植物人工種子研究與應用進展

1、植物人工種子研究與應用進展摘要：摘要：綜述了近20年來植物人工種子的研究概況，結合前人在該領域的研究成果系統(tǒng)地闡述了人工種子的概念、意義、應用前景、體細胞胚的誘導、包埋方法、人工種皮、干化、貯藏及防腐等，討論了人工種子制彳技術存在的問題，對其應用前景進行了展望，G,BlancA,etal.Cryopreservationofaxillaryshoottipsofinvitroculturedpotatoesbyencapsulationdehydration:effectsofpreculture.ActaBotanicaGallica,1995,142(4):393402.,S,WKaasR

2、.CryopreservationofgametophytesofLaminariadigitata(L)Lamourouxbyencapsulationdehy2dration.CryoLetters,1997,18(2):9398.摘要：綜述了近20年來植物人工種子的研究概況，結合前人在該領域的研究成果系統(tǒng)地闡述了人工種子的概念、意義、應用前景、體細胞胚的誘導、包埋方法、人工種皮、干化、貯藏及防腐等，討論了人工種子制作技術存在的問題，對其應用前景進行了展望。關鍵詞：植物；胚狀體；人工種子1引言人工種子作為繁殖材料較無菌苗移栽具有更多的優(yōu)越性。用于制作人工種子的體細胞胚(或原球莖)，可以通過

3、細胞懸浮培養(yǎng)和發(fā)酵罐生產，而大大加速個體繁殖速度，在一升培養(yǎng)基中就可以產生上萬個體細胞胚(或原球莖)。這就使人工種子制作具有數量多、繁殖快及結構完整的特點，程序化、自動化的工藝流程建立提供了可能，比現(xiàn)在采用的試管苗繁殖更能降低成本和節(jié)省勞力。所以人工種子也是開辟種苗生產的又一途徑。在人工胚乳配制中，使用者可以根據不同植物對生長的要求來配制，也可以加入植物激素、菌肥或某些農藥，以便更好促進人工種子的生長發(fā)育，提高作物或花卉的生長勢及抗逆能力。2植物人工種子的一般概念2.1 植物人工種子的定義植物人工種子(Plantartificialseed)概念最早由Murashige(1978)提出,是指將

4、植物離體培養(yǎng)中產生的體細胞胚或能發(fā)育成完整植株的分生組織(芽、愈傷組織、胚狀體等)包埋在含有營養(yǎng)物質和具有保護功能的外殼內形成的在適宜條件下能夠發(fā)芽出苗的顆粒體。廣義上的人工種子技術包括體細胞胚的生產、包裹、人工種子的貯藏、人工種子制作裝置等多方面的技術內容，但從狹義范圍來說，人工種子技術包括體細胞胚的生產和體細胞胚的包裹(人工胚乳和種皮)。完整的人工種子包括3大基本部分：體胚、人工胚乳、人工種皮。由于人工種子在本質上屬于無性繁殖，可對一些自然條件下不結實的或種子很昂貴的植物進行繁殖，固定雜種優(yōu)勢，使Fl雜交種可多代利用，使優(yōu)良的單株能快速繁殖成無性系品種，從而大大縮短育種年限。此外，由于人工

5、種子作為播種材料，在一定程度上可取代部分種子與塊根莖等。在人工種子的包裹材料里加入各種生長調節(jié)物質、菌肥、農藥等，可人為地影響和控制作物生長發(fā)育和抗性?？梢员４婕翱焖俜敝趁摬《痉N苗，克服某些植物由于長期營養(yǎng)繁殖所積累而造成病毒病等。與試管苗相比成本低，運輸方便(體積小),可直接播種和機械化操作。歐洲將植物人工種子列入尤里卡計劃，我國也于1987年將其列入國家高技術研究與發(fā)展計劃。2.2 材料選擇人們一般將人工種子生產的候選植物分為2大類:一類是技術基礎較好的植物，這類植物已有建立好的體細胞胚胎發(fā)生系統(tǒng)；另一類是商業(yè)價值高的植物。早期的植物人工種子研究一般僅限于前者，如胡蘿卜、苜蓿和芹菜等模式植

6、物。20世紀80年代末，人們開始采用胚類似物為材料進行人工種子的研究。據報道1989年以試管短枝為材料制作直桿校人工種子，根誘導率高達96.6 %,而芽萌發(fā)率則達100%;1994年以腋芽為材料進行了雍菜及甘薯人工種子的研究，移栽存活率均達100%；同年研究了水稻不定芽人工種子；1995年實現(xiàn)了安祖花不定芽人工種子直播成株;2000年人們對鐵皮石斛蘭人工種子的制作流程，繁殖體的選擇，人工胚乳的參考文獻：宋滿坡.不同濃度的ABTGGR和NNA對矮化紫薇托插生根的影響.安徽農業(yè)科學,2009,37(27):1304513046.李合生.植物生理生化實驗原理和技術.北京：高等教育出版社,1997.楊

7、彬,郭艷秋，康靜.楊樹托插地膜覆蓋育苗試驗.中國林副特產，2003,66(3):47.齊秀東，郭守華，于鳳鳴，等.NAA和IBA對金露梅托插生根的作用.江蘇農業(yè)科學，2007(1):103105.篩選，帶菌萌發(fā)等進行了探索。迄今人們已經對22科32種的植物進行了人工種子的研究，所涉及的范圍已經從過去的模式植物轉向水稻、棉花、雍菜、蘭花、鐵皮石斛蘭等具有經濟價值的農作物、蔬菜、觀賞植物及藥用植物等上來，并呈現(xiàn)一定的上升趨勢。3人工種子的制作3.1 包埋方法人工種子的包埋方法主要有液膠包埋法、干燥包裹法和水凝膠法。液膠包埋法是將胚狀體或小植株懸浮在一種粘滯的流體膠中直接播入土壤。干燥法是將體細胞胚

8、經干燥后再用聚氧乙烯等聚合物進行包埋的方法，盡管Kitto等人報道的干燥包埋法成株率較低，但它證明了體細胞胚干燥包埋的有效性。水凝膠法是指通過離子交換或溫度突變形成的凝膠包裹材料的方法。首先用此法包裹單個苜蓿體細胞胚制得人工種子，離體成株率達86%,以后這種包埋法很快被其他人工種子研究組廣泛采納。3.2 人工種皮人工種皮一直是人工種子研究的主要熱點之一。Redenbaugh(1987)試驗了26種水溶性膠,結果表明只有海藻酸鈉、明膠、果膠酸鈉、瓊脂、樹膠及Gelrite可作為內種皮，其中海藻酸鈉具有諸多優(yōu)點而被廣泛采用。但鑒于它仍存在諸如保水性差、水溶性成份及助劑易滲漏、在空氣中易失水干燥、干

9、燥到一定程度后不能再吸水回脹而不利于人工種子貯藏和發(fā)芽、機械強度差以及膠球粘連等的缺點，對包埋基質的研究應集中在改善其透氣性來提高胚的轉化率，如用一些纖維素衍生物與海藻酸鈉制成復合改性的包埋基質，取得了較為滿意的效果。3.3 包埋新方法為解決單一內種皮存在的諸多問題，人們又著手外種皮的研究。海藻酸鈉包埋制種方式比例已從1990年的80.5%降到65.2%;聚合物包埋法也從11.1%降到10.9%,而新出現(xiàn)的組合包埋法以及其它各種新方法如流體播種、液膠包埋、瓊脂、鋁膠囊等包埋法正呈上升趨勢；一些新的包埋材料也逐漸在研究利用：以2%CaCl2、3%海藻酸鈉，MS、B5及B5+0.5mg/LNAA做

10、人工胚乳，制得的人工種子萌發(fā)率最高可達88.2%;以粘土與蛭石等固型基質做包埋基質的人工種子的萌發(fā)率與海藻酸鈉制作的人工種子相近，但成苗率更高，更易實用化;以滑石粉、殼聚糖作為人工種子外膜，結合抗菌、防腐劑的篩選較有效地克服了人工種子粘連、易染菌的問題。3.4 人工種子的干化、貯藏和防腐方法3.4.1 干化因農業(yè)生產的季節(jié)性所限，需要人工種子貯藏一定的時間。人工種子含水量大，常溫下易萌發(fā)，易失水干縮，不利于貯藏。干化能增強人工種子幼苗的活力，有助于貯藏期間細胞結構和膜系統(tǒng)的保持和提高酶的活性，使其更好的耐貯性。目前，有關胚狀體的干化處理已進行了很多工作。一般在4c左右的溫度下保存，隨著時間的延

11、長，萌發(fā)率呈現(xiàn)下降趨勢，這可能有人工種子沒有休眠有關。3.4.2 貯藏貯藏是人工種子研究的主要難題之一，目前報道的方法有低溫法、干燥法、抑制法、液體石蠟法等多種方法的結合。干燥法和低溫法相結合是目前報道最多的方法，也是目前人工種子貯藏研究主要熱點之一。目前，有關包裹體胚的干化處理已進行更多的工作。李修慶(1990)發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉包埋的胡蘿卜體胚經干化后其超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)的活性顯著提高，從而減輕低溫貯藏對胡蘿卜體胚的傷害。近年有關液氮凍存體胚及包裹體胚的報道越來越多。3.4.3 防腐防腐是人工種子貯藏和大面積田間播種的關鍵技術之一Ocastillo(1998)制得番木

12、瓜人工種子雖有較高的萌發(fā)率，但未見有菌條件下成苗的報道。美國加州植物遺傳公司(PGI)與Ciba-Geigy公司合作，專門研究人工種子防腐劑添加問題。李修慶等(1990)在人工種皮中加入防腐劑G和對蛭石滅菌后播種，人工種皮中加入400500mg/L的先鋒霉素、多菌靈、氨芳青霉素和羥基苯甲酸丙酯，均有不同程度的抑菌作用，使甘薯人工種子在有菌的MS瓊脂培養(yǎng)基上萌發(fā)率提高了4%10%以上。但當人工種子進入大規(guī)模的田間種植階段，則應考慮到方便操作和降低成本等問題。所以防腐劑的選擇有兩種方向，一方面是從農藥中篩選，另一方面是選擇與天然種皮有相似特性的高分子材料作為人工種皮。4結語盡管目前人工種子技術的實

13、驗室研究工作已取得較大進展，但從總體來看，目前的人工種子還遠不能像天然種子那樣方便、實用和穩(wěn)定。主要原因有以下幾個方面。(1)許多重要的植物目前還不能靠組織培養(yǎng)快速產生大量、出苗整齊一致、高質量的胚狀體或不定芽。(2)人工種子內的培養(yǎng)物都是靠組織或細胞培養(yǎng)后獲得的，與天然種子的合子胚相比在生理生化特性方面有諸多不一致的地方。人工種子內含的碳水化合物和蛋白質較少，在休眠、耐貯藏、抗干燥和正常發(fā)育等方面尚不能完全達到性能。(3)包埋劑的選擇及制作工藝方面尚需改進，以使其達到正常植株的轉化率，并達到加工運輸方便、防干、防腐、耐貯藏的目的。(4)如何進行大量制種和大田播種，實現(xiàn)機械化操作等方面配套技術

14、尚需進一步研究。由于人工種子是由組織培養(yǎng)產生的，需要一定時間才能很好地適應外界環(huán)境，因此人工種子在播種到長成自養(yǎng)植株之前的管理也非常重要，在推廣之前必須經過農業(yè)試驗，并對栽培技術及農藝性狀進行研究。人工種子從一誕生就向人們展示了誘人的前景，目前人工種子尚處于研究開發(fā)階段，但它已在繁殖遺傳工程植物、減數分裂不穩(wěn)定植物和珍稀及珍貴植物的過程中，顯示出了超長的優(yōu)勢。人類要首先解決的關鍵問題是：人工種子本身的質量問題及人工種子的成本問題。雖然一些研究機構已經建立起大規(guī)模自動化生產線，能夠生產出高質量、大小一致、發(fā)育同步的人工種子，但是它的成本仍高于天然種子。以苜蓿為例，目前生產1粒人工種子所需成本是0

15、.026美分，而1粒天然苜蓿種子的成本是00006美分，二者相差40多倍。由此可見，人工種子要想成為種植業(yè)的主導繁殖體目前仍存在一定的困難，但我們有理由相信經過全世界科技工作者的努力，隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，以人工種子代替天然種子，人類最終實現(xiàn)農業(yè)、林業(yè)全程工業(yè)化，全程化控制將指日可待。參考文獻：陳德富，陳喜文，程炳嵩.人工種子幾個問題的探討.山東農業(yè)大學學報，1995,26(2):249256.李修慶.植物人工種子研究.北京：北京大學出版社,1990.MurashigeT.Theimpactofplanttissuecultureonagriculture/ThorpeT.Frontiers

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18、ta(L)Lamourouxbyencapsulationdehy2dration.CryoLetters,1997,18(2):9398.王俠禮.植物人工種子.中國種業(yè)，2004(9):4142.李浚明.植物組織培養(yǎng)教程.北京:北京農業(yè)大學出版社,1992.AdvancesinStudyonArtificialSeedofPlantLiuXincen,FanGuosheng(Southwestforestryuniversity,Yunnankunming650224,China)Abstract:Thisreviewfocusedonthedevelopmentsofplantartificials