植物組織培養(yǎng)緒論分析

植物組織培養(yǎng)緒論分析第1頁/共74頁緒論第一節(jié)植物組織培養(yǎng)的基本概念第二節(jié)植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展第三節(jié)植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用及展望第2頁/共74頁第一節(jié)植物組織培養(yǎng)的基本概念主要內(nèi)容：

植物組織培養(yǎng)的概念△植物組織培養(yǎng)的特點△植物組織培養(yǎng)的研究類型和任務(wù)★第3頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的概念植物組織培養(yǎng)是在無菌和人工控制的環(huán)境條件下，利用適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基，對離體（invitro)的植物器官、組織、細(xì)胞及原生質(zhì)體進(jìn)行培養(yǎng)，使其再生成細(xì)胞或完整植株的技術(shù)。由于培養(yǎng)的植物材料已脫離母體，又稱為植物離體培養(yǎng)（Plantcultureinvitro)。第4頁/共74頁第5頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的概念

廣義：對植物的器官、組織、細(xì)胞及原生質(zhì)體進(jìn)行離體培養(yǎng)技術(shù)植物組織培養(yǎng)

狹義：對植物的組織（分生組織、表皮組織、薄壁組織等）及培養(yǎng)產(chǎn)生的愈傷組織（Callus）進(jìn)行離體培養(yǎng)。第6頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的概念1.無菌：使培養(yǎng)器皿、器械、培養(yǎng)基和培養(yǎng)材料等處于無真菌、細(xì)菌、病毒等微生物的狀態(tài)，以保證培養(yǎng)材料在培養(yǎng)器皿中正常生長和發(fā)育。

2.人工控制的環(huán)境條件：對光照、溫度、濕度、氣體等條件進(jìn)行人工控制，以滿足植物培養(yǎng)材料在離體條件下的正常生長和發(fā)育。

第7頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的概念

3.外植體（explant)：由活體（invivo)植物體上提取下來的，接種在培養(yǎng)基上的無菌細(xì)胞、組織、器官等。（植物組織培養(yǎng)中，使用的各種器官、組織和細(xì)胞統(tǒng)稱為外植體。）

4.愈傷組織（callus）：外植體因受傷或在離體培養(yǎng)時，其未分化的細(xì)胞和已分化的細(xì)胞進(jìn)行活躍的分裂增殖而形成的一種無特定結(jié)構(gòu)和功能的組織。（在人工培養(yǎng)基上由外植體上形成的一團(tuán)無序生長狀態(tài)的薄壁細(xì)胞。）第8頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的特點

植物組織培養(yǎng)的主要特點是采用微生物學(xué)的實驗手段來操作植物離體的器官、組織和細(xì)胞。

具體特點表現(xiàn)在：

1）組織培養(yǎng)的整個過程都是在無菌條件下進(jìn)行的，外植體、培養(yǎng)基、接種環(huán)境都須經(jīng)過無菌處理。

2）組織培養(yǎng)在多數(shù)情況下是利用成分完全確定的人工培養(yǎng)基進(jìn)行的，除少數(shù)特殊情況（進(jìn)行營養(yǎng)缺陷型突變細(xì)胞的篩選）外，培養(yǎng)基中包含了植物生長所需的水分和一切大量元素、微量元素、有機(jī)物和植物激素，培養(yǎng)基的PH和滲透壓也是人為設(shè)定的。因此，在組織培養(yǎng)中的植物材料不需依靠自身的光合作用制造養(yǎng)分，而是處于完全的異養(yǎng)狀態(tài)。第9頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的特點

3）組織培養(yǎng)的起始材料可以是植物的器官、組織，也可以是單個的細(xì)胞（如小孢子）和三倍體細(xì)胞（如胚乳）水平上，即使是去掉了細(xì)胞壁的細(xì)胞（原生質(zhì)體）在組織培養(yǎng)條件下也能再生完整植株。

4）組織培養(yǎng)物通過連續(xù)繼代培養(yǎng)可以不斷增殖，形成克?。╟lone,也稱無性繁殖系），或通過改變培養(yǎng)基成分，特別是其中的植物激素的種類和配比，而達(dá)到不同的實驗?zāi)康?，如莖芽增殖或生根。第10頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的特點

5）組織培養(yǎng)是在封閉的容器中進(jìn)行的，容器內(nèi)氣體和環(huán)境條件可通過瓶塞或其他封口材料進(jìn)行交換。容器內(nèi)的相對濕度在通常情況下幾乎是100%。因此，組培苗葉片表面一般都無角質(zhì)層或蠟質(zhì)層，且氣孔保衛(wèi)細(xì)胞功能缺乏，氣孔始終都是張開的。

6）組織培養(yǎng)的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和時間等都是人為設(shè)定的，找出這些物理因素的最適參數(shù)對組培成功也很重要。第11頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的研究類型

廣義的組織培養(yǎng)依外植體不同，可分為：

1、器官培養(yǎng)（organculture）：對植物體各部分器官及器官原基進(jìn)行離體培養(yǎng)的方法。常用的植物器官有：根、莖、葉、花、果實、種子

2、組織培養(yǎng)（tissueculture）：對植物體的各部分組織進(jìn)行離體培養(yǎng)的方法。

常用的組織有：分生組織、形成層組織、薄壁組織、韌皮部組織等。

莖尖分生組織培養(yǎng)愈傷組織培養(yǎng)第12頁/共74頁矮牽牛莖尖離體培養(yǎng)培養(yǎng)第13頁/共74頁花燭葉片離體快速繁殖第14頁/共74頁大蒜根尖培養(yǎng)及植株再生第15頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的研究類型3、細(xì)胞培養(yǎng)(cellculture)對植物單個細(xì)胞或較小細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行離體培養(yǎng)的方法。常用的細(xì)胞有：性細(xì)胞、葉肉細(xì)胞、根尖細(xì)胞、韌皮部細(xì)胞等。4、胚胎培養(yǎng)：對植物成熟和未成熟胚以及具胚器官進(jìn)行離體培養(yǎng)的方法。常用的材料有：幼胚、成熟胚、胚乳、胚珠、子房等。5、原生質(zhì)體培養(yǎng)(protoplastculture)：第16頁/共74頁人參細(xì)胞懸浮培養(yǎng)第17頁/共74頁

牡丹成熟胚的離體培養(yǎng)與快速繁殖Matureembryocultureandrapidpropagationoftreepeony第18頁/共74頁非洲紫羅蘭原生質(zhì)體分離、培養(yǎng)及植株再生第19頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的研究任務(wù)植物組織培養(yǎng)

組織培養(yǎng)器官培養(yǎng)胚胎培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)原生質(zhì)體培養(yǎng)次生代謝種質(zhì)創(chuàng)新和植物的無病毒苗人工種子種質(zhì)資源物的生產(chǎn)品種選育快速繁殖的培育的生產(chǎn)離體培養(yǎng)第20頁/共74頁第二節(jié)植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展

主要內(nèi)容：

植物組織培養(yǎng)的開創(chuàng)植物組織培養(yǎng)的奠基植物組織培養(yǎng)的建立第21頁/共74頁

植物組織培養(yǎng)的研究歷史可以追溯到19世紀(jì)中期，其開拓和發(fā)展的理論基礎(chǔ)是植物細(xì)胞的全能性，即植物的每個核細(xì)胞具有母體全部基因，在離體培養(yǎng)下，都有分化、發(fā)育成完整植株的潛在能力。該領(lǐng)域的發(fā)展歷史可分為開創(chuàng)、奠基和建立三個階段。

植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展第22頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—開創(chuàng)1、1838-1839年，德國科學(xué)家Schleide和Schwann發(fā)表了細(xì)胞學(xué)說，奠定了組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。

該學(xué)說的基本內(nèi)容是：一切生物都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞是生物體的基本單位，細(xì)胞只能是由細(xì)胞分裂而來。

2、1902年，德國植物學(xué)家Haberlandt根據(jù)細(xì)胞學(xué)說，提出單個細(xì)胞的植物細(xì)胞全能性（totipotency）理論。

他提出：高等植物的器官和組織，可以不斷分割，直至單個細(xì)胞，這種單個細(xì)胞是具有潛在全能性的功能單位，即植物細(xì)胞具有全能性。他在論文中寫道：雖然經(jīng)常觀察到細(xì)胞的明顯生長，但從未觀察到細(xì)胞分裂。這位先驅(qū)者失敗的原因是：實驗材料高度分化；培養(yǎng)基過于簡單。

第23頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—開創(chuàng)3、1904年，Hanning最先成功地培養(yǎng)了蘿卜和辣根菜的胚。發(fā)現(xiàn)離體胚可以充分發(fā)育成熟，并提早萌發(fā)形成小苗。1922年，美國學(xué)者Knudson采用胚培養(yǎng)法獲得大量蘭花幼苗。

4、1922年，德國學(xué)者Kotte和美國學(xué)者Robbins進(jìn)行了豌豆、玉米、棉花的莖尖和根尖離體培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)離體培養(yǎng)只能進(jìn)行有限的生長，未發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)細(xì)胞有形態(tài)發(fā)生能力。

5、1925年，Laibach培養(yǎng)亞麻種間雜交幼胚獲得成功，證明了胚培養(yǎng)在植物遠(yuǎn)緣雜交中的可能性。

第24頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基

20世紀(jì)30-50年代，影響離體培養(yǎng)材料生長和發(fā)育的一些重要物質(zhì)，如天然提取物、B族維生素、生長素(auxin)、細(xì)胞分裂素(cytokinin)的發(fā)現(xiàn)，促使植物組織培養(yǎng)的研究迅速發(fā)展，特別是分裂素與生長素的比例控制器官分化（differentiation)的激素模式的建立，使植物組織培養(yǎng)技術(shù)與理論體系得以形成。

第25頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基Gautheret(1937,1938)在他培養(yǎng)的柳樹形成層的培養(yǎng)基中加入這些物質(zhì)，使生長大大加快，隨后，他用胡蘿卜的小外植體培養(yǎng)也獲得成功。

1926年，植物生理學(xué)家Went首先發(fā)現(xiàn)了可以促進(jìn)子葉鞘生長的物質(zhì)，1930年證實了這種物質(zhì)是生長素——吲哚乙酸。

1937年，White又發(fā)現(xiàn)了B族維生素和IAA對植物根離體生長的作用，并用3種B族維生素——VB6、VB1及VB5，取代椰汁獲得成功，建立了第一個由已知化合物組成的培養(yǎng)基。

第26頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基1933年，中國學(xué)者李繼侗和沈同首次報道了利用天然提取物進(jìn)行組織培養(yǎng)的研究。他們利用加有銀杏胚乳提取物的培養(yǎng)基，成功培養(yǎng)了銀杏的胚。

1934年，White用番茄根尖經(jīng)繼代培養(yǎng)400余天(有的書上說，28年培養(yǎng)了1600代)，建立起第一個活躍生長的無性繁殖系，從而使非胚器官的培養(yǎng)首先獲得成功。

1941年，VanOverbeek等將椰乳加入到培養(yǎng)基中，使曼佗羅的心形期胚離體培養(yǎng)成熟，并推測椰乳中含有促進(jìn)細(xì)胞分裂和生長的生理活性物質(zhì)。

第27頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基

法國的Nobecoort(1937,1938)培養(yǎng)胡蘿卜根和馬鈴薯的塊莖薄壁組織，細(xì)胞增殖獲得成功。不久，White(1939)報到了煙草中間雜種(Nicotianaglauca×N.longsdorffi)幼莖切段原形成層組織的培養(yǎng)，繼代培養(yǎng)也獲得成功。在White和Gautheret工作中所確立的植物組織培養(yǎng)的基本方法，成為以后進(jìn)行各種植物組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，奠定了植物組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)。1943年White發(fā)表了《植物組織培養(yǎng)手冊》(《AHandBookofPlantTissueCulture》)的專著，使植物組織培養(yǎng)開始形成一門新興的學(xué)科。第28頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基四十年代，Skoog和崔徵(1948)在煙草莖切段和髓培養(yǎng)以及器官形成的研究中，發(fā)現(xiàn)腺嘌呤或腺苷可以解除培養(yǎng)基中生長素對芽形成的抑制作用，而誘導(dǎo)形成芽，從而確定了腺嘌呤/生長素的比例是控制芽和根形成的主要條件之一。這一比例高時產(chǎn)生芽，比例低時產(chǎn)生根，相等時則不分化。

1956年Miller等發(fā)現(xiàn)了激動素，知道激動素可以代替腺嘌呤促進(jìn)成芽，并且效果約可增加3萬倍。確立了控制器官分化的激素模式為激動素/生長素的比例關(guān)系。這種器官發(fā)生的激素調(diào)空模式的建立為植物組織培養(yǎng)中完整植株的再生奠定了理論基礎(chǔ)。第29頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—奠基

1953年，Muir利用往復(fù)式搖床的振蕩，在液體培養(yǎng)基中進(jìn)行了萬壽菊和煙草愈傷組織的培養(yǎng)，獲得了單細(xì)胞或密集細(xì)胞的懸浮液，并可繼代增殖。這既是培養(yǎng)方法上的突破，也是Haberlandt培養(yǎng)單細(xì)胞設(shè)想的實現(xiàn)。

1958年，英國學(xué)者Steward和Reinert幾乎同時在胡蘿卜根組織的韌皮部單細(xì)胞懸浮培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞在形態(tài)上可轉(zhuǎn)變?yōu)榕c合子胚相似的結(jié)構(gòu)，其發(fā)育過程也與合子胚類似。由于它是從體細(xì)胞分化而來，因而稱為體細(xì)胞胚或胚狀體。這一實驗證實了Haberlandt的細(xì)胞全能性理論。第30頁/共74頁第31頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—建立

從植物細(xì)胞全能性理論的提出到其被實驗科學(xué)地證實，植物組織培養(yǎng)研究領(lǐng)域走過了近60年的發(fā)展歷程。

當(dāng)影響植物細(xì)胞分裂和器官形成的機(jī)理被揭示后，學(xué)者們對該領(lǐng)域進(jìn)行了全面研究，獲得的成果枝繁葉茂，發(fā)表的文章浩如煙海，形成了一套成熟的植物組織培養(yǎng)的理論體系和技術(shù)方法，擁有極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，從而在生物科學(xué)中建成了這門具有理論、技術(shù)和應(yīng)用的科學(xué)。第32頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—建立1958年，Wickson和Thimann發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用外源細(xì)胞分裂素可以打破頂端優(yōu)勢，促使休眠的側(cè)芽啟動生長，從而形成微型的多枝多芽小灌木叢狀結(jié)構(gòu)。

1960年，Morel提出了利用莖尖離體快速無性繁殖蘭花屬的方法，該方法繁殖系數(shù)極高，并能脫毒，國際上相繼形成了“蘭花工業(yè)”，并實現(xiàn)了試管苗產(chǎn)業(yè)化。

1962年，Murashinge和Skoog在煙草培養(yǎng)中篩選出至今仍被廣泛使用的MS培養(yǎng)基。

第33頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—建立1960年，英國學(xué)者Cocking用真菌纖維素酶酶解分離番茄根和煙草葉片，獲得了原生質(zhì)體，開創(chuàng)了原生質(zhì)體的培養(yǎng)。

1971年，日本學(xué)者Nagata和Takebe首次將煙草葉肉原生質(zhì)體培養(yǎng)的再生植株。

1985年，F(xiàn)ujimura獲得了第一例禾谷類作物—水稻原生質(zhì)體培養(yǎng)的再生植株。

1986年，Spangenberg獲得了甘藍(lán)型油菜單個原生質(zhì)體培養(yǎng)的再生植株。

1972年，Carlson通過兩個種的煙草原生質(zhì)體融合培養(yǎng)，獲得了第一個體細(xì)胞雜交的雜種植株。

1974年，Kao利用聚乙二醇進(jìn)行了大豆和煙草科間原生質(zhì)體的融合。第34頁/共74頁植物組織培養(yǎng)的形成與發(fā)展—建立1953年，Tulecke首先培養(yǎng)銀杏成熟花粉獲得了愈傷組織。

1964-1966年，印度科學(xué)家Guha和Maheswari在曼陀羅花藥培養(yǎng)中首次由花粉誘導(dǎo)得到了單倍體植株。

1969年，Kaul發(fā)現(xiàn)三角葉薯蕷懸浮培養(yǎng)物可以生產(chǎn)薯蕷皂苷配基，其量為干重的1.5%。目前，利用組織培養(yǎng)途徑生產(chǎn)的次生產(chǎn)物有皂苷類、生物堿、甾醇類、醌類、氨基酸和蛋白質(zhì)等。第35頁/共74頁三、植物組織培養(yǎng)的應(yīng)用與展望

1、植物離體快繁運用組織培養(yǎng)的途徑，一個單株一年可以繁殖幾萬到幾百萬個植株。例如一株葡萄一年繁殖到3萬多株，一株蘭花一年繁殖到400萬株。：

園藝植物種苗工廠化生產(chǎn)第36頁/共74頁蘭科植物生產(chǎn)第37頁/共74頁ABECFG花燭屬植物第38頁/共74頁厥類植物第39頁/共74頁盆栽及切花植物的繁殖第40頁/共74頁珍貴樹種第41頁/共74頁無菌苗快速繁殖第42頁/共74頁無菌苗馴化第43頁/共74頁組培苗馴化移栽第44頁/共74頁莖、芽和小植株的規(guī)模培養(yǎng)

第45頁/共74頁

經(jīng)濟(jì)植物快速繁殖第46頁/共74頁第47頁/共74頁第48頁/共74頁

2、無病毒苗木培育針對病毒對農(nóng)作物造成的嚴(yán)重危害，通過組織培養(yǎng)可以有效地培育出大量的無病毒種苗。已經(jīng)取得成功的有馬鈴薯、草莓、香蕉、葡萄等等。第49頁/共74頁virus-freetissue莖尖培養(yǎng)脫毒第50頁/共74頁脫毒馬鈴薯種薯生物反應(yīng)器液體培養(yǎng)第51頁/共74頁3、培育新品種或創(chuàng)制新品種

1）培育遠(yuǎn)緣品種利用組織培養(yǎng)可以使難度很大的遠(yuǎn)緣雜交取得成功，從而育成一些罕見的新物種。比如遼寧果樹研究所利用這種方法獲得蘋果與梨的雜交種。

2）離體選擇突變體采用組織培養(yǎng)可以直接誘變和篩選出具抗病、抗鹽、高賴氨酸、高蛋白等優(yōu)良性狀的品種。中國林科院用逐步加大培養(yǎng)基中鹽的濃度，直接獲得耐鹽的楊樹株系。

3）單倍體育種第52頁/共74頁

種質(zhì)資源的離體保存第53頁/共74頁體細(xì)胞無性系變異篩選第54頁/共74頁

花粉、花藥培養(yǎng)產(chǎn)生單倍體植株第55頁/共74頁

幼胚拯救克服遠(yuǎn)緣雜交障礙第56頁/共74頁

用于基因工程技術(shù)創(chuàng)造植物新種質(zhì)。第57頁/共74頁4、次生代謝物的產(chǎn)生有些極其昂貴的生物制品，如抗癌首選藥物--紫杉醇等，可以用大規(guī)模培養(yǎng)植物細(xì)胞來直接生產(chǎn)。第58頁/共74頁應(yīng)用及展望

5、植物種質(zhì)資源的離體保存第59頁/共74頁應(yīng)用及展望

6、人工種子意義：

1）結(jié)構(gòu)完整、體積小、便于貯藏與運輸，可直接播種和機(jī)械化操作。

2）不受季節(jié)和環(huán)境限制，利于工廠化生產(chǎn)。

3）利于繁殖周期長、自交不親和、珍貴稀有的植物，也可大量繁殖無病毒材料

4）可在人工種子中加入抗生素、菌肥、農(nóng)藥等成分，提高種子品質(zhì)

5）體細(xì)胞胚由無性繁殖體系產(chǎn)生，可固定雜種優(yōu)勢。

第60頁/共74頁

植物胚胎發(fā)生理論研究第61頁/共74頁植物組織培養(yǎng)

課程整體設(shè)計介紹生物工程學(xué)院銀川能源學(xué)院

第62頁/共74頁一.植物組織培養(yǎng)內(nèi)容和應(yīng)用三.教材及教學(xué)安排四.考核

二.課程在學(xué)科中地位第63頁/共74頁一、植物組織培養(yǎng)內(nèi)容和應(yīng)用1.課程內(nèi)容：植物組織培養(yǎng)（planttissueculture)是指利用植物體的器官、組織、細(xì)胞、原生質(zhì)體，通過無菌操作接種到人工培養(yǎng)基上(medium)，在一定的光照和溫度條件下進(jìn)行培養(yǎng)，使其形成完整的植株。

第64頁/共74頁2.課程的應(yīng)用：（一）植物組織培養(yǎng)的快速繁殖。（二）無病毒苗生產(chǎn)。（三）體細(xì)胞無性系變異和新品種培育(breeding)。（四）單倍體育種。(五)種質(zhì)保存。

一、植物組織培養(yǎng)內(nèi)容和應(yīng)用第65頁/共74頁植物組織培養(yǎng)課程是綜合性大學(xué)和農(nóng)業(yè)院校的農(nóng)、林、園藝等有關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)課。專業(yè)基礎(chǔ)課理論+實踐綜合性學(xué)科二.課程在學(xué)科