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第八章人工种子 人工种子概述 繁殖体种类及其培养技术 人工种子制备 人工种子研究及应用前景 第一节人工种子概述 人工种子 artificialseeds 亦称体细胞种子 早期的人工种子概念是 体细胞胚经过人工种皮包被后而形成的体细胞种子 任何一种经人工种皮包被或裸露的 具有形成完整植株能力的繁殖体均可称之为人工种子 根据包被的程度可将人工种子分为三大类 第一节人工种子概述 据报道 目前已对26个科 36个属的植物进行了人工种子研究 其研究范围显示出两大特点 一是重要经济作物和粮食作物的人工种子报道日益增多 二是以微器官为繁殖体的报道日益增多 其中包括微芽 微枝 原球茎 小鳞茎 小块茎等 第一节人工种子概述 以体细胞胚为繁殖体的人工种子 以器官为繁殖体的人工种子 在无性繁殖植物中 有可能建立一种高效快速的繁殖方法 它既能保持原有品种的种性 又可以使之具有实生苗的复壮效应 实践意义 对于一些不能正常产生种子的特殊植物材料如三倍体 非整倍体 工程植物等 有可能通过人工种子在短期内加大繁殖应用 与田间制种相比 可以节省制种用地 且不受季节限制 可以实现工厂化生产 同时还避免了种子携带病原菌的危险 与利用试管苗相比 可以避免移栽困难 且可以实现机械化操作 同时还便于储藏和运输 第二节繁殖体的种类及其培养技术 繁殖体是人工种子的主体 早期的研究认为 体细胞胚是人工种子制备的最佳繁殖体 微器官作为人工种子繁殖体的报道日益增多 1990年 有关人工种子的报道以体细胞胚为繁殖体的占63 6 以芽为繁殖体的报道占36 4 1994年 以体细胞胚为繁殖体的报道则只占48 8 以芽为繁殖体的占38 1 另有13 1 为其它类型的繁殖体 一 不同繁殖体的比较 形成需要经过至少两个阶段 第一阶段 在含高生长素浓度的培养基中 诱导培养胚性细胞 第二阶段 在较低生长素或无生长素的培养基中形成体细胞胚 体细胞胚 第二节繁殖体的种类及其培养技术 发生一般只需一个培养程序 但有时为了增加繁殖体的数量 也需进行一定次数的继代 块茎 块根以及鳞茎 球茎类的繁殖体产生可能需要经过不同的诱导程序 微芽 微型变态器官 第二节繁殖体的种类及其培养技术 部分植物繁殖体诱导培养条件 不同繁殖体成苗所需时间及成株率 二 繁殖体培养技术 体细胞胚培养 微型变态器官培养 微芽繁殖体培养 第二节繁殖体的种类及其培养技术 体细胞胚规模化生产 作为人工种子繁殖体的体细胞胚 其基本要求是要具有发育上的同步性 还必需满足如下标准特征 其一 形态正常 具有完整的胚结构 其二 与母体植物的基因型基本相同 特别是在重要经济性状和农艺性状上没有变异 其三 具有较好的成熟性 能耐一定程度的脱水 第二节繁殖体的种类及其培养技术 其次 作为实用化的体细胞胚种子还必需满足一定的数量需求 规模化生产是其基本前提 Choi等 2002 建立了人参体细胞胚大规模液体培养体系 每500ml容器可生产体细胞胚12 000个 在体细胞发育至子叶期早期 将其转入二分之一MS无机盐附加9 蔗糖浓度的培养基中诱导加入休眠 获得了良好效果 第二节繁殖体的种类及其培养技术 微型变态器官繁殖体的培养 光照 能够形成变态器官的植物常常具有光照周期上的双重需要 即某一光照期有利于开花 相反的光照期则有利于变态器官的形成 光照强度亦是影响变态器官形成的重要因素之一 温度 有些变态器官的形成往往需要低温诱导 这可能与植物对温度的胁迫反应有关 离体培养诱导变态器官形成时 必需充分考虑自然条件下该植物变态器官产生所需要的温度条件 培养基蔗糖浓度 现有研究资料显示 培养条件下的变态器官形成与培养基的蔗糖浓度有关 较高的蔗糖浓度对于一些植物的微型变态器官形成似乎是必要条件 激素 植物变态器官的形成常常发生在内源激素发生某种变化以后 外源激素的调控主要通过内源激素的变化而起作用 而不同培养条件下的内源激素水平又具有很大差异 因此 外源激素的调控必需经过严格试验以后才能确定 第二节繁殖体的种类及其培养技术 芽繁殖体的培养 大多数情况下 微芽 不定芽的培养往往直接从外植体上直接诱导形成 培养方式简单 且勿需高浓度的激素处理 因此所产生的繁殖体基本保持了原有植物的品种特性 根据植物类型不同 可选取不同的外植体类型作为芽产生的来源 如非洲紫罗兰一般选用叶片为外植体 诱导不定芽作为微繁殖体 榆树类植物则可选根作为外植体产生微芽 石竹类花卉可以茎尖为外植体培养侧芽作为繁殖体 第二节繁殖体的种类及其培养技术 第三节人工种子包被 繁殖体预处理 繁殖体包埋 人工种皮装配 一 繁殖体的处理 体细胞胚的后熟培养与脱水干燥 微型变态器官繁殖体适度脱水与表面消毒处理以及必要时的强制休眠处理 芽为繁殖体的老化处理与筛选 第三节人工种子包被 二 繁殖体的包埋 包埋介质的要求 首先必需是对繁殖体及其它生物是无毒的 并具有一定的缓冲强度 以保证繁殖体在生产 运输和种植操作中的安全 同时 它最好能够提供类似于胚乳的营养物质 以供繁殖体发芽的需要 此外由于繁殖体的含水量较高 贮存中极易受到微生物感染危害 因此介质中还应含有适当的杀菌剂 第三节人工种子包被 几种植物人工种子的附加成分及成苗率 以海藻酸钠作包埋剂的操作程序是 在配制好的海藻酸钠溶液中 按一定比例加入繁殖体并混匀 将其逐滴滴入2 0 2 5 的CaCl2溶液中 经20 30min 的离子交换作用即形成含有繁殖体具有一定刚性的人工种子 用无菌水漂洗20min 以终止反应 多头自动人工种子包被系统示意图 1 双活塞泵 2 灭菌器 3 加湿器 4 振动器 5 脉动腔膜 6 同轴沟 7 脉动腔 8 喷碟 9 旁路系统 10 反应池 11 搅拌子 12 硬化溶液及其输入 引自Brandenberger和Widmer 1998 三 人工种皮的装配 理想的人工种皮应该是 具有一定的封闭性以保证人工胚乳的各种成分不易流失 同时又具有良好的透气性 具有一定的坚硬度 以加强人工种子的耐储运性和适于机械化操作 无毒无害 能保证繁殖体顺利穿透发芽 配制简单易行 成本低 第三节人工种子包被 常用的人工种皮材料早期使用Elvax4260涂膜 价格昂贵 操作复杂 包裹效果不尽人意 新近试验使用的二氧化硅化合物材料包括疏水的Tullanox和微亲水的Cab O Sil 二者均可以粉末状包裹在人工种子胶囊外层 操作时只需将胶囊在上述材料中滚动即可完成包被过程 操作简单易行 大量生产还可以机械化操作 最近还报道一种硅酮种衣 它不仅可以抗真菌 而且可渗入水蒸气和氧气 这些材料均还处于试验之中 第三节人工种子包被 第四节人工种子实用化的策略 陈正华等 1998 对人工种子的应用提出了如下策略 微器官人工种子可能最先用于无性繁殖植物微器官人工种子可用于天然种子繁殖后代群体变异大的植物以体细胞胚为繁殖体应用的可能性及需要注意的问题 一 微器官人工种子可能首先用于无性繁殖植物 微器官如微芽 试管块茎 试管鳞茎等作为繁殖体时 成苗率高且出苗整齐一致 具有田间应用的可行性 同时 离体培养的繁殖体可完全去除病原物 因而已越来越多地用于无性繁殖种苗生产中 传统上的试管苗由于体积大 对携带储运条件要求苛刻因而限制了使用规模 如果利用人工种子将有可能首先实现无性繁殖植物种子生产的彻底革命 以微芽为繁殖体的人工种子技术 有可能首先在无性繁殖的果树 花卉 林木等植物中得以应用 第四节人工种子实用化的策略 二 微器官人工种子可用于天然种子繁殖后代群体变异大的植物 有些植物如桉树 虽然能够用天然种子繁殖 但种子繁殖的植株群体变异大 树体不整齐 不定芽试管苗繁殖技术已在生产上显示了树体整齐的优越性 目前以微芽为繁殖体的人工种子技术已经建立 桉树人工种子在土壤中的成苗率已可达80 以上 且树体十分整齐 第四节人工种子实用化的策略 三 以体细胞胚为繁殖体应用的可能性及局限性 花或果实为经济产品的多年生植物如果树等 有可能出现较长的幼年期 使开花结果推迟 且还可能出现果实不整齐的现象 以营养器官或木材为产品的植物中 以及在以改善生态环境 保护濒危树种或对性状一致性要