从瓜果蔬菜到各种庄稼，通常是由单个受精卵细胞（即种子）发育来的。那么，能不能从植物身体上取出一个普通细胞，让它发育成一棵完整的植物呢？在一个世纪前，这还是一个美丽的幻想，但现在通过植物组织培养就能做到。

什么是植物组织培养呢？简单地说，就是在严格无菌的情况下，通过控制营养、光线、温度、湿度等环境条件，培养植物的组织器官或进一步发育成完整植株的过程。

植物组织培养的历史可以追溯到1902年，当时德国著名的植物学家G.Haberlandt预言，植物细胞具有全能性。所谓“全能性”，就是指植物体上的每一个细胞都具有多种潜在能力，可以完成从细胞增殖、分化到发育成完整植株的全过程，而在植物身上，这些细胞的才能被埋没，只能默默地承担某一项具体工作，比如构成茎组织、根组织、叶片组织。由于技术上的限制，G. Haberlandt培养的细胞没有分裂。

1904年，Hanning在培养基上成功培育出了能够正常发育的萝卜和辣根菜的胚，而胚是种子的关键成分。汉尼恩成为植物组织培养技术的鼻祖。到了20世纪30年代以后，植物组织培养技术取得了长足进展。中国植物生理学创始人李继侗、罗宗洛、罗士伟在实验中相继发现，银杏胚乳和幼嫩桑叶的提取液能分别促进分离出来的银杏胚和玉米根生长，从而认为维生素和一些有机物是植物组织培养中不可缺少的成分。

1934年，美国人White以番茄植株的根为材料，成功建立了第一个可以无限生长的植物组织。1956年，Miller发现，激动素能够强有力地诱导培养的愈伤组织分化出幼芽。这是植物组织培养中一项重要进展。两年后，Steward等用胡萝卜细胞成功培养出了完整植株，证实了植物细胞的全能性，并开拓了一个新的技术领域。此后，植物组织培养技术在世界范围内迅速传播。迄今已有近千种植物能够借助这种手段进行快速繁殖。

植物组织培养是怎样进行的呢？以下分几个步骤进行简要叙述。

第一，选择合适的外植体。什么是外植体呢？在植物组织培养中，为了达到快速繁殖的目的，往往选用植物的器官或组织切块作为培养对象，比如一小块芽、茎、叶，这就是外植体。选择一个好的外植体是培养成功的开端。当外植体是年老的组织或器官时，它发育成整个植株的能力会减弱，因而外植体要注意选择那些幼嫩的组织或器官，这样容易产生大量愈伤组织。何谓愈伤组织？它本来是指植物受伤后在伤口周围新长出的组织。在植物组织培养中，是指培养材料长出的可以“传宗接代”的细胞团，由愈伤组织可以再生出完整的植株。选择外植体时一定要注意外观健康，也不宜太小，应在2万个细胞以上（也就是5～10毫克），这样容易成活。

第二，对外植体进行消毒。外植体往往带有细菌和其他微生物。如果不消毒，在培养过程中，细菌会大量繁殖。由于细菌的繁殖速度比细胞快得多，它们会耗尽培养基里的营养，使培养物中全是细菌，外植体因得不到营养而生长缓慢或死去。致病菌还会以细胞为营养进行繁殖，直接导致外植体腐烂。因此，对外植体进行消毒是不可或缺的。

第三，配制培养基。在自然状态下，植物在土壤里生长。组织培养是在室内进行的，人工培养基代替了天然土壤，而且培养基比土壤的营养全面。用于植物组织培养的培养基的种类尽管多种多样，但它们通常包括三大类成分：①含量丰富的基本成分，如氮、磷、钾、蔗糖或葡萄糖（一般高达每升30克）；②微量无机物，如铁、锰、硼等；③微量有机物，如激动素、吲哚乙酸、肌醇。由于培养目的不同，各类培养基中的激动素和吲哚乙酸变动幅度很大。吲哚乙酸的功能是促进细胞生长，激动素的功能是促进细胞分裂，当吲哚乙酸相对于激动素含量高时，有利于诱导外植体长出愈伤组织。

第四，诱导外植体长出愈伤组织。外植体是趋于成熟和定型的组织或器官切块，要想从它培育出整个植株，必须让它“返老还童”。在培养基中添加较高浓度的生长素，可以使外植体中的细胞解除懒惰状态，重新开始旺盛生长，以便发育出愈伤组织。外植体可以采用固体培养基培养。消毒后的外植体可以插入或贴放在固体培养基中。固体培养的优点是简单，可多层培养，且占地面积小。但有不利的一面，就是外植体在固体培养基中营养吸收不均，细胞生长过程中产生的有害物质也不容易扩散出去。如果把外植体置于液体培养基中，这些缺陷就可以避免，但需要使用振荡器。通过培养，外植体长出愈伤组织。

第五，改善愈伤组织营养。经过4～6周的生长，培养基中终于长出了愈伤组织。这时，培养基中的水分和营养成分已消耗殆尽，有毒物质大量积累，因而需要及时移植，以改善营养环境。移植后，愈伤组织里的细胞又开始猛烈扩增，有利于生根发芽。

第六，愈伤组织长出根和芽。把愈伤组织移植到含适量细胞分裂素和生长素的新鲜培养基中，以诱导胚状体形成。所谓胚状体，是指在组织培养中形成的具有芽端和根端、类似种子中胚的构造。由胚状体进一步发育成植株，这时需要光照。

第七，小植株移栽。在玻璃瓶里培育出来的小植株，要及时移栽到室外，以利于生长。

植物组织培养是一项十分实用的技术。据计算，一间20平方米的温室内可以容纳几十万株试管苗。采用试管繁殖，没有季节限制，一年四季都可进行，因而该技术应用广泛。

植物组织培养技术主要应用之一是工厂化快速育苗，以大量繁殖那些常规方法难以繁殖的名贵花卉、优良作物品种，特别是优良变异植物的扩大培养。

在国外，依靠这项技术已经形成了许多有特色的花卉工业，创造了巨大的经济效益。自20世纪60年代发展起来的建立在组织培养快速繁殖基础上的兰花工业，迄今已使一些欧美和亚洲的国家受益。新加坡和泰国，仅仅依靠出口兰花一项，每年就可以获利几千万美元。除兰花外，百合、菊花、花烛、波士顿蕨等花卉也都达到了年产100万株以上的水平。其他很有希望的快速繁殖对象有香石竹、水仙、唐菖蒲、郁金香、君子兰、中华猕猴桃、无籽西瓜、山楂等。

中国从20世纪70年代初开始组织培养技术的研究应用，目前处于国际领先水平。进入21世纪的10多年来，原本属于高科技的组织培养技术，已经变成了一项普通实用技术，被广泛应用。在一些农业、林业类高校以及大型生物技术公司都设有组织培养室，部分地区在花卉组织培养苗产业化方面已形成规模。广州花卉研究中心工厂化生产观叶植物组织培养苗年产量在1000万株以上；云南省农业科学院园艺研究所花卉研究中心建设有年生产能力5000万株的组织培养室；云南玉溪高新技术开发区实现了热带兰花组织培养苗规模化生产；湖南省森林植物园生物技术中心已实现专业化、规模化、商品化生产桉树试管苗，年生产能力达数百万株，在国内率先探索出桉树试管苗产业化开发之路。据初步统计，现在已有100多科1000种以上植物能借助组织培养技术进行快速繁殖，但真正应用于大规模产业化组织培养生产的主要是具有重要经济价值的农作物、花卉、果树、蔬菜、中药材等。全国已建成葡萄、苹果、香蕉、马铃薯、甘蔗、兰花、桉树等快繁生产线10余条，年供应试管苗上亿株，其中生产的香蕉试管苗已进入国际市场。

植物组织培养技术的另一主要应用是脱病毒。目前植物病毒病的种类已超过500多种，其中受害最严重的是粮食作物（水稻、马铃薯、甘薯等）、经济作物（油菜、百合、大蒜等）、花卉（石竹、兰花、鸢尾等）。这些病毒使植物严重减产、品种变劣。对于病毒，世界各国迄今还没有有效的医治办法。利用植物组织培养技术，可以快速建立无病毒的试管苗。通常来说，植物的茎尖区域不带病毒。用于脱毒培养的茎尖材料要求很小，一般在0.1～0.3毫米。不仅操作起来需要借助于显微镜等仪器，如此小的茎尖材料培养起来也有不少困难，成活率相当低。但是对于防病毒来说十分有效。

在国外，已投入无毒苗生产的植物有马铃薯、兰花、菊花、百合、草莓、大蒜等，不少国家都建立了无毒苗生产基地。日本快速繁殖的草莓无毒种苗，可提高产量30%～50%。欧洲一些国家也普遍采用了快速繁殖的无病毒树苗，大大提高了产量，改善了果实品质。

在中国的广东、广西、海南、云南等几个生产香蕉的省份，常常遇到一个棘手的大问题，就是香蕉一旦受到病毒侵害，不但产量降低，而且品种严重退化，不出几年光景，香蕉树已丧失生产能力。利用植物组织技术，选择优良的香蕉品种，建立无毒的细胞系，然后在试管中大量繁殖小苗。待小苗长到一定程度后，再移到大田中生长。由于小苗在快速繁殖过程中完全处于无菌状态，转入大田后也是无毒的，可以大大降低患病率，增加产量。几年后，快速繁殖的种苗可更换一次，这样便保证了品种长期不退化。目前，中国南方几个省份都在采用这种方法生产香蕉，收效很大。

在快速繁殖脱毒方面，黑龙江省种子公司等单位已建成了马铃薯无毒种苗生产基地，通过组织培养生产的无毒种苗可使马铃薯增产50%以上，成功防止了马铃薯退化问题。上海市农科院已获得草莓脱毒苗，经实验证明可使草莓增产40%以上。广西柳州也建成了甘蔗无毒苗生产基地。

植物组织培养技术在拯救濒危物种方面也具有重要意义。对于一些濒于灭绝的珍贵植物物种，即使只剩下一株，也可以让它在短时间内通过组织培养技术繁殖出大量后代，以缓解濒危局面，丰富自然界的物种宝库。