植物组织培养新技术研究进展

广东农业科学2009年第3期

植物组织培养新技术研究进展

李盟，高亦珂

（北京林业大学园林学院，北京100083）

摘要：综述了发光二极管作为光源，聚四氟乙烯树脂膜作为培养容器，外施CO2作为碳源替代蔗糖等组织培养新技术在国内外的研究情况，包括光源对组培植物生长的研究进展、无糖组织培养技术的优势及研究进展、植物组织培养中新型培养容器的应用等方面。

关键词：植物；组织培养；新技术；研究进度中图分类号：S336

文献标识码：A

文章编号：1004－874X（2009）03－0152-03

组织培养技术自开发以来，在很长一段时间内，生物学家们都注重于研究组培苗的内部生理机制，寻找促成器官形成的激素，完善培养基的营养配比，以及探索不同的离体培养途径和组织培养技术，但很少研究由于组培过程中特殊的生长环境对组培苗生长造成的生理影响，对在组培过程中实施微生态环境调控也不

收稿日期：2008-12-18

基金项目：国家林业局“948”项目作者简介：李盟（1983-），男，在读硕士生

通信作者：高亦珂（1966-），女，博士，副教授，E-mail：gaoyk

够重视。直到20世纪70年代末至80年代初，才开始有学者提出改善组培苗生长环境的观点，而真正引起普遍重视和实质性研究则是在80年代末以后[1]。

传统组培环境引发的问题和缺陷有以下几方面：

(1)繁殖周期不稳定，生产计划难以安排；（2）组培苗之间的生长差异大，成品苗个体不能达到均匀一致；（3）

驯化阶段苗的成活率低。而且为了阻止微生物侵入，通常使用小玻璃容器，这不利于自动化控制、管理和操作以及不利于组培苗生产的规模化和商品化。此外，由于传统的组培容器小，且密封要求严格，造成对环境因子的测量和调控十分困难。而植物组织培养新技术以高

@bjfu.edu.cn

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品质试管苗和规模化生产为目的，采用波长固定、光强可调的发光二极管作为光源，采用具有高透气性、低透湿性、耐高温、易于加工成型的聚四氟乙烯树脂膜制成的培养容器，岩棉块作为培养基支持体，外施CO2替代蔗糖作为试管苗生长所需碳源。现将植物组织培养新技术的国内外研究现状综述如下。

1986年Mousseau首次对番茄组培苗进行了CO2

富集处理，发现进行光合兼养的组培苗（基质中含糖）的干物质积累增加了31％，而进行光合自养的组培苗（基质中不含糖）的干物重积累却增加了100％[6]。目前已有不少学者和公司致力于无糖培养法相关设备的开发。例如，日本的古在丰树、材真纪夫等研发了组培容器换气的透气滤菌膜、营养液循环大型容器、侧光靠近照明技术及相应的光导纤维照明设备、新式全自动控制培养箱等。

在我国，刘思九在闭口培养容器中利用特制灭菌粉沫材料覆盖外植体和培养基，让组培苗透过培养基直接暴露在室内环境中，并配置了特殊的补水装置，避免培养基干缩，结果组培苗生长势好、矮壮、色绿，气孔表皮纤毛发育良好，且无需驯化。昆明环境科学研究所自承担“无糖微繁殖技术引进”的研究课题以来，对非洲菊等多种植物进行了无糖培养技术的研究，开发了大型的培养容器和CO2强制性供气系统并应用于生产[7]。肖玉兰等研究了全套无糖组培快繁装置，该装置包括培养架、培养光照系统、提高光能系统，并且在

1植物组织培养的光源研究

早在1991年，维斯康星大学的Bula等利用以红光660nm为发光中心的GAALASLED阵列及其辅助光蓝色荧光灯，栽培了GRANDRapidslettace（lactuca

sativaL），这大概是世界上最早利用LED作为光源进

行植物栽培的试验实例。1993年，日本香川大学的冈本和柳利用红色LED进行菠菜栽培试验，此外还报道了有关利用红、蓝二维LED阵列光源栽培莴苣苗的试验结果。1994年，日本开始用发光二极管作照明光源对植物栽培技术进行研究。目前日本的全控型LED植物工厂研究已进入实用化阶段。2000年5月，日本的科学家们试制了扩容性蓝、红及远红外所有半导体激光照明用元件光源，首次用脉冲照射法成功地进行了嫩叶萝卜的栽培试验。

目前，兼有红光和蓝光的白光LED在日本已投入实际应用，其中福井大学的冈井成功地利用白光LED栽培番茄；而利用LED作光源的大规模生产疏菜的工厂正在试运行阶段，其主光源为发光波长为660nm的

100cm×50cm×50cm培养箱中，利用MS无糖培养

基在光照强度为2800~8000lx和CO2浓渡为3920

mg/m2的条件下培育非洲菊组培，随后又培育了彩色

马蹄莲、情人草、红掌、薯蓣等多种组培苗。丁永前等设计了CO2增施监控系统，并设计软件进行计算机监控，结果表明该系统工作稳定正常，培育出的苗具有抽叶多、植株健壮、节间距短、根系发达、干物重积累多、光合自养能力强等更优良的生物学性状。

这些设备系统的研发简化了组培生产工艺，缩短了流程，降低了强度，更易于在规模化生产中推广应用。

LED面板，并采用改进的水耕系统。此外，Tanaka等利

用LED作为兰花组培苗光源，发现利用新型LED光源比传统光源能明显促进组培苗生根和生长。有关研究表明，在常用的植物光照光源中，LED是最佳的人工照明光源[2-3]。经LED光源处理的组培苗鲜重增量、碳酸酐酶活性以及叶绿素含量等明显高于对照的日光灯处理组培苗[4]。除LED光源外，冷阴极荧光灯（CCFL）目前也在植物组织培养中作为光源展开应用研究。

3植物组织培养的新型培养容器研究

在传统的组织培养中，通常采用容积较小的培养容器以降低培养基中糖引起的污染，一般情况下容器中的空气流动性差，相对湿度高，CO2浓度低。研究表明，较高的相对湿度可导致试管苗叶片的结构发生变化，蒸腾拉力降低，影响了组培苗的正常生长[8]。在较高的光照强度和CO2浓度下，良好的空气流动性对组培苗的生长有促进作用。而在组织培养暗期进行降低气温的变温管理，同时在培养后期适当降低相对湿度，可明显提高组培苗质量[9]。据报道，昆明市环境科学研究所开发的组培容器，依据日光灯管长度和培养架的宽度设定体积为120L、培养面积为5610cm2，能够进行多层立体式培养，可同时控制容器内的CO2浓度、气体

2无糖组织培养技术研究

无糖组织培养是日本千叶大学古在丰树教授研究

开发的一种新的植物组培技术[5]。他首先研究发现容器中的小植株也具有光合自养能力，从而考虑改变植株的营养方式以CO2作为植株的碳源，同时改善植株的生理和能量代谢，使植株更好地发挥自身的光合能力，降低生产成本。无糖组培技术与传统组培法的主要区别在于去除了糖的使用，这样可避免微生物污染，同时培养也可以转入较大的容器中进行，大型容器内的

CO2浓度、光照强度、空气流动等环境因素容易调节。

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流动速度、温度和相对湿度等指标，不仅解决了传统培养容器中空气流动性差的问题，降低了培养过程中的相对湿度，还有效地利用了光源和培养面积，降低了能量消耗和培养成本。

为了增强培养容器内外的气体交换、降低容器内的相对湿度，近年来有不少学者研究了利用高分子膜材料制成的培养容器的有效性。这类材料普遍具有高透气性的特点，与传统的玻璃容器相比，可极大地改善容器内外的气体交换情况，此外，还具有透光率高、耐高温、耐腐蚀等优点。例如，何松林在培养文心兰试管苗时，采用四碳氟乙烯树脂膜为材料制成的培养容器，取得了理想的效果。但是目前市场上的聚四氟乙烯树脂膜价格较高，影响了试管苗生产成本的降低，在生长方面的优势还不足以抵消高价格的影响。据了解，我国市场上现已有厂商开始生产聚四氟乙烯树脂膜，价格约为国际市场的1/10，随着生产的发展，成本可以进一步降低，这为聚四氟乙烯树脂膜在植物组培中的应用提供了更为广阔的空间。

[10]

进行调整，去除糖分，增加CO2浓度，使容器内的CO2呈富集状态，这种更接近于自然状态的环境可以使组培苗生长更健壮、成活率更高[11]。

通过调控培养室内CO2浓度、光质、光强、光周期、温度和湿度等环境因素，改善培养基成分和配方以及应用新型材料的培养容器，可实现降低组培苗污染率、改善组培苗的生长状况、缩短培养周期、提高培养效率、降低生产成本的目的。随着研究的不断深入，组织培养新技术将在植物工厂化、规模化生产中发挥重要的作用，为推进植物组培苗的生产应用开辟新的途径。

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4结语

在植物组织培养中，目前使用最广泛的光源有高

压钠灯、金属卤化物灯和荧光灯，这些灯具普遍存在寿命短、发热量大以及发光效率不理想等缺点；而发光二极管使用直流电，与传统的人工光源相比，具有光电转换率高、体积小、寿命长、波长固定、光强可调、发热量低、节约电能以及可提高单位面积的栽培量等优点。植物组织培养中使用最广泛的容器为玻璃制皿，其最大的缺点是透气性差，不利于容器内外的气体交换，影响植株进行光合作用。而高透气性的材料制成的培养容器可以克服这一缺点。

传统的植物组织培养方式为防止污染而采用密闭性很强的容器，在一定的光照条件下以一定的明暗周期恒温培养，组培苗靠培养基中的糖进行异养生长，但由于容器内外的环境差异极大，培养容器内湿度较高、气体流动性差、CO2不足、次生代谢有毒物质浓度较高、微生物污染严重，因而直接导致组培苗形态上和生理上的变化，如生长缓慢、易出现玻璃苗以及出苗后对外界环境适应性差等。植物组织无糖培养技术则根据容器内的小植株具有光合自养能力的原理，对培养基

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