[科普中國]-克隆植物

克隆植物指的是利用植物組織培養(yǎng)技術，能從植物體上的一個細胞開始，把它培養(yǎng)成與原來植物一模一樣的“克隆”植物，這個“克隆”植物具有與原來植物同樣的根、莖、葉，也能同樣地開花、結(jié)果。

其實，早在20世紀初，人們就已經(jīng)著手研究在試管中培養(yǎng)植物的技術了。科學家們把這項技術稱為植物組織培養(yǎng)技術，簡稱組培。植物組織培養(yǎng)技術，用一句話筒單地講，就是在無菌的條件下，利用人工培養(yǎng)基，對植物體或植物的器官、組織、細胞甚至原生質(zhì)體進行離體培養(yǎng)的技術。這些被用于無菌人工培養(yǎng)的植物材料被稱為外植體1。

概述在植物界，克隆現(xiàn)象在自然界廣泛存在。秋海棠的葉片、馬鈴薯的塊莖、楊柳的枝條，都可以通過無性繁殖產(chǎn)生同自己一模一樣的后代。而些通常用有性生殖方式繁殖的植物，如水稻、小麥、玉米、高梁等主要糧食作物，能否用無性繁殖方式產(chǎn)生后代，克隆自身呢?生物工程用事實作了肯定的回答。

1958年，克隆植物的實驗就取得了重大成果。美國康乃爾大學的斯圖爾教授，用通常是用有性生殖方式繁殖后代的胡蘿卜進行無性生殖試驗。他把胡蘿卜的根部細胞打碎以后，用細胞激動素、生長素和無機鹽作營養(yǎng)結(jié)果這些細胞繁殖生根，得到的克隆胡蘿卜，同一般胡蘿卜長得一模一樣。采用這種技術，一個胡蘿卜根就可以播幾十畝地。這種無性繁殖系的快速繁殖方法，在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應用。

1977年，我國四川生物研究所、廣東農(nóng)業(yè)科學院、廣東甘蔗糖業(yè)食品科研所合作，試驗成功甘蔗試管育苗，培育出克隆甘蔗。他們?yōu)槭裁匆嘤寺「收崮?原來，種植甘蔗一畝地需要蔗種500~1000千克，這是個不小的數(shù)目。要是用克隆技術來繁殖試管苗，繁殖一畝甘蔗只需很少點蔗種。須知，一根甘蔗上的細胞數(shù)目是一個天文數(shù)字。同樣，種植水稻小麥玉米高粱等谷物也需要大量的種子。假若主要糧食作物的種苗由用097克隆技術繁殖的試管苗來提供，那該有多好!科學家正為此努力工作著他們已培育出上百種克隆植物。

更為有趣的一些克隆植物試驗是在一些藥用植物上進行的。你們也許唱過一首朝鮮民歌:“賣花姑娘”。那凄婉的曲調(diào)、動人的歌詞，敘述一個小姑娘為了給媽媽買一種叫人參的藥材治病，賣了幾個月的花都未湊夠錢，眼睜睜地望著媽媽去世。人參是一種人所共知的珍貴藥材，能治很多病?？墒牵捎谝吧娜藚①Y源越來越少，人工栽培的人參生長又十分緩慢，能不能讓人參細胞像細菌那樣迅速繁殖，在工廠里規(guī)?；a(chǎn)人參呢?

1964年，我國科學家羅士韋報道了人參試管苗培養(yǎng)獲得成功的消息。以后，日本、美國、前蘇聯(lián)、印度和我國的其他一些科學家也相繼報導了人參無性繁殖試管苗成功的新聞。在培育試管苗的基礎上，科學家們進一步試驗，將人參細胞放在發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素一類的大型設備里，用發(fā)酵罐批量生產(chǎn)人參。日本科學家在這方面的試驗獲得了較好的效果。他們進行了規(guī)模為13萬升的發(fā)酵罐試驗，生產(chǎn)出的人參和天然人參的成分幾乎是相同的。我國科學家丁家宜等人也進行了類似的成功試驗。這些成功的試驗，使藥物工作者激動不已。世界上使用的主要抗生素，都是用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。由于抗生素的副作用和病菌對抗生素耐藥能力的增加，科學家們正在努力尋找新的藥源。藥用植物是我國傳統(tǒng)的藥源，由于副作用小和很少發(fā)現(xiàn)對植物藥耐藥的病菌等優(yōu)點，受到我國和全世界越來越多人的喜愛。但由于栽培時間長、名貴品種價值高昂、化學合成成本高等多種原因，科學家們渴望如克隆人參細胞那樣，將珍貴的藥用植物細胞在發(fā)酵罐里大規(guī)模克隆。也就是說，借工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)抗生素的方法生產(chǎn)中藥，這該是多么了不起的一項發(fā)明呵!為了實現(xiàn)這一目標，我國和其他一些國家的科學家做了大量探索性的試驗。用組織培養(yǎng)和細胞培養(yǎng)方法培養(yǎng)成功的藥用克隆植物在100種以上，從培養(yǎng)物中產(chǎn)生可供利用的藥用成分在200種以上。其中，克隆植物藥用成分含量超過或接近原植物的有人參、三七、薯芋、柴胡、黃麻、煙草、決明、云南蘿芙木、海巴戟、紫草、苦瓜、油麻藤、三分三等20多種。一旦這些技術應用到工業(yè)生產(chǎn)上去，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，必將引起植物藥生產(chǎn)的重大變革。

克隆花卉植物，也是生物工程師們十分熱衷的事。中華民族是一個愛花的民族，在幾千年里培育了許多著名的花卉植物，如十大名花:蘭花、梅花、牡丹、芍藥、荷花、茶花、杜鵑花、月季花、菊花、桂花等。國際市場上的花卉，很多都是引進中國原種培育成功的，比如，一些杜鵑和茶花的原產(chǎn)地就在中國。隨著人們溫飽問題的解決，賞花這種追求精神享受的欲望強烈起來，花卉需求量與日俱增。在美國，每年菊花、月季花、蘭花等的銷售收入達4億多美元。以花卉之國著稱于世的荷蘭，每年栽培郁金香、水仙等花卉的面積達1萬多公頃。須知，荷蘭是一個圍海造田起家、寸土寸金的彈丸小國!

為了生產(chǎn)更多價廉物美的高品位花卉供應市場，滿足人們對“美”的需求，生物工程師們開展了克隆花卉植物的研究。1960年，克隆蘭花首先獲得成功，蘭花試管苗問世。蘭花是一種高雅名貴的觀賞植物，全世界共有蘭科植物1．5萬種以上。蘭花在國際市場上價格很高，有的珍奇品種一苗即價值上萬美元?；ㄞr(nóng)們使用克隆蘭花的先進技術，建立了龐大的蘭花工業(yè)，創(chuàng)造了上億美元的財富。已有上百種克隆蘭花問世。我國四川農(nóng)業(yè)科學院的研究人員，用克隆技術培育成功號稱國蘭四大天王之一的“宋梅”和價值很高的川蘭名品：“銀桿春劍素”和“隆昌素”，試管苗已批量上市2。

介紹克隆植物(clonal plant)是指在定居前期通過與母株相連的芽、分蘗或枝條等繁殖體產(chǎn)生無性繁殖的植物，這些繁殖體一旦定居便成為許多潛在的獨立個體。

植物克隆技術流程，植物克隆技術技術是是利用離體培養(yǎng)技術在試管內(nèi)大量繁殖植物種苗的方法，它是將植株上的細胞或小塊組織（比如一塊葉片、一段莖節(jié)、一個芽、一個花蕾中一?；ǚ鄣龋┰谂囵B(yǎng)瓶中培養(yǎng)，在短短幾個月時間內(nèi)便能繁殖出成千上萬個新的植株。植物克隆技術優(yōu)勢主要是快速、周年生產(chǎn)、變異小、無需種子繁殖等等。

植物克隆工廠是指利用環(huán)境控制和自動化技術進行植物全年生產(chǎn)的體系，包括無土栽培、植物克隆等技術以及植物細胞和組織培養(yǎng)的工業(yè)化產(chǎn)體系。1957年世界上第一工廠誕生在丹麥到1998年，日本有用于研究、展示、生產(chǎn)的植物工廠近四十個，其中生產(chǎn)用植物工廠17個。植物工廠建造雖未達到應用普及發(fā)展的時期，但其 出現(xiàn)預示著將來的發(fā)展前景。

植物克隆工廠，其生產(chǎn)采用全封閉的方式，嚴格實行全面和有效的控制環(huán)境及先進的植物工程技術，使生產(chǎn)到采收的全過程連續(xù)進行并高度自動化、流水化作業(yè)，實現(xiàn)全年連續(xù)的生產(chǎn)，完全擺脫了自然條件的限制。

克隆植物的研究將植物的細胞或組織從個體上分離出來，在一定條件下進行離體培養(yǎng)，使之形成細胞團或愈傷組織，然后再培養(yǎng)分化器官，形成再生植株(即植物細胞全能性的表達)，這種由一個親本經(jīng)無性繁殖形成的生物體，其基因組與親本完全或基本相同，這樣形成的植物稱克隆植物。植物細胞和組織培養(yǎng)是植物克隆技術的基礎，是植物生理學、細胞生物學和生物技術的有關理論和技術方法及其在生產(chǎn)上的應用。具體地說，用離體細胞進行培養(yǎng)稱細胞培養(yǎng)，而用離體組織進行培養(yǎng)稱組織培養(yǎng)。但通常不論是用細胞、組織、器官甚至用部分個體為材料，只要利用離體培養(yǎng)技術方法進行培養(yǎng)，都可統(tǒng)稱為組織培養(yǎng)。

植物細胞和組織培養(yǎng)可與各種細胞操作和遺傳操作相結(jié)合，來定向改變農(nóng)作物的性狀，提供選育新品種的材料，還可進行無性系快速繁殖等研究3。

克隆植物生態(tài)適應過程的特點研究生物在其環(huán)境內(nèi)的最適生活史格局、生殖配置、生殖值、生殖產(chǎn)量以及生殖對策及其相互關系是濕地克隆植物生態(tài)適應性與進化生態(tài)學的重要內(nèi)容。有些濕地植物具有密叢型的生態(tài)特點，這是對過濕土壤和氧氣供給不足環(huán)境的一種適應方式。在5—9月的生長季中，毛果苔草是以Ⅰ齡分蘗株最多，其次是Ⅱ齡分蘗株，Ⅲ齡以后明顯減少，說明Ⅲ齡以后毛果苔草雖然具有再生繁殖能力，但因生活力弱而難以成活。毛果苔草生殖分蘗植株的生物量以工齡為最大，并隨著年齡的增加而呈現(xiàn)減少的趨勢，表明生殖分蘗植株是以工齡級的生活力最強，至Ⅲ齡級時急劇減弱。但Ⅱ齡級和Ⅲ齡級繁殖分配比均比Ⅰ齡級大，

營養(yǎng)元素在生殖器官的分配比的順序是：K>Ca>P>N>Mg>Mn>Zn>Cu>Fe；毛果苔萆對不同營養(yǎng)元素利用效率(NUE)的順序是：K>N>Mn>P>Fe>Ca>Zn>Cu>Mg。因此，鉀元素可能就是毛果苔草有性生殖的最重要的限制因子，即鉀對毛果苔草的有性生殖的影響最大。掘此提出營養(yǎng)元素對克隆植物有性繁殖的“瓶頸效應”這一區(qū)域養(yǎng)分限制的觀點4。

克隆植物生長型的調(diào)節(jié)機制克隆植物通過體內(nèi)激素平衡的變化，調(diào)節(jié)頂端分生組織和側(cè)生分生組織的活動強度，控制克隆植物生長型的變化。頂端分生組織活動主要是產(chǎn)生較長的節(jié)間，提高匍匐莖生長速率；側(cè)生分生組織活動主要是形成新分枝，控制分枝的數(shù)量、位置和角度，決定分枝格局的形狀和復雜性。分生組織的活動主要受植物激素(主要是生長素IAA、細胞分裂素iPA及其比例)的調(diào)節(jié)。生長素誘導細胞伸長，增大節(jié)間，促進頂端分生組織活動和頂芽生長，提高匍匐莖和根莖的生長速率。細胞分裂素促進細胞分裂和側(cè)生分生組織的活動，促進側(cè)芽生長，控制分枝數(shù)量和位置。較大的IAA/iPA比值促進頂端分生組織活動，抑制側(cè)生分生組織，形成較長的節(jié)間和匍匐莖，分枝稀少，克隆表現(xiàn)為游擊型的生長型，如漂筏苔草等；較小的lAA/iPA比值促進側(cè)生分生組織活動，抑制頂端分生組織，促進側(cè)芽形成，產(chǎn)生大量分枝，匍匐莖的生長受到抑制，這樣克隆株系表現(xiàn)為集團型的生長型，如毛果苔草、狹葉甜茅等5。

基本過程培養(yǎng)基的制備

1、 母液的配制和保存

為減少工作量一般將各種成分配成比所需濃度高10-100倍的母液，用時按比例稀釋。在配制大量元素無機鹽母液時，要防止在混合各種鹽類時產(chǎn)生沉淀，為此各種藥品必須在充分溶解后才能混合，同時在混合時要注意先后順序，把鈣離子、錳離子、鋇離子和硫酸根、磷酸根錯開，以免發(fā)生作用，相互結(jié)合生成沉淀。另外在混合各種無機鹽時，稀釋度要大，慢慢混合，同時邊混合邊攪拌。

配制好的母液分別貼好標簽，注明母液號、配制倍數(shù)、日期及配制1L培養(yǎng)基時應取的量。母液儲存于2-4℃的冰箱中。

2、 培養(yǎng)基的配制

（1） 稱取規(guī)定數(shù)量的瓊脂和蔗糖，加入一定量的蒸餾水，加熱使其溶解。

（2） 在燒杯中加入規(guī)定量的各種母液，包括生長調(diào)節(jié)物質(zhì)和其他的特殊補加物。

（3） 將母液混合物加入融化的瓊脂中，再加入糖類物質(zhì)，定容至所需體積，攪勻。

（4） 用1mol/L的氫氧化鈉和鹽酸調(diào)節(jié)pH值。

（5） 趁熱將培養(yǎng)基分裝到所選用的培養(yǎng)容器中。

（6） 用棉塞或封口膜蓋住瓶口。

（7） 在121-126℃滅菌15-20min。

（8） 滅菌后，待壓力歸零后將培養(yǎng)基取出讓其凝固。

材料的消毒與接種

1、 材料的選擇和確定

不同種類的植物以及同種植物不同的器官對誘導條件的反應是不一致的，因此，在取材時要充分考慮季節(jié)的影響、器官的生理狀態(tài)和發(fā)育年齡、取材的部位以及材料的大小。

2、 材料的消毒

一般材料先用自來水沖洗，再用70%的酒精浸泡數(shù)秒，倒去酒精，再用0.1%的升汞溶液或2-10%的次氯酸鈉溶液浸泡10-15min，后用無菌水沖洗3-5次。

3、 接種

將材料切成所需的形狀和大小，接入培養(yǎng)基中。

初代培養(yǎng)、繼代培養(yǎng)、生根與移栽

1、 初代培養(yǎng)

在初代培養(yǎng)基上，外植體經(jīng)不同的途徑可以誘導出愈傷組織、直接分化出芽或誘導出胚狀體。

2、 繼代培養(yǎng)

將初代培養(yǎng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)入繼代培養(yǎng)基上，使愈傷組織分化出叢生芽、不定芽繼續(xù)增殖、胚狀體發(fā)育成完整植株。

3、 生根

將健壯的試管苗插入生根培養(yǎng)基中，誘導根的形成。

4、 試管苗的移栽

打開瓶蓋，逐漸降低濕度，并逐漸增強光照，進行馴化，以適應環(huán)境，經(jīng)過一段時間的煉苗即可移入盆中。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李學強 - 教授 - 寧夏大學