1、第二章第二章.植物组织培养的基础植物组织培养的基础 本章内容n第一节第一节 细胞全能性和细胞分化细胞全能性和细胞分化n第二节第二节 离体条件下植物器官的发生离体条件下植物器官的发生n第三节第三节 影响植物离体形态发生的因素影响植物离体形态发生的因素第一节第一节.细胞全能性和细胞分化细胞全能性和细胞分化n植物细胞的全能性（植物细胞的全能性（totipotent)：植物细胞具有该植物体全部遗传的可能性，在一定条件下具有发育成完整植物体的潜在能力。n原理原理：生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部基因，从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。
2、n潜在全能性的原因：潜在全能性的原因：基因表达的选择性 n科学研究表明，处于离体状态的植物活细胞，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。人工条件下实现的这一过程，就是植物组织培养。1.遗传性的差异遗传性的差异n不同植物种间，由于其遗传性的不同，起不同植物种间，由于其遗传性的不同，起源也不尽相同，细胞培养条件有较大差异。源也不尽相同，细胞培养条件有较大差异。n不同品种，培养条件差异很大不同品种，培养条件差异很大2.生理状态的差异n同一植株的不同部位细胞，培养条件差异同一植株的不同部位细胞，培养条件差异很大很大n细胞的再生能力与其分化程度呈负相关，细胞
3、的再生能力与其分化程度呈负相关，就是说细胞分化程度越高其再生能力越低就是说细胞分化程度越高其再生能力越低 n差异：差异：（1）受精卵的全能性最高 n （2）受精卵分化后的细胞中，体细胞的全能性比生殖细胞的低。3.位置效应位置效应n位置效应：同一植株的同一类型外植体进位置效应：同一植株的同一类型外植体进行培养，而且管理条件完全相同，但是这行培养，而且管理条件完全相同，但是这些外植体的分化情况也有较大差异些外植体的分化情况也有较大差异。n原因：内源激素分布梯度原因：内源激素分布梯度第二节第二节 离体条件下植物器官的发生离体条件下植物器官的发生植物体细胞培养产生完整植株示意图植物体细胞培养产生完整植
4、株示意图细胞培养形成的胡萝卜植株细胞培养形成的胡萝卜植株组织培养过程组织培养过程外植体脱分化是实现植物细胞全能性的第一外植体脱分化是实现植物细胞全能性的第一个步骤，其结果直接影响离体培养的成功与否。个步骤，其结果直接影响离体培养的成功与否。只有掌握好如何调控外植体的脱分化，才能使组只有掌握好如何调控外植体的脱分化，才能使组织培养向预期的方向发展。织培养向预期的方向发展。外外植植体体愈愈伤伤组组织织再分化再分化脱分化脱分化根、根、芽芽植物体植物体一、脱分化和再分化一、脱分化和再分化n（一）脱分化（一）脱分化n1.概念概念n分化（分化（differentiation）:随着植物的生长，细胞随着植物
5、的生长，细胞在形态结构和功能上发生永久性在形态结构和功能上发生永久性(不可逆转性不可逆转性)适适度变化的过程就叫做分化。度变化的过程就叫做分化。分化的结果导致细胞分裂能力的丧失，伴随分化的结果导致细胞分裂能力的丧失，伴随的是细胞的分化、成熟与组织的形成，是植物根、的是细胞的分化、成熟与组织的形成，是植物根、茎、叶、花、果实和种子的形成，是一个成熟植茎、叶、花、果实和种子的形成，是一个成熟植物体的出现。在正常的自然状态下，这些已经分物体的出现。在正常的自然状态下，这些已经分化的细胞不会再恢复分裂能力重新开始细胞分裂，化的细胞不会再恢复分裂能力重新开始细胞分裂，直到植物体死亡为止。直到植物体死亡为
6、止。当把一个已经失去了分裂能力，处于分化成当把一个已经失去了分裂能力，处于分化成熟和分裂静止状态的细胞置于特定的增殖培养基熟和分裂静止状态的细胞置于特定的增殖培养基上时，它首先发生的变化是回复到上时，它首先发生的变化是回复到分生性状态分生性状态，这一状态包括由溶酶体的活动而将失去功能的细这一状态包括由溶酶体的活动而将失去功能的细胞质组分降解，并产生新的细胞质组分胞质组分降解，并产生新的细胞质组分(即细胞器即细胞器的破坏与重建的破坏与重建)，同时细胞内酶的种类与活性发生，同时细胞内酶的种类与活性发生改变，蛋白质合成和细胞代谢过程也发生改变，改变，蛋白质合成和细胞代谢过程也发生改变，最后引起基因表
7、达的改变，细胞的性质和状态发最后引起基因表达的改变，细胞的性质和状态发生了扭转，可以说是生了扭转，可以说是返老还童返老还童。由失去分裂能力。由失去分裂能力的细胞回复到分生性状态并进行分裂，形成无分的细胞回复到分生性状态并进行分裂，形成无分化的细胞团即愈伤组织的现象化的细胞团即愈伤组织的现象(或者说是过程或者说是过程)称称为脱分化。为脱分化。n脱分化（脱分化（dedifferentiation)：当外植体已：当外植体已分化的细胞，在分化的细胞，在切割损伤切割损伤和和培养物内外因培养物内外因素素的作用下，逐渐的作用下，逐渐丧失其原有分化的结构丧失其原有分化的结构和功能和功能，合成代谢变得旺盛，细胞
8、壁由厚，合成代谢变得旺盛，细胞壁由厚变薄，其内部结构也发生变化，细胞高度变薄，其内部结构也发生变化，细胞高度液泡化，形成无组织的细胞团或愈伤组织。液泡化，形成无组织的细胞团或愈伤组织。n外植体脱分化是实现植物细胞全能性的第外植体脱分化是实现植物细胞全能性的第一个步骤，其结果直接影响离体培养的成一个步骤，其结果直接影响离体培养的成功与否。只有掌握好如何调控外植体的脱功与否。只有掌握好如何调控外植体的脱分化，才能使组织培养向预期的方向发展。分化，才能使组织培养向预期的方向发展。n分化：早期胚早期胚胎发育胎发育受受精精卵卵种种子子分化分化组组织织植植物物体体形成形成构成构成器器官官脱分化脱分化愈愈伤
9、伤组组织织再分化再分化 组组织织植植物物体体l 脱分化外外植植体体形成形成器器官官构成构成愈伤组组织：愈伤组组织：从植物的各损伤从植物的各损伤的外植体增值而的外植体增值而形成的一种无特形成的一种无特定结构和功能的定结构和功能的细胞团。细胞团。2、脱分化过程中细胞生物学变化、脱分化过程中细胞生物学变化n气体交换率增加气体交换率增加nRNA随体的合成随体的合成n过氧化物酶增加过氧化物酶增加n蛋白质活跃合成蛋白质活跃合成n酚类物质增加酚类物质增加n乙烯合成乙烯合成3、与脱分化有关的因子及其作用、与脱分化有关的因子及其作用n（1）损伤刺激。）损伤刺激。损伤形成的特殊刺激是引起脱分化的第一个损伤形成的特
10、殊刺激是引起脱分化的第一个因子。损伤首先导致外植体产生生化响应，损伤因子。损伤首先导致外植体产生生化响应，损伤导致气体交换率变化和呼吸活性变化，还导致很导致气体交换率变化和呼吸活性变化，还导致很多酶活性增加，一些代谢物的含量也变化。多酶活性增加，一些代谢物的含量也变化。n（2）培养细胞的异质性）培养细胞的异质性用茎等典型的各种已分化的细胞类型的复合用茎等典型的各种已分化的细胞类型的复合体作为外植体，细胞之间存在很大的异质性，异体作为外植体，细胞之间存在很大的异质性，异质细胞对培养条件的刺激有不同的敏感性，因此质细胞对培养条件的刺激有不同的敏感性，因此可能只有某种类型和某一部分的细胞可以脱分化可
11、能只有某种类型和某一部分的细胞可以脱分化以至分裂，其他细胞则不能。异质性的方面主要以至分裂，其他细胞则不能。异质性的方面主要是指不同的倍数体和不同的生理状态。是指不同的倍数体和不同的生理状态。n（3）生长调节剂的影响）生长调节剂的影响创伤可以引起少数细胞的分裂，但是切创伤可以引起少数细胞的分裂，但是切面上易于形成多酚物质沉淀形成的保护层，面上易于形成多酚物质沉淀形成的保护层，从而使得表面细胞停止分裂，加入从而使得表面细胞停止分裂，加入2，4D等激素后，导致外植体细胞生物学和细胞等激素后，导致外植体细胞生物学和细胞分裂的更强烈的变化，结果进入第一次分分裂的更强烈的变化，结果进入第一次分裂的细胞百
12、分率更高。裂的细胞百分率更高。n（4）培养环境的影响）培养环境的影响光线对外植体最初的分裂有明显影响，外植光线对外植体最初的分裂有明显影响，外植体在体在DNA复制开始后，对光线不敏感，在后续培复制开始后，对光线不敏感，在后续培养期间，光线对生长也很少有刺激作用。养期间，光线对生长也很少有刺激作用。（二）、再分化（二）、再分化再分化（再分化（redifferentiation):经脱分化的组织经脱分化的组织或细胞在一定的培养条件下可有转变为各种不同或细胞在一定的培养条件下可有转变为各种不同功能细胞的能力。功能细胞的能力。再分化是指离体培养物由脱分化状态再度分再分化是指离体培养物由脱分化状态再度分
13、化，再分化可以在化，再分化可以在细胞水平细胞水平、组织水平组织水平和和器官水器官水平平递进的进行，最后再生完整植株。培养物的再递进的进行，最后再生完整植株。培养物的再分化，通过胚胎发生和直接分化器官再形成植株分化，通过胚胎发生和直接分化器官再形成植株这两个途径实现。这两个途径实现。1、细胞水平的再分化、细胞水平的再分化首先可见的是细胞壁变厚、假导管细胞的形成及酶首先可见的是细胞壁变厚、假导管细胞的形成及酶水平的变厚和明显的机能分化，从而形成各种水平的变厚和明显的机能分化，从而形成各种类型的细胞类型的细胞 生长调节剂生长调节剂：细胞分裂素、生长素、其他生：细胞分裂素、生长素、其他生长调节剂长调节
14、剂营养物质营养物质：如糖类等：如糖类等其他理化因子：温度效应、光照效应、其他理化因子：温度效应、光照效应、PH值值2、组织水平的再分化、组织水平的再分化n拟分生组织：指培养物中出现的类似分生组织的拟分生组织：指培养物中出现的类似分生组织的细胞群，它是指脱分化之后的培养物发生的一系细胞群，它是指脱分化之后的培养物发生的一系列细胞分裂而产生的一团小型、壁薄、液泡小、列细胞分裂而产生的一团小型、壁薄、液泡小、细胞核和细胞质染色较深的细胞组成，它细胞核和细胞质染色较深的细胞组成，它具有分具有分化上的可塑性化上的可塑性。n维管组织结节：是一个区域的愈伤组织转化为韧维管组织结节：是一个区域的愈伤组织转化为
15、韧皮分子和木质分子的混合体结构，这样的形成层皮分子和木质分子的混合体结构，这样的形成层状的细胞向外延伸与拟分生组织连接，形成根原状的细胞向外延伸与拟分生组织连接，形成根原基或芽原基，可以认为维管结节是基或芽原基，可以认为维管结节是试管植株维管试管植株维管束的前身束的前身。3、器官水平的再分化、器官水平的再分化影响根、茎器官分化的因素影响根、茎器官分化的因素1、控制器官分化的激素模式、控制器官分化的激素模式生长素生长素/激动素激动素生长素生长素/激动素的相对高水平，有利于根的生成；激动素的相对高水平，有利于根的生成；生长素生长素/激动素的相对低水平，则有利于地上部的形成；激动素的相对低水平，则有
16、利于地上部的形成；二者的比例趋中时，促进愈伤组织的生长。二者的比例趋中时，促进愈伤组织的生长。但是生长素和激动素的需要因组织和系统不同而异，二者的但是生长素和激动素的需要因组织和系统不同而异，二者的性质也影响器官发生。因此在使用中注意二者的种类、性质也影响器官发生。因此在使用中注意二者的种类、浓度比例。浓度比例。培养基组分和附加物的作用培养基组分和附加物的作用n提高无机提高无机P含量促进器官分化；含量促进器官分化；n糖的平衡可以逆转生长素糖的平衡可以逆转生长素/激动素的比例；激动素的比例；n不加还原氮有利于根的形成。不加还原氮有利于根的形成。n一些附加的生理活性物质。一些附加的生理活性物质。物
17、理环境物理环境n固态培养基有利于器官变化；固态培养基有利于器官变化；n光对器官分化有重要作用；光对器官分化有重要作用；n1000-1500lux是许多培养物的合适光照；是许多培养物的合适光照；n16hr光照符合器官发生的要求；光照符合器官发生的要求；n近紫外和蓝光刺激芽的发生，而红光显著的促进长根；近紫外和蓝光刺激芽的发生，而红光显著的促进长根；n一般日光灯提供光源。一般日光灯提供光源。n25左右的培养温度，能模拟培养植物原产地温度左右的培养温度，能模拟培养植物原产地温度更为有利。更为有利。4、植株再生植株再生n再生植株再生植株:组织培养过程中所采用的外植体组织培养过程中所采用的外植体 经过经
18、过诱导能够重新进行器官分化诱导能够重新进行器官分化,长出芽、根、花等器长出芽、根、花等器官，最后形成完整的植株，这种经过离体培养的官，最后形成完整的植株，这种经过离体培养的外植体重新形成的完整植株成为再生植株。外植体重新形成的完整植株成为再生植株。n植株再生途径植株再生途径：（1）胚状体途径）胚状体途径（2）器官发生途径）器官发生途径（1）胚状体途径）胚状体途径n胚状体：在组织培养过程中，许多离体的胚状体：在组织培养过程中，许多离体的细胞、组织、器官可以通过与合子形成相细胞、组织、器官可以通过与合子形成相类似的过程（即通过原胚期、球形胚期、类似的过程（即通过原胚期、球形胚期、心形胚期、鱼雷形胚
19、期和子叶期而）形成心形胚期、鱼雷形胚期和子叶期而）形成的类似胚的结构，这种类似胚的结构与合的类似胚的结构，这种类似胚的结构与合子胚的来不同，被成为胚状体。子胚的来不同，被成为胚状体。n胚状体途径：外植体按胚胎发生方式形成胚状体途径：外植体按胚胎发生方式形成再生植株的过程。再生植株的过程。（2）器官发生途径）器官发生途径n器官发生途径：组织培养过程中，再生植器官发生途径：组织培养过程中，再生植株不是通过胚胎，而是通过分生中心直接株不是通过胚胎，而是通过分生中心直接分化器官，最终形成完整植株的过程。分化器官，最终形成完整植株的过程。器官间接发生途径器官间接发生途径 器官直接发生途径器官直接发生途径
20、n植株再生植株再生外植体分化体细胞胚不定器官 植株 具有根茎两极器官 单极器官 先茎后根 先根后茎 植株 植株 植株 二、愈伤组织培养n1、愈伤组织的形成n（1）诱导期 n（2）分裂期 n（3）分化期 2.愈伤组织的生长3.愈伤组织的保持n大多数情况下，随继代培养代数的增加和培养时间的延长，愈伤组织表现出生长势下降、褐变、分化和形态发生能力逐渐减低甚至死亡或形态发生能力完全丧失。第三节第三节 影响植物离体形态发生的因素影响植物离体形态发生的因素n一、植物种类和基因型一、植物种类和基因型n二、培养材料的生理状态二、培养材料的生理状态n三、培养基三、培养基n四、培养条件四、培养条件思考题思考题n1、概念：脱分化、再分化、概念：脱分化、再分化n2、与脱分化有关的因子及其作用、与脱分化有关的因子及其作用n3、影响根、茎器官分化的因素、影响根、茎器官分化的因素n4、植物组织培养有哪些类型、植物组织培养有哪些类型
