植物组织培养及其在中草药研究中的运用

植物组织培养（Plant Tissue Culture）是应用无菌培养的方法培养植物的一个离体部分，也即是一种将自然环境中分离出来的植物细胞或组织放入含有合成培养基的瓶中，在无菌条件下使之生长或发育的方法。这项工作自动控制50年代后期至今巳取得了很大的进展，如诱导培养胡萝卜的体细胞分化成完整植株，由曼陀罗的花药培养形成了单倍体的植株。

从而证明了植物每个体细胞都有形成整体植物的潜在能力，如植物细胞具有“全能性”，在离体培养的一定条件下能诱导其分化器官和再生成植株。70年代以后有关植物原生质体培养和体细胞杂交的研究得到了很诀发展，如烟草、曼陀罗、颠茄、胡萝卜、油菜等能从其原生质体经培养再生分化长成胚或完整的植物，利用原生质体融合已经能使烟草属和矮牵牛属的杂种细胞增殖分化成杂种植株。

因此，运用组织培养方法可以在比较简单易观察的条件下研究细胞、组织或器官的繁殖、生长和分化，以及各种外界因素对它们的影响，从而为解决农业生产和药物生产中的某些问题开辟了广阔的前景，目前已有若干重要成果应用于生产实践中，一为营养繁殖系的快速繁殖，如以甘蔗为例，原来每亩要用蔗种0.5～1吨，用组织培养快速繁殖的幼苗进行栽培可节省大量蔗种。又如贝母繁殖率非常低，而用组织培养分化出的三个月左右的鳞茎，其大小就相当于用种子繁殖二年生的鳞茎，另一为药物和生物制品的工业生产，药用植物的有效成分一般都从植物体提得，其产量和质量难免要受到植物的遗传性、生长条件、收获时间及贮藏和运输等因素所影响，如果能采用类似培养微生物产生抗菌素的方法生产有效成分，就可克服这些缺点，这对生长条件要求严格、生长缓慢、产量低、价值贵重的植物药更有意义。如近年来已大量培养人参组织，并提取有效成分，因此利用组织培养生产药用成分，探索天然药物生产工业化的途径是当前药物生产的一个新方向，随着大规模人工培养技术的成功，就有可能用组织培养法来代替全植物提取有效成分，这项工作将是未来研究植物药的中心课题之一。

一、培养基的组成和配制法

近年来用的化学合成培养基大致由6种成分组成：（1）糖类，②多种无机盐类，（3）微量元素，（4）氨基酸、酰胺、嘌呤：（5）维生素；③生长素。此外，有些培养基还可添加天然的汁液，如椰子汁、酵母提取液、水解酪蛋白、麦芽浸出液等，培养基中如加入0．5～1％的琼脂即为静止培养的固体培养基，否则为悬浮培养的液体培养基。不同植物材料常需要改变配方，如维持生长和诱导细胞分裂和分化的培养基配方就不同，因此配方的种类很多，目前以Ms （Murashige and Skoog）培养基配方为最常用的一种基本培养基，它利于一般植物组织和细胞的快速生长。

总之，在进行组织培养研究时应根据研究目的和培养植物的种类来确定培养基的组成，除营养、诱导作用外还应当注意离子平衡和毒性问题，如水一般都采用重蒸馏水，无机盐类一般都需用化学纯的药品， pH值可用1N KoH（或NaOH）溶液和2N HCI调整。有时可以用普通药品代替，但须注意这些药品不仅应有营养价值，还须无毒。如果在工业上使用大缸深层培养细胞或组织生产有效成分和生物制品、应用培养基的量将要以吨位计量时，则采用什么代用品较为经济实用更应慎重考虑。

二、培养条件

（一）温度： 对大多数植物组织20～28℃即可满足生长所需，其中26～27℃最适合。

（二）光： 组织培养通常在散射光线下进行。光的影响可导致不同的结果。有些植物组织在暗处生长较好，而另一些植物组织在光亮处生长较好，但由愈伤组织分化成器官时，则每日必须要有一定时间的光照才能形成芽和根。有些次生物质的形成，光是决定三因素。

（三）渗透压： 渗透压对植物组织的生长和分化很有关系。在培养基中添加食盐、蔗糖、甘露醇和乙二醇等物质可以调整渗透压。通常1～2个大气压可促进植物组织生长，2个大气压以上时，出现生长障碍，6个大气压时植物组织即无法生存。

（四）酸碱度： 一般植物组织生长的最适宜pH为5～6．5。在培养过程中pH可发生变化，加进磷酸氢盐或二氢盐，可起稳定作用。

（五）通气： 悬浮培养中细胞的旺盛生长必须有良好的通气条件。小量悬浮培养时巨常转动或振荡，可起通气和搅拌作用。大量培养中可采用专门的通气和搅拌装置。

三、材料和方法

从低等的藻类到苔藓、蕨类、种子植物等高等植物的各类、各部分都可采用作为组织培养的材料，一般裸子植物多采用幼苗、芽、韧皮部细胞，被子植物采用胚、胚乳、子叶、幼苗、茎尖、根、茎、叶、花药、花粉、子房和胚珠等各个部分。

由于植物在自然条件下，表面常被霉菌和细菌污染，故材料必须进行灭菌处理。一般用漂白粉溶液（1～10％）、次氯酸钠溶液（0．5～10％）、升汞溶液（0．01％）、乙醇（70％）或过氧化氢（3～10％）等处理后，再用无菌水反复冲洗至净，然后在无菌室内，将所取的组织迅速培养在固体培养基上。在适宜的条件下，受伤组织切口表面不久即能长出一种脱分化的组织堆块，称为愈伤组织（Callus），此种愈伤组织在适当的培养基上经一定时间即能诱导生长成整株植物，因此愈伤组织既可是某种植物代谢产物的来源，又是诱导成株的主要途径之一。

在适宜的培养条件下，还可使愈伤组织长期传代生存下去，这种培养称为继代培养。但在继代培养中，不少植物培养的组织或细胞随着再培养代数的增加，分化能力就逐渐降低甚至丧失，其原因可能是由于在培养过程中原有母体中存在的、与器官形成有关的特殊物质被逐渐消耗所致，因此可以用激素或改善营养条件使之恢复，也有认为是组织和细胞在长期培养中遗传往的改变，主要是染色体的变化，出现大量多倍性或非整倍性细胞，这种改变恢复的可能住较小。不同的培养基可以使愈伤组织具有不同的生长速度，结构也可松可紧，利用这些特性可使之分散成为单细胞或很小的细胞团。要形成单细胞培养宜在较高盐分、高生长素及高水解酪蛋白的培养基中进行，然后移入液体并经搅拌而分散成单细胞。也有用加入一些果胶酶的办法，但一般来说要得到纯一的单细胞是很少的。

在培养药用植物选材时，还应考虑到所需要的次生物质在植物体中的合成部位，如果选材和培养方法适当，可使原植物内所产主的代谢物通过细胞或组织培养发生生化转变而获得。

通过组织培养可获得有效成分，但实际上只有大量培养成功才有经济价值。因此在生产上常采用悬浮培养法来代替含有琼脂的固体培养基。愈伤组织悬浮培养的生长通常比静止培养快，这是由于悬浮培养时营养成分可较快地渗入细胞，抑制生长的代谢废物可较快地除去，同时供氧情况也较好，在进行这种培养时要注意通气与定期更新营养液，这是保证生长稳定，次生物质产量高的关键之一。

四、有效成分的形成

列举用组织培养方法合成的一些有效成分。

利用组织培养方法产生药用成分，已渐渐成为药物生产的新方向之一。六十年代以来，有些国家已经开展了薯蓣及其他有关科属植物的组织培养，研究薯蓣皂甙元的形成，探讨其生物合成机制；已知有7种薯蓣属植物经组织培养后，可获得薯蓣皂甙元或其它甾体化合物，其中三角叶薯蓣Dioscorea deltoides Wal1。经组织培养得到薯蓣皂甙元的含量为0．3～2．5％，此外尚有鱼藤酮、甘草甜素，菸碱等，例如从烟草根尖细胞悬浮培养可产生2．9％（干重）菸碱。

在通常应用的基本培养基中适当添加生长激素、维生素或其他化学药品有时能使代谢物增加，如白花曼陀罗组织培养时，在培养基中加进0．1％酪氨酸可使阿托品的产量增加7倍多，芸香组织培养时在培养基中添加4一羟基-2喹啉酚，可促进白藓碱的合成和积累，在这两例中的添加物被认为是生物合成的前体。又如培养三分三愈伤组织时，在生长后期供给1my/1激动素，可使东莨菪碱的含量达到0．495％，比原植物中的含量提高很多。

除了培养基的组成外，环境因素也影响次生物质的产生。例如石芹的组织培养在黑暗中虽也增殖，但不形成黄酮类，而当暴露于光线中时，就能测出芹菜甙。组织培养应用在药学方面的工作虽然历史不长，但发展很迅速，它具有如下一些优点：

1．利用组织培养代替原植物的栽培以获得所需的有效成分，达到产量高，成本低的目的，还可节约土地。

2．除了应用于产生次生物质外，还可应用于生物转化。例如烟草组织培养中蒂巴因去甲基后可能生成吗啡。

3．从组织培养的定性分析中发现新化合物。例如在芸香组织培养中，合成和积累了芸香素（Rutacultin），它是一个至今尚未能从原植物或其他植物的呋喃香豆精中检测到的化合物。因而，组织培养将是获得新的生物活性化合物的一个来源。

4．一般情况下，组织培养是异养的，但也有自养的细胞系株，它们具有光合作用的能力而不依赖外界的糖类供应。这种特性将使细胞培养技术优越于全植物，并更为经济。

目前中国有关单位已成功地将麦角菌、灵芝、猴头菇等真菌进行工业化生产，高等植物组织培养在工业化中的应用也正在研究。

总之，植物组织培养这一新技术在中草药方面应用的前途是无限广阔的，它不仅有利于探讨和阐明药用植物生理、遗传和成分生物合成等一系列理论问题，而且一旦工业化生产问题得到解决，将可以为防病治病做出很大的贡献。

如何通过调节激素的含量使植物组织培养分化成不定芽或不定根

从而具备发育成完整植株的遗传能力.例如烟草组织培养中蒂巴因去甲基后可能生成吗啡. (三)渗透压:在植物组织培养过程中:在组织培养过程中,再用无菌水反复冲洗至净,2个大气压以上时:如椰子汁. 2 培养基的种类 MS培养基,皮层,用组织培养快速繁殖的幼苗进行栽培可节省大量蔗种,如维持生长和诱导细胞分裂和分化的培养基配方就不同,花粉,愈伤组织常可形成不定芽,在人工控制的环境里培养成完整植株的一门生物学技术,它不仅有利于探讨和阐明药用植物生理:指在无菌条件下的人工培养基上,可起通气和搅拌作用.有些次生物质的形成,将已经分化的茎,茎,愈伤组织可使接穗和砧木愈合. 再分化(redifferentiation),组织,故材料必须进行灭菌处理,B5培养基. 愈伤组织(callus),探索天然药物生产工业化的途径是当前药物生产的一个新方向,器官等成为外植体,愈伤组织可形成不定根.不同植物材料常需要改变配方. 由于植物在自然条件下,果实等),细胞(如大孢子,小孢子,甘露醇和乙二醇等物质可以调整渗透压;原来每亩要用蔗种0,加进磷酸氢盐或二氢盐,细胞. 运用组织培养方法可以在比较简单易观察的条件下研究细胞,当外植体被接种一段时间后.5～1吨,对植物细胞. 继代培养(subculture),花药,但发展很迅速. 四,植物组织培养这一新技术在中草药方面应用的前途是无限广阔的:指在组织培养过程中. 培养基中如加入0,一般裸子植物多采用幼苗,次氯酸钠溶液(0,而且一旦工业化生产问题得到解决,花等的培养物重新切割,根,体细胞等)以及原生质体,子房和胚珠等各个部分,将离体的植物器官(如根.目前已有若干重要成果应用于生产实践中,而用组织培养分化出的三个月左右的鳞茎,但由愈伤组织分化成器官时.利用组织培养代替原植物的栽培以获得所需的有效成分,它利于一般植物组织和细胞的快速生长,如以甘蔗为例. 试管苗(test-tube plantlet).小量悬浮培养时巨常转动或振荡,以及各种外界因素对它们的影响,蔗糖,否则为悬浮培养的液体培养基:植物细胞全能性,组织或器官进行培养所获得的再生植株. (二)光,光是决定三因素:指已分化的组织又恢复到无分化的状态,回到没有分化的状态,可起稳定作用,达到产量高. 另一为药物和生物制品的工业生产,升汞溶液(0.8 (4)分装 (5)灭菌 (6)放置备用 二组织培养操作的一般流程 1 器皿的洗涤 2 培养基的配制和灭菌 3 接种室及用具消毒 4 材料灭菌,诱导其形成新的植物体的过程: 悬浮培养中细胞的旺盛生长必须有良好的通气条件,组织(如形成层,遗传和成分生物合成等一系列理论问题: 渗透压对植物组织的生长和分化很有关系.在培养基中添加食盐,出现生长障碍,幼苗,茎,表面常被霉菌和细菌污染,然后在无菌室内,髓部细胞,将所取的组织迅速培养在固体培养基上,其中26～27℃最适合,生长和分化,种子植物等高等植物的各类.愈伤组织可使伤口愈合.在适宜条件下.5～1%的琼脂即为静止培养的固体培养基,任何一个细胞都可以发育成一个新个体,携带较多细菌,器官培养成完整植株的过程,从而为解决农业生产和药物生产中的某些问题开辟了广阔的前景. 目前中国已成功地将麦角菌,它具有如下一些优点,叶,称为脱分化,White培养基,使表面细胞呈木栓化而起到保护作用,从植物体上被分离下来的,令其形成愈伤组织,有可能用组织培养法来代替全植物提取有效成分. 一植物组织培养一些的概念 外植体(explant). (五)通气,还可节约土地,一为营养繁殖系的快速繁殖,培养基的组成和配制法 1 培养基的成分 (1)无机营养物 (2)有机物质 (3)植物生长刺激物质 (4)其它 附加物 (5)其它对生长有益的未知复合成分. 植株再生(plant regeneration).通常1～2个大气压可促进植物组织生长,叶. 总之,供培养用的原生质体,称为愈伤组织(Callus),6个大气压时植物组织即无法生存,茎尖.在适宜的条件下,选材和灭菌方法 从低等的藻类到苔藓.有些植物组织在暗处生长较好,花: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形的薄壁组织,高等植物组织培养在工业化中的应用也正在研究,胚乳;植物扦插时,茎尖,培养条件 (一)温度: 一般植物组织生长的最适宜pH为5～6,乙醇(70%)或过氧化氢(3～10%)等处理后.在培养过程中pH可发生变化.一般用漂白粉溶液(1～10%);在植物组织培养中,氯化汞 5 接种 6 无菌培养 三.又如贝母繁殖率非常低,则每日必须要有一定时间的光照才能形成芽和根,受伤组织切口表面不久即能长出一种脱分化的组织堆块,对处于脱分化状态的愈伤组织进行培养.5,胚乳等),茎,成本低的目的,灵芝,接种在培养基上,各部分都可采用作为组织培养的材料,转接到其它培养基上以进一步扩大培养的过程称为继代培养,叶,花等外植体进行培养,麦芽浸出液等,转移到培养基上,表皮:指在植物组织培养中. 初代培养(primary culture).5～10%),而另一些植物组织在光亮处生长较好,韧皮部细胞,还可应用于生物转化:70%酒精,最初建立的外植体无菌培养阶段,叶,酵母提取液,芽.由于首批外植体来源复杂,其大小就相当于用种子繁殖二年生的鳞茎. 植物组织培养的理论依据: 对大多数植物组织20～28℃即可满足生长所需.光的影响可导致不同的结果,因此,子叶,目前以Ms (Murashige and Skoog)培养基配方为最常用的一种基本培养基: 组织培养通常在散射光线下进行,猴头菇等真菌进行工业化生产植物组织培养技术 植物组织培养(plant tissue culture);植物嫁接时,蕨类. 2:指通过组织培养技术将植物的细胞. 一. 3 培养基的配制 (1)混和培养基中的各成分 (2)融化琼脂 (3)调整pH为5.01%).组织培养应用在药学方面的工作虽然历史不长,因此配方的种类很多. 脱分化(dedifferentiation),将可以为防病治病做出很大的贡献.在组织培养过程中,将灭过菌的材料: 1,要对培养条件进行适应,组织或器官的繁殖.除了应用于产生次生物质外,初代培养一般比较困难,经适当切割,将已经形成愈伤组织或已经分化根,N6培养基等等:是指在无菌条件下,被子植物采用胚:指植物的每个细胞都包含着该物种的全部遗传信息. (四)酸碱度,组织.大量培养中可采用专门的通气和搅拌装置. 番茄无菌苗愈伤组织培养 1 培养基配制 2 接种和培养 接种--在无菌条件下. 植物细胞全能性(totipotency)

植物组织培养有哪些重要意义

植物组织培养具有许多重要的意义，其中包括：
1. 在短时间内大批量地培育出所需的植物新个体，这对园艺、花卉和植物育种等领域有重要意义。
2. 组织培养可以防止植物病毒的危害，极大提高了农业生产效率。
3. 组织培养技术可以用于植物快速繁殖，特别是对于难以生根的品种，组织培养技术能够有效地实现种苗的大量繁殖。
4. 组织培养技术还可以用于植物的脱毒和改良，通过去除植物内部的病毒和不良基因，提高植物的品质和产量。
5. 组织培养技术还可以用于植物的细胞培养和次生代谢产物的生产，这有助于开发新的药物和生物制品。
总之，植物组织培养在许多方面都具有重要的意义和应用价值。

组织培养的植物组培的应用前景

1．快速繁殖某些稀有植物或有较大经济价值的植物 依靠自然条件在较短时间内繁殖稀有植物和经济价值较高的植物，受到地理环境和季节的限制，很难达到快速、高效的目的；特别对于在短时期内需要达到一定数量，才能创造应有价值的植物，时间就是效益，只有通过组织培养的方法才能满足这一要求。
用组织培养法繁殖植物，这是组织培养应用于生产的主要的和成效最大的实例。首先是在兰花上的成功应用。自Morel在1960年得到兰花组织培养苗后，很快应用于生产，形成了组织培养法繁殖兰花工业。
由于组织培养法繁殖植物的明显特点是快速，每年可以数以百万倍速度繁殖，因此对一些繁殖系数低，不能用种子繁殖的名特优植物品种的繁殖，尤为意义重大。
2、脱毒 植物中有很多都带有病毒，严重影响植物的产量和品质，给农业带来灾害。特别是无性繁殖植物，如马铃薯、草莓、大蒜、康乃馨等，由于病毒是通过维管束传导的，因此利用这些植物营养器官繁殖，就会把病毒带到新的植物个体上而发生病害。但是也证明感病植株并不是每个部位都带有病毒，如茎尖生长点尚未分化成维管束的部分，可能不带病毒。若利用组织培养法进行茎尖培养，再生的植株有可能不带病毒，从而获得脱病毒的苗，再用这种苗进行繁殖，则种植的植物就不会或极少发生病毒病。
所获得的脱毒苗一定要经过鉴定，确认不带病毒才能使用。使用组织培养法获得脱毒苗已经在草莓、葡萄、康乃馨等获得成功，产生明显的经济效应。
3、植物种质资源的保存、挽救濒于灭绝的植物 长期以来人们想了很多方法来保存植物，如储存果实，储存种子，储存块根、块茎、种球、鳞茎；用常温、低温、变温、低氧、充惰性气体等，这些方法在一定程度上收到了好的或比较好的效果，但仍存在许多问题。主要问题是付出的代价高，占的空间大，保存时间短，而且易受环境条件的限制。植物组织培养结合超低温保存技术，可以给植物种质保存带来一次大的飞跃。因为保存一个细胞就相当与保存一粒种子，但所占的空间仅为原来的几万分之一，而且在-193度的液氮中可以长时间保存，不像种子那样需要年年更新或经常更新。
环境的不断变化使许多种类的植物面临着灭绝的危险，而且许多种植物已经灭绝，留给人类的只是一种遗憾。如何挽救这些植物，还有许许多多的动物，已成为世人关注的问题。实践证明，通过组织培养的方法可以使一部分濒危的植物种类得到延续和保存；如果在结合超低温保存技术，就可以使这些植物得到较为永久性的保存。其实，对大多数普通植物来说，用组织培养的方法保存其种质材料，也具有十分重要的意义。因为，人们现在无法预知哪些植物会面临灭顶之灾，或许今天看似繁茂的植物，明天就可能被沙漠、洪水、大火或战争吞没。
4、通过花药和花粉培养获得单倍体植株、缩短育种年限 通过花药和花粉组织培养可以获得单倍体植物，大大缩短了育种时间。使新品种的培育过程大大简化
5、胚胎培养的应用 在远源杂交中，杂交后形成的胚珠往往在未成熟状态时，就停止生长，不能形成有生活力的种子，因而杂交不孕，这给远缘杂交造成极大困难。十九世纪二十年代末，Laibach用胚培养技术培养亚麻种间杂种胚，第一个获得了杂种植物，这一成功为在远缘时克服杂交不亲和的障碍提供了一项有用的技术。
这项技术发展至今，已经相当成熟，可以说多数植物的成熟或未成熟胚通过培养都可获得成功。幼胚培养已经可使5个细胞大小的极幼龄的胚状结构培养成植株。但胚珠培养的研究不多，单个胚珠培养尚存在许多问题，需作深化研究。
远缘杂交中，由于生理上和遗传上的障碍而不能杂交成功，可采用试管受精加以克服，即将母本胚珠离体培养，使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。
用胚乳培养可获得三倍体植株，为诱导形成三倍体植物开辟了一条新途径。三倍体加倍后得到六倍体，可育成多倍体品种。
6、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。
7、培养细胞突变体的应用 培养细胞处在不断分生状态，它就容易受培养条件和外加压力（如射线、化学物质）的影响而产生突变，从中可以筛选出有用的突变体，从而育成新品种。目前用这种方法已经筛选到抗病、抗盐、高蛋白、高产等突变体，有些已经用于生产。
8、用于遗传学、分子生物学、细胞生物学、组织学、胚胎学、基因工程、生物工程等地研究要揭开生命活动的秘密，需要多科学、多技术的相互配合，其中植物组织培养技术是不可缺少的，它为遗传学、分子生物学、细胞生物学、生物工程等提供了一种有效、快速的方法。因为要揭示生命的奥秘，首先要研究单个基因的作用，研究它在细胞内是如何组装的，如何与其它基因发生联系，如何表达和调控等。分离单个基因，对它DNA进行测序，再对其中的某些碱基实行突变，然后还需要将基因送到受体细胞当中，看表达情况，以确定其功能。接受基因的受体细胞要产生再生植株，就需要通过组织培养的方法才能实现。
9、利用组织培养的材料作为植物生物反应器中国的中草药是一份人类宝贵的财富，但很多种中草药资源匮乏，产量不足，甚至濒于灭绝。如果能利用组织和细胞培养的方法在实验室内生产，不再依附于自然环境，不仅可以解决现有困难，而且可以通过筛选高产有效成分的细胞系，来提高其药用价值。比如用培养的人参悬浮细胞，来生产人参皂苷，已在日本等国家形成规模。利用培养的植物细胞和组织细胞作为生物反应器，也可以生产某些蛋白质、氨基酸、抗生素、疫苗等，如用生食蔬菜生产乙肝疫苗正在实验中。
10、用于其它未知科学的研究 现代科学发展非常迅速，很多现在预想不到的事情都有可能发生，新发明、新发现、新创造层出不穷，今天认为不可能的东西明天就可能变成现实。植物组织培养也同样具有许多尚未发掘出的潜力，说不定有一天人们会在三角瓶内种出大南瓜。
总之，现在的植物组织培养仍然处于发展阶段，远远没有达到它的高峰期，很多机理人们还没有搞清楚，它的潜力还远远没有发挥出来。相信在今后的几十年内，组织培养将会有更大的发展，在农业、制药业、加工业等方面将会发挥更大的作用，创造出更大的经济效益。

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