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2005年7月18日 作者:root [返回]
植物组织培养发展简史

植物组织培养发展简史

    植物组织培养与细胞培养开始于19世纪后半叶,当时植物细胞全能性的概念还没有完全确定,但基于对自然状态下某些植物可以通过无性繁殖产生后代的观察,人们便产生了这样一种想法即能否将植物体的一部分在适当的条件下培养成一个完整的植物体,为此许多植物科学工作者开始了培养植物组织的尝试。最初的问题仍然是集中在植物细胞有没有全能性和如何使这种全能性表现出来。
    1839年Schwann提出细胞有机体的每一个生活细胞在适宜的外部环境条件下都有独立发育的潜能。1853年trecul利用离体的茎段和根段进行培养获得了愈伤组织,愈伤组织是指一种没有器官分化但能进行活跃分裂的细胞团,但这还不能证明细胞具有全能性,因为由愈伤组织没能再生出完整植物体。1901年Morgan首次提出一个全能性细胞应具有发育出一个完整植株的能力。所谓全能性细胞就是指具有完整的膜系统和细胞核的生活细胞,在适宜的条件下可通过细胞分裂与分化,再生出一个完整植株。White指出:如果一个给定的有机体的所有细胞都大致相同,并具有全能性,那么在有机体内所观察到的细胞分化必定是这些细胞对有机体内微环境和周围环境的反应。就是说机体内每个细胞所以没有表现出全能性,是因为该细胞所处位置的不同,致使其某些功能被抑制(suppressed),着充分说明机体内的微环境因素在细胞分化中起了十分重要的作用。按照现代发育生物学和细胞生物学的理论,细胞分化是受基因在时间和空间两个方面的调空,空间就是指细胞在机体内所处的位置。不同位置的细胞,其基因的表达不同,细胞所表现出的形态结构和行为就不同。如果将一个生活的细胞从植物体内分离出来,使之脱离开原有的环境,细胞被抑制的功能将有望得以恢复,重新表现出全能性。基于这种认识,科学工作者便萌生出了植物组织培养的念头。


    Haberlandt(1902)首次提出细胞培养的概念,也是第一个用人工培养基对分离的植物细胞进行培养的人。与rechinger不同,Haberlandt相信切块大小不会影响细胞增殖,但由于Haberlandt使用的培养液成分简单,培养的细胞是高度分化的细胞,又没采取消毒技术,所以实验失败,培养的细胞虽然存活了几个月但没能分裂。Haberlandt转而对损伤修复发生兴趣,提出激素作用的概念(lepto hormone),与维管组织特别是韧皮部有关;另一类是创伤激素(wound homone),与细胞损伤有关,为后来激素理论的建立和在组织培养中的广泛应用奠定了基础。但自Haberlandt的实验之后直到1934年White培养番茄离体根尖的成功,其间的30多年里,植物组织培养技术几乎没有什么进展。分析其原因,主要就是培养基的成分和实验所选取的材料不够合适。

    1934年White用离体的番茄根建立了第一个活跃生长的无性系,使根的离体培养实验首次获得了真正的成功,并首次发现和提出B族维生素B1、维生素B6和烟酸的重要性。与此同时,Cautheret在山毛柳和黑杨形成层组织的培养中也发现了B族维生素的作用,并使培养获得了成功。Nobecourt也用胡萝卜建立了类似的连续生长的组织培养物。因此,Haberlandt、White和Nobecourt一起被誉为植物组织培养的奠基人。人们现在所用的若干培养方法和培养基,原则上都是他们在1939年所建立的方法和培养基演变的结果,几乎所有的培养基中都添加了不同种类和不同数量的B族维生素。从此植物组织培养进入快速发展时期。1941年,Overbeek、Conklin和Blakeslee等用附加椰乳到培养基中,获得了Datura离体胚培养的成功。椰乳成分复杂,含有多种不同的有机物,后来的研究发现,其中在组织培养中起主要作用的是腺嘌呤类激素或类似物。1944年,Skoog报道DNA的降解产物腺嘌呤和腺苷可以促进愈伤组织的生长,解除生长素对芽形成的抑制作用,诱导芽的形成。1948年,Caplin和Steward用实验证明椰乳与2,4-D配合,对培养的胡萝卜和马铃薯组织的增殖起到明显的促进作用。在用烟草髓细胞诱导愈伤组织的实验中,Skoog,Miller等分离确定了6-呋喃氨基嘌呤对细胞分裂有促进作用,并命名为“激动素”(Kinetin)。之后,与此相关的同系物6-苄氨基嘌呤被合成,它也刺激培养物的细胞分裂。于是,出现了“细胞分裂素”这一集合名词,专门用来指能刺激培养物细胞分裂的一组6-某基团的氨基嘌呤化合物。尔后,玉米素、异戊烯基腺嘌呤和其他细胞分裂素等植物激素的相继发现,更增加了细胞分裂素的种类。由于发现生长素和细胞分裂素相互配合能调节细胞的分裂与分化,控制器官的分化,生长素高时可诱导根的形成,细胞分裂素高时可促进芽的分化,使植物组织培养的工作迅速取得突破。1958年美国的Steward和德国的Reinert分别由培养的胡萝卜细胞诱导形成了胚状体,1965年由Vasil和Hildebrandt用单个分离的细胞培养获得整个植株的再生,从而使植物细胞全能性的理论真正得到了科学的证实。从此之后,一批又一批植物的组织或器官通过培养的方法获得了再生植株。
20世纪60年代,在植物组织培养方面的另外两项成就就是划分小孢子培养和原生质体培养的成功。Guha和Maheshwari(1966,1967),Rourgin和Nitsch(1967)先后利用烟草和胡萝卜的小孢子培养获得单倍体植株,并成功地实现了染色体的加倍,使这种同源二倍体植株在5个月内收获到种子。Cocking等用纯化的纤维素酶和果胶酶处理烟草细胞,获得原生质体,通过调节渗透压的方法控制原生质体膨胀,使培养获得成功,得到了再生植株。自20世纪60年代始,植物组织与细胞培养逐渐走向了工厂化和商品化阶段。


    现在已不能确切统计有多少种植物通过组织培养的方法获得了再生植株,因为几乎每天都有可能出现利用新的植物种类获得培养成功的报道。植物组织培养已经变成了一种常规的实验技术,广泛应用于植物的脱毒、快繁、基因工程、细胞工程、遗传研究、次生代谢物质的生产、工厂化育苗等多个方面;从高级的研究机构、大专院校到普通的生物技术公司,甚至农民专业户都在不同程度的利用或开展组织培养工作。


    植物组织培养已经走过了近百年的历程。它的历史不仅证明了植物的每一个生活细胞都含有一种植物的全部遗传信息,在一定的条件下可以发育成一个完整的植株,而且在一定范围内人们可以按照意愿,改变和调节植物的发育。但这种调节和改变知识局部的,主要是通过改变培养基中的激素和培养条件,从遗传基础上的彻底改造仅仅是开始。但是,生命的奥秘是很深远的,植物也如此,科学家至今仍不能实现对所有植物的组织培养再生,对基因型对组培成功的影响至今仍迷惑不解,而且对已经获得成功的植物,也还是有很多问题没有解决。即便像烟草和拟南芥这样的模式植物,也没能实现让它们在组培容器中遂愿的生长发育和开花结实。人们对植物的认识、了解和掌握,仍然处于必然王国阶段,单就其组织培养而言,还有十分漫长的道路要走。

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