植物组培苗生根研究综述

龚永福，陈 芳，张兆萍，张梅秀，苏毓杰，杨振华，魏廷邦，张英英，高正睿，魏玉杰*

(1.甘肃省农业工程技术研究院，甘肃武威 733006；2.甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室，甘肃武威 733006；3.国家中药材产业技术体系河西综合试验站，甘肃武威 733006)

1902年，德国植物学家哈伯兰特首次成功地将多种植物叶肉细胞分离并在人工培养基进行培养，提出植物细胞全能性理论，即离体植物细胞具有发育成完整植株的能力，为植物组织培养奠定了基本理论。近年来，组织培养技术得到快速发展，并广泛应用于植物快繁脱毒、植物育种、遗传工程及珍稀濒危植物资源离体保存。然而，植物离体组织再生根是一个复杂的过程，在生根过程中存在着细胞脱分化难、对植物生长调节剂敏感性差、次生代谢物质抑制生长、污染率高等问题，导致部分植物组培苗生根率低、生根质量差或产生畸形苗，阻碍了一些生物技术在植物的应用，如基因编辑借助组织培养技术进行农杆菌介导的遗传转化，但获得的遗传转化植株数量少、苗弱、生根困难、移栽难以成活，从而造成阳性材料的浪费。因此，植物组培苗提高生根率，获得高质量的再生不定根已成为研究的热点。研究表明，植物组培苗生根受外植体本身基因型、生理生化状态、基础培养基类型和生长调节剂的影响，还与碳源浓度、光照、光质等紧密相关。该研究从培养基(基本培养基类型、无机盐浓度、碳源浓度和种类、凝固剂)、植物生长调节剂(IAA、IBA、NAA)、培养条件(暗培养时间、光源、光质、活性炭)、培养方式(两步生根法、无糖组织培养生根法、瓶外生根法)进行归纳，分析影响植物组培苗生根的各方面因素，以期为今后实践提供参考依据。

1 基本培养基对组培苗生根的影响

培养基分为基本培养基和完全培养基。基本培养基包括无机盐、有机物、凝固剂、水等成分，为植物生长发育提供所需的各种养分。完全培养基在基本培养基的基础上，根据试验的不同目的，添加植物生长调节剂和其他有助于植物生长的物质。研究表明，基本培养基类型、无机盐浓度、碳源种类和浓度、凝固剂均会对组培苗的生根产生影响。

在植物离体培养条件下，只有满足组织细胞对营养的需求，才能更好地生长发育。科研人员对植物组培苗生根所需的基本培养基做了大量研究。不同植物组培苗诱导生根的基本培养基不同，罗汉果为B5培养基、西洋参为MS培养基、樟叶越橘为WPM培养基、鹿茸草为DCR培养基、杜梨组培苗为NN。同种植物不同基因型的基本培养基不同，西洋梨在MS培养基比QL更易于生根，梨矮化砧木S2、S5分别以1/2QL、1/2MS培养基为最佳。基本培养基不是一成不变的，为了获得最佳的生根效果，通常需要根据植物自身营养需求，调整基本培养基的营养成分及含量。

无机盐浓度对植物组培苗生根具有显著影响。在组培苗诱导生根时，通常需要降低基本培养基中无机盐浓度。韩如春等研究表明，1/2MS培养基比MS培养基更有利于植物组培苗生根。喻娜对1/4MS、1/2MS、MS、2MS培养基进行旱半夏组培苗生根研究时发现，1/2MS培养基生根率高、根粗壮、质量好，1/4MS培养基生虽然不定根数多，但根较细、出根时间慢，2MS培养基不定根数量少、根短粗，影响移栽后成活率。张琳娜等在不同无机盐含量的培养基上诱导弥勒苣苔组培苗生根，发现1/2MS培养基生根率极显著或显著高于MS、1/4MS和1/10MS，且组培苗生长状况最佳，根系发达。智邵川等、张春梅等、吕德任等分别在构树、非洲菊、花叶艳山姜组培苗生根的研究中发现1/2MS培养基为生根最适培养基。通过大量研究表明，低浓度的无机盐能促进植物组培苗生根，但浓度过低又会导致不定根比较细；高浓度的无机盐则不利于生根且不定根质量差；对于大多数植物而言，组培苗生根最适培养基为1/2MS培养基。

植物组织细胞需要碳水化合物提高能量才能正常生长，在培养基中添加的碳源是糖类，常用的有蔗糖、葡萄糖、果糖等。糖类为组培苗提供能源外，还具有维持培养基渗透势的作用，添加适量的糖是组培苗生根的关键。研究表明，不同植物组培苗生根所需的糖浓度不同，西洋参组培苗生根的最佳蔗糖浓度为30 g/L，花叶艳山姜、沙枣为20 g/L，天目杜鹃为5 g/L。史华平等对彩叶凤梨组培苗生根研究发现，生根率随着蔗糖浓度的升高呈现先增后减的趋势。一般情况下，蔗糖浓度过低，不能满足植物细胞营养、代谢的需要，浓度过高导致细胞渗透压升高，抑制组培苗生根。吕德任等研究发现，不同种类的糖对花叶艳山姜组培苗生根诱导效果不同，含蔗糖的培养基诱导的根粗、长，明显优于麦芽糖和乳糖的培养基。这是因为蔗糖降解产物为葡萄糖和果糖，极易被植物利用。石丽敏等研究发现，高浓度的蔗糖有利于生根壮苗和根数的增加。

凝固剂使组培苗在培养基上固定和生长，本身不提供任何营养成分。不同凝固剂的生根培养基组培苗生根效果不同。油菜组培苗生根采用加琼脂粉的MS培养基时，地上部分生长健壮，但根细弱、生长慢。郝梦宇等将琼脂粉换成琼脂糖和植物凝胶后，生根质量显著改善，其中植物凝胶生根效果最好。还有人在培养基中不加凝固剂，采用液体培养基诱导组培苗生根。刘晓迪等研究表明，液体培养能有效促进刺槐树冠上部枝条生根，所得组培苗根长且根毛多。张雪君等对液体培养基和固体培养基进行比较，党参组培苗在液体培养基的不定根生物量显著增加，且组培苗生根培养时间由固体培养基的49 d缩短到24 d，培养周期大大缩短。这是因为液体培养基使外植体与培养基充分接触，更有利于植物组培苗吸收营养和水分，间接提高了生根效果。以上研究表明，凝固剂对组培苗生根存在一定影响，植物组培苗生根时应根据生根情况选择合适的凝固剂。

2 植物生长调节剂对组培苗生根的影响

植物生长调节剂是培养基中重要组成部分，与植物组织培养能否成功有直接关系。根据组织培养的目的，选择不同的植物生长调节剂和浓度是关键。植物生长调节包括生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸等。植物组培苗芽和根的分化主要受生长素和细胞分裂素比例的影响。研究表明，单独使用生长素如IAA、IBA、NAA也能诱导生根。另外，同种植物不同品种生根对生长素需求不同。在草莓组培苗诱导生根中，隋珠品种在NAA浓度为0.1 mg/L时生根率为100%，生根质量最好；而红颜品种不添加生长素，生根率就能达到100%且生根质量好。

生长素IAA(吲哚乙酸)在植物根原基形成过程中起着至关重要的作用，植物嫩芽产生的IAA通过向下极性运输到基部诱导生根。外源添加IAA，也会对植物生根产生影响。赵东利等研究发现，大蒜根生长发育与IAA浓度有密切关系，生根率、平均根数随着IAA浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。但IAA稳定性差，极易在培养基中氧化并被快速代谢。IBA(吲哚丁酸)比IAA稳定，可以外施IBA刺激植物嫩芽产生IAA，从而促进生根。目前，很多草本、木本植物组培苗采用IBA生根都取得了成功，如西洋参、缬草、青冈、油茶等。IBA和IAA也可以混合使用诱导组培苗生根。张延红等研究表明，IBA在当归组培苗根状突起的诱导中起决定性作用，IAA促进根的进一步生长，IBA和IAA混合使用，诱导效果最佳。

NAA(萘乙酸)是人工合成的生长素，对不定芽的生根诱导有显著影响，通过促进植物组织中储存的淀粉分解为还原糖，为组培苗提供碳源，从而促进根的形成。组培苗根的生长发育同样与NAA浓度密切相关。在一定范围内，随着NAA浓度增加，组培苗生根率、平均根数呈上升趋势，但超过最佳NAA浓度就会抑制生根。在组培苗生根诱导中，NAA可以单独使用，也可以和IAA、IBA混合使用。孙大宽等在木棉组培苗生根研究中发现，单独使用NAA生根率最高为19.66%，单独使用IBA为39.15%，生根率均较低，而将NAA和IBA混合使用时生根率到达了95.80%，效果显著。

3 培养条件对组培苗生根的影响

培养条件对组培苗生根有显著影响，特别是光在植物组培苗的生长和分化过程中具有主导作用，主要表现在暗培养时间、光源、光质等方面。

暗培养通过调控植物体内的激素代谢水平促进组培苗生根。植物离体组织生根先在黑暗条件下诱导然后转入光照条件下培养是必要的。在木棉生根研究中，不进行暗培养时组培苗生根率为87.95%，暗培养6 d生根率达97.36%，生根率显著提高。不同植物组培苗生根诱导的暗培养时间不同，彩叶凤梨为7 d，樟叶越橘为15 d。但暗培养时间过长，又会造成组培苗无法进行光合作用而黄化。张炎研究发现，长时间暗培养会促进离体芽伸长，同时造成组培苗不可逆转的玻璃化现象。因此，植物组培苗生根需要合适的暗培养时间。

不同光照条件，如光源、光质对组培苗生根有一定影响。罗剑飘等研究表明，不同光源对牛樟组培苗生根率及移栽后的成活率产生显著影响，但对根长和根数无影响。LED和CCFL光源比普通荧光灯更利于组培苗生根，LED处理下非洲菊组培苗有机物累积量最高，有利于壮苗。不同植物组培苗生根对光质的需求不同，组合光更适用于组培苗的生长。周鹏等在乌饭树组培苗生根研究中，与对照荧光灯相比，LED单色光处理下，蓝光能够显著提高乌饭树的生根率和生根数，红光具有抑制作用。而杨艳敏等在蓝莓组培苗生根研究中的试验结果刚好相反，蓝光处理组培苗生根率最低，红光最高。王政等研究表明，以70%红光+30%蓝光的LED组合，红叶石楠组培苗根数、根长、地上干物质等指标均优于其他处理，有助于组培苗的生长。

植物组培苗生根培养基中常加入活性炭。张春梅等研究表明，活性炭对非洲菊不定芽促进生根具有显著作用，极大地缩短了生根时间。栾晓龙等在生根培养基中加入活性炭，秋子梨组培苗生根率、根数和根长均有提高。活性炭促进植物组培苗生根的原因可能是根的生长发育需要黑暗环境，活性炭使培养基变黑，恰好为根的生长提供了近似自然环境的黑暗条件，同时活性炭可以吸附培养基的有毒物质，抑制次生代谢物质的光氧化作用，为组培苗提供良好的生长环境，从而促进根的生长。不同植物组培苗生根需加入的活性炭浓度不一样。铁皮石斛活性炭最佳诱导生根浓度为0.5 g/L，秋子梨为1.0 g/L，非洲菊为 2.0 g/L。刘健晖等还对粗、细活性炭做了研究，试验表明2种活性炭均促进了罗汉果组培苗生根，但效果不同，粗活性炭诱导的根更粗，细活性炭诱导的根更长，根盘更大。但也有植物组培苗生根培养基中加入活性炭并没有促进生根，即使加入微量的活性炭，生根率反而降低了，如沉香、樱花、毛菍等，可能原因是活性炭也会吸附培养基中的植物生长调节剂，降低了生根诱导效果。因此，活性炭具有两面性，在生根培养基中需要加入适宜浓度的活性炭才能促进组培苗生根。

4 培养方式

植物根的形成分为2个阶段，即根原基的诱导和分化，激素在根原基的诱导阶段发挥着决定性作用；根分化阶段激素不再是主要因素，浓度过高则会抑制根的生长。“两步生根法”基于以上原理进行分步生根，即第1步是根诱导阶段，在培养基中添加植物生长调节物质，在黑暗条件下培养一定时间，组培苗基部产生根原基；第2步是根伸长阶段，将经过诱导的组培苗转移到不含植物生长调节物质的相同培养基上，在光照条件下继续培养。“两步生根法”多用于较难生根的木本材料，如紫荆、石楠、樱桃等。李艳敏等为解决紫叶加拿大紫荆组培苗生根率低、长势弱的问题，通过“两步生根法”，成功地使生根率达到了95.4%，根数7.71条，根长3.56 cm，效果显著。同样，赵亚楠等通过研究“两步生根法”，筛选出了诱导不定根发生和促进不定根生长的最佳条件，解决了杜梨组培苗生根难的问题。

无糖组织培养是指在培养基中不添加糖等有机物，采用二氧化碳作为碳源、蛭石代替琼脂粉进行植物组织培养，其大大降低了原材料成本，且组培苗污染率低，植株生长好等特点，在很多植物组织培养中得到应用。对欧梨、核桃组培苗生根进行无糖组织培养与常规组织培养比较，发现无糖组织培养植物生根率、移栽成活率更高，且根系发达，植株健壮，整体效果好。王立等的研究进一步表明无糖组织培养比传统组织培养有更高的SOD、CAT和POD活性，使组培苗移栽后有较强的逆境胁迫反应能力。

瓶外生根有基质培、水培、气培，大多采用基质培，即将组培苗以微型插穗的方式扦插在无菌基质上进行生根。该方法与驯化相结合，简化了组织培养步骤，具有培养时间短、成本低、移栽成活率高等优点，可以进行植物大规模扩繁。基质是植物瓶外生根的关键因素，因不同基质透气性和保水性不同，基质组合、配比对生根率、根数、幼苗生长影响较大。任俞新在款冬瓶外生根研究中表明，当基质以黄绵河沙∶蛭石=2∶1时，组培苗生根率高，生根数多，幼苗生长健壮，当仅为蛭石时，组培苗生根效果较差，不及前者。另外，组培苗瓶外生根还受练苗时间、外部环境条件的影响。赵春莉等研究认为，影响瓶外生根率高低的因素为：扦插基质>练苗时间>空气湿度。

5 结论与讨论

植物组织培养技术不断发展，在花卉、中药材、树木等取得了一定成果，一些植物已建立了组织培养体系。但不同植物组培苗不定根再生难易程度存在差异，遗传转化植株不定根再生成为现代生物技术能否成功应用于植物的限制因素之一。提高植物组培苗生根率和生根质量，应从基本培养基、植物生长调节剂、培养条件、培养方式着手。就生根培养基而言，不同植物组培苗生根所需的基本培养基不同，同种植物不同基因型生根培养基也不同，低浓度的无机盐能促进组培苗不定根再生，1/2MS培养基能满足绝大多数植物组培苗生根，碳源浓度和种类、凝固剂也会对组培苗生根产生影响，在选择生根培养基时应充分考虑以上因素的影响；植物生长调节剂对组培苗生根具有决定性作用，浓度过高、过低都不利于生根，筛选适宜浓度的外源激素是生根的关键；通常诱导植物组培苗生根的外源激素为IAA、IBA、NAA，但IAA稳定性差，常用IBA代替IAA使用，IBA和NAA混合使用生根效果更佳。另外，同种植物不同品种、无性系对植物生长调节剂浓度变化的敏感度存在差异，在越南奇楠沉香组培苗生根研究中，不同无性系对NAA浓度变化敏感度差异较大，说明基因型在生根诱导中的影响不可忽视。光对植物形态建成有调控作用，在根原基诱导阶段适当的暗培养是必要的，LED光源生根质量优于普通荧光灯，红、蓝组合光有助于植物生长；大部分生根培养基加入适宜浓度的活性炭，组培苗生根效果更好，且生根时间大大缩短。各因素对植物生根的影响程度也不同，罗汉果组培苗生根各因素影响程度从大到小依次为：培养基、活性炭、NAA、蔗糖。两步生根法根据组培苗生根不同阶段对光、植物生长调节剂的需求细化了组织培养步骤，为组培苗生根提供了更加适宜的生长环境；无糖组织培养生根法是一种新型的组织培养方式，根据植物生长情况，通过人工控制动态调整CO浓度、温度、光照等进行植物生长环境的优化，使其处于最佳状态，大幅度减少了污染率，并提高了组培苗生根率、植株质量和移栽生活率，以上2种生根方式是对常规组培方法的改进，克服了常规组织培养的缺陷，很好地解决了遗传转化植株因生根问题造成的材料浪费，促进了生物技术的应用。无糖组织培养技术出现较晚，在国内并没有广泛应用，随着技术不断发展和设备的完善，今后将会成为一种重要的组培手段。瓶外生根法将组培苗生根和驯化相结合，进一步简化了植物组织培养流程，节省了成本和时间，并提高了组培苗移栽成活率，可以进行花卉、中药材等植物的大规模扩繁，从而满足市场的需求。