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第三章植物组织培养的基本原理主要内容植物细胞全能性和细胞分化离体条件下植物器官的发生第一节植物细胞全能性和细胞分化一植物细胞全能性二、植物细胞分化植物细胞全能性细胞学说1902年，Haberlandt提出了植物细胞的全能性理论：植物的体细胞在适当条件下，具有不断分裂和繁殖，发育成完整植株的能力。70年代：细胞全能性：每一个细胞具有该植物的全部遗传信息，具有发育成完整植株的能力。80年代：每一个植物细胞带有该植物的全部遗传信息，在适当条件下可表达出该细胞的所有遗传信息，分化出植物有机体所有不同类型的细胞，形成不同类型的器官甚至胚状体，直至形成完整的植株。一些高度分化的植物细胞如筛管和木质部细胞目前暂时不能表现出细胞全能性。全能性表达最有利的证据是：通过胚状体分化形成完整植株。当离体培养时，这些细胞（组织、器官）生命特征属性的表现过程和形式都将发生变化1新陈代谢方面：培养基2.调控能力方面：异养3.生长发育和繁殖方面：细胞脱分化，体细胞胚发生。4.在遗传进化方面：变异性增加二、植物细胞分化分化：指植物体各个部分出现异质性的现象，包括细胞分化、组织分化或器官分化等。细胞分化：指在个体发育过程中，不同部位的细胞的形态结构和生理功能发生改变，形成不同的组织和器官。细胞分化是发育生物学的核心问题，是基因选择性活化或阻遏的结果。5%-10%细胞分化的某些规律和机理1.可分为形态结构分化及生理生化分化；2.不存在部分基因组永久关闭的情况；3.离体培养可通过脱分化来丧失“细胞发育的决定”4.极性与分化密切相关；5.生理隔离或机械隔离在细胞分化中的促进作用；6.细胞分裂对细胞分化具有重要作用；7.植物生长调节剂对细胞分化具有明显的调节作用；8.细胞核染色体和DNA的变化对细胞分化的作用；第二节离体条件下植物器官的发生一、脱分化和再分化二、影响细胞脱分化和再分化的因素一、脱分化和再分化（一）脱分化1.定义脱分化（dedifferentiaton）：去分化，指离体培养条件下生长的细胞、组织或器官经过细胞分裂或不分裂逐渐失去原来的结构和功能而恢复分生状态，形成无组织结构的细胞团或愈伤组织或成为未分化细胞特性的细胞的过程。2.脱分化种类1）通过细胞分裂形成细胞团或愈伤组织；2）本身细胞恢复分生状态，即可再分化。脱分化也为植物界常有的现象3.脱分化的机理尚未清楚，诱导脱分化期间细胞学以及生理生化方面的变化：以下变化改变了细胞原有的生理状态，引起细胞分裂膜透性改变细胞核增大内质网范围扩大多核糖体形成气体交换率增加不同基因活化引起生长激素的分解或合成过氧化物酶增加蛋白和酚类物质合成活跃乙烯产物增加（二）再分化1.定义再分化（redifferentiaton）：离体培养的植物细胞和组织可以由脱分化状态重新进行分化，形成另一种或几种类型的细胞、组织、器官、甚至形成完整的植株的现象。2.再分化的分类1）细胞水平的再分化：2）组织水平的再分化：3）器官水平的再分化：4）植株再生：1.细胞水平的再分化：细胞壁变厚、假导管细胞的形成及酶水平的变化，从而形成各种类型的细胞。2.组织水平的再分化：当愈伤组织在高水平生长素条件下，最常见的是维管组织的分化。松散的愈伤组织内含有大量拟分生组织或瘤状结构；致密的愈伤组织内组织分化很少。3）器官水平的再分化：又称器官发生，指再分化的组织可形成各种器官，如根、茎或芽、叶、花以及多种变态的器官。器官发生根据起源的不同可以分为：器官型：由外植体的细胞形成器官原基，继而发育成器官器官发生型：先形成愈伤组织，由愈伤组织产生不同的器官原基。离体培养下的器官原基的形成过程：外植体脱分化分生细胞团分化成不同的器官原基在器官纵轴上出现单向性形成愈伤组织分化成维管组织4）植株再生：离体培养再生植株的主要途径是器官发生和胚胎发生。器官发生：根、茎或芽的器官发生原球茎发生（兰花）绿色球状体的发生（蕨类植物）茎原基发生（菊科）胚胎发生根和茎或芽器官的发生可使植株重建，有三种形式（1）先形成芽，芽的基部长根形成小植株；（2）先形成根，根上再出芽。（3）愈伤组织的不同部位分别形成芽和根，然后形成维管组织把两者结合起来形成一个植株。一般离体培养物中先形成芽后较易形成根。原球茎是兰科植物的一种再生方式,它最初是指兰花种子萌发过程中的形态学构造,《植物生物学词典》(1994年)中将之定义为植株基部由一团尚未分化的薄壁细胞组成的上端有顶端生长点和叶原基,下端有很多不定根、初具球茎形态的球状体,可理解为缩短的、呈珠粒状的、由胚性细胞组成的、类似嫩茎的原器官。另外,在兰科植物的组织培养中通过诱导适宜的外植体也能产生一些类似于原球茎的结构,通常把这种结构称为类原球茎或拟原球茎(protocormlikebodies),即PLBs。兰花的原球茎生命力强，遗传性状稳定，对快速繁殖及种质资源保存极为有利。外植体接种后放置在23一25度的黑暗条件下培养，1～2个月后可分比出1至数个乳白色的原球茎，在解剖镜下观察类似桑果形状的园球突起，以后转绿，再经培养易呈根状茎（或呈树枝状的丛生形）。二、影响细胞脱分化和再分化的因素（一）影响细胞脱分化的因素植物离体培养中，细胞脱分化与外植体本身以及环境条件有关，影响因素主要有：1.损伤;刺激增殖，生命的自我调节方式。2.生长调节剂;3.光照;弱光或黑暗有利于脱分化的细胞分裂。4.细胞位置;5.外植体的生理状态;不同年龄不同季节6.植物种类差异;双子叶易于单子叶植物（二）影响细胞再分化的因素虽然理论上各种植物体的活细胞都具有全能性，但实际上，目前还不能让所有植物的所有活细胞都再生植株。主要原因：1.不同植物种类再分化的能力差异很大；2.对某些植物的植株再生条件还没有完全掌握。影响因素与脱分化基本一样。三、愈伤组织1.定义愈伤组织：植物细胞脱分化而不断增殖形成的，主要由薄壁细胞构成的非器官化组织或不定组织。愈伤组织的颜色透明、质地疏松。愈伤组织具有结构的不均一性和生理和遗传上的不稳定性茎端上的愈伤组织2.愈伤组织形成的条件离体培养条件（尤其是激素的种类和浓度，常用的生长素是2，4－D，IAA和NAA，常用的细胞分裂素是KT和6－BA）外植体类型（木本植物中的幼态或成年态）外植体原来在植株上所处的位置（它反映了内源激素的水平）（图）不同类型细胞脱分化过程可能进行的程度图3.愈伤组织形成的过程诱导期分裂期分化期诱导期诱导期是外植体细胞进行分裂准备的时期。特点：在这一时期外植体细胞大小没有多大变化，但细胞内合成代谢活跃，RNA含量迅速增加，细胞核体积明显增大。时间长短与物种相关分裂期细胞分裂的速度大大超过了细胞伸展的速率，细胞体积迅速变小，逐渐回复到分生状态。细胞进行脱分化。特点：细胞分裂快；结构疏松；颜色浅而透明；缺少有结构的组织。更换培养基可无限增殖。分化期–细胞发生生理代谢变化而形成有不同形态和功能的细胞形成的愈伤组织。–特点：出现形态各异的细胞愈伤组织形成过程中各期细胞形态和RNA含量的变化4.愈伤组织增殖将诱导形成的愈伤组织转接到新鲜的培养基上时，愈伤组织就会进一步增殖生长，生长一段时间以后，又必须重新将愈伤组织切割成一定大小的愈伤组织块，转接到新鲜的培养基上继续增殖。转接必须及时，因为愈伤组织的生长基本符合s形生长曲线。5.愈伤组织培养的影响因素外植体：一般而言，分生细胞和薄壁细胞较易诱导出愈伤组织。培养基：一般选择盐浓度较高的基本培养基如MS，B5及它们的改良培养基来进行愈伤组织的诱导；一般采用固体培养基，但也可在液体培养基中进行振荡培养；一般高的生长素浓度（特别是2，4－D）和低的CK浓度有利于愈伤组织的诱导和增殖培养条件：光照、温度总结通过本章学习–理解细胞全能性的概念–掌握愈伤组织形成的条件、愈伤组织状态的调控–了解愈伤组织形成的过程、愈伤组织增殖方式–了解影响细胞分化和器官分化的因素–掌握茎芽分化的细胞学知识和器官发生途径再生植株的基本方式