植物組織培養(yǎng)基本知識

關于植物組織培養(yǎng)基本知識第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章植物組織培養(yǎng)的基本知識主要內容植物組織培養(yǎng)定義及類型植物組織培養(yǎng)的基本原理植物組織培養(yǎng)的發(fā)展簡史植物組織培養(yǎng)在農業(yè)上的應用第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月目的與要求掌握植物組織培養(yǎng)的概念與類型掌握植物組織培養(yǎng)的基本原理了解植物組織培養(yǎng)的特點了解植物組織培養(yǎng)的發(fā)展簡史了解植物組織培養(yǎng)在農業(yè)上的應用第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月一、植物組織培養(yǎng)一般概念

定義：離體（invitro)條件下利用人工培養(yǎng)條件在無菌情況下，對植物組織（器官、組織、細胞、原生質體等）進行培養(yǎng)，并使之生長、發(fā)育再生出完整植株的過程。

外植體（explant)：由活體（invivo)植物體上提取下來的，接種在培養(yǎng)基上的無菌細胞、組織、器官等。第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、植物組織培養(yǎng)的類型1.依外植體不同分：器官培養(yǎng)（organculture）莖尖分生組織培養(yǎng)(shoottipculture,shootapexculture,apicalmeristemculture)愈傷組織培養(yǎng)(callusecultrue)細胞培養(yǎng)(cellculture)原生質體培養(yǎng)(protoplastculture)

愈傷組織（callus）:在人工培養(yǎng)基上由外植體上形成的一團無序生長狀態(tài)的薄壁細胞。第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月蟹爪蘭的愈傷組織第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、植物組織培養(yǎng)的類型按培養(yǎng)方法分為固體培養(yǎng)（solidculture）:在液體培養(yǎng)液中加入0.5%～1%的瓊脂使液體培養(yǎng)液半固化，再接種培養(yǎng)物的一種培養(yǎng)技術。液體培養(yǎng)（submergedculture）：把細胞或生物體的一部分，置于液體培養(yǎng)基中使其發(fā)育，并不斷振蕩，使之均勻地在懸濁液中進行培養(yǎng)的一種方法第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月看護培養(yǎng)（nurseculture）：將親本愈傷組織或高密度的懸浮細胞同低密度細胞一起培養(yǎng)，以促進低密度細胞生長、分裂的培養(yǎng)方法?？醋o培養(yǎng)是由繆爾（Muir）于1953年創(chuàng)立的。微室培養(yǎng)（microchamberculture）：利用玻璃或塑料制作的小室進行細胞培養(yǎng)的技術。第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月看護培養(yǎng)（nurseculture）：將親本愈傷組織或高密度的懸浮細胞同低密度細胞一起培養(yǎng)，以促進低密度細胞生長、分裂的培養(yǎng)方法。看護培養(yǎng)是由繆爾（Muir）于1953年創(chuàng)立的。第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月微室培養(yǎng)（microchamberculture）：利用玻璃或塑料制作的小室進行細胞培養(yǎng)的技術。第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、植物組織培養(yǎng)的類型3.按培養(yǎng)過程分為：初代培養(yǎng)（Primaryculture）(無菌培養(yǎng)物)

將從植物體上分離下來的第一次培養(yǎng)。繼代培養(yǎng)（Subculture）（增殖培養(yǎng)）將初代培養(yǎng)得到的培養(yǎng)物轉移到新的培養(yǎng)基上進行培養(yǎng)，稱為繼代培養(yǎng)。第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、植物組織培養(yǎng)的基本原理—植物細胞的全能性基本原理：▲植物細胞的全能性（totipotent)：

-----植物細胞具有該植物體全部遺傳的可能性，在一定條件下具有發(fā)育成完整植物體的潛在能力。從理論上講，生物體的每一個活細胞都應該具有全能性.細胞差異：（1）受精卵的全能性最高（胚性強）

（2）體細胞的全能性比生殖細胞的低。實踐證明：處于離體狀態(tài)的植物活細胞，在一定的營養(yǎng)物質、激素和其他外界條件的作用下，就可能表現出全能性，發(fā)育成完整的植株。人工條件下實現的這一過程，就是植物組織培養(yǎng)。

第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、植物組織培養(yǎng)的基本原理—植物細胞的全能性

▲植物細胞全能性的表達兩個過程：☆脫分化（dedifferentiation)：一個成熟細胞轉變?yōu)榉稚鸂顟B(tài)的過程?；謴图毎姆至鸦钚浴！钤俜只╮edifferentiation):經脫分化的組織或細胞在一定的培養(yǎng)條件下轉變?yōu)楦鞣N不同細胞類型的過程。第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月離體的植物器官、組織、細胞脫分化愈傷組織再分化根芽胚狀體植物體

植物組織培養(yǎng)過程（細胞全能性表達過程）植物組織培養(yǎng)條件

含有全部營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基(無機、有機營養(yǎng)、植物激素)、一定的溫度、空氣、光照、適合的pH、無菌環(huán)境等。

植物激素控制理論：細胞分裂素/生長素-可控制器官的分化：高-莖芽的分化；中-誘導愈傷組織；低-根的形成）第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月四、植物組織培養(yǎng)特點①培養(yǎng)條件可以人為控制

在人為提供的培養(yǎng)基質和小氣候環(huán)境條件下進行生長，擺脫了大自然中四季、晝夜的變化以及災害性氣候的不利影響，且條件均一，對植物生長極為有利，便于穩(wěn)定地進行周年培養(yǎng)生產。②生長周期短，繁殖率高

由于人為控制培養(yǎng)條件，因此生長較快，一般20—30d為一個周期。植物材料按幾何級數繁殖生產，總體來說成本低廉，且能及時提供規(guī)格一致的優(yōu)質種苗或脫病毒種苗。

③管理方便，利于工廠化生產和自動化控制

植物組織培養(yǎng)是在一定的場所和環(huán)境下，人為提供一定的溫度、光照、濕度、營養(yǎng)、激素等條件，既利于高度集約化和高密度工廠化生產，也利于自動化控制生產。它是未來農業(yè)工廠化育苗的發(fā)展方向。它與盆栽、田間栽培等相比省去了中耕除草、澆水施肥、防治病蟲害等一系列繁雜勞動，可以大大節(jié)省人力、物力及田間種植所需要的土地。

第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月五、植物組織培養(yǎng)的發(fā)展簡史探索階段（1902-1929年）組培方法和定義的建立階段（1930-1939年）細胞全能性的證實階段（1940-1959）組培技術和理論迅速發(fā)展階段（1960-今）四個階段第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.探索階段（1902-1929年）Haberlandt：基礎：貢獻：提出細胞全能性假設實驗-檢驗細胞學說小野芝麻和鳳眼蘭的柵欄細胞和虎眼萬年青屬表皮細胞無分裂細胞高度分化+培養(yǎng)基中無生長激素首次進行離體細胞培養(yǎng)細胞學說Knop+蔗糖第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月《關于單離植物細胞培養(yǎng)實驗》我愿意指出：在我的培養(yǎng)實驗中，雖然經常觀察到細胞的明顯生長，但從未觀察到細胞分裂。發(fā)現單細胞培養(yǎng)的條件，將是未來培養(yǎng)試驗的難題。在未來，人們可以成功地從營養(yǎng)細胞培養(yǎng)出人工胚。第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1904年：Hanning胚培養(yǎng)：培養(yǎng)蘿卜和辣根菜的胚，得到植株1922年：Kotte和Robbins根培養(yǎng)1925年：Laibach亞麻種間雜交幼胚培養(yǎng)得到雜種其它研究1922年：Knudson采用胚培養(yǎng)法獲得蘭花幼苗，克服其種子發(fā)芽困難的問題。第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.組培方法和定義的建立階段（1930-1939年）1934年：White番茄根建立第一個活躍生長的植物無性系。 當根2厘米長－切成0.5-1厘米切斷，無菌液體培養(yǎng)－完全 相同的離體根－根離體培養(yǎng)真正成功。28年-1600代。

1934年：Gautherete培養(yǎng)山毛楊、黑楊形成層組織產生了Callus1937年：White發(fā)現3種B族維生素（吡哆醇、硫胺素、煙酸）和IAA對植物生長有用1939年：Gautherete培養(yǎng)胡蘿卜根小外植體成功1939年：White培養(yǎng)煙草種間雜種幼莖切段原形成層成功1939年：Nobecourt培養(yǎng)胡蘿卜根塊莖薄壁組織成功——組織培養(yǎng)學科的奠基人第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月組織培養(yǎng)的奠基人第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.細胞全能性的證實階段（1940-1959）1943年：White植物組織培養(yǎng)手冊《AHandbookofPlantTissueCulture》，標志組織培養(yǎng)成為一門新興學科1946年：羅士韋在菟絲子莖尖培養(yǎng)中觀察到花的形成，為試管受精奠定了基礎1948年：Skoog和崔真培養(yǎng)煙草莖段時，發(fā)現腺嘌呤或腺苷可解除生長素對芽生長的抑制作用，腺嘌呤/生長素高，生芽；低，生根；相等，不分化。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1952-1953年：美國科學家StewardF.C.

用胡蘿卜根的細胞懸浮培養(yǎng)，發(fā)現單個細胞能經歷象受精卵發(fā)育成胚一樣的途徑，發(fā)育成完整植抹。證實了植物細胞全能性學說。1952年：Morel和Martin首次報道莖尖分生組織的離體培養(yǎng)，獲得無病毒大麗花植株。1954年：Muir將煙草愈傷組織置于固體培養(yǎng)基上，在其上放一片濾紙，再在濾紙片上放上一個煙草體細胞，單細胞培養(yǎng)成功。1957年：Skoog、Miller提出了激素控制理論（細胞分裂素/生長素-可控制器官的分化：高-莖芽的分化；中-誘導愈傷組織；低-根的形成）第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.組培技術和理論迅速發(fā)展階段（1960-今）1960年以來組織培養(yǎng)理論、實踐、技術和方法不斷完善和發(fā)展，形成獨具特色的專業(yè)技術在實驗技術上建立了較完整的實驗程序，已成為一種重要和精細的實驗技術組織培養(yǎng)已廣泛應用于生物學的許多分支學科，并取得豐碩的成果。第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1原生質體培養(yǎng)1960年：Cocking酶解法分離原生質體獲得成功。使植物細胞可以象動物細胞一樣進行細胞融合。1971年，日本takebe和Nagata首次利用煙草葉片分離原生質體并獲得再生植株。我國獲得了30個以上品種的原生質體再生植株，其中包括難度較大的重要糧食作物和經濟作物大豆、水稻、玉米、小麥、谷子、高梁、大麥、棉花、油萊、馬鈴薯等第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2細胞融合與體細胞雜交1972年，美國Carlson誘導粉藍煙草和郎氏煙草的原生質體融合得到種間體細胞雜種－第一株體細胞雜種。1978年，有性雜交不親和的番茄/馬鈴薯間的體細胞雜交獲得了雜種植株(Melchers)。隨后獲得了地上結番茄，地下生馬鈴薯的雜種植物。1985年，馬鈴薯的栽培品種與野生種的體細胞雜交，得到了抗晚疫病和卷葉病的體細胞雜種(Austin)。第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3胚胎培養(yǎng)和試管受精避免受精后胚乳發(fā)育不良或因種胚與胚乳間不親和而致使雜種胚夭折，及時分離幼胚接種在無激素培養(yǎng)基上使之直接成苗，這就是胚挽救。大大提高遠緣雜交的成功率。印度科學家在裁培種菜豆、黃麻和花生的遠緣雜交中獲得了理想的重組體。中國農科院蔬菜所培養(yǎng)結球甘藍和大白菜的雜種胚得到了種間雜種。第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4組織及細胞培養(yǎng)生產有用物質

Arregnin和bonner在1950年首先進行了培養(yǎng)橡膠莖愈傷組織獲取橡膠的嘗試。近50年來飛速的發(fā)展。從400多種植物培養(yǎng)細胞中分離到600多種次級代謝產物，其中60多種在含量上超過或等于其原植物，20種以上干重超過1％。在日本，人參細胞培養(yǎng)已達130600L發(fā)酵罐；德國用1000L發(fā)酵罐培養(yǎng)毛地黃細胞；在我國，人參細胞培養(yǎng)技術也已實現產業(yè)化。利用培養(yǎng)細胞的生物轉化能力生產高值化合物，德國科學家進行了出色的研究。他們在毛地黃細胞的培養(yǎng)中加入生物合成途徑的中間化合物毛地黃毒素和一甲基毛地黃毒素，培養(yǎng)細胞以幾乎100％的轉化速率使之羥基化，變?yōu)獒t(yī)藥強心劑地高辛。第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5單倍體育種1964年，印度的Guba和Meheshiwari培養(yǎng)毛葉曼陀羅花藥獲得了第一棵單倍體植株。我國于1970年開始這方面的研究，取得了很大的成果。40種以上植物獲得單倍體植株，其中小麥、玉米、橡膠樹、楊樹、辣權、油菜、柑桔、甘蔗、大豆、葡萄和蘋果等的單倍體植株為我國首創(chuàng)。通過單倍體育種獲得了水稻、小麥、煙草、辣椒和甜櫻新品種。中花8號、9號等15個水稻新品種，總種植面積達1000萬畝。通過花粉和花藥培養(yǎng)已獲得了幾百種植物的單倍體植株。第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月花藥培養(yǎng)：中花8號水稻、京花1號小麥。體細胞無性系變異：

我國已經培育出抗白葉枯病及賴氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、絲氨酸和酪氨酸含量高于親本系的水稻變異體。突變體誘導和篩選 細胞突變體的篩選最早始于1959年，G，Melchers在金魚草懸浮細胞培養(yǎng)中獲得了溫度突變體。迄今為止，不少于15個科、45個種的植物細胞培養(yǎng)中篩選出100個以上的細胞突變體或變異體，有抗病細胞突變體、逆境脅迫抗性突變體、抗除草劑細胞突變體及營養(yǎng)缺陷型細胞突變體等。其他：第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月植物快速繁殖技術60年代，法國的Morel用莖尖培養(yǎng)的方法大量繁殖蘭花獲得成功。植物快速繁殖技術、試管苗工廠化生產和無病毒種苗生產技術在70年代得到了快速的發(fā)展。美國、法國、意大利、荷蘭等歐美國家試管苗的年產量均在數千萬株以上，并且以每年7％-8％的速度增加。我國快速繁殖和無病毒種苗生產的研究始于70年代，到“七五”期間研究成果開始向應用轉化并大見成效。馬鈴薯無毒種薯和甘蔗種苗已在生產上大面積種植。第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月組織細胞培養(yǎng)物的超低溫保存及種質庫的建立植物細胞全能性的發(fā)現和證實，為植物的種質資源的長期保存開辟了一條新途徑。許多植物的組織培養(yǎng)物在液氮中超低溫保存以后，仍然能保持很高的存活率，并且能再生出新植株和保持原來的遺傳特性。如胡蘿卜和煙草的懸浮細胞超低溫保存6個月以后仍然能恢復生長并分化出植株。第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月體細胞胚胎發(fā)生和人工種子1958年，Reinert在胡蘿卜的組織培養(yǎng)中最先發(fā)現了體細胞胚胎(胚狀體)。水稻、小麥、玉米等100多種植物（43科、92屬）能通過離體培養(yǎng)產生胚狀體。1977年，Murashige第一次提出人工種子構想。把胚狀體包埋在膠囊內形成球狀結構，使其具有種子的機能并可直接播種于田間。80年代初，美、日、法等國相繼開展了人工種子的研究，并且在胡蘿卜、苜蓿、芹菜、花椰菜、萵苣、花旗松等植物上獲得了初步的成功。我國人工種子的研究開始于“七五”期間，并且被列人了“863高技術研究發(fā)展計劃”。第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月六、應用領域

1、快速繁殖

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。

第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、種苗脫毒針對病毒對農作物造成的嚴重危害，通過組織培養(yǎng)可以有效地培育出大量的無病毒種苗。已經取得成功的有馬鈴薯、草莓、香蕉、葡萄等等。平均產量提高30%，最高達300%目前莖尖脫毒苗已有100多種第39頁