正文 第三節人工種子(3 / 3)

除此之外,為了實現人工種子實用化,還需研究中製備過程中,確定突變是否發生及減少突變率的方法,以及將有實用價值的基因導入人工種子等問題。

四、藥用植物人工種子製作應用實例

(一)鐵皮石斛人工種子製作應用實例

鐵皮石斛是蘭科中名貴的藥用植物,自然條件下生長緩慢,試管移栽成活率低,中國醫學科學院藥用植物研究所郭順星等人(1996年),以原球莖為材料,初步研究了經包埋製成人工種子流程及在半自然條件下的萌發特點,為鐵皮石斛的快速繁殖、擴大生產奠定了基礎,現把其實驗過程介紹如下。

1.材料和方法

鐵皮石斛(Dendrobiumcandidum)係體細胞培養過程中形成的原球莖,選未形成苗、健壯、個體大小基本一致的原球莖為實驗材料。

人工種子的種胚成分為3%海藻酸鈉和2%的CaCl2;人工胚乳的組成為改良的1/2MS培養基各種成分加其他物質,根據要求設置以下處理:①僅用3%海藻酸鈉包埋(對照),②改良的1/2MS培養基為基本的培養基;③基本培養基+2mg/LGA3;④基本培養基+3%蔗糖;⑤基本培養基加3%的麥芽糖。

分別取實驗各材料按3%比例加入海藻酸鈉粉末,混合加熱使成溶膠狀態即包埋劑。滅菌冷卻後,將生長一致的鐵皮石斛原球莖與包埋劑分別混合。然後用預製好的吸管分別取帶原球莖的液滴(每滴1粒原球莖),滴人2%的CaCl2溶液中,放置15~20min即可形成白色半透明的包埋丸。將包埋丸取出放人無菌水中浸洗3~4次(約15min)。

將人工種子分別置於兩種器皿中培養:—是鋪有海綿的培養皿中,加適量無菌水,然後將適量包埋丸放入皿中海綿上,每處理重複3皿;二是將包埋丸適量置於含1%的瓊脂膠三角瓶中,每處理重複2瓶。操作完成後將上述4瓶置於25℃,12h/d光照下進行萌發實驗。

2.結果

(1)不同處理對人工種子成活率的影響在原球莖大小、健壯基本一致的情況下,鐵皮石斛人工種子胚乳附加不同物質對種子存活率影響較大。34d時存活以蔗糖+基本培養基為最好。

(2)不同處理對人工種子萌發的影響不加任何營養僅用海藻酸鈉包埋的原球莖也可發芽,隻要給予適當環境條件,鐵皮石斛原球莖容易萌發,但進一步生長受到限製。隨著培養時間的延長,基本培養基+蔗糖的人工種子發芽率逐漸增高,34d可達80%以上。激素對種子萌發無促進作用。

(3)不同處理的人工種子萌發形成苗的觀察:鐵皮石斛人工種子較容易萌發,各個處理中基本培養基+蔗糖處理的人工種子不但萌發率高,而且成苗整齊一致。

(二)半夏人工種子製作應用實例

半夏以塊莖人藥,為一種重要的傳統中藥材。張蘇鋒(1998年)利用半夏組織培養中小塊莖發生率高、篩選方便、萌發率高等特點,利用半夏小塊莖製作人工種子,試圖克服用體細胞製作人工種子中存在著體細胞胚發生率低、篩選難、萌發率低的難題,認為它目前具有用於生產的實際可能性。現將其研究結果介紹如下。

1.材料與方法

(1)小塊莖的誘導用半夏株芽生長莖尖作外植體,在添加IAA3.0mg/L和BA0.5mg/L的MS固體培養基廠誘導產生乳白色的愈傷組織,將愈傷組織轉入不含激素的MS液體培養基中振蕩培養誘導小塊莖,培養40d後,篩選直徑5mm左右的小塊莖用於製作人工種子。

(2)人工種子的製作篩選的小塊莖混合於經滅菌的含3.5%(w/v)海藻酸鈉的1/2MS液體培養基中,用吸管將小塊莖吸起後滴人2%CaCl2溶液中,停留15min,形成包有單一小塊莖的海藻酸鈉包埋丸,掏起放入無菌水中浸洗10min,即可用於播種或貯藏。

(3)人工種子的萌發及栽培人工種子在有菌條件下播種,5d後統計人工種子的萌發率,30d後統計成苗率。人工種子苗與對照(試管苗及小塊莖育苗)分試驗小區(1×lm)相同栽培。每個小區栽400株苗。對照於1996年3月1日栽種,試管苗、人工種子苗1996年4月25日移栽,1996年11月4日收獲半夏塊莖,以鮮重計算產量。

2.結果

(1)人工種子的萌發人工胚乳中外源激素對人工種子的發芽率、成苗率均有所影響、GA3對種子發芽幼苗生長有利,BA對種子萌發有利,對幼苗生長不利,NAA對種子發芽不利,對幼苗成活有利。

(2)塊莖的產量及總生物堿含量人工種子苗的塊莖產量是試管苗的1.33倍,是栽培苗的2.02倍。雖然人工種子苗的產量不比試管苗的產量有明顯提高,但人工種子苗的商品率可達67.08%,而試管苗的商品率僅為42.9%。人工種子苗塊莖的總生物堿含量比人工栽培苗塊莖高62.75%,比試管苗塊莖高12.32%,比野生半夏塊莖高17.71%。

五、人工種子的應用前景

種子不僅是植物傳種續代之本,而且也是人類的衣食之源。人工種子不僅能像天然種子一樣可以貯存、運輸、播種、萌發和長成正常植株,而阻還有許多獨特的優點如下。

(一)可使在自然條件下不結實或種子昂貴的植物得以繁殖

人工種子使得一些自然繁殖困難的名優珍貴品種,如同源或異源多倍體品種、名貴的突變材料、生物工程植株、生長周期長的多年生木本植物等能在短期內提供足夠的種源,從而使這些名貴的藥用植物得以繁殖。

(二)固定雜種優勢

天然種子是有性繁殖,在遺傳亡具有因減數分裂引起的重組分離現象,所以雜種優勢隻能體現在第1代,第2代便參差不齊了。而人工種子在本質上屬於無性繁殖,一旦獲得優良基因型,可以保持雜種優勢,多年使用而不需三係配套等複雜的育種過程。人工種子與常規育種和良種繁育技術結合,可大大縮短育種及良種推廣的年限。

(三)快捷高效的繁殖方式

天然種子在農業生產上受季節限製(—般一年隻能繁殖1~2次,甚至十幾年才繁殖1次),而體胚可常年在實驗室獲得,並可以用生物反應器大規模生產,已有研究表明用1個體積為12L的發酵罐在二十幾天內生產的胡蘿卜體細胞胚可製作1000萬粒人工種子,可供種植幾百萬平方米地,這樣也就節約了大量留種地。另外,它可以像天然種子一樣機械化播種,所以生產效率也很高。

(四)一座架設於遺傳工程與農業生產之間的橋梁

人工種子技術可逐步解決體細胞胚-種的傳遞係統中急需解決的一些技術問題,有希望在不久的將來應用於生產中,目前,植物基因工程的研究飛速發展,在植物抗蟲、抗病、抗除草劑和改變植物成分方麵,都得到了不少轉基因植株,有的甚至已建成品係,如抗病毒的煙草(NicotianatabacumL.)和番茄(LycopersiconesculentumMill),抗除草劑的玉米(ZeamaysL.)和棉花(Gossypiumhirsutum)等。但是,在基因工程的成果開始轉向生產的過程中,生物技術的下遊工程顯然是—個薄弱的環節。人工種子技術有望成為一座架設在遺傳工程與農業生產間的“橋梁”。

(五)可人為控製植物的生長發育與抗逆性

人工胚乳除了含有供胚狀體發育成植株所必需的營養物質外,還可以在其中加入除草劑、弱病毒、殺菌劑、農藥、抑製休眠的物質及對植物生長有益的細菌等,使其具備抗逆性和耐貯性等優良特性,也可以添加激素類物質以調節植物的生長發育。與試管苗技術比較,人工種子技術具有成本低、貯藏運輸方便、減少了移栽馴化過程和生產周期短等優點。人工種子能繁殖大量的從人工授粉雜種和遺傳工:程植株中篩選出來的優良基因型。另外,人工種子可以為不育的和不穩定的基因別提供一種繁殖方法。

人工種子從一誕生就向人類展示了其誘人的前景,但巨大規模應用尚有諸多問題(包括理論的、技術的和商業的)亟待解決:①許多重要的植物目前還不能靠組織培養快速產生大量的、出苗整齊一致的、高質量的體細胞胚或不定芽;②包埋劑的選擇及製作工藝方麵尚需改進,以提高體胚到正常植株的轉化率,並達到加工運輸方便、防幹防腐耐貯藏的目的;③如何進行大量製種和大田播種,實現機械化操作等方麵配套技術尚需進一步研究。由於人工種子是由組織培養產生的,需要一定時間才能很好地適應外界環境,因此人工種子在播種到長成自養植株之前的管理也非常重要,在推廣之前必須經過農業試驗,並對栽培技術及農藝性狀進行研究。

隨著人工種子技術的迅速發展和研究的不斷深入,特別是人工種子在有菌土壤中的萌發和轉株成功,必將給製種業帶來傳統觀念的突破。人工種子內的培養物(如不定芽和胚狀體等)都是通過組織或細胞培養後獲得的,與天然種子的合子胚相比,在生理生化特性方麵有諸多不一致的地方。人工種子內所含的糖類和蛋白質含量較少,在休眠、耐貯藏、抗幹燥和正常發育等方麵尚不能完全達到天然種子的性能。因此,如何提高培養物的質量已成為人工種子研製中的重要課題之一。另外,人工種子要真正進入商業市場並與自然種子競爭,必須降低生產成本,目前多數作物的人工種子成本還遠遠高於自然種子,當然在人工種子技術還沒有完善的情況下計算成本是很困難的,而成本隨不同作物、不同品種胚狀體或不定芽發生的難易、各地勞動力費用的差異有所不同。但有一點是很明確的,那就是人工種子與試管苗相比,所用培養基量少、體積小、繁殖快、發芽成苗快、運輸及保存方便。今後應加強減少手工操作,著重建立大規模的自動化生產體係,加大對人工胚乳和人工種皮的研究,才能更好地解決人工種子的貯存、運輸、成本等問題。