园艺植物组织培养-绪论1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,IMAU,Huo XW,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,IMAU,Huo XW,*,单击此处编辑标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,IMAU,Huo XW,*,植物组织培养概况,植物组织培养发展简史,植物组织培养的应用,什么是离体培养？,什么是组织培养？,第一节 植物组织培养概况,草莓愈伤组织,愈伤组织分化芽,马铃薯原生质体再生植株,马铃薯人工种子,矮牵牛茎尖离体培养培养,牡丹成熟胚的离体培养与快速繁殖,Mature embryo culture and rapid propagation of tree peony,微型月季茎段离体培养,花烛叶片离体快速繁殖,大蒜根尖培养及植株再生,大蒜试管鳞茎诱导,人参细胞悬浮培养,非洲紫罗兰原生质体分离、培养及植株再生,2、根据再生途径分为：,（1）器官发生途径（Organogenesis）：,直接器官发生途径：植物器官可以直接由外植体上诱导。如茎尖培养。,间接器官发生途径：成熟细胞经过脱分化（dedifferentiation）及再分化（redifferentiation）过程而形成新的组织和器官的过程。如叶片培养。,（2）体细胞胚胎发生（Somatic embryogenesis）：,体胚发生途径是指二倍体或单倍体的体细胞在特定条件下未经性细胞融合而通过与合子胚发生类似的途径发育出新个体的形态发生过程。经体胚发生形成类似合子胚的结构称为胚状体（embryoid）或体细胞胚(somatic embryo).,直接器官发生 间接器官发生,体细胞胚胎发生,贯叶金丝桃不定芽直接再生过程,优化培养基 无蔗糖 1%蔗糖 5%蔗糖,无BAP BAP 0.1mg/l BAP 5.0mg/l 无NAA,非洲紫罗兰叶片培养,台湾百合离体培养,大花蕙兰原球茎增殖与植株再生,器官发生途径原球茎的形成）：,大蒜愈伤组织培养,日本牵牛花的离体培养,禾本科牧草的体胚发生过程,菊花体细胞胚胎发生及植株再生,大蒜体细胞胚胎发生过程,海岸松体细胞胚胎发生过程,苜蓿叶柄离体培养过程,人工种子,（Artificial seed，Synthetic Seed）,是指植物离体培养产生的胚状体或不定芽被包裹在含有营养和保护功能的人工胚乳和人工种皮中，从而形成能发芽出苗的颗粒体。作为繁殖材料。,3、根据培养基的类型分为:,（1）,固体培养（,Solid culture,）:,琼脂、卡拉胶等固化。,（2）半液半固体培养(,Semisolid Culture,)：,固液双层。,（3）液体培养(,Liquid Culture,)：,震荡、旋转或静置培养。,液体培养的优点：,A 不使用凝固剂，节约生产成本,B 营养吸收充分；,C 操作过程简化。,固体培养,液体培养,体胚液体培养,不同类型液体培养装置,液体培养体系,菠萝种苗液体培养系统,丹参毛状根培养,植物组织培养过程示意图,上面的示意图中还有什么地方不够完善的？,没有进行灭菌处理，试管也没有做密封等。,离体的植物器官、组织、细胞,脱分化,愈伤组织,再分化,根,芽,植物体,植物组织培养的基本过程,第一节 植物组织培养的概念及特点,一、概念,植物的组织培养(tissue culture)：,是指在无菌条件下，将离体的植物器官（根、茎、叶、花、果实种子等）、组织（如形成层、花药组织、胚乳、皮层等）、细胞（体细胞和生殖细胞）以及原生质体，培养在人工配制的培养基上，给予适当的培养条件，使其生成完整的植株。,外植体(explants)：,用于离体培养的植物器官或组织片段等叫外植体。,二、分类（按培养对象,）,组织培养,植株培养,器官培养,组织培养,细胞培养,原生质体培养,(1)植株培养(plant culture)：,是对完整植株材料的培养，如幼苗及较大植株的,(2)器官培养(organ culture)：,即离体器官的培养，根据作物和需要的不同，可以包括分离茎尖、茎段、根尖、叶片、叶原基、子叶、花瓣、雄蕊、雌蕊、胚珠、胚、子房、果实等外植体的培养,。,(3)组织或愈伤组织培养,(tissue callus culture),为狭义的组织培养，是对植物体的各部分组织进行培养，如茎尖分生组织、形成层、木质部、韧皮部、表皮组织、胚乳组织和薄壁组织等等；或对由植物器官培养产生的愈伤组织进行培养，二者均通过再分化诱导形成植株。,(4)细胞培养(cell culture)：,是对由愈伤组织等进行培养所得到的能保持较好分散性的离体单细胞或花粉单细胞或很小的细胞团的培养。,(5)原生质体培养(proplastculture)：,是用酶及物理方法除去细胞壁的原生质体的培养。,固体培养,根据培养基类型,液体培养,二、分类（按培养基类型）,看护培养二、分类（按培养方式,）,微室培养,细胞悬浮培养,双层滤纸植板培养,原生质体培养,看护培养,微室培养,微室培养示意图,凹穴载玻片,盖玻片,悬滴,石蜡,细胞悬浮培养,原生质体培养,三、特点,组织培养是本世纪发展起来的一门新技术，由于科学技术的进步，尤其是外源激素的应用，使组织培养不仅从理论上为相关学科提出了可靠的实验证据，而且一跃成为一种大规模、批量工厂化生产种苗的新方法，并在生产上越来越得到广泛的应用。植物组织培养之所以发展如此之快，应用的范围如此之广泛，是由于具备以下几个特点：,培养条件可以人为控制。,生长周期短，繁殖率高。,管理方便，利于工厂化生产和自动化控制。,特点,培养条件可以人为控制,组织培养采用的植物材料完全是在人为提供的培养基质和小气候环境条件下进行生长，摆脱了大自然中四季、昼夜的变化以及灾害性气候的不利影响，且条件均一，对植物生长极为有利，便于稳定地进行周年培养生产。,生长周期短，繁殖率高,植物组织培养是由于人为控制培养条件，根据不同植物不同部位的不同要求而提供不同的培养条件，因此生长较快。另外，植株也比较小，往往20-30d为一个周期。所以，虽然植物组织培养需要一定设备及能源消耗，但由于植物材料能按几何级数繁殖生产，故总体来说成本低廉，且能及时提供规格一致的优质种苗或脱病毒种苗。,管理方便，利于工厂化生产和自动化控制。,植物组织培养是在一定的场所和环境下，人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件，极利于高度集约化和高密度工厂化生产，也利于自动化控制生产。它是现代农业工厂化育苗的发展方向。它与盆栽、田间栽培等相比省去了中耕除草、浇水施肥、防治病虫害等一系列繁杂劳动，可以大大节省人力、物力及田间种植所需要的土地。,第二节 植物组织培养的发展历史,探索阶段（1902-1929,）1902年，德国植物学家Haberlandt提出了高等植物的器官和组织可以不断分割，直至分到单个细胞的观点。他认为，如果每个细胞都有植物个体一样的性质和能力，那么可以通过植物细胞培养，,把单个细胞培养成一个新个体。,在此思想指导下，许多科学家从事组织培养研究.1904年，德国植物胚胎学家Hanning 用萝卜和辣根的胚进行离体培养，提早长成了小植株，,首次获得胚培养成功,。成熟 发芽常规：幼胚 种子 植物 培养组织培养：幼胚 植株,1922年，Knudson 对兰花幼胚进行培养获得幼苗，克服了兰花种子发芽难的困难。,1922，Kotte和Robbins对豌豆、玉米、棉花等的茎尖、根尖进行了离体培养。发现了培养的分生组织只能进行有限的生长,1925年，Laibach 进行亚麻种间杂种幼胚培养，成功地得到了杂种植物。,证明了胚培养在植物远源杂交中利用的可能性,培养技术建立阶段（1930-1959）,作为一门技术，它必须具有一定的程序性。也就是说，它应该具有一定的技术模式。在这一阶段，植物组织培养建立了两个与培养技术有关的重要模式:,一是培养基模式，,二是激素调控模式。,White、Gautheret、Nobecourt,等科学家被誉为植物组织培养的奠基人。在此基础上建立了植物组织培养的综合培养基，包括无机盐成分、有机成分和生长刺激因素。这是随后创立的各种培养基的基础，同时也建立了植物组织培养的基本方法，成为当今各种植物组织培养的技术基础。,40年代末开始，进行从脱分化细胞组织培养进入探讨器官再分化的研究。,细胞（组织、器官）脱分化 愈伤组织 再分化不定芽 不定根 植株,第三节 植物组织培养的应用,一、快速繁殖种苗(rapid-propagation),快速繁殖种苗,通过茎尖、茎段、鳞茎盘等产生大量腋芽,通过根、叶等器官直接诱导产生不定芽,通过愈伤组织培养诱导产生不定芽,1、优质种苗的快速无性繁殖：,（1）,无性繁殖作物及不易繁殖作物的快速繁殖,园艺植物种苗工厂化生产,兰科植物生产,A,B,E,C,F,G,花烛属植物,厥类植物,盆栽及切花植物的繁殖,珍贵树种,无菌苗快速繁殖,无菌苗驯化,组培苗驯化移栽,茎、芽和小植株的规模培养,经济植物快速繁殖,（2）,通过茎尖培养生产脱毒健康种苗：如草莓、香蕉、甘蔗、马铃薯、大蒜等。,virus-free,tissue,茎尖培养脱毒,脱毒马铃薯种薯生物反应器液体培养,2、用于植物遗传育种,包括种质资源离体保存花粉花药培养产生单倍体；胚乳培养产生三倍体；胚培养拯救杂种胚克服远缘杂交障碍；原生质体培养进行体细胞杂交；植物体细胞无性系变异诱导和筛选；用于植物基因转移操作等。,种质资源的离体保存,体细胞无性系变异筛选,花粉、花药培养产生单倍体植株,幼胚拯救克服远缘杂交障碍,用于基因工程技术创造植物新种质。,3、大规模植物细胞、组织和器官培养生产次生代谢物质；,根培养:正常根培养，毛状根培养,4、用于植物生长发育理论研究，包括生理学、病理学、胚胎学和细胞与分子生物学等。,植物胚胎发生理论研究,生长发育特性研究,试管快速繁殖应用在下列生产或研究中：,试管快速繁殖应用,繁殖杂交育种中得到的少量杂交种，,以及保存自交系、不育系等,繁殖脱毒培养得到的少量无病毒苗,繁殖生产上急需的或种源较少的种苗,由于组织培养周期短，增殖率高及能全年生产等特点，加上培养材料和试管苗的小型化，这就可使有限的空间培养出大量的植物，在短期内培养出大量的幼苗。组织培养突出的优点是快，通过这一方法在较短时期内迅速扩大植物的数量，以一个茎尖或一小块叶片为基数，经组织培养一年内可增殖到10 000-100 000株。特别是对一些繁殖系数低、不能用种子繁殖的“名、优、特、新、奇”作物品种的繁殖，意义更大。,特点,经单细胞特殊培养形成的愈伤组织诱导生成完整的植株,二、无病毒苗(virus free)的培养上的应用,组织培养无病毒苗的方法已在很多作物的常规生产上得到应用，如马铃薯，甘薯，草莓，苹果，香石竹，菊花等。,尤其是马铃薯茎类脱毒、无毒种苗和微型脱毒种薯已在马铃薯生产上广泛应用，从根本上解决了马铃薯的退化问题,内蒙古是我国的马铃薯生产基地意义就更大了。,三、在育种上的应用(breeding),植物组织培养技术为育种提供了许多手段和方法，使育种工作在新的条件下更有效的进行。,花药培养单倍体植株；,原生质体进行个体细胞杂交和基因转移；,子房、胚和胚珠完成胚的试管发育和试管受精，,种质资源的保存等。,（一）胚胎培养,胚培养技术很早就有利用，在种属间远缘杂交的情况下，由于生理代谢等方面的原因，杂种胚常常停止发育，因此不能得到杂种植物，所以通过胚培养就可保证远缘杂交的顺利进行。,大白菜X甘蓝的远缘杂交种白兰，就是通过杂种胚的培养而得到的。对早期发育幼胚因太小难以培养的种类，还可采用胚珠和子房培养来获得成功,试管受精:,利用胚珠和子房培养也可进行试管受精，远缘杂交中，可把未受精的胚珠分离出来，在试管内用异种花粉在胚珠上萌发受精，产生的杂种胚在试管中发育成完整植株，此法称为“试管受精”以克服柱头或花柱对受精的障碍，使花粉管直接进入胚珠而受精。,胚乳培养:,可以获得三倍体植株，为诱导形成三倍体植物开辟了一条新途径。三倍体加倍后可得到六倍体，可育成多倍体新品种。,（二）花药、花粉的培养,花药、花粉的培养在苹果、柑橘、葡萄、草莓石刁柏、甜椒、甘蓝、天竺葵等约20种园艺植物得到了单倍体植株。,在常规育种中为得到纯系材料要经过多代自交，而单倍体育种，经染色体加倍后可以迅速获得纯合的二倍体，大大缩短了育种的世代和年限。,（,三）突变体的筛选,利用组织培养可以进行突变体的筛选。,突变的产生因部位而异，茎尖遗传性比较稳定，根、茎、叶乃至愈伤组织和细胞的培养则变异率就较大。,培养基的激素也会诱导变异，因浓度而不同。,采用紫外线、X射线、Y射线对材料进行照射，来诱发突变的产生。,在组织培养中产生多倍体、混倍体现象的比较多，产生的变异为育种提供的材料，可以根据需要进行筛选。,利用组织培养，采用与微生物筛选相似的技术，在细胞水平上进行突变体的筛选更加富有成效。,（四）原生质体培养和体细胞杂交技术,细胞融合通过原生质体融合，可部分克服有性杂交不亲和性，而获得体细胞杂种，从而创造新种或育成优良品种。,已获得40余个种间、属间、甚至科间的体细胞杂种、愈伤组织，有些还进而分化成苗。,采用原生质体融合技术已经能从不杂交的植物中如番茄和马铃薯、烟草和龙葵、芥菜等获得属间杂种。,随着原生质体融合、选择、培养技术的不断成熟和发展，今后可望获得更多有一定应用价值的经济作物体细胞杂种及新品种。,(五)基因工程,基因工程用基因工程的方法，把目标基因切割下来并通过载体使外来基因整合进植物的基因组是完全有可能的，这项研究如果获得成功，将克服作物育种中的盲目性，而变成按人们的需要操纵作物的遗传变异，育成优良品种。,四、工厂化育苗(industrializing propagation),组织培养育苗工厂化生产：,是以植物组织培养为基础，在含有植物生长发育必需物质的人工合成培养基上，并附加一定量的生长调节物质，把脱离于完整植株的本来已经分化的植物器官或细胞，接种在不同的培养基上。在一定的温度、光照、湿度及pH值条件下，利用细胞的全能性以及原有的遗传基础，促使细胞重新分裂、分化长成新的组织、器官或不定芽，最后长成和母株同样的小植物体。,五 在植物有用产物上的应用,生产出人类所需要的一切天然有机化合物，如蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱及其他活性化合物。,用单细胞培养生产蛋白质，将给饲料和食品工业提供广阔的原料生产前途；,用组织培养方法生产微生物以及人工不能合成的药物或有效成分。,六 在植物种质资源保存和交换上的应用,利用植物组织和细胞法低温保存种质，可大大节约人力、物力和土地,便于种质资源的交换和转移，防止有害病虫的人为传播,保存和抢救有用基因,例如胡萝卜和烟草等植物的细胞悬浮物，在-20至-196的低温下贮藏数月，尚能恢复生长，再生成植株。,七 在遗传、生理、生化和病理研究上的应用,组织培养推动了植物遗传、生理、生化和病理学的研究，,已成为植物科学研究中的常规方法,花药和花粉培养获得的单倍体和纯合二倍体植株，是研究细胞遗传的极好材料。,在细胞培养中很容易引起变异和染色体变化，从而可得到作物的附加系、代换系和易位系等新类型，为研究染色工程开辟新途径。,细胞培养和组织培养为研究植物生理活动提供手段,。,植物组织培养工作曾在矿质营养、有机营养、生长活性物质等方面开展了很多研究，有益于了解植物的营养问题。,用单细胞培养研究植物的光合代谢,研究细胞的生物合成,如查明了烟碱在烟草中的部位等。,细胞培养为研究病理学提供了方便,如植株的抗病性就可以单细胞或原生质体培养进行鉴定等,繁殖效率与商品需要量的矛盾，有些作物由于繁殖方法未解决，无法满足生产的需要；,在培养过程中如何减少变异株的发生。,降低组培苗工厂化生产的成本，只有降低成本，才能更好的投产应用。,植物组织培养存在的困难：,无籽西瓜无性繁殖程序图,细胞工程,11/13/2025,110,IMAU,Huo XW,细胞工程,是指通过细胞水平上的筛选或改造，获得有商业价值的细胞株或细胞系，在通过规模培养，获得特殊商品的技术与过程。,细胞工程包括,动物细胞工程,和,植物细胞工程,，它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。,11/13/2025,111,IMAU,Huo XW,植物细胞培养则以单细胞的低等植物如单细胞藻类的大规模培养为主。,此外，原生质体培养等则主要用于改造植物适用于人类要求的性状。,11/13/2025,112,IMAU,Huo XW,植物原生质体培养及细胞融合示意图,植物原生质体的分离和发育,分离顺序,融合过程,酶解,去表皮,清洗,消毒,消毒,取材,11/13/2025,113,IMAU,Huo XW,原生质体培养和体细胞杂交的基本方法和步骤,（,1,）,Protoplast isolation and culture,cotyledon,hypocotyl,enzyme solution,protoplasts,agarose medium,callus induction,shoot formation,regenerant,acclimatization,11/13/2025,114,IMAU,Huo XW,Freshly isolated protoplasts of tuber mustard,First division,Second division,Colony formation,Callus development,Shoot formation,11/13/2025,115,IMAU,Huo XW,Protoplast culture and plant regeneration of several species in the genus,Dianthus(石竹属),A regenerant of tuber mustard,11/13/2025,116,IMAU,Huo XW,（,2,）,Protoplast fusion,CC,AABB,IOA treatment,No division,AABBCC,AABB,Fusion,Differentiation,Hybrid plant,11/13/2025,117,IMAU,Huo XW,转基因辣椒植株的获得,子叶不定芽的分化,分化苗的生长,分化苗的生根,11/13/2025,118,IMAU,Huo XW,转基因辣椒植株的移栽,分化苗的移栽,开花,结果,11/13/2025,119,IMAU,Huo XW,转基因辣椒的检测,胭脂碱检测,点杂交检测,PCR检测,Southern检测,接种检测,11/13/2025,120,IMAU,Huo XW,种苗工厂化生产,11/13/2025,121,IMAU,Huo XW,分 化,草莓的组织培养,扩繁,11/13/2025,122,IMAU,Huo XW,西、甜瓜的育苗,网纹甜瓜,瓜苗嫁接,11/13/2025,123,IMAU,Huo XW,芦荟的组织培养,分 化,分 株,生 根,11/13/2025,124,IMAU,Huo XW,芦荟的组织培养,培 养,栽 培,移 栽,11/13/2025,125,IMAU,Huo XW,植物组织培养工厂化育苗的市场前景,种 类 目前总面积 推广面积 成苗成本 销售价 总收入 利 润,（万亩）（万亩）（元）（元）万元）（万元),马铃薯,100 4 1.4 3.6 288 176,草莓,10 1.5 0.6 1.0 7500 3000,百合,0.3 0.2 1.0 2.0 2000 1000,西瓜,60 1 0.3 0.5 250 100,甜瓜,2 0.5 0.3 0.8 320 200,芦荟,0.1 0.15 0.4 1.2 540 360,珍稀花卉,0.1 0.01 0.31.0 25 1640 830,11/13/2025,126,IMAU,Huo XW,11/13/2025,127,IMAU,Huo XW,植株的移栽,再生苗的生根,再生苗的生长,丛生芽的形成,白菜子叶组织培养苗的再生,11/13/2025,128,IMAU,Huo XW,原生质体培养,11/13/2025,129,IMAU,Huo XW,植物原生质体研究已成为近代实验生物学领域中有重大进展的一个分支。在,应用研究,和,基础研究,上都具有重要的意义。大量的实验表明，植物原生质体,可以再生成植株,，,可以吸收外源遗传物质,。,异源原生质体,可以融合并长成,杂种植株,，这些都显示了它在开辟育种新途径以及遗传工程研究上的巨大潜力。原生质体已用于研究将,病毒、核酸或细胞器,引入游离的植物细胞。,11/13/2025,130,IMAU,Huo XW,通过原生质体培养可以：,扩大变异范围,克服远缘杂交的一些障碍,获得体细胞杂种,倍性控制,突变的诱导和离体选择,加速亲本材料的纯化,快速无性繁殖,获得脱毒苗,种质资源的试管保存,可作为外源基因转化的受体系统,11/13/2025,131,IMAU,Huo XW,自70年代以来，从原生质体培养出完整植株的植物已有50多种（如胡萝卜、矮牵牛、石刁柏、金鱼草等）。另外还有20多种高等植物（如甜橙、豇豆等）从原生质体培养中得到了器官的分化。其它更多的植物原生质体培养形成了未分化的愈伤组织（例如菜豆、甘蔗、黄瓜、葡萄等）。,11/13/2025,132,IMAU,Huo XW,番茄,体细胞杂种,香瓜茄,体细胞杂种,紫甘蓝,大白菜,通过细胞融合获得的茄科属间和芸薹属种间体细胞杂种,11/13/2025,133,IMAU,Huo XW,在体细胞杂交方面，还得到了,马铃薯与番茄科内,、,矮牵牛种内,的体细胞杂种植物和,胡萝卜,原生质体的,同源融合,而培育成的四倍体及六倍体植物等。,在诱变育种方面也进行了不少的研究工作。Binding等在含有0.5 mg/L-1mg/L的链霉素的培养基上进行单细胞的,选择培养,，得到了抗链霉素的矮牵牛突变体。我国通过原生质体培养，获得了百合、柑橘和苹果等新的诱变育种材料。,11/13/2025,134,IMAU,Huo XW,在创建雄性不育材料 中，将花药绒毡层细胞特异表达的TA29基因的,启动子,与核糖核酸酶,barnase,基因构建在一起，使其特异地在绒毡层细胞中表达，导致花粉败育（,不育系,），将核糖核酸酶抑制基因（,bastar,）也置于绒毡层特异表达的启动子控制之下导入植物，形成,恢复系,。,保持系,是将雄性不育基因与抗除草剂基因,bar,连接在一起，转化植物而成。在授粉结实后，幼苗期用除草剂选择雄性不育幼苗。,植物原生质体培养及细胞融合示意图,植物原生质体的分离和发育,分离顺序,融合过程,酶解,去表皮,清洗,消毒,消毒,取材,原生质体培养和体细胞杂交的基本方法和步骤,（,1,）,Protoplast isolation and culture,cotyledon,hypocotyl,enzyme solution,protoplasts,agarose medium,callus induction,shoot formation,regenerant,acclimatization,Freshly isolated protoplasts of tuber mustard,First division,Second division,Colony formation,Callus development,Shoot formation,Protoplast culture and plant regeneration of several species in the genus,Dianthus(石竹属),A regenerant of tuber mustard,（,2,）,Protoplast fusion,CC,AABB,IOA treatment,No division,AABBCC,AABB,Fusion,Differentiation,Hybrid plant,无籽西瓜无性繁殖程序图,动物克隆技术就是不经过生殖细胞的受精过程，而直接由体细胞获得新的动物个体的技术。,克隆人技术过程,哈哈，下课了!,