浅谈植物组织培养技术在育种上的应用

肖琳茜

摘   要：植物组织培养技术在育种上有广泛应用。针对植物组织培养技术在单倍体育种、多倍体育种、突变体育种及转基因育种方面的研究作了简要论述。

关键词：植物组织培养技术;育种;应用

文章编号： 1005-2690（2018）12-0053-02       中图分类号： Q943.1       文献标志码： A

植物组织培养技术是以植物细胞全能性为基本理论，利用植物的离体组织器官，如植物的根、茎、叶和花等，培育出完整可育后代的一种生物技术。当前，植物组织培养技术已广泛应用于农业、林业、医学等方面，尤其在作物育种方面的应用取得了卓越成效[1]。本文主要就植物组织培养在单倍体育种、多倍体育种、突变体育种及转基因育种方面的研究进行了探讨。

1   单倍体育种

单倍体育种是指对植物的单性生殖细胞（如花药），利用植物组织培育技术进行离体培养，从而产生单倍体植物，再经过药物（如秋水仙素或者低温诱导）形成二倍体纯合植株的方法[2]。单倍体育种最早起源于曼陀罗花，1921年意大利植物学家Blakesly和Guha首次利用曼陀罗花药获得单倍体植株，并成功将其加倍形成纯合品系。自此单倍体花药育种成为植物育种的新手段。我国于1972年开始进行花药单倍体育种，并于1974年成功培育出世界上第一个单倍体作物新品种——烟草单育一号。近年来，我国研究工作者又陆续培育出烟草、小麦、水稻、橡胶、玉米和辣椒等20多个品种，如烟草单育一号、水稻单丰一号、水稻中花一号及小麦花培一号等。到目前为止，通过单倍体育种手段成功培养出的新品种和杂交品种达到34科、88属、256种。

单倍体育种在杂交育种方面优势明显。以水稻为例，利用传统回交方法得到一个水稻新品种所需时间为5年，但利用花药离体单倍体育种，不仅可明显缩短育种年限，而且能将所需基因型稳定遗传下去。因此，单倍体育种可明显缩短育种年限[3]，简化育种选育过程，提高基因型选择率，突破自交不亲和物种，克服远缘杂交不育性。此外，单倍体育种还可减少人工成本，节约土地资源。

2   多倍体育种

多倍体育种起源于18世纪40年代，美国科学家Blakeslee和Avery利用秋水仙素处理未萌发植物种子，成功获得了同源多倍体。1840年，全世界各地育种工作者利用多倍体育种获得1 000余种植物。20世纪30年代，科研工作者开始利用植物胚乳作为外植体进行多倍体育种，并首次在苹果上获得了三倍体，随后又成功在多种经济作物，如小麦、水稻、柑橘、马铃薯、猕猴桃等作物上获得多倍体植株，到目前为止，已经在20余种植物中获得胚乳多倍体植株。传统三倍体植物通过2n×4n有性杂交获得，但此方法选育时间较长且杂交难度大，现如今采用的胚乳多倍体育种可解决这一难题。被子植物的胚乳属于双受精三倍体植物，将胚乳作为外植体进行离体组织培养可获得三倍体植株，再进行染色体数目加倍可得到六倍体植株，从而解决单倍体植株不育性问题。

多倍体植物在自然界中普遍存在，在植物遗传进化中有着重要的作用，具有植株巨型化、重瓣性强、花色浓艳、抗逆性强、营养成分增加等诸多优势，也是克服远缘杂交不亲和性及远缘杂种不育性的重要手段，被广泛应用于育种研究中。

3   突变体育种

人口增多、耕地减少、环境污染、病虫害严重等是我国21世纪面临的重大挑战，从20世纪60年代起，我国通过诱发突变培育出高效优质的植物品种，已取得了较大进展。人工诱变已成为育种学家创造新的种质资源的重要途径，其有效地促进了农作物新品种选育工作的发展。突变体育种是指人为选用自发突变体和诱发突变体材料进行组织培育获得新品种的方法[4]。自发突变体是指在自然状态下基因突变形成的突变体材料，一般突发频率较低。诱发突变体是指由于物理、化学及生物因素诱发基因突变、染色体畸变、细胞质突变等形成的突变体材料。突变体育种中更多采用的是诱发突变体育种手段。

在植物组织培养过程中，由愈伤组织途径获得再生植株的频率比不定芽高，而由细胞培养途径获得再生植株的频率比器官、组织途径高，这是因为处于分裂旺盛的愈伤组织和悬浮培养的细胞缺乏组织结构，容易受培养基和物理、化学等诱变因素的影响而产生基因变异，从而形成一个巨大的可供突变体选择和利用的遗传变异库。突变体育种在改良作物单一性状、提高植物抗性、改善植物营养成分等方面有着重要作用。目前，育种专家已经成功筛选出耐盐小麦、耐旱水稻、抗病马铃薯等农作物新品种。在培养基中添加高浓度氯化钠创造高盐条件，在此状态下会造成大部分小麦细胞死亡，那些极少存活下来的、能稳定遗传的细胞便具有耐盐特性，进而通过组织培养形成耐盐植株。目前，国外已经有学者在海边利用盐碱地进行大麦种植试验，虽然还未能推广，但对选育抗盐植株及改良西部盐碱地作物品质具有重要的推动意义。抗旱水稻的选育过程与上述类似。抗病马铃薯选育过程是采用提纯毒素的方法，在培养基中添加毒素混合物培养细胞，最终选取对毒素不敏感的并能稳定遗传的细胞系。

相较于单倍体育种和多倍体育种而言，突变体育种的优勢极为明显，主要体现在以下几方面：首先，可大幅提高经济作物产量。以粮食作物为例，通过突变体育种使得其产量在1949—1984年间增加1倍多。其次，突变体育种可明显改善植物品质，增强抗性。通过突变体育种改良的抗倒伏、适应性强且产量较高的小麦新品种，在东南亚及中东等地区有较大范围种植。此外，突变体育种也可选育出抗病虫害、抗旱经济作物，既为我国西北干旱地区农业生产作出贡献，又减轻了农药残留对环境的污染。最后，大幅度提高农业生产效率。通过突变体人工选育的农作物，其性状单一、穗层整齐且成熟一致，可大大提高机械化收获的效率。

4   转基因育种

转基因育种是指通过基因工程手段，将从植物、动物或微生物中分离得到的目的基因片段进行定向修饰，并整合到植物基因组中，从而得到抗性较强、优质高产的转基因作物[5，6]。转基因育种的研究开始于20世纪60年代，并于1983年成功获得第一株转基因植物。截至目前，全世界种植了约24种转基因作物，其中，大豆的种植面积约占转基因作物总面积的50%;另外，玉米占30%、棉花占14%、其他作物仅占1%。近年来，发展中国家大力种植转基因作物，不仅解决了田间害虫、杂草的问题，还将农作物的经济效益提高了14%。

转基因育种相较于传统杂交育种，实现了跨物种基因重组，其将目的基因定向转移到目标植株中，使植株获得人类所需的特定性状。例如，抗虫棉就是将苏云金芽孢杆菌中的特定杀虫蛋白基因和棉花基因进行基因重组，实现棉花的抗虫特性，减少棉铃虫的危害及农药使用对土壤的污染。抗除草剂农作物是将抗除草剂甘膦基因转入到农作物中，从而在农药甘膦使用时，达到只除草不为害农作物的效果。转基因育种的出现为高产、优质、高抗农作物新品种培育提供了新的技术途径。

5   展望

目前，植物组织培养技术已经广泛应用于指导农业生产，特别在育种上的长足发展，使许多传统方法无法解决的问题迎刃而解，并与其他技术相结合创造了巨大的经济效益。其产生的高效应为解决目前国际上存在的粮食问题、濒危物种保护问题作出了巨大的贡献。而对于组织培养过程中出现的污染现象、外植体褐变等问题，尚未找到普遍适用的解决方法，成为植物组织培养技术的主要阻碍。因此，应加强对植物组织培育技术的研究，以便辅助其在育种上的应用发展。

参考文献：

[ 1 ] 吴桂容.植物组织培养的应用及存在问题[J].高教论坛，2007（03）：119-121.

[ 2 ] 祝剑峰.植物组织培养在育种中的应用[J].安徽农业科学，2014，42（35）：12 415-12 417.

[ 3 ] 张东旭，周增产，卜云龙，等.植物组织培养技术应用研究进展[J].北方园艺，2011（06）：209-213.

[ 4 ] 陈力.植物组织培养在育种上的应用及其潜力[J].黑龙江农业科学，1982（04）：40-42，55.

[ 5 ] 王秀丽，杨煜，徐平丽，等.植物组织培养的应用及進展[J].山东农业科学， 2005（03）：78-80.

[ 6 ] 李永欣，王义强.植物组织培养的应用研究概述[J].江苏林业科技，2005（03）：44-46.

（收稿日期：2018-11-13）