概　　述

知識目標：掌握植物組織培養的基本概念、理論基礎、途徑和類型、植物組織培養的意義以及植物組織培養實驗室的管理任務。

重點難點：植物組織培養的類型和途徑。

植物組織培養是現代生物技術的基礎和重要組成部分，也是植物生物技術中應用最廣泛的技術，并且逐漸形成產業化，為種苗快速繁殖（簡稱“快繁”）、脫毒苗培育、突變篩選培育、植物工廠化生產、種質保存和植物基因庫建立等方面開辟了新途徑，并廣泛應用于工、農、林、醫等領域，取得了顯著的成效。

一、植物組織培養的基本概念

1．植物組織培養

廣義的植物組織培養就是指在無菌條件下，將離體的植物器官（如根、莖、葉、莖尖、花、果等）、組織（如形成層、表皮、皮層、髓部細胞、胚乳等）、細胞（如大孢子、小孢子及體細胞）、愈傷組織及原生質體，在人工控制的環境里培養，使其再生形成完整的植株。狹義的植物組織培養是指在無菌條件下利用人工培養基對植物組織或器官進行培養，使其再生為完整植株。組織培養也稱離體培養。

2．外植體

從植物體上切取分離下來進行無菌培養的部分稱外植體。

3．接種

在無菌條件下將外植體插到培養基上的過程稱為接種。

4．繼代培養

植物的組織、器官或細胞在培養基（或培養液）上生長一段時間后轉移到新的培養基上繼續培養的過程稱為繼代培養。

5．植物細胞的分化

所謂細胞分化，就是由于細胞的分工而導致的細胞結構和功能的改變，或發育方式改變的過程。

6．植物細胞的脫分化

細胞分化使植物細胞成為結構和功能特征特異的成熟細胞，這些成熟細胞即使已經高度成熟和分化，也還有恢復到分生狀態的能力。一個成熟細胞轉變為分生組織狀態或胚性細胞狀態的過程就是細胞脫分化。

7．愈傷組織

在人工培養基上，由外植體長出來的一團無序生長的薄壁細胞是脫分化后的細胞，經過細胞分裂產生的無組織結構、無明顯極性、松散的細胞團稱為愈傷組織。愈傷組織細胞大而不規則，高度液泡化，沒有次生細胞壁和胞間連絲。

8．植物細胞的再分化

細胞再分化是指脫分化后的分生細胞（愈傷組織）在特定的條件（離體培養）下，重新恢復細胞分化能力，并經歷器官發生形成單極性的芽或根，或經歷胚胎發生形成雙極性的胚狀體，進一步發育成完整植物體，這一過程稱為細胞再分化。

9．植物細胞的全能性

植物細胞的全能性是指植物體內任何具有完整細胞核的細胞都包含著該物種的全部遺傳信息（即一套完整的基因組），并具有發育成完整植株的能力。

10．脫毒

脫毒指去除植物體內病毒，獲得無病毒植株。莖尖脫毒法，是利用病毒在植株體內分布不平衡的特點，在莖尖生長點處切取0.1～0.2mm，經組織培養、病毒鑒定，生產脫病毒植株的方法。

二、植物組織培養的發展簡史與研究動態

（一）植物組織培養的發展簡史

植物組織培養的研究可以追溯到20世紀初期，根據其發展情況，大體可分為以下三個階段。

1．萌芽階段（從20世紀初至30年代中）

根據Schleiden和Schwann的細胞學說，1902年德國植物生理學家Haberlandt提出了細胞全能性理論，認為在適當的條件下，離體的植物細胞具有不斷分裂和繁殖并發育成完整植株的潛在能力。為了證實這一觀點，他在Knop培養液中離體培養野芝麻、鳳眼蘭的柵欄組織和虎眼萬年青屬植物的表皮細胞。由于選擇的實驗材料高度分化和培養基過于簡單，他只觀察到細胞的增長，并沒有觀察到細胞分裂。但這一理論對植物組織培養的發展起了先導作用，激勵后人繼續探索和追求。1904年Hanning在無機鹽和蔗糖溶液中對蘿卜和辣根菜的胚進行培養，結果發現離體胚可以充分發育成熟，并提前萌發形成小苗。1922年，Haberlandt的學生Kotte和美國的Robins在含有無機鹽、葡萄糖、多種氨基酸和瓊脂的培養基上培養豌豆、玉米和棉花的莖尖與根尖，發現離體培養的組織可進行有限的生長，形成缺綠的葉和根。1925年Laibach將亞麻種間雜交不能成活的胚取出來培養，使雜種胚成熟，繼而萌發成苗。

2．奠基階段（從20世紀30年代末至50年代中）

在萌芽階段的基礎上，人們將植物組織培養的各個方面進行了大量研究，從而為植物組織培養的快速發展和應用奠定了基礎。1934年，美國植物生理學家White在由無機鹽、蔗糖和酵母提取液組成的培養基上進行番茄根離體培養，建立了第一個活躍生長的無性繁殖系，使根的離體培養實驗獲得了真正的成功，并在以后的28年間反復轉移到新鮮培養基中繼代培養了1600代。1937年White又以小麥根尖為材料，研究了光照、溫度、培養基組成等各種培養條件對生長的影響，發現了B族維生素對離體根生長的作用，并用吡哆醇、硫胺素、煙酸3種B族維生素取代酵母提取液，建立了第一個由已知化合物組成的綜合培養基，該培養基后來被定名為White培養基。與此同時，法國的Gautherer在研究山毛柳和黑楊等形成層的組織培養實驗中，提出了B族維生素和生長素對組織培養的重要意義，并于1939年連續培養胡蘿卜根形成層獲得首次成功，Nobecourt也由胡蘿卜建立了與上述類似的連續生長的組織培養物。

White于1943年出版了《植物組織培養手冊》專著，使植物組織培養開始成為一門新興的學科。因此，White、Gautherer和Nobecourt 3位科學家被譽為植物組織培養學科的奠基人，而White 被譽為“植物組織培養之父”。

1944年，美國的Skoog用煙草愈傷組織研究器官發生，他觀察到生長素對根的促進作用，同時對芽的形成也有抑制作用，而這種抑制作用可部分地為有機磷酸鹽和蔗糖所克服。1948年，Skoog和我國學者崔徵在煙草莖切段和髓的培養及其器官形成的研究中，發現腺嘌呤或腺苷可以解除培養基中生長素IAA對芽的抑制作用，而使煙草莖段誘導形成芽，從而確定了腺嘌呤/生長素的比例是控制芽和根形成的主要因素之一。1955年，Miller和Skoog在鯡魚精子提取物中發現激動素，它能促進芽的形成，效果比腺嘌呤強約3萬倍。1957年，Skoog和他的同事又發現了生長素與激動素不同配比對植物生長和分化的作用，即激動素/生長素的比例高則形成芽，而比例低則形成根。從此在植物離體培養中，建立起了器官分化的激素配比模式。這一規律的發現，不僅在植物離體培養中具有極其重要的意義，而且還揭示了植物生長發育生理學中的一個奧秘。

3．快速發展和應用階段（從20世紀50年代末至今）

自從影響植物細胞分裂和器官形成的機制被揭示后，植物組織培養進入了快速發展階段，在這個時期前后，研究者們從大量的物種誘導獲得再生植株，并廣泛應用于園藝和農業生產。單倍體育種、無菌苗的獲得、快速繁殖等均是這個階段的成就。

1958年，英國學者Steward在美國將胡蘿卜髓細胞通過體細胞胚胎發生途徑培養成為完整的植株。這是人們第一次實現人工體細胞胚，使Haberlandt的愿望得以實現，同時也證明了植物細胞的全能性。這是植物組織培養的第一個突破，他對植物組織和細胞培養產生了深遠的影響。1960年，英國學者Cocking用酶法分離原生質體成功，開創了植物原生質體培養和體細胞雜交的先河，這是植物組織培養的第二個突破。同年，Morel等培養蘭花的莖尖，獲得了快速繁殖的脫毒蘭花。其后，世界各地先后開始了蘭花快速繁殖工作，并形成了“蘭花產業”。在“蘭花產業”高效益的刺激下，植物離體快速繁殖和脫毒技術得到了快速發展，實現了試管苗產業化。目前這一技術已在國內外大量應用，香蕉、甘蔗等不少作物均是這一技術直接應用的結果，取得了巨大的社會效益和經濟效益。

1962年Murashige和Skoog發表了適用于煙草愈傷組織快速生長的改良培養基，也就是現在廣泛使用的MS培養基。1964年印度Guha等成功地在毛葉曼陀羅花藥培養中，由花粉誘導得到單倍體植株，從而促進了花藥和花粉培養的研究。1971年Takebe等在煙草上首次由原生質體獲得了再生植株，這不僅證實了原生質體同樣具有全能性，而且在實踐上為外源基因的導入提供了理想的受體材料。1972年Carlson等利用硝酸鈉進行了兩個煙草物種之間原生質體的融合，獲得了第一個體細胞種間雜種植株。1974年Kao等建立了原生質體的高鈣、高pH的PEG融合法，把植物體細胞雜交技術推向新階段。

隨著分子遺傳學和植物基因工程的迅速發展，以植物組織培養為基礎的植物基因轉化技術得到了廣泛應用，并取得了豐碩成果。

1983年Zambryski等采用根癌農桿菌介導轉化煙草，獲得了首例轉基因植物；1984年Paskowski等利用質粒轉化煙草原生質體獲得成功；1985年Horsch等建立了農桿菌介導的葉盤法；1987年，Sanford發明了基因槍法用于單子葉植物的遺傳轉化。迄今為止，相繼獲得了水稻、棉花、玉米、小麥、大麥和番茄等轉基因植物，已育成了一批抗病、抗蟲、抗除草劑、抗逆境的優質轉基因植物。其中有的開始在生產上大面積推廣使用。轉基因技術的發展和應用表明組織培養技術的研究已開始深入到細胞和分子水平。

在組培苗快速繁殖方面，全世界的組培苗從1985年的1.3億株猛增到1991年的5.13億株，2000年全球生產的植物組培苗超過15億株。組培苗的年生產量每年以10%～15%的速率遞增，但需求仍超過生產，為組培產業留下了足夠的發展空間。

（二）植物組織培養的研究動態

目前，植物組織培養技術研究取得了巨大的進展，也取得了明顯的社會效益和經濟效益，其研究領域主要包括以下幾個方面。

1．脫毒及快速繁殖

植物脫毒與快速繁殖（簡稱“快繁”）是目前植物組織培養應用最多、最廣泛和最有效的技術，主要進行莖尖培養以脫除病毒。對于脫毒苗、新育成、新引進、稀缺良種、優良單株、瀕危植物和基因工程植株等可通過離體快速繁殖，同時不受地區、氣候的影響，比常規方法的擴大繁殖快數萬倍到數百萬倍，可及時提供大量優質種苗?，F今世界上已建成許多年產百萬苗木的工廠和數十萬苗木的商業性實驗室及組培作坊。一個新育成的品種問世后，兩年即可在生產上廣泛應用。馬鈴薯莖尖脫毒、無毒種苗和微型脫毒種薯已在馬鈴薯生產上廣泛應用，從根本上解決了馬鈴薯品種退化問題?，F今觀賞植物、園藝作物、經濟林木、無性繁殖作物等部分或大部分用離體快繁提供苗木。

2．植物育種

（1）單倍體育種　單倍體植株往往不能結實，難以進行繁殖。在培養中用秋水仙素處理，可使染色體加倍成純合二倍體。這種培養技術在育種上的應用多為單倍體育種。單倍體育種具有高速、高效、基因型一次純合等優點。因此，通過花藥或花粉培養的單倍體育種已成為一種新的育種手段。目前通過花藥培養，加速后代純合、快速組合多種性狀、縮短育種進程、簡化選育程序已育成一大批高產優質品種并在生產上得到應用。我國在水稻和小麥上選育的品種就達100多個，推廣面積已超過數百萬畝。又如通過體細胞無性系變異、突變體選育，已培育出有利用價值的特殊品種或材料。

（2）制作“人工種子”　在國際上一個新的研究動向是人工種子的試驗。所謂人工種子，是指以胚狀體為材料，經過人工薄膜包裝的種子，在適宜條件下可萌發長成幼苗。人工種子不但可以克服雜交后胚的衰亡，保證種內或種間雜交的成功，還可以克服種子的休眠和敗育，一般用于無性繁殖困難的植物的培養。據美國遺傳公司報道，美國科學家已成功地把芹菜、苜蓿、花椰菜的胚狀體包裝成人工種子，并得到較高的萌發率，已生產并投放市場。我國科學工作者也已成功地研制出水稻人工種子。可見，組織培養將在遺傳育種、作物改良和改革作物栽培中獲得更大的成效。

（3）培養細胞突變體　在組織培養過程中，細胞處于不斷分生狀態，易受培養條件和外界環境（如放射、化學物質）的影響而產生誘變，從中可以篩選出對人們有利的突變體，從而培育新品種。如抗寒性、耐鹽堿性突變新品種的培育。

（4）細胞融合　通過植物原生質體的融合，可以克服有性雜交不親和性而獲得體細胞雜種，從而創造出新種群或育成優良品種。目前采用細胞融合方法已培育出多種植物新品種。

（5）基因工程　利用植物組織培養技術建立植物的遺傳再生體系，是轉基因育種的關鍵所在。在1990年，我國自行研制的抗煙草花葉病毒煙草在遼寧進行了商業化種植，成為世界上第一例商業化生產轉基因植株。目前，我國轉基因植株研發的整體水平在發展中國家處于領先地位，在一些領域已經進入國際先進行列。

3．細胞大量培養與有用次生代謝產物生產

細胞大量培養有用次生代謝產物是植物的細胞工程另一個重要應用領域。它是通過細胞工程技術，刺激植物體內某些重要次生代謝產物的合成和積累，然后進行分離、提純，如某些名貴藥物、香精、色素等，以實現植物產品的工業化生產。

早在1964年我國就開始進行人參細胞培養。1980年以后，我國研究者相繼開展了紫草、三七、紅豆杉、青蒿、紅景天和水母雪蓮等植物的細胞大量培養和研究，并利用生物反應器進行藥用植物細胞大量培養的小試和中試。其中新疆紫草中試的規模達到100L，并小批量生產了紫草素，用于研制化妝品及抗菌、抗病毒和抗腫瘤藥物。紅豆杉細胞大量培養在我國也獲得初步成功，從細胞培養物中得到了珍貴的抗癌藥物紫杉醇，但產率還有待提高。

4．植物種質資源的保持和交換

植物資源及其保存有兩大難題，一是遺傳資源日趨枯竭，造成有益基因的喪失；二是常規保存耗資巨大，且往往達不到萬無一失的目的。植物組織培養為種質的保存提供了新方法。很多種質資源在離體培養條件下，通過減緩生長和低溫處理達到長期保存的目的，可大大節約人力、物力和土地，并可進行不同國家、地區間的種質資源收集、互換、保存和應用，即建立“基因銀行”，實現種質資源的全球共享。例如，在比利時Catholic University的Leuven研究中心有大量離體保存的香蕉種質庫。

5．新技術的開發

（1）開放組培技術　植物開放式組織培養，簡稱開放組培，是在使用抗菌劑的條件下，使植物組織培養脫離嚴格無菌的操作環境，不需高壓滅菌和超凈工作臺，利用塑料杯代替組培瓶，在自然開放的有菌環境中進行植物的組織培養，從根本上簡化組培環節，降低組培成本。

開放組培與傳統組培主要不同在于培養基，以解決培養基的污染問題。而改造培養基的關鍵是要找到一種或幾種能夠添加到培養基的廣譜性抗菌劑。崔剛等采用中醫理論，從多種植物中提取具有殺菌、抗菌活性的物質，成功研制出了具有廣譜性殺菌能力的抗菌劑，并對其有效濃度和使用方法做了大量探索性試驗， 取得了理想的效果?，F已有研究報道，通過開放組培方法成功建立了葡萄外植體的開放性培養。

（2）無糖組培技術　無糖組培技術又稱為光獨立培養法，這種方法解決了污染率高的問題。由于傳統的組培技術中使用的是含糖培養基，雜菌很容易侵入， 造成培養基的污染。而為了防止雜菌的侵入，傳統方法常常將培養容器密閉，這樣則造成培養植物生長緩慢，并且容易出現形態和生理異常，同時增加了費用。然而這些問題隨著無糖組培技術的出現得到了解決，原因在于這種技術將大田溫室環境控制的原理引入到常規組織培養的應用中，用CO₂ 氣體代替培養基中的糖作為組培苗生長的碳源， 采用人工環境控制的手段，提供適宜不同種類組培苗生長的光、溫度、水、氣、CO₂濃度、營養等條件，促進植株的光合作用，從而促進植物的生長發育，達到快速繁殖優質種苗的目的。

無糖培養法具有很多優勢，如可大量生產遺傳一致、生理一致、發育正常、無病毒的組培苗，可縮短馴化時間，減少了因污染引起的植物損失； 光合成和生根得以促進，可減少生根植物生長調節劑的使用等。但無糖培養法對環境要求較高，若無糖組培環境不能被控制并達到一定的精度，將會嚴重影響組培苗的質量和經濟效益。昆明環境科學研究所對非洲菊等多種植物進行了無糖培養技術的研究，開發了大型的培養容器和CO₂ 強制性供氣系統應用于生產，并取得了一定的效果。

（3）新型光源的應用　光是影響植物生長發育的重要因素之一，光質對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝及基因表達均有調控作用。因此，新型的照明光源發光二極管（light emitting diode，LED）應運而生，其波長正好與植物光合和光形態建成的光譜范圍吻合，光能有效利用率可達80%～90%，并能對不同光質和發光強度實現單獨控制。

最新研究發現，光質比例和光照強度可調的LED光源比通常植物組織培養使用的熒光燈更能有效地促進試管苗的光合作用和生長發育。因此在植物組織培養中采用LED 提供照明、調控光質和光合光量子通量密度，不僅能夠調控組培植物的生長發育和形態建成、縮短培養周期，還能節約能耗、降低生產成本。除此之外，LED 還具有體積小、壽命長、耗能低、波長固定、發熱低等優點，而且還能根據植物的生長需要進行發光光譜的精確配置，實現傳統光源無法替代的節能、環保和空間高效利用等功能。

但目前，對LED的研究主要集中在光質和光強對組培苗生長的影響方面，而對光周期的研究較少。LED 在農業和生物領域的應用已經顯示出旺盛的活力和巨大的應用潛力。隨著半導體光源工程的啟動、LED 技術的不斷成熟、制造成本的逐漸降低及國家對節能工程的進一步重視，相信的不久的將來LED 會在農業與生物的眾多領域得到更廣泛的應用。除了LED光源外，冷陰極熒光燈（CCLF）也開始受到人們的關注，其在植物組織培養方面的應用研究正在進行中。

總之，植物組織培養技術是生物技術的重要組成部分，它給遺傳學、細胞學、植物生理生化、病理學等研究提供了條件和方法，同時它又是一門年輕而富有生命力的科學，已取得了舉世矚目的進展，相信今后會對生物學、遺傳學、植物育種學，以及農業、工業生產帶來巨大的影響。

（三）我國規?；?、企業化組織培養的特點和問題

1．我國規?；?、企業化組織培養的特點

（1）繁殖速度快　植物組織培養技術可大量節約繁殖材料。繁殖時，只取原材料上的一小塊組織或器官就能在短期內生產出大量市場所需的優質苗木，每年可以繁殖出幾萬甚至數百萬的小植株，既不損傷原材料，又可獲得較高的經濟效益。

（2）繁殖方式多　有短枝扦插、芽增殖、原球莖、器官分化和胚狀體發生等繁殖方式，適用品種多。據文獻報道，組培成功的植物種類達1500多種，其中實現產業化生產的有幾百種。該技術特別適于不能通過扦插繁殖植物的快速繁殖，如蘭花、百合、非洲菊等。雖然木本植物的組培比草本要難，但通過科研人員的努力，已在楊樹、桉樹等植物上獲得了成功。

（3）繁殖后代整齊一致　植物組織培養技術是一種微型的無性繁殖，它取材于同一個體的體細胞而不是性細胞，因此其后代遺傳性非常一致，能保持原有品種的優良性狀，對保質、保純有著特殊的作用，可獲得大量統一規格、高質量的苗木，苗木商品性好。

（4）可獲得無毒苗　采用莖尖培養的方法，或結合熱處理除去絕大多數植物的病毒、真菌和細菌，可以使植株生長勢強、花朵增大、色澤鮮艷、抗逆能力提高、產花數量增加。

（5）可進行周年工廠化生產　植物組織培養技術是在人工控制條件下進行的集約化生產，不受自然環境中季節及惡劣天氣的影響，可全年進行連續生產，生產效率高。從取材→接種→培養→生根→移栽，可像工廠一樣生產，所以這一技術的應用被稱為農業領域的一次“革命”，對反季節生產有著特殊的作用，如不耐高溫的倒掛金鐘、四季海棠等花卉，可在夏天培養室內進行組培苗生產，秋天進行花卉生產。

（6）經濟效益高　花卉組織培養快速繁殖的種苗是在培養瓶中生長的，立體擺放，所需空間小，節省土地，可按一定的程序嚴格生產。生產過程可以微型化、精密化，能夠最大限度地發揮人力、物力和財力，取得很高的生產效率。如在200m²的培養室內，每年可生產試管苗上百萬株，若按1元/株計算，每年產值可達上百萬元。

2．在生產應用中存在的問題

（1）生產經營成本高　由于植物組織培養生產必須在無菌的條件下進行，因此生產建設成本、設備成本都比較高，另外用于滅菌、日光燈補光等能量消耗也較大，導致生產成本費用偏高。在進行組培作業時，可通過選擇高效益、名特優、珍稀等植物進行組培商品化生產，進而獲得更高的經濟效益。

（2）成活率較低　植物外植體在組織培養過程中， 許多環境因素（如光照、CO₂ 濃度、溫度、相對濕度和培養基組成成分等）對試管苗的生長發育有較大影響。在相對密閉的培養容器中，容器內外環境差異極大。傳統組培容器環境特征使得在其內生長的組培苗蒸騰速率下降， 光合作用能力低下， 水、CO₂及其他營養成分的吸收率低， 暗期呼吸作用增強， 受污染的機會增加，導致組培苗的生長緩慢、 損失率高。另外，馴化階段的小苗存活率低，難以實現規?；a， 試管苗不生根或生根率低；外源激素的使用， 可能導致苗的變異， 由此造成繁殖周期不穩定、生產計劃難以安排。通過培育健壯的組培苗、調控環境因素、選擇適宜的基質，可以使組培苗移栽成活率達到90%以上。

（3）理論研究和生產技術相對落后　我國組織培養技術用于商品開發起步較晚、設備落后、理論研究不夠透徹、研發項目不多、技術應用更少。在推廣應用環節存在普及深度不夠的問題，如目前組織培養的研究只局限于較大的科研單位，與新品種選育結合得不緊密。而許多較大的苗木公司及個體經營者又沒有真正認識到組織培養的意義，寧愿投入大量資金購買組培苗，也不愿引進技術、設備、人才來武裝壯大自己。

總之，我國的組織培養技術相對于國外來說，還只是處于初步發展階段，組培技術尚不成熟。但是，隨著我國科研水平的不斷快速發展，相信在不久的將來會有更多的科研成果用于生產。

三、植物組織培養的理論基礎

離體培養的植物器官、組織或細胞之所以經培養能夠再生出完整植株，其原因在于植物細胞具有全能性。植物細胞的全能性是指植物體內任何具有完整的細胞核的細胞都擁有形成一個完整植株所必需的全部遺傳信息（即一套完整的基因組），并具有發育成完整植株的能力。受精卵或高度分化的植物細胞仍然具有形成完整生物體的能力。

高度分化的植物體細胞具有全能性，植物細胞在離體的情況下，在一定的營養物質、激素和其他適宜的外界條件下，才能表現其全能性。

植物體是從受精卵經過有絲分裂和分化產生的。受精卵具有本種植物所特有的全部遺傳信息。因此，植物體內的每一個體細胞也都具有和受精卵完全一樣的DNA。當這些細胞在植物體內的時候，由于受到所在器官和組織環境的束縛，其分化受到各方面的調控，某些基因受到控制或阻遏，致使其所具有的遺傳信息得不到全部表達，僅僅表現一定的形態與生理功能。可是它們的遺傳潛力并沒有喪失，當脫離了原來器官組織的束縛，成為游離狀態，在一定的營養條件和植物激素的誘導下，細胞的全能性就能表現出來。于是就像一個受精卵那樣，由單個細胞形成愈傷組織然后成為胚狀體，再進而長成一棵完整的植株。所以離體培養的理論基礎是由于植物細胞具有全能性。

要實現植物細胞的全能性，必須具備的條件：一是體細胞與完整植株分離，脫離完整植株的控制；二是創造理想的適于細胞生長和分化的環境，包括營養、激素、光照、溫度、氧氣、濕度等因子。植物的離體組織、器官、細胞或原生質體在無菌、適宜的人工培養基和培養條件下培養，滿足了細胞全能性表達的條件，才能使離體培養材料發育成完整植株。

19世紀30年代，德國植物學家施萊登（M.J.Schleiden）和德國動物學家施旺（T.Schwann）創立了細胞學說，根據這一學說，如果給細胞提供和生物體內一樣的條件，每個細胞都應該能夠獨立生活。1902年，德國植物學家哈伯蘭特（Haberlandt）預言植物細胞的“全能性”。為了證實這個預言，他用高等植物的葉肉細胞、髓細胞、腺毛、雄蕊毛、氣孔保衛細胞、表皮細胞等多種細胞放置在自制的培養基中，但是沒有成功。1937年，美國科學家懷特（White）配制出了植物懷特培養基，培養番茄根尖切段，長出了愈傷組織。以后許多科學家為證實這一論斷做了不懈的努力。1958年，美國植物學家斯圖爾德（F.C.Steward）等，用胡蘿卜韌皮部的細胞進行培養，終于得到了完整植株，并且這一植株能夠開花結實，證實了哈伯蘭特在五十多年前關于細胞全能性的預言；1964年，Cuba和Mabesbwari利用毛葉曼陀羅的花藥培育出單倍體植株；1969年Nitch將煙草的單個單倍體孢子培養成了完整的單倍體植株；1970年Steward用懸浮培養的胡蘿卜單個細胞培養成了可育的植株。至此，經過科學家們五十余年的不斷試驗，植物分化細胞的全能性得到了充分論證，建立在此基礎上的組織培養技術也得到了迅速發展。

四、植物組織培養的途徑和類型

（一）植物組織培養途徑

利用組織培養進行無性繁殖大體可經過下列五種途徑。

1．器官型

由離體的莖尖、花芽、花絲、花托、鱗片等組織上直接產生小植株。往往在形成小苗（芽）的同時或之前也形成少量的愈傷組織。如以側芽分化和增殖的有菊花、倒掛金鐘；以芽和葉的周圍分化出芽的有羅漢果、鳳梨等；以鱗片分化芽或小鱗莖的有風信子、百合、水仙等；也有由萌發種子的頂芽及腋芽產生叢生芽的如黃金瓜等。

2．器官發生型

由外植體（莖、葉、愈傷組織等）先誘導愈傷組織，再從愈傷組織中分化出不定芽和根，形成再生植株。外植體在培養基上逐漸長大，形成愈傷組織，移入分化培養基，愈傷組織由疏松變成硬結從中分化出芽。

3．胚胎發生型

外植體（葉、愈傷組織等）通過培養分化出胚狀體，經球形期、心形期、魚雷期和子葉期發育成再生植株。如胡蘿卜體細胞培養、油茶和茶葉的子葉培養經胚狀體途徑形成再生植株；煙草花藥培養通過胚狀體發育形成單倍體植物。

4．原球莖

外植體經原球莖途徑分化形成植株。大部分蘭花培養屬于這一類。蘭花的莖尖、側芽可直接分化出原球莖，形成桑果狀的圓球突起，將其切成數塊經培養又可產生新的原球莖，由原球莖萌發出小植株，因此這種方法繁殖系數很高。原球莖最初是種子發芽過程中的一種形態學構造，種子萌發初期并不出根，只是胚逐漸膨大，以后種皮的一端破裂，脹大的胚呈球狀。原球莖即為縮短的、呈珠粒狀的、由胚性細胞組成的嫩莖器官。

5．無菌短枝扦插

用已發育或去除頂芽后萌發的腋芽，連同短枝進行消毒，在無菌條件下培養，使其生長并誘導生根，在較短時間內即可獲得植株，尤其對繁殖珍貴的優良樹種或花卉品種是較為簡單的方法。

（二）植物組織培養類型

因劃分依據不同，植物組織培養的類型有多種。

1．按所用培養基類型劃分

（1）固體培養　即將植物材料接種在加有凝固劑（如瓊脂）的培養基中進行培養的方法稱為固體培養。固體培養因其操作簡便，成本較低，在生產中應用較為普遍。

（2）液體培養　即將植物材料置于不加凝固劑的培養基中進行培養的過程稱為液體培養。液體培養又可分為靜止培養、旋轉培養、紙橋培養、振蕩培養。

2．按培養的外植體劃分

（1）植株培養　對幼苗及較大的植株培養，包括扦插苗培養、種子苗培養。目的是提供適合接種的外植體或用于研究植物在某些培養基上的反應。

（2）胚胎培養　包括胚乳培養、胚珠培養、胚培養、未成熟的種胚培養，目的是克服敗育以及用于三倍體育種。

（3）器官培養　用根尖、根段、莖尖、莖段、葉片、鱗片、球根、花器官各部分以及未成熟的果實等進行培養。因此也可分別稱根系培養、葉片培養、莖段培養、花器培養、果實培養、種子培養等，快速繁殖通常采用這種類型。

（4）愈傷組織培養　從植物的各種器官外植體增殖而形成愈傷組織的培養。

（5）組織培養　對各種組織進行培養，如分生組織培養、薄壁組織培養等。

（6）細胞培養　用能保持較好分散性離體細胞或很小的細胞團進行的液體培養。

（7）原生質體培養　用機械、酸處理或酶溶解等方法去除細胞壁，分離原生質體進行培養。

3．按培養方法劃分

（1）細胞懸浮培養　即用液體培養基對保持良好的分散狀態的單個細胞或小的細胞聚集體在搖床上進行培養的方法，稱為細胞懸浮培養。

（2）單細胞培養　單細胞培養可分為三種，即看護培養、平板培養和微室培養。

4．按培養過程劃分

（1）初代培養　即將從植物體上分離下來的外植體進行第一次培養稱初代培養或第一代培養或啟動培養。

（2）繼代培養　即初代培養以后的某一階段，將培養物轉移到配方相同的新鮮培養基上進行培養稱為繼代培養。

五、植物組織培養的意義

植物組織培養是20世紀初，以植物生理學為基礎發展起來的一門新興技術，這項技術已在科研和生產上得到廣泛應用，成為舉世矚目的生物技術之一。組織培養條件可以控制，不受季節限制，因此可以全年連續生產。這對于生產有重要的現實意義。

1．無性系快速繁殖

利用組織培養技術可以實現優良無性系或單株迅速繁殖推廣，并且不改變其遺傳性，即保持原有的優良性不變。比如，一個蘭花莖尖經過一年組培繁殖可以獲得400萬株具有相同遺傳性的健康植株，這是其他任何方法都難以實現的。又如花葉芋這種植物，常規繁殖每年數量僅能增加幾倍到幾十倍，組織培養每年可繁殖出幾萬至數百萬倍的小植株。這種繁殖速度對于珍貴、優、新植物品種是非常有價值的。尤其是在市場競爭激烈的今天，在短時間內獲得大量商品價格較高的苗木，無疑會給生產者帶來巨額利潤。

2．去除病毒、真菌和細菌等病害

采用扦插、分株等營養繁殖的各種植物，都有可能感染一種或數種病毒或類病毒。長期無性繁殖，使病毒積累、危害加重、觀賞品質下降：如花變小、色澤暗淡、花量少等。脫去病毒后，植株生長勢強，花朵變大、色澤鮮艷，抗逆能力提高，產花數量上升。通常采用莖尖培養去病毒，這是因為在分生區內，細胞不斷分裂增生，病毒在植物體內的傳播速度沒有細胞分裂速度快，所以莖尖分生區內病毒含量極少或不含病毒。切取的莖尖越小，脫毒效果越好，然而外植體太小不易成活，太大不能脫毒，因此必須選擇大小適宜的外植體，才能達到脫毒的效果。這種方法也同時可以去除植物體內的真菌、細菌和線蟲。

3．培育新品種

花卉等植物在組織培養過程中發生芽變是極其普遍的，包括花色變異、花的大小變異、花期變異、葉色變異、染色體數量變異等，在組織培養過程中，一旦發生芽變，并將其繁殖成完整植株，就可能產生有特殊觀賞價值的新品種。

4．種質資源的保存

利用常規方法保存大量品種資源是一項耗資、耗時的巨大工程，又易丟失珍貴的品種資源。而借助試管來保存品種資源，既經濟又保險。如將葡萄莖段長成的小植株存放在試管中，溫度在9℃以下，植株便停止生長，每年只需轉管一次。800個葡萄品種，每品種6個重復，只需1m²的場所就放下了。

5．次生代謝物的生產

紫杉醇、黃酮類等具有良好抗癌作用的生物藥，通常是從天然或人工栽培的植株上分離提取，提取時常常要破壞植株，而紅豆杉和銀杏等又都是珍稀保護植物，因此，紫杉醇和黃酮類的生產受到極大限制。利用細胞培養技術可以大規模商品化生產，再從愈傷組織或細胞中分離提取紫杉醇或黃酮類物質，用這一途徑不需要再生植株和栽培過程，提取工藝簡單、產量高。在獲得大量生物藥的同時，又避免了植物資源的破壞。目前，細胞培養技術在世界范圍內已廣泛用于奇缺藥物的生產，并取得了一系列成果。此外，色素、芳香原料等也可以利用細胞懸浮培養來生產。