植物界单变多的神奇魔法

各位同学：

大家中午好！首先非常感谢大家能在宝贵的午休时间来听我们的讲座。

今天我的讲题是“植物界单变多的神奇魔法——烟草组织培养”。今天的内容主要包括：细胞全能性的理论认识、烟草组织培养实验的具体过程和组织培养的意义、植物和动物细胞全能性的区别及联系。

在整个生物发展史的过程中，从刚开始施莱登和施旺提出细胞学说，一直到现在生物组培技术的高速发展，这其中有着漫长的经历。1902年，Haberlandt（哈勃兰特）大胆预言细胞具有全能性，1939年white和Nobecourt首次证明离体培养中的植物细胞具有器官发生。二十年后1958-1959年，reinert（赖纳特）和steward（斯图尔德）首次通过实验证实细胞全能性的正确性，同时开启了生物界的一扇崭新的大门。

我们都曾经学到过细胞全能性和植物组织培养技术。细胞全能性就是植物组织培养的理论基础。植物细胞全能性即植物的每个细胞都包含着该物种的全部遗传信息，从而具备发育成完整植株的遗传能力。在适宜条件下，任何一个细胞都可以发育成一个新个体。植物组培又称离体培养，属于无性繁殖，是近几十年来科学领域新兴起并且正逐渐被广泛使用的技术。它的主要特点就是在人工控制条件下，将植物的器官、组织，甚至是一个小小的细胞，改造成一株完整的植物体。在繁殖周期短、设备条件简单的基础上，还能保持植物的优良性状，因此倍受青睐。

接下来我们要谈一谈今天实验的主角——烟草。烟草属管状花目，茄科一年生或有限多年生草本植物（比如茄子、曼陀罗都属茄科），夏秋季开花结果，花呈圆锥状，药用价值较高。我们实验取材的烟草是来自学校实验室老师事先培育出来的试管烟草。实验中从烟草叶子上取下一部分，因此在植物组培中属于器官培养。

在切割外植体之前，我们先准备了过程中需要的培养基。培养基是供应离体的外植体在多个阶段演变发育中所需的营养物质。成分包括水分、无机盐类、有机营养成分、植物生长调节剂（生长素、分裂素等）、凝固剂等。培养基有固液之分，区别就在于是否加入凝固剂。在这次实验中我们就用到了4种培养基。培养基的制法很简单，在烧杯中加入溶解的琼脂和蔗糖，并且放入已经控制好量的无机盐溶液、有机物溶液和植物生长调节剂等，用塑料薄膜封上口之后，放入高温灭菌炉中，杀死试管中的细菌。高温灭菌炉是一个能设定温度和时间的器材，在121℃的条件下，琼脂可以溶解，。培养基从高温灭菌炉中取出后，降温至40℃以下又会自行凝固，这就是固体培养基。

培养基准备好后，就要取外植体了。同样要保证无菌，因此我们会在进入缓冲室和实验室前洗手，穿上白大褂，戴上消毒口罩，戴上头罩鞋套，全副武装。这部分步骤是要在超净工作台上完成的。超净工作台相比较平常的实验台更符合无菌，包括用紫外线灯杀菌，开风机，用酒精持续消毒等，使得细菌没有立足之地，提高了植物的存活率。过程中使用的无菌镊子、无菌刀需要不断地用酒精喷洒。实验要求是要切出1×1cm见方的小叶片，并且把它接种到培养基中。过程中试管要斜放，防止细菌落入，接种时管口也要在酒精灯的高温附近。放叶片的时候要注意，叶片要正面朝上，反面朝下，因为反面叶表皮有很多的气孔，可以作为吸收营养物质的入口。当然如果你放反了，也没有关系，还是可以成活的，只是比较缓慢而已，就比如我们第一次做一样，好像是全反了。最后封口，放入到恒温光照培养箱中，控制生长所需的温度和光照，就大功告成。

在随后漫长的一个多月中，那一小块叶片开始静静的脱分化，汲取营养，慢慢的向另一阶段发育发育。这里我要解释一下脱分化，脱分化是指由成熟组织转变为分生状态，失去已分化组织的典型特征，最后变为愈伤组织的过程。愈伤组织在组培中是外植体细胞经过诱导，恢复其潜在的全能性，转变为分生细胞，继而其细胞分化衍生为薄壁组织。它的外在表现就是一团松软的凹凸不平的球体【展示】，并且中间拱起【解释】。从开始到现在，属于初代培养。

接着愈伤组织再分化形成不定芽。【脱分化与再分化的区别】愈伤组织、不定芽都属于中间繁殖体。当形成了中间繁殖体后,往往这些中间繁殖体的数量有限,需要进一步扩大,这时可对这些初代培养产物进行切割,再转接至增殖培养基上。不定芽通过分割变成单芽，单芽培养又长成芽丛。这个过程需要不断循环，即不断增殖。增殖培养基和初代培养基的原料相同,唯一不同的就是植物激素比例配合。工作环境也是相同,仍要在超净工作台中进行,目的是为了确保无菌环境。这一过程叫做增殖培养。

增殖培养之后大概三四周的时间就会发现原先的团状,球状愈伤组织和芽丛变成了一个个有茎有叶的小苗,叫做茎叶苗（无根苗）。但是它还不是一株完整烟草,因为还没有根。茎叶苗长出来后就要配置最后一瓶培养基——生根培养基。和前面的培养基大致相同。选取较长的茎叶苗切下,移栽在生根培养基中（生根培养基是液体的），然后等待茎叶苗长出根。但是在生根培养基中,烟草的根长得比较慢,我们会采用这样的方法——加入滤纸桥。在培养瓶的底部将滤纸折叠成小桥的形状。然后将茎叶苗移栽在滤纸桥上,这样营养液就可以顺着滤纸接触茎叶苗，它吸收养分快,所以成长速率也大大提高了。

以上就是我们完成的组织培养的过程，时间大概是4个月左右。因为我们是室内试验，不需要大批种植，因此我们是没有炼苗这一步的。

不知道大家有没有注意到，在每一步中，我们都在强调无菌，这是组培试验成功的必要条件，也是组培的一大特点。如果有细菌不慎侵入试管中，便会大量繁殖。是什么样子呢？【展示】

其实我和我的同伴刚开始是准备做花药离体培养的，但是由于没有赶上花期，所以就耽搁了。花药离体培养是在普通的组培基础上更有严格的要求。更加严格的要求有二：一、植物体的选取时间，绝大多数植物只在花药中小孢子处于单核期至二核期时，才对离体培养有反应。这是很严格的一段选取时间。我们可以找出花药发育时期与花蕾或幼穗的形态学形状的相关性，比如烟草当花萼与花冠等长的花蕾时，小孢子就处于单核后期。二是花药的实际操作较复杂。现在花药离体培养是产生单倍体植株，然后用秋水仙素，使细胞内染色体加倍，有单倍体转变为纯合的二倍体，快速获得纯系的一条最有效的途径，所以育种工作者都在研究以建立起各种植物的花药培养体系。

植物组织培养技术现在已广泛应用于各个领域，比如培育作物新品种；获得纯合的优良二倍体，缩短育种时间；提高植物的品质，增强抗盐、抗旱、抗寒方面的能力，扩大植物生长范围；将体细胞冷藏在低温下，建立基因库，达到保存物种的目的；获得药用价值高和工业生产需要的次生产品等。

我们说完植物的细胞全能性，那么我们很自然的就会想到动物是不是也存在着这样一种特性？答案是肯定的。因为每一个细胞都含有发育成整个个体所需要的全套DNA。不过动物细胞中的全能性体现不如植物细胞明显。随着细胞分化程度的提高，动物细胞的全能性逐渐受到限制，分化潜能变窄。不过，20世纪60年代的爪蟾和80年代小鼠的核转移及1996年克隆羊多莉的出现，证明了高度发育的动物细胞仍然具有全能性，只是可塑性低。（克隆人）

最后我们可以通过一张流程图总结一下植物组培的完整过程。

毓秀科学院

高二（20）季珂欣\高二（18）邓雅文