植物组织培养绪论.ppt

,园艺植物组织培养Plant tissue culture 任旭琴 QQ:824332973)201209,绪论,第一节 植物组织培养的基本概念第二节 植物组织培养的形成与发展第三节 植物组织培养的应用及展望,第一节 植物组织培养的基本概念,主要内容：植物组织培养的概念 植物组织培养的特点 植物组织培养的研究类型和任务,植物组织培养的概念,植物组织培养是在无菌和人工控制的环境条件下，利用适当的培养基，对离体（in vitro)的植物器官、组织、细胞及原生质体进行培养，使其再生成细胞或完整植株的技术。由于培养的植物材料已脱离母体，又称为植物离体培养（Plant culture in vitro)。广义：对植物的器官、组织、细胞及原生质 体进行离体培养技术植物组织培养 狭义：对植物的组织（分生组织、表皮组织、薄壁组织等）及培 养产生的愈伤组织（Callus）进行离体培养。,植物组织培养的概念,1.无菌：使培养器皿、器械、培养基和培养材料等处于无真菌、细菌、病毒等微生物的状态，以保证培养材料在培养器皿中正常生长和发育。2.人工控制的环境条件：对光照、温度、湿度、气体等条件进行人工控制，以满足植物培养材料在离体条件下的正常生长和发育。,植物组织培养的概念,3.外植体（explant)：由活体（in vivo)植物体上提取下来的，接种在培养基上的无菌细胞、组织、器官等。（植物组织培养中，使用的各种器官、组织和细胞统称为外植体。）4.愈伤组织（callus）：外植体因受伤或在离体培养时，其未分化的细胞和已分化的细胞进行活跃的分裂增殖而形成的一种无特定结构和功能的组织。（在人工培养基上由外植体上形成的一团无序生长状态的薄壁细胞。）,植物组织培养的特点,植物组织培养的主要特点是采用微生物学的实验手段来操作植物离体的器官、组织和细胞。具体特点表现在：1）组织培养的整个过程都是在无菌条件下进行的，外植体、培养基、接种环境都须经过无菌处理。2）组织培养在多数情况下是利用成分完全确定的人工培养基进行的，除少数特殊情况（进行营养缺陷型突变细胞的筛选）外，培养基中包含了植物生长所需的水分和一切大量元素、微量元素、有机物和植物激素，培养基的PH和渗透压也是人为设定的。因此，在组织培养中的植物材料不需依靠自身的光合作用制造养分，而是处于完全的异养状态。,植物组织培养的特点,3）组织培养的起始材料可以是植物的器官、组织，也可以是单个的细胞（如小孢子）和三倍体细胞（如胚乳）水平上，即使是去掉了细胞壁的细胞（原生质体）在组织培养条件下也能再生完整植株。4）组织培养物通过连续继代培养可以不断增殖，形成克隆（clone,也称无性繁殖系），或通过改变培养基成分，特别是其中的植物激素的种类和配比，而达到不同的实验目的，如茎芽增殖或生根。,植物组织培养的特点,5）组织培养是在封闭的容器中进行的，容器内气体和环境条件可通过瓶塞或其他封口材料进行交换。容器内的相对湿度在通常情况下几乎是100%。因此，组培苗叶片表面一般都无角质层或蜡质层，且气孔保卫细胞功能缺乏，气孔始终都是张开的。6）组织培养的环境温度、光照强度和时间等都是人为设定的，找出这些物理因素的最适参数对组培成功也很重要。,植物组织培养的研究类型,广义的组织培养依外植体不同，可分为：1、器官培养（organ culture）：对植物体各部分器官及器官原基进行离体培养的方法。常用的植物器官有：根、茎、叶、花、果实、种子 2、组织培养（tissue culture）：对植物体的各部分组织进行离体培养的方法。常用的组织有：分生组织、形成层组织、薄壁组织、韧皮部组织等。茎尖分生组织培养 愈伤组织培养,植物组织培养的研究类型,3、细胞培养(cell culture)对植物单个细胞或较小细胞团进行离体培养的方法。常用的细胞有：性细胞、叶肉细胞、根尖细胞、韧皮部细胞等。4、胚胎培养：对植物成熟和未成熟胚以及具胚器官进行离体培养的方法。常用的材料有：幼胚、成熟胚、胚乳、胚珠、子房等。5、原生质体培养(protoplast culture)：,植物组织培养的研究任务,植物组织培养 组织培养 器官培养 胚胎培养 细胞培养 原生质体培养次生代谢 种质创新和 植物的 无病毒苗 人工种子 种质资源物的生产 品种选育 快速繁殖 的培育 的生产 离体培养,第二节 植物组织培养的形成与发展,主要内容：植物组织培养的开创 植物组织培养的奠基 植物组织培养的建立,植物组织培养的研究历史可以追溯到19世纪中期，其开拓和发展的理论基础是植物细胞的全能性，即植物的每个核细胞具有母体全部基因，在离体培养下，都有分化、发育成完整植株的潜在能力。该领域的发展历史可分为开创、奠基和建立三个阶段。,植物组织培养的形成与发展,植物组织培养的形成与发展开创,1、1838-1839年，德国科学家Schleide 和Schwann发表了细胞学说，奠定了组织培养的理论基础。该学说的基本内容是：一切生物都是由细胞构成的，细胞是生物体的基本单位，细胞只能是由细胞分裂而来。2、1902年，德国植物学家Haberlandt 根据细胞学说，提出单个细胞的植物细胞全能性（totipotency）理论。他提出：高等植物的器官和组织，可以不断分割，直至单个细胞，这种单个细胞是具有潜在全能性的功能单位，即植物细胞具有全能性。他在论文中写道：虽然经常观察到细胞的明显生长，但从未观察到细胞分裂。这位先驱者失败的原因是：实验材料高度分化；培养基过于简单。,植物组织培养的形成与发展开创,3、1904年，Hanning 最先成功地培养了萝卜和辣根菜的胚。发现离体胚可以充分发育成熟，并提早萌发形成小苗。1922年，美国学者Knudson 采用胚培养法获得大量兰花幼苗。4、1922年，德国学者Kotte和美国学者Robbins进行了豌豆、玉米、棉花的茎尖和根尖离体培养，发现离体培养只能进行有限的生长，未发现培养细胞有形态发生能力。5、1925年，Laibach培养亚麻种间杂交幼胚获得成功，证明了胚培养在植物远缘杂交中的可能性。,植物组织培养的形成与发展奠基,20世纪30-50年代，影响立体培养材料生长和发育的一些重要物质，如天然提取物、B族维生素、生长素(auxin)、细胞分裂素(cytokinin)的发现，促使植物组织培养的研究迅速发展，特别是分裂素与生长素的比例控制器官分化（differentiation)的激素模式的建立，使植物组织培养技术与理论体系得以形成。,植物组织培养的形成与发展奠基,Gautheret(1937,1938)在他培养的柳树形成层的培养基中加入这些物质，使生长大大加快，随后，他用胡萝卜的小外植体培养也获得成功。1926年，植物生理学家Went首先发现了可以促进子叶鞘生长的物质，1930年证实了这种物质是生长素吲哚乙酸。1937年，White又发现了B族维生素和IAA对植物根离体生长的作用，并用3种B族维生素VB6、VB1及VB5，取代椰汁获得成功，建立了第一个由已知化合物组成的培养基。,植物组织培养的形成与发展奠基,1933年，中国学者李继侗和沈同首次报道了利用天然提取物进行组织培养的研究。他们利用加有银杏胚乳提取物的培养基，成功培养了银杏的胚。1934年，White 用番茄根尖经继代培养400余天(有的书上说，28年培养了1600代)，建立起第一个活跃生长的无性繁殖系，从而使非胚器官的培养首先获得成功。1941年，Van Overbeek等将椰乳加入到培养基中，使曼佗罗的心形期胚离体培养成熟，并推测椰乳中含有促进细胞分裂和生长的生理活性物质。,植物组织培养的形成与发展奠基,法国的Nobecoort(1937,1938)培养胡萝卜根和马铃薯的块茎薄壁组织，细胞增殖获得成功。不久，White(1939)报到了烟草中间杂种(NicotianaglaucaN.longsdorffi)幼茎切段原形成层组织的培养，继代培养也获得成功。在White和Gautheret工作中所确立的植物组织培养的基本方法，成为以后进行各种植物组织培养的基础技术，奠定了植物组织培养的基础。1943年White发表了植物组织培养手册(A Hand Book of Plant Tissue Culture)的专著，使植物组织培养开始形成一门新兴的学科。,植物组织培养的形成与发展奠基,四十年代，Skoog和崔徵(1948)在烟草茎切段和髓培养以及器官形成的研究中，发现腺嘌呤或腺苷可以解除培养基中生长素对芽形成的抑制作用，而诱导形成芽，从而确定了腺嘌呤/生长素的比例是控制芽和根形成的主要条件之一。这一比例高时产生芽，比例低时产生根，相等时则不分化。1956年Miller等发现了激动素，知道激动素可以代替腺嘌呤促进成芽，并且效果约可增加3万倍。确立了控制器官分化的激素模式为激动素/生长素的比例关系。这种器官发生的激素调空模式的建立为植物组织培养中完整植株的再生奠定了理论基础。,植物组织培养的形成与发展奠基,1953年，Muir利用往复式摇床的振荡，在液体培养基中进行了万寿菊和烟草愈伤组织的培养，获得了单细胞或密集细胞的悬浮液，并可继代增殖。这既是培养方法上的突破，也是Haberlandt培养单细胞设想的实现。1958年，英国学者Steward和Reinert几乎同时在胡萝卜根组织的韧皮部单细胞悬浮培养中发现，体细胞在形态上可转变为与合子胚相似的结构，其发育过程也与合子胚类似。由于它是从体细胞分化而来，因而称为体细胞胚或胚状体。这一实验证实了Haberlandt的细胞全能性理论。,植物组织培养的形成与发展建立,从植物细胞全能性理论的提出到其被实验科学地证实，植物组织培养研究领域走过了近60年的发展 历程。当影响植物细胞分裂和器官形成的机理被揭示后，学者们对该领域进行了全面研究，获得的成果枝繁叶茂，发表的文章浩如烟海，形成了一套成熟的植物组织培养的理论体系和技术方法，拥有极其广泛的应用领域，从而在生物科学中建成了这门具有理论、技术和应用的科学。,植物组织培养的形成与发展建立,1958年，Wickson和Thimann发现，应用外源细胞分裂素可以打破顶端优势，促使休眠的侧芽启动生长，从而形成微型的多枝多芽小灌木丛状结构。1960年，Morel提出了利用茎尖离体快速无性繁殖兰花属的方法，该方法繁殖系数极高，并能脱毒，国际上相继形成了“兰花工业”，并实现了试管苗产业化。1962年，Murashinge 和Skoog 在烟草培养中筛选出至今仍被广泛使用的MS培养基。,植物组织培养的形成与发展建立,1960年，英国学者Cocking用真菌纤维素酶酶解分离番茄根和烟草叶片，获得了原生质体，开创了原生质体的培养。1971年，日本学者Nagata和Takebe首次将烟草叶肉原生质体培养的再生植株。1985年，Fujimura获得了第一例禾谷类作物水稻原生质体培养的再生植株。1986年，Spangenberg获得了甘蓝型油菜单个原生质体培养的再生植株。1972年，Carlson 通过两个种的烟草原生质体融合培养，获得了第一个体细胞杂交的杂种植株。1974年，Kao利用聚乙二醇进行了大豆和烟草科间原生质体的融合。,植物组织培养的形成与发展建立,1953年，Tulecke首先培养银杏成熟花粉获得了愈伤组织。1964-1966年，印度科学家Guha 和Maheswari 在曼陀罗花药培养中首次由花粉诱导得到了单倍体植株。1969年，Kaul发现三角叶薯蓣悬浮培养物可以生产薯蓣皂苷配基，其量为干重的1.5%。目前，利用组织培养途径生产的次生产物有皂苷类、生物碱、甾醇类、醌类、氨基酸和蛋白质等。,应用及展望,1、植物离体快繁 运用组织培养的途径，一个单株一年可以繁殖几万到几百万个植株。例如一株葡萄一年繁殖到3万多株，一株兰花一年繁殖到400万株。2、无病毒苗木培育 针对病毒对农作物造成的严重危害，通过组织培养可以有效地培育出大量的无病毒种苗。已经取得成功的有马铃薯、草莓、香蕉、葡萄等等。3、次生代谢物的产生 有些极其昂贵的生物制品，如抗癌首选药物-紫杉醇等，可以用大规模培养植物细胞来直接生产。,应用及展望,4、培育新品种或创制新品种 1）培育远缘品种 利用组织培养可以使难度很大的远缘杂交取得成功，从而育成一些罕见的新物种。比如辽宁果树研究所利用这种方法获得苹果与梨的杂交种。2）离体选择突变体 采用组织培养可以直接诱变和筛选出具抗病、抗盐、高赖氨酸、高蛋白等优良性状的品种。中国林科院用逐步加大培养基中盐的浓度，直接获得耐盐的杨树株系。3）单倍体育种5、植物种质资源的离体保存,应用及展望,6、人工种子 意义：1）结构完整、体积小、便于贮藏与运输，可直接播种和机械化操作。2）不受季节和环境限制，利于工厂化生产。3）利于繁殖周期长、自交不亲和、珍贵稀有的植物，也可大量繁殖无病毒材料 4）可在人工种子中加入抗生素、菌肥、农药等成分，提高种子品质 5）体细胞胚由无性繁殖体系产生，可固定杂种优势。,应用及展望,7、基因工程的应用 培育的优质、高产的转基因大豆新品种，蛋白质含量比标准品种提高45%48%，产量提高10%20%。将鱼的抗冻基因导入番茄，获得了耐寒、高产的转基因番茄。转基因抗盐马铃薯也获得成功.,思考题：,1、什么是植物组织培养？在生物技术领域中有什么地位？2、植物组织培养技术有何特点。3、植物组织培养技术有什么类型？2、简述植物组织培养的应用,