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植物組培技術的發(fā)展過程
添加時間:2013-12-10    閱讀次數(shù):3812

植物組培技術的發(fā)展過程:

植物組培技術開始于19世紀后半葉,當時植物細胞全能性的概念還沒有完全確定,但基于對自然狀態(tài)下某些植物可以通過無性繁殖產(chǎn)生后代的觀察,人們便產(chǎn)生了這樣一種想法即能否將植物體的一部分在適當?shù)臈l件下培養(yǎng)成一個完整的植物體,為此許多植物科學工作者開始了培養(yǎng)植物組織的嘗試。最初的問題仍然是集中在植物細胞有沒有全能性和如何使這種全能性表現(xiàn)出來。

1839年Schwann提出細胞有機體的每一個生活細胞在適宜的外部環(huán)境條件下都有獨立發(fā)育的潛能。1853年trecul利用離體的莖段和根段進行培養(yǎng)獲得了愈傷組織,愈傷組織是指一種沒有器官分化但能進行活躍分裂的細胞團,但這還不能證明細胞具有全能性,因為由愈傷組織沒能再生出完整植物體。1901年Morgan首次提出一個全能性細胞應具有發(fā)育出一個完整植株的能力。所謂全能性細胞就是指具有完整的膜系統(tǒng)和細胞核的生活細胞,在適宜的條件下可通過細胞分裂與分化,再生出一個完整植株。White指出:如果一個給定的有機體的所有細胞都大致相同,并具有全能性,那么在有機體內(nèi)所觀察到的細胞分化必定是這些細胞對有機體內(nèi)微環(huán)境和周圍環(huán)境的反應。就是說機體內(nèi)每個細胞所以沒有表現(xiàn)出全能性,是因為該細胞所處位置的不同,致使其某些功能被抑制(suppressed),這充分說明機體內(nèi)的微環(huán)境因素在細胞分化中起了十分重要的作用。按照現(xiàn)代發(fā)育生物學和細胞生物學的理論,細胞分化是受基因在時間和空間兩個方面的調(diào)控,空間就是指細胞在機體內(nèi)所處的位置。不同位置的細胞,其基因的表達不同,細胞所表現(xiàn)出的形態(tài)結(jié)構(gòu)和行為就不同。如果將一個生活的細胞從植物體內(nèi)分離出來,使之脫離開原有的環(huán)境,細胞被抑制的功能將有望得以恢復,重新表現(xiàn)出全能性。基于這種認識,科學工作者便萌生出了植物組織培養(yǎng)技術的念頭。

Haberlandt(1902)首次提出細胞培養(yǎng)的概念,也是第一個用人工培養(yǎng)基對分離的植物細胞進行培養(yǎng)的人。與rechinger不同,Haberlandt相信切塊大小不會影響細胞增殖,但由于Haberlandt使用的培養(yǎng)液成分簡單,培養(yǎng)的細胞是高度分化的細胞,又沒采取消毒技術,所以實驗失敗,培養(yǎng)的細胞雖然存活了幾個月但沒能分裂。Haberlandt轉(zhuǎn)而對損傷修復發(fā)生興趣,提出激素作用的概念(leptohormone),與維管組織特別是韌皮部有關;另一類是創(chuàng)傷激素(woundhomone),與細胞損傷有關,為后來激素理論的建立和在組織培養(yǎng)中的廣泛應用奠定了基礎。但自Haberlandt的實驗之后直到1934年White培養(yǎng)番茄離體根尖的成功,其間的30多年里,植物組織培養(yǎng)技術技術幾乎沒有什么進展。分析其原因,主要就是培養(yǎng)基的成分和實驗所選取的材料不夠合適。

1934年White用離體的番茄根建立了第一個活躍生長的無性系,使根的離體培養(yǎng)實驗首次獲得了真正的成功,并首次發(fā)現(xiàn)和提出B族維生素B1、維生素B6和煙酸的重要性。與此同時,Cautheret在山毛柳和黑楊形成層組織的培養(yǎng)中也發(fā)現(xiàn)了B族維生素的作用,并使培養(yǎng)獲得了成功。Nobecourt也用胡蘿卜建立了類似的連續(xù)生長的組織培養(yǎng)物。因此,Haberlandt、White和Nobecourt一起被譽為植物組織培養(yǎng)技術的奠基人。人們現(xiàn)在所用的若干培養(yǎng)方法和培養(yǎng)基,原則上都是他們在1939年所建立的方法和培養(yǎng)基演變的結(jié)果,幾乎所有的培養(yǎng)基中都添加了不同種類和不同數(shù)量的B族維生素。從此植物組織培養(yǎng)技術進入快速發(fā)展時期。1941年,Overbeek、Conklin和Blakeslee等用附加椰乳到培養(yǎng)基中,獲得了Datura離體胚培養(yǎng)的成功。椰乳成分復雜,含有多種不同的有機物,后來的研究發(fā)現(xiàn),其中在組織培養(yǎng)中起主要作用的是腺嘌呤類激素或類似物。1944年,Skoog報道DNA的降解產(chǎn)物腺嘌呤和腺苷可以促進愈傷組織的生長,解除生長素對芽形成的抑制作用,誘導芽的形成。1948年,Caplin和Steward用實驗證明椰乳與2,4-D配合,對培養(yǎng)的胡蘿卜和馬鈴薯組織的增殖起到明顯的促進作用。在用煙草髓細胞誘導愈傷組織的實驗中,Skoog,Miller等分離確定了6-呋喃氨基嘌呤對細胞分裂有促進作用,并命名為“激動素”(Kinetin)。之后,與此相關的同系物6-芐氨基嘌呤被合成,它也刺激培養(yǎng)物的細胞分裂。于是,出現(xiàn)了“細胞分裂素”這一集合名詞,專門用來指能刺激培養(yǎng)物細胞分裂的一組6-某基團的氨基嘌呤化合物。爾后,玉米素、異戊烯基腺嘌呤和其他細胞分裂素等植物激素的相繼發(fā)現(xiàn),更增加了細胞分裂素的種類。由于發(fā)現(xiàn)生長素和細胞分裂素相互配合能調(diào)節(jié)細胞的分裂與分化,控制器官的分化,生長素高時可誘導根的形成,細胞分裂素高時可促進芽的分化,使植物組織培養(yǎng)技術的工作迅速取得突破。1958年美國的Steward和德國的Reinert分別由培養(yǎng)的胡蘿卜細胞誘導形成了胚狀體,1965年由Vasil和Hildebrandt用單個分離的細胞培養(yǎng)獲得整個植株的再生,從而使植物細胞全能性的理論真正得到了科學的證實。從此之后,一批又一批植物的組織或器官通過培養(yǎng)的方法獲得了再生植株。

20世紀60年代,在植物組織培養(yǎng)技術方面的另外兩項成就就是劃分小孢子培養(yǎng)和原生質(zhì)體培養(yǎng)的成功。Guha和Maheshwari(1966,1967),Rourgin和Nitsch(1967)先后利用煙草和胡蘿卜的小孢子培養(yǎng)獲得單倍體植株,并成功地實現(xiàn)了染色體的加倍,使這種同源二倍體植株在5個月內(nèi)收獲到種子。Cocking等用純化的纖維素酶和果膠酶處理煙草細胞,獲得原生質(zhì)體,通過調(diào)節(jié)滲透壓的方法控制原生質(zhì)體膨脹,使培養(yǎng)獲得成功,得到了再生植株。自20世紀60年代始,植物組織與細胞培養(yǎng)逐漸走向了工廠化和商品化階段。

現(xiàn)在已不能確切統(tǒng)計有多少種植物通過組織培養(yǎng)的方法獲得了再生植株,因為幾乎每天都有可能出現(xiàn)利用新的植物種類獲得培養(yǎng)成功的報道。植物組織培養(yǎng)技術已經(jīng)變成了一種常規(guī)的實驗技術,廣泛應用于植物的脫毒、快繁、基因工程、細胞工程、遺傳研究、次生代謝物質(zhì)的生產(chǎn)、工廠化育苗等多個方面;從高級的研究機構(gòu)、大專院校到普通的生物技術公司,甚至農(nóng)民專業(yè)戶都在不同程度的利用或開展組織培養(yǎng)工作。

植物組織培養(yǎng)技術已經(jīng)走過了近百年的歷程。它的歷史不僅證明了植物的每一個生活細胞都含有一種植物的全部遺傳信息,在一定的條件下可以發(fā)育成一個完整的植株,而且在一定范圍內(nèi)人們可以按照意愿,改變和調(diào)節(jié)植物的發(fā)育。但這種調(diào)節(jié)和改變知識局部的,主要是通過改變培養(yǎng)基中的激素和培養(yǎng)條件,從遺傳基礎上的徹底改造僅僅是開始。但是,生命的奧秘是很深遠的,植物也如此,科學家至今仍不能實現(xiàn)對所有植物的組織培養(yǎng)再生,對基因型對組培技術成功的影響至今仍迷惑不解,而且對已經(jīng)獲得成功的植物,也還是有很多問題沒有解決。即便像煙草和擬南芥這樣的模式植物,也沒能實現(xiàn)讓它們在組培技術容器中遂愿的生長發(fā)育和開花結(jié)實。人們對植物的認識、了解和掌握,仍然處于必然王國階段,單就其組織培養(yǎng)而言,還有十分漫長的道路要走。

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