園藝植物組織培養(yǎng)

1、第一章第一章植物組織培養(yǎng)的基本原理植物組織培養(yǎng)的基本原理霍秀文霍秀文 教授，博士教授，博士?jī)?nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院東區(qū)農(nóng)學(xué)樓東區(qū)農(nóng)學(xué)樓220220室室E-mail: Tel: 0471-431-8467(O)2022-2-8IMAU, Huo XW2植物細(xì)胞全能性植物細(xì)胞全能性 細(xì)胞分化、脫分化與再分化細(xì)胞分化、脫分化與再分化 植物的形態(tài)建成植物的形態(tài)建成內(nèi)容提要內(nèi)容提要2022-2-8IMAU, Huo XW3 通過植物學(xué)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)了解到大多綠色開花植物都是靠種子來繁殖的。那么，有沒有不用種子來培育植物的方法呢？ 組織培養(yǎng)組織培養(yǎng)營養(yǎng)繁殖營養(yǎng)繁殖扦插扦插嫁接嫁接壓條壓條

2、 2022-2-8IMAU, Huo XW4扦插扦插嫁接嫁接壓條壓條 2022-2-8IMAU, Huo XW5同常規(guī)的無性繁殖方法相比，組織培養(yǎng)快速繁殖法主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）快速。）快速。（2）周年生產(chǎn)。）周年生產(chǎn)。（3）經(jīng)濟(jì)效益高。）經(jīng)濟(jì)效益高。（4）以組織培養(yǎng)繁殖的種苗與母株有著相同的遺傳基因。）以組織培養(yǎng)繁殖的種苗與母株有著相同的遺傳基因。組織培養(yǎng)與常規(guī)繁殖相比優(yōu)點(diǎn)眾多組織培養(yǎng)與常規(guī)繁殖相比優(yōu)點(diǎn)眾多2022-2-8IMAU, Huo XW6第一節(jié)第一節(jié) 植物細(xì)胞全能性植物細(xì)胞全能性一、植物細(xì)胞全能性（一、植物細(xì)胞全能性（totipotency) totipotency) 是組織培養(yǎng)

3、的理論基礎(chǔ)。一個(gè)生活的植物細(xì)胞，只是組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。一個(gè)生活的植物細(xì)胞，只要有完整的膜系統(tǒng)和細(xì)胞核，它就會(huì)有一整套發(fā)育成一要有完整的膜系統(tǒng)和細(xì)胞核，它就會(huì)有一整套發(fā)育成一個(gè)完整植株的遺傳信息，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以通過分裂、個(gè)完整植株的遺傳信息，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以通過分裂、分化再生成一個(gè)完整植株的潛在能力，這就是所謂的細(xì)分化再生成一個(gè)完整植株的潛在能力，這就是所謂的細(xì)胞全能性。胞全能性。2022-2-8IMAU, Huo XW7n在自然狀態(tài)下，由于細(xì)胞在植物體內(nèi)所處位置及生理?xiàng)l件的不同，它在自然狀態(tài)下，由于細(xì)胞在植物體內(nèi)所處位置及生理?xiàng)l件的不同，它的分化受到各方面的調(diào)控，致使其所具有的遺傳信息

4、不能全部表達(dá)出的分化受到各方面的調(diào)控，致使其所具有的遺傳信息不能全部表達(dá)出來，所以只能形成某種特化細(xì)胞，構(gòu)成植物體的一種組織或一個(gè)器官來，所以只能形成某種特化細(xì)胞，構(gòu)成植物體的一種組織或一個(gè)器官的一部分。的一部分。n條件是十分重要的，關(guān)鍵的，只要條件合適，細(xì)胞潛在的遺傳能力就條件是十分重要的，關(guān)鍵的，只要條件合適，細(xì)胞潛在的遺傳能力就會(huì)表現(xiàn)出來。會(huì)表現(xiàn)出來。n植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)就是以細(xì)胞全能性作為理論依據(jù)，用人為的植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)就是以細(xì)胞全能性作為理論依據(jù)，用人為的方法創(chuàng)造出一個(gè)適合于生長(zhǎng)的理想條件，使細(xì)胞的全能性得以發(fā)揮。方法創(chuàng)造出一個(gè)適合于生長(zhǎng)的理想條件，使細(xì)胞的全能性得以發(fā)揮

5、。2022-2-8IMAU, Huo XW8一個(gè)生活的細(xì)胞，都有再生出一個(gè)生活的細(xì)胞，都有再生出一個(gè)完整植株的潛力？一個(gè)完整植株的潛力？n細(xì)胞的再生潛力與其分化程度呈負(fù)相關(guān)，即細(xì)胞分化程度越高其再細(xì)胞的再生潛力與其分化程度呈負(fù)相關(guān)，即細(xì)胞分化程度越高其再生能力越低生能力越低n越老的細(xì)胞，其基因的表達(dá)就越受到嚴(yán)格的制約，或者說喪失功能越老的細(xì)胞，其基因的表達(dá)就越受到嚴(yán)格的制約，或者說喪失功能或不表現(xiàn)功能的基因越多。或不表現(xiàn)功能的基因越多。n盡量選取幼嫩的植物組織作為培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)材料。盡量選取幼嫩的植物組織作為培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)材料。n一定的基因型或外植體的再生能力并不是一成不變的，高度分化的一定的基因型或

6、外植體的再生能力并不是一成不變的，高度分化的細(xì)胞或組織只要條件合適，也有產(chǎn)生再生植株的可能。細(xì)胞或組織只要條件合適，也有產(chǎn)生再生植株的可能。2022-2-8IMAU, Huo XW9二二 植物細(xì)胞全能性的表現(xiàn)植物細(xì)胞全能性的表現(xiàn)根據(jù)細(xì)胞類型不同，全能性表現(xiàn)從強(qiáng)到弱依次為：根據(jù)細(xì)胞類型不同，全能性表現(xiàn)從強(qiáng)到弱依次為：營養(yǎng)生長(zhǎng)中心，形成層，薄壁組織，厚壁細(xì)胞營養(yǎng)生長(zhǎng)中心，形成層，薄壁組織，厚壁細(xì)胞( (木質(zhì)化細(xì)胞木質(zhì)化細(xì)胞) )，特化細(xì)胞（篩管，導(dǎo)管細(xì)胞）特化細(xì)胞（篩管，導(dǎo)管細(xì)胞）根據(jù)細(xì)胞所處組織不同，全能性表現(xiàn)從強(qiáng)到弱依次為：根據(jù)細(xì)胞所處組織不同，全能性表現(xiàn)從強(qiáng)到弱依次為：頂端分生組織，居間分生

7、組織，側(cè)生分生組織，薄壁組織，頂端分生組織，居間分生組織，側(cè)生分生組織，薄壁組織，厚角組織，輸導(dǎo)組織，厚壁組織厚角組織，輸導(dǎo)組織，厚壁組織2022-2-8IMAU, Huo XW10一一 植物細(xì)胞的分化植物細(xì)胞的分化n一粒成熟的種子含有一個(gè)小小的胚，也可以叫做胚胎。一粒成熟的種子含有一個(gè)小小的胚，也可以叫做胚胎。n構(gòu)成胚胎的所有細(xì)胞幾乎都保持著未分化的狀態(tài)和旺盛的細(xì)胞分裂能力，其構(gòu)成胚胎的所有細(xì)胞幾乎都保持著未分化的狀態(tài)和旺盛的細(xì)胞分裂能力，其細(xì)胞質(zhì)濃稠，細(xì)胞核較大，細(xì)胞與細(xì)胞之間沒有很大差異，這些細(xì)胞都可以細(xì)胞質(zhì)濃稠，細(xì)胞核較大，細(xì)胞與細(xì)胞之間沒有很大差異，這些細(xì)胞都可以叫做胚性細(xì)胞，或叫叫

8、做胚性細(xì)胞，或叫分生性細(xì)胞或未分化細(xì)胞。分生性細(xì)胞或未分化細(xì)胞。n在適宜的條件下，隨著種子的萌發(fā)，構(gòu)成胚胎的所有細(xì)胞即開始分裂活動(dòng)，在適宜的條件下，隨著種子的萌發(fā)，構(gòu)成胚胎的所有細(xì)胞即開始分裂活動(dòng)，增加細(xì)胞數(shù)目。形態(tài)和功能也發(fā)生變化。增加細(xì)胞數(shù)目。形態(tài)和功能也發(fā)生變化。n由于細(xì)胞的分工而導(dǎo)致的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變，或發(fā)育方式改變的過程叫由于細(xì)胞的分工而導(dǎo)致的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變，或發(fā)育方式改變的過程叫做做細(xì)胞分化。細(xì)胞分化。第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞分化、脫分化與再分化細(xì)胞分化、脫分化與再分化2022-2-8IMAU, Huo XW11 分化主要是由細(xì)胞內(nèi)的基因決定的，也就是說分化是基因在時(shí)間和分化主

9、要是由細(xì)胞內(nèi)的基因決定的，也就是說分化是基因在時(shí)間和空間兩個(gè)方面差次表達(dá)的結(jié)果?？臻g兩個(gè)方面差次表達(dá)的結(jié)果。 分化的結(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞分裂能力的喪失，伴隨的是細(xì)胞的分化、成熟分化的結(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞分裂能力的喪失，伴隨的是細(xì)胞的分化、成熟與組織的形成，植物根、莖、葉、花、果實(shí)和種子形成，一個(gè)成熟與組織的形成，植物根、莖、葉、花、果實(shí)和種子形成，一個(gè)成熟植物體出現(xiàn)。植物體出現(xiàn)。 在正常的自然狀態(tài)下，這些已經(jīng)分化的細(xì)胞不會(huì)再恢復(fù)分裂能力重在正常的自然狀態(tài)下，這些已經(jīng)分化的細(xì)胞不會(huì)再恢復(fù)分裂能力重新開始細(xì)胞分裂，直到植物體死亡為止。新開始細(xì)胞分裂，直到植物體死亡為止。2022-2-8IMAU, Huo XW12

10、n首先發(fā)生的變化是回復(fù)到分生性狀態(tài)，這一狀態(tài)包括由溶酶體的活首先發(fā)生的變化是回復(fù)到分生性狀態(tài)，這一狀態(tài)包括由溶酶體的活動(dòng)而將失去功能的細(xì)胞質(zhì)組分降解，動(dòng)而將失去功能的細(xì)胞質(zhì)組分降解，n產(chǎn)生新的細(xì)胞質(zhì)組分（即細(xì)胞器的破壞與重建），產(chǎn)生新的細(xì)胞質(zhì)組分（即細(xì)胞器的破壞與重建），n細(xì)胞內(nèi)酶的種類與活性發(fā)生改變，細(xì)胞內(nèi)酶的種類與活性發(fā)生改變，n蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞代謝過程也發(fā)生改變，蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞代謝過程也發(fā)生改變，n最后引起基因表達(dá)的改變，細(xì)胞的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)最后引起基因表達(dá)的改變，細(xì)胞的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)n返老還童。返老還童。當(dāng)把一個(gè)已經(jīng)失去了分裂能力，處于分化當(dāng)把一個(gè)已經(jīng)失去了分裂能力，處于

11、分化成熟和分裂靜止?fàn)顟B(tài)的細(xì)胞置于特定的增成熟和分裂靜止?fàn)顟B(tài)的細(xì)胞置于特定的增殖培養(yǎng)基上時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？殖培養(yǎng)基上時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？2022-2-8IMAU, Huo XW131 1、脫分化（、脫分化（dedifferentiation)dedifferentiation)： 由失去分裂能力的細(xì)胞回復(fù)到分生性狀態(tài)并進(jìn)行分裂，形成未分由失去分裂能力的細(xì)胞回復(fù)到分生性狀態(tài)并進(jìn)行分裂，形成未分化的愈傷組織的現(xiàn)象（或者說是過程）稱為化的愈傷組織的現(xiàn)象（或者說是過程）稱為“脫分化脫分化” 。2 2、愈傷組織（、愈傷組織（callus,callicallus,calli）：）： 脫分化后的細(xì)胞，經(jīng)

12、過細(xì)胞分裂，產(chǎn)生無組織結(jié)構(gòu)，無明顯極性脫分化后的細(xì)胞，經(jīng)過細(xì)胞分裂，產(chǎn)生無組織結(jié)構(gòu)，無明顯極性的、松散的細(xì)胞團(tuán)稱為愈傷組織。的、松散的細(xì)胞團(tuán)稱為愈傷組織。二二 植物細(xì)胞的脫分化與再分化植物細(xì)胞的脫分化與再分化2022-2-8IMAU, Huo XW143 3、再分化（、再分化（redifferentiation):redifferentiation): 由無分化的愈傷組織的細(xì)胞再轉(zhuǎn)變成為具有一定結(jié)構(gòu)，執(zhí)行一由無分化的愈傷組織的細(xì)胞再轉(zhuǎn)變成為具有一定結(jié)構(gòu)，執(zhí)行一定生理功能的細(xì)胞團(tuán)和組織，構(gòu)成一個(gè)完整的植物體或植物器官的定生理功能的細(xì)胞團(tuán)和組織，構(gòu)成一個(gè)完整的植物體或植物器官的現(xiàn)象（或過程），叫做

13、再分化?，F(xiàn)象（或過程），叫做再分化。 一個(gè)已分化細(xì)胞要表達(dá)出其全能性，就要經(jīng)過脫分化和再分化的一個(gè)已分化細(xì)胞要表達(dá)出其全能性，就要經(jīng)過脫分化和再分化的過程，這就是植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)所要達(dá)到的目的。過程，這就是植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)所要達(dá)到的目的。2022-2-8IMAU, Huo XW15高等植物分化示意圖高等植物分化示意圖幼年細(xì)胞幼年細(xì)胞多細(xì)胞團(tuán)多細(xì)胞團(tuán)形態(tài)建成形態(tài)建成完整植株完整植株細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂細(xì)胞分化細(xì)胞分化高等植物細(xì)胞脫分化和再分化示意圖高等植物細(xì)胞脫分化和再分化示意圖成熟細(xì)胞成熟細(xì)胞分生細(xì)胞分生細(xì)胞多細(xì)胞團(tuán)多細(xì)胞團(tuán)形態(tài)建成形態(tài)建成再生植株再生植株細(xì)胞脫分化細(xì)胞脫分化細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂細(xì)

14、胞再分化細(xì)胞再分化2022-2-8IMAU, Huo XW162022-2-8IMAU, Huo XW17u植物激素在調(diào)節(jié)細(xì)胞脫分化和再分化中起到主要作用。植物激素在調(diào)節(jié)細(xì)胞脫分化和再分化中起到主要作用。u植物對(duì)激素的反應(yīng)十分敏感，培養(yǎng)基中生長(zhǎng)素類和細(xì)植物對(duì)激素的反應(yīng)十分敏感，培養(yǎng)基中生長(zhǎng)素類和細(xì)胞分裂素類的種類、相對(duì)比例和絕對(duì)量都能直接影響胞分裂素類的種類、相對(duì)比例和絕對(duì)量都能直接影響到細(xì)胞脫分化和再分化的過程到細(xì)胞脫分化和再分化的過程. .u組培中常常是通過調(diào)節(jié)激素的種類、濃度和相對(duì)比例組培中常常是通過調(diào)節(jié)激素的種類、濃度和相對(duì)比例來達(dá)到調(diào)節(jié)脫分化和再分化的目的。來達(dá)到調(diào)節(jié)脫分化和再分化的

15、目的。 2022-2-8IMAU, Huo XW18誘導(dǎo)期誘導(dǎo)期分裂期分裂期分化期分化期第三節(jié)第三節(jié) 植物的形態(tài)建成植物的形態(tài)建成外層細(xì)胞分裂，中外層細(xì)胞分裂，中間細(xì)胞不分裂。細(xì)間細(xì)胞不分裂。細(xì)胞分裂快，結(jié)構(gòu)疏胞分裂快，結(jié)構(gòu)疏松，顏色淺而透明。松，顏色淺而透明。細(xì)胞在形態(tài)和生理細(xì)胞在形態(tài)和生理功能上分化，出現(xiàn)功能上分化，出現(xiàn)形態(tài)和功能各異的形態(tài)和功能各異的細(xì)胞。細(xì)胞。一一 愈傷組織誘導(dǎo)與器官分化愈傷組織誘導(dǎo)與器官分化愈傷組織誘導(dǎo)愈傷組織誘導(dǎo)2022-2-8IMAU, Huo XW19先根后芽先根后芽根芽同時(shí)形成根芽同時(shí)形成僅形成根或芽?jī)H形成根或芽先芽后根先芽后根器官發(fā)生的方式器官發(fā)生的方式如小

16、麥、蘆薈、如小麥、蘆薈、蘋果蘋果如茶樹如茶樹胡蘿卜、石刁胡蘿卜、石刁柏柏枸杞、苜蓿枸杞、苜蓿2022-2-8IMAU, Huo XW20誘導(dǎo)愈傷組織誘導(dǎo)愈傷組織形成生長(zhǎng)中心形成生長(zhǎng)中心器官原基及器官形成器官原基及器官形成愈傷組織有序生長(zhǎng)，愈傷組織有序生長(zhǎng)，形成形成層形成形成層部分細(xì)胞分化成管狀細(xì)胞，部分細(xì)胞分化成管狀細(xì)胞，形成微管組織；形成微管組織；部分細(xì)胞形成器官原基，部分細(xì)胞形成器官原基，形成組織和器官形成組織和器官外植體外植體外植體已外植體已存在器官存在器官原基原基分生細(xì)胞分生細(xì)胞直接形成直接形成器官原基器官原基器官分化的過程器官分化的過程2022-2-8IMAU, Huo XW21二二

17、 植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生n胚狀體（胚狀體（embryoidembryoid）或體細(xì)胞胚）或體細(xì)胞胚(somatic embryo)(somatic embryo) 在植物組織培養(yǎng)中，起源于一個(gè)非合子細(xì)胞，在植物組織培養(yǎng)中，起源于一個(gè)非合子細(xì)胞，經(jīng)過胚胎發(fā)生和培養(yǎng)發(fā)育過程形成具有雙極性的經(jīng)過胚胎發(fā)生和培養(yǎng)發(fā)育過程形成具有雙極性的胚狀結(jié)構(gòu)，叫胚狀體。胚狀結(jié)構(gòu)，叫胚狀體。2022-2-8IMAU, Huo XW22胚狀體發(fā)生的方式胚狀體發(fā)生的方式直接途徑直接途徑間接途徑間接途徑固體培養(yǎng)固體培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)直接從外植體直接從外植體誘導(dǎo)分化誘導(dǎo)分化外植體脫分化形成愈傷組織，愈傷外植體脫

18、分化形成愈傷組織，愈傷組織分化出體細(xì)胞胚胎組織分化出體細(xì)胞胚胎懸浮培養(yǎng)產(chǎn)生胚性細(xì)胞懸浮培養(yǎng)產(chǎn)生胚性細(xì)胞團(tuán)再形成體細(xì)胞胚團(tuán)再形成體細(xì)胞胚誘導(dǎo)愈傷組織誘導(dǎo)愈傷組織誘導(dǎo)愈傷組織胚性化誘導(dǎo)愈傷組織胚性化體細(xì)胞胚形成體細(xì)胞胚形成誘導(dǎo)期誘導(dǎo)期胚胎發(fā)育期胚胎發(fā)育期2022-2-8IMAU, Huo XW23器 官 發(fā) 生 和 體 細(xì) 胞 胚 發(fā) 生器 官 發(fā) 生 和 體 細(xì) 胞 胚 發(fā) 生2022-2-8IMAU, Huo XW24二二. .器官分化的過程器官分化的過程離體條件下，經(jīng)過愈傷組織再分化器官一般要經(jīng)過三個(gè)生離體條件下，經(jīng)過愈傷組織再分化器官一般要經(jīng)過三個(gè)生長(zhǎng)階段長(zhǎng)階段1.1.外植體外植體 經(jīng)過誘

19、導(dǎo)形成愈傷組織。經(jīng)過誘導(dǎo)形成愈傷組織。2.2.生長(zhǎng)中心的形成生長(zhǎng)中心的形成 當(dāng)把愈傷組織轉(zhuǎn)移到有利于有序生長(zhǎng)的當(dāng)把愈傷組織轉(zhuǎn)移到有利于有序生長(zhǎng)的條件下以后，首先在若干部位成叢出現(xiàn)類似形成層的細(xì)胞條件下以后，首先在若干部位成叢出現(xiàn)類似形成層的細(xì)胞群，稱之為生長(zhǎng)中心或擬分生組織，它們是愈傷組織形成群，稱之為生長(zhǎng)中心或擬分生組織，它們是愈傷組織形成器官的部位。器官的部位。3.3.器官原基及器官形成器官原基及器官形成 生長(zhǎng)中心形成后，按照其已確立的生長(zhǎng)中心形成后，按照其已確立的極性，某些細(xì)胞開始分化形成管狀細(xì)胞，進(jìn)而形成微管組極性，某些細(xì)胞開始分化形成管狀細(xì)胞，進(jìn)而形成微管組織，開始形成不同的器官原基

20、，進(jìn)而分化出相應(yīng)的組織和織，開始形成不同的器官原基，進(jìn)而分化出相應(yīng)的組織和器官。器官。2022-2-8IMAU, Huo XW25生長(zhǎng)中心（擬分生組生長(zhǎng)中心（擬分生組織）織）器器官官原原基基芽芽形形成成2022-2-8IMAU, Huo XW262022-2-8IMAU, Huo XW27植物細(xì)胞全能性表現(xiàn)根據(jù)細(xì)胞類型不同從強(qiáng)到弱植物細(xì)胞全能性表現(xiàn)根據(jù)細(xì)胞類型不同從強(qiáng)到弱: : 營養(yǎng)生長(zhǎng)中心營養(yǎng)生長(zhǎng)中心 形成層形成層 薄壁細(xì)胞薄壁細(xì)胞 厚壁細(xì)胞厚壁細(xì)胞( (木質(zhì)化細(xì)胞木質(zhì)化細(xì)胞) ) 特化細(xì)胞特化細(xì)胞( (篩管、導(dǎo)管細(xì)胞篩管、導(dǎo)管細(xì)胞) )； 根據(jù)細(xì)胞所處的組織不同從強(qiáng)到弱為根據(jù)細(xì)胞所處的組織不同從強(qiáng)到弱為： 頂端分生組織頂端分生組織 居間分生組織居間分生組織 側(cè)生分生組織側(cè)生分生組織 薄壁組織薄壁組織( (基本組織基本組織) ) 厚角組織厚角組織 輸導(dǎo)組織輸導(dǎo)組織 厚壁組織。厚壁組織。 2022-2-8IMAU, Huo XW282022-2-8IMAU, Huo XW29三三 影響植物離體形態(tài)發(fā)生的因素影響植物離體形態(tài)發(fā)生的因素n植物種類和基因型：植物種類和基因型：n植物材料的生理狀態(tài)植物材料的生理狀態(tài) 植株的發(fā)育年齡：植株的發(fā)育年齡： 培養(yǎng)器官或組織類型：種子、幼胚和下