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，博士內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院東區(qū)農(nóng)學樓東區(qū)農(nóng)學樓220220室室E-mail: Tel: 0471-431-8467(O)2022-2-8IMAU, Huo XW2植物細胞全能性植物細胞全能性 細胞分化、脫分化與再分化細胞分化、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 通過植物學的學習，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：（1）快速。）快速。（2）周年生產(chǎn)。）周年生產(chǎn)。（3）經(jīng)濟效益高。）經(jīng)濟效益高。（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)點眾多組織培養(yǎng)與常規(guī)繁殖相比優(yōu)點眾多2022-2-8IMAU, Huo XW6第一節(jié)第一節(jié) 植物細胞全能性植物細胞全能性一、植物細胞全能性（一、植物細胞全能性（totipotency) totipotency) 是組織培養(yǎng)

3、的理論基礎(chǔ)。一個生活的植物細胞，只是組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。一個生活的植物細胞，只要有完整的膜系統(tǒng)和細胞核，它就會有一整套發(fā)育成一要有完整的膜系統(tǒng)和細胞核，它就會有一整套發(fā)育成一個完整植株的遺傳信息，在適當?shù)臈l件下可以通過分裂、個完整植株的遺傳信息，在適當?shù)臈l件下可以通過分裂、分化再生成一個完整植株的潛在能力，這就是所謂的細分化再生成一個完整植株的潛在能力，這就是所謂的細胞全能性。胞全能性。2022-2-8IMAU, Huo XW7n在自然狀態(tài)下，由于細胞在植物體內(nèi)所處位置及生理條件的不同，它在自然狀態(tài)下，由于細胞在植物體內(nèi)所處位置及生理條件的不同，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出來，所以只能形成某種特化細胞，構(gòu)成植物體的一種組織或一個器官來，所以只能形成某種特化細胞，構(gòu)成植物體的一種組織或一個器官的一部分。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，細胞潛在的遺傳能力就會表現(xiàn)出來。會表現(xiàn)出來。n植物組織和細胞培養(yǎng)技術(shù)就是以細胞全能性作為理論依據(jù)，用人為的植物組織和細胞培養(yǎng)技術(shù)就是以細胞全能性作為理論依據(jù)，用人為的方法創(chuàng)造出一個適合于生長的理想條件，使細胞的全能性得以發(fā)揮。方法創(chuàng)造出一個適合于生長的理想條件，使細胞的全能性得以發(fā)揮

5、。2022-2-8IMAU, Huo XW8一個生活的細胞，都有再生出一個生活的細胞，都有再生出一個完整植株的潛力？一個完整植株的潛力？n細胞的再生潛力與其分化程度呈負相關(guān)，即細胞分化程度越高其再細胞的再生潛力與其分化程度呈負相關(guān)，即細胞分化程度越高其再生能力越低生能力越低n越老的細胞，其基因的表達就越受到嚴格的制約，或者說喪失功能越老的細胞，其基因的表達就越受到嚴格的制約，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)的實驗材料。盡量選取幼嫩的植物組織作為培養(yǎng)的實驗材料。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，高度分化的細胞或組織只要條件合適，也有產(chǎn)生再生植株的可能。細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 植物細胞全能性的表現(xiàn)植物細胞全能性的表現(xiàn)根據(jù)細胞類型不同，全能性表現(xiàn)從強到弱依次為：根據(jù)細胞類型不同，全能性表現(xiàn)從強到弱依次為：營養(yǎng)生長中心，形成層，薄壁組織，厚壁細胞營養(yǎng)生長中心，形成層，薄壁組織，厚壁細胞( (木質(zhì)化細胞木質(zhì)化細胞) )，特化細胞（篩管，導管細胞）特化細胞（篩管，導管細胞）根據(jù)細胞所處組織不同，全能性表現(xiàn)從強到弱依次為：根據(jù)細胞所處組織不同，全能性表現(xiàn)從強到弱依次為：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，輸導組織，厚壁組織厚角組織，輸導組織，厚壁組織2022-2-8IMAU, Huo XW10一一 植物細胞的分化植物細胞的分化n一粒成熟的種子含有一個小小的胚，也可以叫做胚胎。一粒成熟的種子含有一個小小的胚，也可以叫做胚胎。n構(gòu)成胚胎的所有細胞幾乎都保持著未分化的狀態(tài)和旺盛的細胞分裂能力，其構(gòu)成胚胎的所有細胞幾乎都保持著未分化的狀態(tài)和旺盛的細胞分裂能力，其細胞質(zhì)濃稠，細胞核較大，細胞與細胞之間沒有很大差異，這些細胞都可以細胞質(zhì)濃稠，細胞核較大，細胞與細胞之間沒有很大差異，這些細胞都可以叫做胚性細胞，或叫叫

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

9、要是由細胞內(nèi)的基因決定的，也就是說分化是基因在時間和空間兩個方面差次表達的結(jié)果?？臻g兩個方面差次表達的結(jié)果。 分化的結(jié)果導致細胞分裂能力的喪失，伴隨的是細胞的分化、成熟分化的結(jié)果導致細胞分裂能力的喪失，伴隨的是細胞的分化、成熟與組織的形成，植物根、莖、葉、花、果實和種子形成，一個成熟與組織的形成，植物根、莖、葉、花、果實和種子形成，一個成熟植物體出現(xiàn)。植物體出現(xiàn)。 在正常的自然狀態(tài)下，這些已經(jīng)分化的細胞不會再恢復分裂能力重在正常的自然狀態(tài)下，這些已經(jīng)分化的細胞不會再恢復分裂能力重新開始細胞分裂，直到植物體死亡為止。新開始細胞分裂，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)生的變化是回復到分生性狀態(tài)，這一狀態(tài)包括由溶酶體的活動而將失去功能的細胞質(zhì)組分降解，動而將失去功能的細胞質(zhì)組分降解，n產(chǎn)生新的細胞質(zhì)組分（即細胞器的破壞與重建），產(chǎn)生新的細胞質(zhì)組分（即細胞器的破壞與重建），n細胞內(nèi)酶的種類與活性發(fā)生改變，細胞內(nèi)酶的種類與活性發(fā)生改變，n蛋白質(zhì)合成和細胞代謝過程也發(fā)生改變，蛋白質(zhì)合成和細胞代謝過程也發(fā)生改變，n最后引起基因表達的改變，細胞的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)最后引起基因表達的改變，細胞的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)n返老還童。返老還童。當把一個已經(jīng)失去了分裂能力，處于分化當把一個已經(jīng)失去了分裂能力，處于

11、分化成熟和分裂靜止狀態(tài)的細胞置于特定的增成熟和分裂靜止狀態(tài)的細胞置于特定的增殖培養(yǎng)基上時，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？殖培養(yǎng)基上時，會發(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胞回復到分生性狀態(tài)并進行分裂，形成未分由失去分裂能力的細胞回復到分生性狀態(tài)并進行分裂，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）：）： 脫分化后的細胞，經(jīng)

12、過細胞分裂，產(chǎn)生無組織結(jié)構(gòu)，無明顯極性脫分化后的細胞，經(jīng)過細胞分裂，產(chǎn)生無組織結(jié)構(gòu)，無明顯極性的、松散的細胞團稱為愈傷組織。的、松散的細胞團稱為愈傷組織。二二 植物細胞的脫分化與再分化植物細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胞團和組織，構(gòu)成一個完整的植物體或植物器官的定生理功能的細胞團和組織，構(gòu)成一個完整的植物體或植物器官的現(xiàn)象（或過程），叫做

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

14、胞再分化細胞再分化2022-2-8IMAU, Huo XW162022-2-8IMAU, Huo XW17u植物激素在調(diào)節(jié)細胞脫分化和再分化中起到主要作用。植物激素在調(diào)節(jié)細胞脫分化和再分化中起到主要作用。u植物對激素的反應十分敏感，培養(yǎng)基中生長素類和細植物對激素的反應十分敏感，培養(yǎng)基中生長素類和細胞分裂素類的種類、相對比例和絕對量都能直接影響胞分裂素類的種類、相對比例和絕對量都能直接影響到細胞脫分化和再分化的過程到細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、濃度和相對比例組培中常常是通過調(diào)節(jié)激素的種類、濃度和相對比例來達到調(diào)節(jié)脫分化和再分化的目的。來達到調(diào)節(jié)脫分化和再分化的

15、目的。 2022-2-8IMAU, Huo XW18誘導期誘導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)建成外層細胞分裂，中外層細胞分裂，中間細胞不分裂。細間細胞不分裂。細胞分裂快，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。細胞在形態(tài)和生理細胞在形態(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)和功能各異的細胞。細胞。一一 愈傷組織誘導與器官分化愈傷組織誘導與器官分化愈傷組織誘導愈傷組織誘導2022-2-8IMAU, Huo XW19先根后芽先根后芽根芽同時形成根芽同時形成僅形成根或芽僅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誘導愈傷組織誘導愈傷組織形成生長中心形成生長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，愈傷組織有序生長，形成形成層形成形成層部分細胞分化成管狀細胞，部分細胞分化成管狀細胞，形成微管組織；形成微管組織；部分細胞形成器官原基，部分細胞形成器官原基，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胞分生細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、 植物體細胞胚胎發(fā)生植物體細胞胚胎發(fā)生n胚狀體（胚狀體（embryoidembryoid）或體細胞胚）或體細胞胚(somatic embryo)(somatic embryo) 在植物組織培養(yǎng)中，起源于一個非合子細胞，在植物組織培養(yǎng)中，起源于一個非合子細胞，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分化誘導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胞胚胎組織分化出體細胞胚胎懸浮培養(yǎng)產(chǎn)生胚性細胞懸浮培養(yǎng)產(chǎn)生胚性細胞團再形成體細胞胚團再形成體細胞胚誘導愈傷組織誘導愈傷組織誘導愈傷組織胚性化誘導愈傷組織胚性化體細胞胚形成體細胞胚形成誘導期誘導期胚胎發(fā)育期胚胎發(fā)育期2022-2-8IMAU, Huo XW23器 官 發(fā) 生 和 體 細 胞 胚 發(fā) 生器 官 發(fā) 生 和 體 細 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)過三個生長階段長階段1.1.外植體外植體 經(jīng)過誘

19、導形成愈傷組織。經(jīng)過誘導形成愈傷組織。2.2.生長中心的形成生長中心的形成 當把愈傷組織轉(zhuǎn)移到有利于有序生長的當把愈傷組織轉(zhuǎn)移到有利于有序生長的條件下以后，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)類似形成層的細胞群，稱之為生長中心或擬分生組織，它們是愈傷組織形成群，稱之為生長中心或擬分生組織，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 生長中心形成后，按照其已確立的生長中心形成后，按照其已確立的極性，某些細胞開始分化形成管狀細胞，進而形成微管組極性，某些細胞開始分化形成管狀細胞，進而形成微管組織，開始形成不同的器官原基

20、，進而分化出相應的組織和織，開始形成不同的器官原基，進而分化出相應的組織和器官。器官。2022-2-8IMAU, Huo XW25生長中心（擬分生組生長中心（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植物細胞全能性表現(xiàn)根據(jù)細胞類型不同從強到弱植物細胞全能性表現(xiàn)根據(jù)細胞類型不同從強到弱: : 營養(yǎng)生長中心營養(yǎng)生長中心 形成層形成層 薄壁細胞薄壁細胞 厚壁細胞厚壁細胞( (木質(zhì)化細胞木質(zhì)化細胞) ) 特化細胞特化細胞( (篩管、導管細胞篩管、導管細胞) )； 根據(jù)細胞所處的組織不同從強到弱為根據(jù)細胞所處的組織不同從強到弱為： 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 輸導組織輸導組織 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