生物技術的發展給人們利用藥用植物資源改善自身生活質量提供了良好的技術條件，但由於人們對自然資源的過度開發超過了它們自身的再生能力，因而藥用植物資源的有限性和人們需求之間產生了矛盾。利用組織培養技術對藥用植物品質進行改良，就是通過改變植物染色體的組成和基因的結構，達到改良植物品質的目的。目前，國內外已將植物組織培養技術普遍應用於藥用植物的育種，其中倍性育種和通過植物組織細胞的誘變育種是獲得植物新品種的一條重要途徑。本章主要討論的是以植物組織培養技術為基礎的藥用植物育種技術以及這種技術在藥用植物育種方麵的應用，包括單倍體育種、多倍體育種和細胞突變體育種。植物的遺傳改良在人類發展史中始終扮演著重要角色，從遠古時代的植物馴化到20世紀初植物育種科學的建立，人類都在努力進行著植物遺傳改良，使其更好地為人類服務。傳統的育種方法是以植物的有性雜交為基礎，有性雜交由於受到生殖隔離的製約，使得種質資源的利用局限在一個非常有限的範圍內，使植物的遺傳改良受到了限製。始於20世紀70年代的植物單倍體育種的研究為藥用植物的育種提供了一個理想的實驗體係，也為藥用植物的遺傳改良開辟了一條新途徑。
一、單倍體與單倍體育種
(一)單倍體
單倍體（haploid）是指體細胞中含有本物種配子染色體數目的個體。也就是說配子和配子未經受精作用而直接發育成的生物體被稱為單倍體。單倍體的產生可以自然發生，也可以誘導產生，但單倍體自然發生的概率很低，約為幾十萬分之一。20世紀60年代發現的被子植物單倍體僅有71種，39屬，14個科。由於單倍體植株自發產生的頻率很低，嚴重地限製了其在藥用植物改良上的應用和遺傳學研究，因此目前在藥用植物育種上通常采用人工誘導的方法獲得單倍體，單倍體僅含有本物種配子的染色體數目，因而具有特殊的原創性特征，如遺傳基因型在純和的植株水平上充分表達。
(二)單倍體育種
單倍體育種（haploidbreeding）是指利用孤雌生殖、和無配子生殖產生的單倍體的育種方法。通過人工誘導單倍體植株並使之純和的方法就是單倍體技術，它是藥用植物育種技術中的一個重要內容。從生命周期來看，植物通過誘導產生單倍體有3種途徑：①用花藥(或花粉)和未授粉子房培養法培養減數的孢子；②用染色體消失和異種細胞質代換法產生減數的合子；③遊離及操作生殖細胞和原生質體產生雌、雄配子。其中第2條途徑主要用於作物的育種，第3種途徑獲得單倍體比較困難，至今尚未能用於藥用植物。第1條途徑已廣泛用於藥用植物的育種，並取得了一定的進展，為開展基礎性研究和實際應用開辟了新的途徑。以下主要介紹第1條途徑，也就是通過花藥(或花粉)和未授粉子房培養法進行單倍體育種的原理和技術。花藥（花粉）培養和未授粉子房培養的原理是依據植物每一特化的營養細胞都具有發育成完整植株的“潛在全能性”的原理。現已證明花藥（花粉）和未授粉子房培養技術是誘導單倍體的有效方法。
二、單倍體育種的發生與發展及藥用植物單倍體育種的意義
由單倍體植株經過染色體加倍產生的是純合的二倍體，這種二倍體在遺傳上非常穩定，不會發生性狀分離，因此，在藥用植物育種中具有重要的作用。
(一)單倍體育種的發生與發展
自從1964年印度uha等首次利用毛葉蔓陀羅（Daturainnoxia）的花藥培養單倍體獲得成功以來，許多植物的花藥培養相繼取得了成功。世界各國對許多植物進行了大量的花藥培養試驗，我國自1970年開展這方麵的工作，以後僅僅幾年的時間已對30多種主要農作物、果樹、蔬菜以及樹木進行了花培研究，並取得了重大的進展，不僅在世界上首次培育出小麥、小黑麥玉米、楊樹、油茶、橡膠等花粉植株，而且首先用花藥培養育成了煙草、水稻、小麥等作物新品種，並在生產上推廣應用。
我國自1973年以來相繼開展了樹木單倍體的誘導試驗。自1975年之後先後成功地獲得19種楊樹的花粉單倍體植株。1977年遺傳研究所海南試驗站首次獲得了三葉橡膠的花粉植株。據Maheshwari（1980）的統計和胡道芬（1996）的資料，已有23個科，52個屬的250多種高等植物的花藥培養獲得了成功。
(二)藥用植物單倍體育種的意義
1.可提高選擇效率，加快育種進程，縮短育種年限
在常規的雜交後代中，由於存在顯、隱形的幹擾，從而影響選擇的準確性和效果。而在加倍單倍體的後代中，隻有一種基因型和表現型，不存在顯性性狀掩蓋隱性性狀的問題，不良性狀在當代即可表現出來，便於淘汰。因而，可以提高選擇的效率。在單倍體育種中，將雜種第一代的花粉通過單倍體育種，隻需一個世代就可獲得純合的二倍體，而常規的育種需經過6～8代的時間，才能獲得純合的基因型，那麼幾十年甚至上百年的工作可以提前在2～6年內完成。
2.提高選種效率
雜種植株產生有性後代的時候會發生分離，而花粉或未授粉的子房雖然也彼此不同，但因為不再與不同遺傳性的卵細胞結合，不再象有性後代那樣發生遺傳性的重組，所以其選擇範圍肯定比有性後代的選擇範圍要小很多，正是由於排除了顯、隱性的幹擾和縮小了選擇範圍，我們就能大大地提高選擇的功效和準確性。
3.創造突變體
單倍體植物隻有一套染色體，不存在顯、隱形的幹擾，一旦基因發生突變，在當代花粉植株上即可表現出來，因此，突變體的形成可在營養體階段直接發現和選擇，甚至還能得到那些不能經過有性階段的突變體。
4.克服遠緣雜種的不孕性
遠緣雜種由於存在不孕性，在生產上不能發揮其應有的作用。但在它的花粉中有少數是有生活力的，如果在花粉培養中把有生命力的花粉篩選出來，將其培養成單倍體植株，再行選擇加倍，就可能立刻得到具有雙親優良特性的能育的遠緣雜種。
三、應用組織培養技術進行單倍體育種
(一)應用花藥(或花粉)培養技術培育單倍體
花藥(或花粉)培養育種，就是取P1代的花藥(或花粉)置於特定的培養基上培養，利用細胞的全能性，誘導花粉長成植株，再經染色體自然或人工誘導加倍得到純合二倍體的一種育種方法。花粉培養得到的植株是單倍性的，花藥培養應用於育種上也可稱為單倍體育種。1964年印度的植物胚胎學家Guha和Maheshwari將毛葉曼陀羅(Daturainermis)的花藥培養在適當的培養基上，使花粉轉變成了胚狀體，並從胚狀體培養出了單倍體植株。這一發現引起了植物學及遺傳育種工作者的廣泛重視，隨後進行了大量的研究。近40年來，已通過花藥(或花粉)培養技術誘導出被子植物，包括一些雜種的單倍體，共計247種，它們分別屬於88個屬，34個科。這一時期在藥用植物的花藥培養方麵也做了很多的工作，已成功地從地黃（Rehmanniaglutinosa）、烏頭（Aconitumcarmichaeli）、薏苡（Coixlacryma）、寧夏枸杞（Lyciumberbaum）、人參（Panaxginseng）、平貝母（Fritillariaussuriensis）、柑橘（CitrsreticulateBlanco）等藥用植物的花粉中成功誘導出了完整植株。
1.花藥（或花粉）培養的基本原理
植物的花（flower）是由花柄（pedicel）、花托（receptacle）、花萼（calyx）、花冠（corolla）、雄蕊群（androecium）、雌蕊群（gynoecium）幾部分所組成。花藥（anther）是植物雄蕊群中的一個組成成分，它是由雄蕊原基的頂端部分發育而來的，是植物花的雄性器官。它由兩種結構組成，外部是花藥壁（antherwall），內部是多個花粉粒（pollengrain）。組成花藥的細胞有兩種：一種是體細胞，包括藥壁和藥隔組織的細胞；另一種是雄性性細胞，即小孢子。花藥的體細胞是二倍體細胞，性細胞是單倍體細胞。花粉是由花藥內的花粉母細胞（pollenmothercell）發育來的，成熟的花粉有兩層壁，內層叫內壁（intine），外層叫外壁（exine），壁內含有雄配子（malegametes）。根據花粉粒成熟程度不同可將花粉粒分為單核花粉、雙核花粉和三核花粉。單核花粉隻包含一個細胞核（nucleus）；雙核花粉包含一個營養核（vegetativenucleus）和一個生殖核（generativenucleus），三核花粉包含一個營養核和兩個生殖核。花藥（或花粉）培養（flowerorpollenculture）就是將以上材料從母體植株上取下，放在無菌條件下生長，使單個花粉粒進一步發育，並重新分化成單倍體植株的技術。雖然花藥培養和花粉培養的目的相同，但嚴格說來，花藥培養的對象為花藥，而花粉培養的對象則為花粉粒。花藥培養的是器官，而花粉培養的是單細胞。實際上，由花藥培養開始，最終再生得到的植株多數是由花藥內的、處於一定階段的花粉細胞發育而來的，因此，花藥培養實際上是廣義的花粉培養。花粉培養的精確定義，則是將處於一定發育階段的花粉從花藥中分離出來再進行離體培養，使其生長發育，以至形成植株的技術。植物的花粉細胞與植物的其他組織細胞一樣具有全能性，即生物的每個細胞都有發育成完整植株的潛能，都具有該物種的全部遺傳信息。花粉細胞與其他組織細胞相比，其染色體數目隻有體細胞的一半，因此，花粉培養得到的植株是單倍性的。由於花藥（花粉）培養能獲得同花粉染色體組成相同的單倍體植株，並可經染色體加倍而成為能正常結實的純合二倍體植株。因此，此項技術可為遺傳育種提供有用的材料。
在自然狀態下，花粉粒是通過小孢子發生的過程產生的，這一過程包括從小孢子母細胞（花粉母細胞）到成熟花粉粒的整個發育過程。小孢子母細胞（花粉母細胞）經過減數分裂形成四分體，其周圍由一層厚的胼胝質所包圍。隨著四分體胼胝質的溶解，4個小孢子就釋放出來。新釋放出來的小孢子其細胞核位於中央，核大而質地濃密。隨後，細胞質中出現小液泡，並逐漸擴大形成一大液泡，這時細胞核被擠向一邊，稱為單核靠邊期（monokaryotic）。小孢子經過第1次有絲分裂，由於這次有絲分裂是不對稱的，產生一個大的營養核和一個小的生殖核。生殖核進行第2次有絲分裂，形成兩個精子，此次分裂通常在花粉管中進行，有的植物在花粉中進行。在離體條件下，由於改變了花粉原來的生活環境，花粉的正常發育途徑受到抑製，由一次分裂形成的花粉粒不再像正常發育過程中那樣形成兩個精子核和進行正常的受精。而是沿著不同的途徑進行發育。其發育途徑主要有：①培養的花粉先形成胚狀體，再進一步形成植株；②花粉先脫分化形成愈傷組織，再由愈傷組織進一步分化成植株（圖6-1）。
圖6-1花藥和花粉培養誘導雄核發育和單倍體植物的途徑示意圖
（引自Bajaj，1983年）
2.花粉（花藥）培養的一般操作程序
(1)材料選取根據不同作物選取不同發育時期的花粉進行培養，一般以單核中、晚期（在單核早期，細胞體積小，細胞質中無液泡，核大，居於正中位置。在單核中期，細胞質中小液泡產生，細胞體積增加到正常大小，核大，仍居中，特化的細胞壁逐步形成）花粉為宜。花藥接種前一般需先用醋酸洋紅，I-KI溶液等染色壓片鏡檢，以確定花粉的發育時期，但是接種前不可能把所有的花粉都進行一次發育時期的鏡檢，通常是按照花蕾長度大小與花粉發育年齡的相關性，在實際操作中取一定大小的顏色的花蕾進行的。例如，煙草花蕾和花冠大約與萼片等長。至於禾穀類作物，則尚處於孕穗期，剝出的花藥呈淡綠色。如果花藥白色，則過嫩，黃色或黃綠色則過老。各品種之間還有一定的差異，所以最好還是要鏡檢一次。