植物细胞的全能性与再生性及其应用研究

二、植物细胞的全能性与植物的再生性

（一）植物细胞的全能性（totipotency of plant cells）

1902年，Haberlandt（见图1-1）提出细胞的全能性理论，直到20世纪80年代这一概念被解释为植物的每个具有完整细核的细胞都具有该植物的全部遗传信息，在适当条件下可表达出该细胞的所有遗传信息，分化出植物有机体所有不同类型细胞，形成不同类型的器官甚至胚状体，直至形成完整再生植株。也就是说，植物的大多数生活细胞，在适当条件下都能由单个细胞经分裂、生长和分化，形成一个完整植株的现象或能力。植物细胞培养中次生物质的产生及单细胞培养再生完整植株，都是细胞的全能性的表现，只是表现形式不同而已。全能性的概念包含两方面的含义，即首先无论植物的体细胞或生殖细胞都具有该物种的全部遗传信息；其次是每个植物细胞都有发育成完整再生植株的潜能。细胞的全能性是植物细胞的重要属性，这对于植物细胞的实际应用和基础研究有重要意义。

图1-1　植物细胞全能性的提出者Haberlandt（左），培养基首创者White（右）

细胞是生物有机体的基本结构单位，特别是植物细胞又是在生理上、发育上具有潜在全能性较强的单位。在植物的生长发育中，从一个受精卵产生具有完整形态和结构机能的植株，这是全能性，是该受精卵具有该物种全部遗传信息的表现。同样，植物的体细胞，也是从合子的有丝分裂产生的，也具全能性，具备着遗传信息的传递、转录和翻译的能力。在一个完整的植株上某部分的体细胞只表现一定的形态和一定功能，这是由于它们受到整个植株以及具体器官或组织基因的激活或阻遏以及所在环境的束缚，这种差异是遗传信息表达在调控机制下发生变化的结果，但其遗传潜力并没有丧失。一旦脱离原来所在的器官或组织，成为离体状态时，在一定的营养、激素和外界条件的作用下，就可能表现出全能性，而生长发育成完整的植株，但就现代科学水平而言，尚难实现所有离体细胞表现其全能性，一般在分生组织等全能性保持较好的细胞中表现出来。

（二）植物的再生作用

从植物分离出根、茎、叶等一部分器官，在切口处组织受到了损伤，但这些受伤的部位往往会产生新的器官，长出不定芽和不定根，从而成为新的完整的植株，这就是一种再生现象。人们利用植物的再生作用来进行无性繁殖，到近代又结合应用生根性生长调节剂，使原来扦插不易成活的种类也可进行。植物之所以会产生器官，是由于受伤组织产生了创伤激素，促进了周围组织的生长而形成愈伤组织，凭借内源激素和贮藏营养的作用又产生新的器官。

植物组织培养技术的成功，使植物的再生作用在更大的范围内表现出来，表现为植物种类增加，再生部位扩大。而且小到肉眼无法辨别、在解剖镜下操作的材料也可培养再生。在自然情况下，一些植物的营养器官和细胞再生比较困难，主要是由于内源激素调整缓慢或不完全，外界条件不易控制等因素所致。在组织培养人工控制培养的条件下，通过对培养基的调整，特别是对激素成分的调整，就有可能顺利地再生。

在组织培养中再生植株还可通过与合子胚相似的胚胎发育过程进行，即形成胚状体再发育成完整植株。在组培中诱导胚状体和诱导芽相比有以下优点：数量多，速度快，结构完整。在组织培养的研究中，已发现有分化胚状体能力的种子植物达117种。产生胚状体的离体培养物也是多种多样的，如从离体的根、茎、叶、花药、幼苗、子叶、子房中的合子胚、各种单细胞、游离的小孢子以及原生质体等。关于诱导胚状体产生的因素，目前认为是激素作用的结果。

开卷有益

自然界中植物的再生现象是普遍存在的：如自然界中植物的任何生长部位受到自然灾害、病虫伤害、机械伤害等破坏性伤害，能自我恢复都属于植物的再生作用。尤其在畜牧业，牧草或其他乔灌木为动物所采食，但仍可恢复生长，被称为“补偿性生长”，这就是植物再生作用。生产实践中的再生水稻、果树、园林绿化树木、古树名木、园艺作物的修复复壮或外科手术式管理等等，也是植物再生作用的应用。应当指出，植物再生作用的机理除上述植物激素的作用外，还有许多问题有待进一步深入研究。

（三）愈伤组织的形成和形态发生

1．植物组培专业术语及其概念

外植体（explant），即从植物体上分离下来的用于离体培养的材料。

分化（differentiation），即在植物的整个生活史中，其构造和机能从简单到复杂的变化过程称为发育。在植物的发育过程中，部分细胞丧失了分裂的能力而朝不同的方向发育，形成各种特殊构造和机能的细胞、组织和器官，称为分化。

脱分化（dedifferentiation），亦称去分化，是指已停止分裂的细胞或组织由于受到外界条件的刺激，重新获得分裂能力的过程。离体培养的外植物细胞要实现其全能性，首先要经历脱分化过程使其恢复分生状态然后才能进入再分化。(www.xing528.com)

再分化（redifferentiation），即脱分化后具有分生能力的细胞再经过与原来相同的分化过程，重新形成各类组织和器官甚至形成完整植株的过程。再分化可以在细胞水平、组织水平、器官水平以及植株再生水平上实现。

愈伤组织（callus），即植物受伤后的伤口处或在植物组织培养中外植体切口处不断增殖产生的一团不定型的薄壁组织。愈伤组织可使伤口愈合，使表面细胞呈木栓化而起到保护作用；植物扦插时，愈伤组织可形成不定根；植物嫁接时，愈伤组织可使接穗和砧木愈合；在植物组织培养中，愈伤组织常可形成不定芽。

开卷有益

愈伤组织的器官发生顺序有四种情况：①愈伤组织仅有根或芽器官的分别形成，即无根的芽或无芽的根；②先形成芽，再在芽伸长后，在其茎的基部长出根而形成小植株，多数植物属于这种情况；③先产生根，再从根的基部分化出芽而形成小植株，在双子叶植物中较普遍，而单子叶植物很少有这种情况；④先在愈伤组织的邻近不同部位分别形成芽和根，然后两者结合起来形成一株小植株。

胚状体（embroid），是指在离体植物细胞、组织或器官培养过程中，由一个或一些体细胞，经过类似胚胎发生和发育过程，形成的与合子胚相类似的结构。胚状体一般专指在组织培养条件下产生的非合子胚以区别于自然发生的珠心胚及其他通过无融合生殖和由合子胚分裂产生的胚。

初代培养（primary culture），是指在组织培养过程中，最初建立的外植体无菌培养阶段。由于首批外植体来源复杂，携带较多细菌，要对培养条件进行适应，因此，初代培养一般比较困难。

继代培养（subculture），是指更换新鲜培养基来繁殖同种类型的材料（愈伤组织、芽等）。

2．愈伤组织的形成和形态发生

（1）愈伤组织的形成

在植物细胞、组织和器官培养中，主要目标是诱导愈伤组织形成和形态发生，使一个细胞、一块组织或一个器官，通过脱分化形成愈伤组织，并再分化成植株。也就是说将外植体接种到人工培养基上，在激素作用下，进行愈伤组织诱导、生长和分化的培养过程。其整个过程大致可分为启动期、分裂期、分化期和形态发生期四个时期。在这四个时期中，其细胞组织的代谢状况、形态结构和细胞大小，都发生了明显的变化。愈伤组织的质地不同是由其内部结构上的差异所引起的。坚实致密的愈伤组织内无大的细胞间隙，而由管状细胞组成维管组织；松脆愈伤组织内有大量的细胞间隙，细胞排列毫无次序。

温馨提示

一般来说，愈伤组织的增殖生长只发生在不与琼脂接触的表面，而与琼脂接触的一面极少细胞增殖，只是细胞分化形成紧密的组织块。因此，由于愈伤组织的迅速增殖，整个愈伤组织小方块变成了一个不规则的馒头状的组织块。它是愈伤组织表面或近表面瘤状物生长的结果。

愈伤组织之间的质地有显著不同，有的很松脆，有的很坚实，且这两类愈伤组织可互相转变。其方法是：加入高浓度的生长物质，可使坚实的愈伤组织变为松脆。反之，减低或除去生长物质，则松脆愈伤组织可以转变为坚实。松脆愈伤组织都有大量的分生组织中心，进行活跃的细胞分裂，为大而未分化的细胞所分开；而不脆的愈伤组织很少分化，大都是高度液泡化的细胞。脆的愈伤组织是进行悬浮培养最适合的材料，稍经机械振荡，即可使组织分散成单细胞或少数几个细胞组成的小细胞团。在培养中细胞产生迅速增殖，而坚实的愈伤组织中的细胞间被果胶质紧紧地粘着，因而往往不能形成良好的悬浮系统。

（2）愈伤组织的形态发生

在组织培养中，通过一定处理，把一个已分化的有专一功能的细胞，转变为表现全能性的细胞，也是经脱分化过程，改变细胞原来的结构、功能，而回复到无结构的分生组织状态，即愈伤组织状态。从愈伤组织分生细胞团再分化，进行形态建成，从而产生完整的植株。

胚状体也是植物组织培养形态发生最常见而重要的方式，它较不定芽方式有更多的优点：如胚状体产生的数量比不定芽多；胚状体可制成人工种子，便于运输和保存；胚状体的有性后代遗传性更接近母体植株。这些对组织培养应用于育种是十分有利而重要的。