植物细胞组织培养在农业生产中的应用

　　植物细胞组织培养为遗传工程提供理想的受体材料的同时，又为常规的植物育种提供了新手段，因此在农业生产中应用广泛。

　　一、植物离体快速繁殖

　　用植物组织培养的方法进行离体快速繁殖(invitrorapidpropagation)是生产上最有潜力、最有效的应用，包括花卉观赏植物、蔬菜、果树、作物、经济林木、中药材等。快繁技术不受时间季节、寒暑冷热等条件的限制，生长周期短，繁殖系数大，植株生长整齐，遗传性状稳定一致，便于工厂化生产，因而大受各国青睐。据统计，全球在20世纪90年代初进行快繁研究的植物已达3000余种。而且应用离体快繁技术进行苗木工厂化生产的国家不仅在发达国家普遍，发展中国家也越来越多，如美国有植物离体繁殖公司250家，中小公司的年产苗能力200万～400万株；荷兰年产试管苗8000万株。

　　快速繁殖通过植物的种子、茎尖、茎段、腋芽、鳞片等进行离体培育，在短期内生产大量遗传性一致的无毒苗，一般可应用在下列生产或研究中：①常规的无性系繁殖；②用于常规方法繁殖有困难的物种、杂合型、有性不亲和基因型和不育的基因型的繁殖；⑧新杂交种、杂交亲本；④急需繁殖的少量无毒苗或珍稀种苗。

　　二、植物脱毒

　　大多数作物特别是无性繁殖的作物，若长期在一地区种植，均可能感染一种或几种病毒，同时可能复合感染其他一些真菌、细菌和线虫，因此会使其生长减缓，产量大幅下降，品质变劣，最后几乎会导致一个品种在生产上不能使用。为了克服这个问题，可以用1952年Morel发现的微茎尖培养获得无毒苗(virusfree)的方法来解决。采用无毒苗进行大田生产，一般可增产80％以上，多的可达300％。上建立了很多无毒苗生产工厂，欧美国家无毒苗年产值多达千万美元以上；而发展中国家无毒苗的生产和需求有逐年增加的趋势。据估计全球无毒苗的需求量大概每年以7%～8％的速度增加。在生产上应用无毒苗的作物很多，如百合、月季、康乃馨、香石竹、菊花、马铃薯、甘薯、草莓、苹果等，创造了显著的经济效益。

　　三、植物育种上的应用

　　1．体细胞无性系变异和新品种培育

　　植物细胞组织培养过程中的再生细胞存在大量的变异，这种变异称为体细胞无性系变异。其特点为：

　　(1)变异的无方向性既有有利的变异，也有有害的变异；既有形态变异，也有生理变异。

　　(2)变异的普遍性变异在组织培养中经常发生，出现在组织培养的各个时期。有数量、质量性状变异，也有农艺、经济性状变异；有表型变异，还有生理变异。与自然界变异与辐射诱变相比，体细胞无性系变异广泛而普遍，易于得到纯系。

　　(3)植物体细胞无性系变异的类型分可遗传变异和不可遗传变异，前者是因为遗传基因突变引起的；后者是不可遗传的变异，为生理型变异，主要是因为培养过程中外加的激素或其他化学物质的刺激引起的，如高浓度的GA和IAA会发生畸形胚，TDZ使植株产生白化苗，2，4-D使培养细胞发生染色体数量变化而产生非整倍体或多倍体。

　　(4)植物体细胞无性系变异的价值及利用途径它是一种重要的遗传变异来源和遗传资源，可用于植物新品种培育(breeding)或做育种中间材料。如在长期的植物细胞组织培养中，人们获得了花大叶厚的花叶芋，金色布绿色斑点的玉簪，有香味的天竺葵，抗斐济病、眼点病和霜霉病的甘蔗，抗小斑病的玉米，抗疫病、青枯病的马铃薯，抗白叶枯病的水稻，抗根腐病、赤缚病的小麦等。

　　2．单倍体育种

　　花药、花粉的培养在水稻、玉米、小麦、苹果、柑橘、葡萄、草莓、石刁柏、甜椒、甘蓝、天竺葵等几十种作物得到了单倍体植株。常规育种中为得到纯系材料需经多代自交，而用单倍体育种，再经染色体加倍可以马上得到纯合的二倍体，大大缩短了育种的时间。

　　3．人工种子研究

　　植物细胞组织培养过程中能够产生与正常合子胚结构相似的体细胞胚，利用这个特点，将体细胞胚加上人工种皮和胚乳便可生产植物人工种子(plantartificialseeds)。人工种子是Murashig。1977年在园艺植物学会议上首次提出的，受到各国重视，其研究与应用发展迅速。我国于1984年由罗士韦教授率先倡导，1987将人工种子研究纳入国家“863”计划，20多年来，取得了很大发展。据不完全统计，已对胡萝卜、苜蓿、莴苣、大麦、小麦、水稻、苎麻、芹菜、蕹莱、柑橘、葡萄、百合、花叶芋、红鹤芋、黄连、西洋参、云杉、杨树、松树等几十种植物进行了人工种子研发，很多还申请了专利，在农业生产和种子市场中展示了光明前景。

　　四、种质保存

　　对种类繁多的植物品种资源，用常规方法保存有困难，用植物细胞组织培养技术来保存则相对容易得多。事实上从1975年Nag和Street成功应用超低温保存胡萝卜悬浮培养细胞以来，已对百余种植物组培材料进行了超低温保存研究，并研发了多种保存方法，如快速冷冻法、分步降温法、干燥冷冻法、玻璃化冷冻法等。保存的组培材料有茎尖、芽、体细胞胚、幼胚、块根、块茎、花粉、悬浮培养细胞、原生质体等，一般可保存2～3年或更长时间。用植物细胞组织培养技术保存种质有以下点：

　　(1)在较小的空间内能保存大量的种质，节约贮存种质的空间。

　　(2)繁殖系数大，可以提高种质保存效率。

　　(3)不受气候、时间、病原微生物、害虫和其他栽培因素的影响，随时可以保存。

　　(4)便于上的种质交流和保存。故可利用植物细胞组织培养技术来大量保存各类植物种质资源，提高种质保存效率。

　　五、遗传转化

　　大多数植物遗传转化方法需要通过植物细胞组织培养来进行。遗传转化也即基因工程的方法目前是改良植物抗病虫性、抗逆性、品质等的重要新手段，可以解决植物育种中用常规杂交方法所不能解决的问题，可以培养聚合多种良性状的以前自然界不存在的超级良植物品种，这些品种就是转基因植物，在1996年开始规模化应用以来，全球发展迅速。目前，抗虫棉花、抗虫玉米、抗虫油菜、抗除草剂大豆等已大规模商业化应用，抗虫水稻也已在研发和推广应用中。全世界转基因植物种植面积已从1996年的100多万hm2发展到现在的上亿公顷，由此可见植物细胞组织培养在植物基因工程中的价值与作用越来越大，有些良的转化细胞系在植物基因工程中起着决定性的作用，越来越受到人们的重视。

　　六、次生代谢物质的生产

　　利用植物细胞组织培养方法，可以从培养的细胞或愈伤组织中提取大量的次生代谢物质，其中许多都是人们需要的酶制品、医药制品和添加剂。这是细胞组织培养与现代生物制药紧密相连和共同发展的一大方面，目前取得的进展很大，几乎凡是有用的植物次生代谢物都可以用植物细胞组织培养的方法进行生产，有的已经走向工厂化生产，极大地提高了生产效率，降低了单价，惠及社会与人民。

　　这方面的例子很多，如从红豆杉培养细胞中提取紫杉醇，从人参根愈伤组织中提取人参皂甙、人参醇、油烷酸等，从鸭脚树种子愈伤组织提取利血平，从紫花毛地黄愈伤组织中提取强心配糖体，从胡萝卜、薄荷、蔷薇、万寿菊愈伤组织中提取类胡萝卜素、叶黄素。近年利用细胞悬浮培养生产毛柳甙(LinglingShi等，2013)、对羟苯基乙醇(LinglingShi等，2013)、花青素(ZhenzhenCai等，2012)、毛地黄黄酮(Enrique等，2012)等均已取得成功，相信未来利用植物细胞组织培养的方法进行植物次生代谢物质的生产在人类的生产与生活中将会发挥越来越重要的作用。