植物人工种子研究与应用进展

摘要：综述了近20年来植物人工种子的研究概况,结合前人在该领域的研究成果系统地阐述了人工种子的概念、意义、应用前景、体细胞胚的诱导、包埋方法、人工种皮、干化、贮藏及防腐等,讨论了人工种子制作技术存在的问题,对其应用前景进行了展望。

关键词：植物;胚状体;人工种子

1 引言

人工种子作为繁殖材料较无菌苗移栽具有更多的优越性。用于制作人工种子的体细胞胚（或原球茎）,可以通过细胞悬浮培养和发酵罐生产,而大大加速个体繁殖速度,在一升培养基中就可以产生上万个体细胞胚（或原球茎）。这就使人工种子制作具有数量多、繁殖快及结构完整的特点,程序化、自动化的工艺流程建立提供了可能,比现在采用的试管苗繁殖更能降低成本和节省劳力。所以人工种子也是开辟种苗生产的又一途径。在人工胚乳配制中,使用者可以根据不同植物对生长的要求来配制,也可以加入植物激素、菌肥或某些农药,以便更好促进人工种子的生长发育,提高作物或花卉的生长势及抗逆能力。

2 植物人工种子的一般概念

2.1 植物人工种子的定义

植物人工种子(Plant artificial seed) 概念最早由Murashige (1978) 提出,是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等) 包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。广义上的人工种子技术包括体细胞胚的生产、包裹、人工种子的贮藏、人工种子制作装置等多方面的技术内容,但从狭义范围来说,人工种子技术包括体细胞胚的生产和体细胞胚的包裹（人工胚乳和种皮）。完整的人工种子包括3大基本部分：体胚、人工胚乳、人工种皮。

由于人工种子在本质上属于无性繁殖,可对一些自然条件下不结实的或种子很昂贵的植物进行繁殖,固定杂种优势,使Fl杂交种可多代利用,使优良的单株能快速繁殖成无性系品种,从而大大缩短育种年限。此外,由于人工种子作为播种材料,在一定程度上可取代部分种子与块根茎等。在人工种子的包裹材料里加入各种生长调节物质、菌肥、农药等,可人为地影响和控制作物生长发育和抗性。可以保存及快速繁殖脱病毒种苗,克服某些植物由于长期营养繁殖所积累而造成病毒病等。与试管苗相比成本低,运输方便(体积小),可直接播种和机械化操作。欧洲将植物人工种子列入尤里卡计划,我国也于1987 年将其列入国家高技术研究与发展计划。

2.2 材料选择

人们一般将人工种子生产的候选植物分为2大类:一类是技术基础较好的植物,这类植物已有建立好的体细胞胚胎发生系统;另一类是商业价值高的植物。早期的植物人工种子研究一般仅限于前者,如胡萝卜、苜蓿和芹菜等模式植物。20世纪80年代末,人们开始采用胚类似物为材料进行人工种子的研究。据报道1989年以试管短枝为材料制作直杆桉人工种子,根诱导率高达96.6 %,而芽萌发率则达100 %;1994年以腋芽为材料进行了蕹菜及甘薯人工种子的研究,移栽存活率均达100 %;同年研究了水稻不定芽人工种子;1995年实现了安祖花不定芽人工种子直播成株;2000年人们对铁皮石斛兰人工种子的制作流程,繁殖体的选择,人工胚乳的

参考文献：

宋满坡.不同浓度的ABT・GGR和NNA对矮化紫薇扦插生根的影响.安徽农业科学,2009,37(27):13 045~13 046.

李合生.植物生理生化实验原理和技术.北京:高等教育出版社,1997.

杨 彬,郭艳秋,康 静.杨树扦插地膜覆盖育苗试验.中国林副特产,2003，66(3)：47.

齐秀东,郭守华,于凤鸣,等.NAA和IBA对金露梅扦插生根的作用.江苏农业科学,2007(1)：103~105.

筛选,带菌萌发等进行了探索。迄今人们已经对22科32种的植物进行了人工种子的研究,所涉及的范围已经从过去的模式植物转向水稻、棉花、蕹菜、兰花、铁皮石斛兰等具有经济价值的农作物、蔬菜、观赏植物及药用植物等上来,并呈现一定的上升趋势。

3 人工种子的制作

3.1 包埋方法

人工种子的包埋方法主要有液胶包埋法、干燥包裹法和水凝胶法。液胶包埋法是将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤。干燥法是将体细胞胚经干燥后再用聚氧乙烯等聚合物进行包埋的方法,尽管Kitto 等人报道的干燥包埋法成株率较低,但它证明了体细胞胚干燥包埋的有效性。水凝胶法是指通过离子交换或温度突变形成的凝胶包裹材料的方法。首先用此法包裹单个苜蓿体细胞胚制得人工种子,离体成株率达86%,以后这种包埋法很快被其他人工种子研究组广泛采纳。

3.2 人工种皮

人工种皮一直是人工种子研究的主要热点之一。Redenbaugh (1987) 试验了26种水溶性胶,结果表明只有海藻酸钠、明胶、果胶酸钠、琼脂、树胶及Gelrite 可作为内种皮,其中海藻酸钠具有诸多优点而被广泛采用。但鉴于它仍存在诸如保水性差、水溶性成份及助剂易渗漏、在空气中易失水干燥、干燥到一定程度后不能再吸水回胀而不利于人工种子贮藏和发芽、机械强度差以及胶球粘连等的缺点,对包埋基质的研究应集中在改善其透气性来提高胚的转化率,如用一些纤维素衍生物与海藻酸钠制成复合改性的包埋基质,取得了较为满意的效果。

3.3 包埋新方法

为解决单一内种皮存在的诸多问题,人们又着手外种皮的研究。海藻酸钠包埋制种方式比例已从1990年的80.5%降到65.2%;聚合物包埋法也从11.1%降到10.9%,而新出现的组合包埋法以及其它各种新方法如流体播种、液胶包埋、琼脂、铝胶囊等包埋法正呈上升趋势;一些新的包埋材料也逐渐在研究利用: 以2%CaCl2、3%海藻酸钠,MS、B5及B5+0.5mg/LNAA做人工胚乳,制得的人工种子萌发率最高可达88.2%;以粘土与蛭石等固型基质做包埋基质的人工种子的萌发率与海藻酸钠制作的人工种子相近,但成苗率更高,更易实用化;以滑石粉、壳聚糖作为人工种子外膜,结合抗菌、防腐剂的筛选较有效地克服了人工种子粘连、易染菌的问题。

3.4 人工种子的干化、贮藏和防腐方法

3.4.1 干化

因农业生产的季节性所限,需要人工种子贮藏一定的时间。人工种子含水量大,常温下易萌发,易失水干缩,不利于贮藏。干化能增强人工种子幼苗的活力,有助于贮藏期间细胞结构和膜系统的保持和提高酶的活性,使其更好的耐贮性。目前,有关胚状体的干化处理已进行了很多工作。一般在4℃左右的温度下保存,随着时间的延长,萌发率呈现下降趋势,这可能有人工种子没有休眠有关。

3.4.2 贮藏

贮藏是人工种子研究的主要难题之一,目前报道的方法有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等多种方法的结合。干燥法和低温法相结合是目前报道最多的方法,也是目前人工种子贮藏研究主要热点之一。目前,有关包裹体胚的干化处理已进行更多的工作。李修庆(1990)发现海藻酸钠包埋的胡萝卜体胚经干化后其超氧化物歧化酶(SOD) 和过氧化物酶(POD) 的活性显著提高,从而减轻低温贮藏对胡萝卜体胚的伤害。近年有关液氮冻存体胚及包裹体胚的报道越来越多。

3.4.3 防腐

防腐是人工种子贮藏和大面积田间播种的关键技术之一Ocastillo (1998) 制得番木瓜人工种子虽有较高的萌发率,但未见有菌条件下成苗的报道。美国加州植物遗传公司(PGI) 与Ciba- Geigy 公司合作,专门研究人工种子防腐剂添加问题。李修庆等(1990)在人工种皮中加入防腐剂G和对蛭石灭菌后播种,人工种皮中加入400~500mg/ L 的先锋霉素、多菌灵、氨苄青霉素和羟基苯甲酸丙酯,均有不同程度的抑菌作用,使甘薯人工种子在有菌的MS 琼脂培养基上萌发率提高了4%~10%以上。但当人工种子进入大规模的田间种植阶段,则应考虑到方便操作和降低成本等问题。所以防腐剂的选择有两种方向,一方面是从农药中筛选,另一方面是选择与天然种皮有相似特性的高分子材料作为人工种皮。

4 结 语

尽管目前人工种子技术的实验室研究工作已取得较大进展,但从总体来看,目前的人工种子还远不能像天然种子那样方便、实用和稳定。主要原因有以下几个方面。

(1) 许多重要的植物目前还不能靠组织培养快速产生大量、出苗整齐一致、高质量的胚状体或不定芽。

(2)人工种子内的培养物都是靠组织或细胞培养后获得的,与天然种子的合子胚相比在生理生化特性方面有诸多不一致的地方。人工种子内含的碳水化合物和蛋白质较少,在休眠、耐贮藏、抗干燥和正常发育等方面尚不能完全达到性能。

(3)包埋剂的选择及制作工艺方面尚需改进,以使其达到正常植株的转化率,并达到加工运输方便、防干、防腐、耐贮藏的目的。

(4) 如何进行大量制种和大田播种,实现机械化操作等方面配套技术尚需进一步研究。由于人工种子是由组织培养产生的,需要一定时间才能很好地适应外界环境,因此人工种子在播种到长成自养植株之前的管理也非常重要,在推广之前必须经过农业试验,并对栽培技术及农艺性状进行研究。

人工种子从一诞生就向人们展示了诱人的前景,目前人工种子尚处于研究开发阶段,但它已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物和珍稀及珍贵植物的过程中,显示出了超长的优势。人类要首先解决的关键问题是：人工种子本身的质量问题及人工种子的成本问题。虽然一些研究机构已经建立起大规模自动化生产线,能够生产出高质量、大小一致、发育同步的人工种子,但是它的成本仍高于天然种子。以苜蓿为例,目前生产1 粒人工种子所需成本是0.026美分,而1 粒天然苜蓿种子的成本是00006美分,二者相差40多倍。由此可见,人工种子要想成为种植业的主导繁殖体,目前仍存在一定的困难,但我们有理由相信经过全世界科技工作者的努力,随着现代科技的迅猛发展,以人工种子代替天然种子,人类最终实现农业、林业全程工业化,全程化控制将指日可待。

参考文献：

陈德富,陈喜文,程炳嵩.人工种子几个问题的探讨.山东农业大学学报,1995,26(2):249~256.

李修庆.植物人工种子研究.北京: 北京大学出版社,1990.

Murashige T. The impact of plant tissue culture on agriculture//Thorpe T. Frontiers of Plant Tissue Culture.Calgary:University of Calgary Alberta,1978.

Redenbaugh K,Slade D,Viss P,et al.Encapsulation of somatic embryos in synthetic seed coats.HortScience,1987(20):803~809.

汤绍虎,孙 敏,蕹菜人工种子研究.园艺学报,1994,21(1) :71~75.

张 铭,黄华蓉,魏小勇.植物人工种子研究进展.植物学通报,2000,17(5):407~412.

许光学,卢泽俭,林少琨.人工种子种皮的研究现状.生物工程进展,1990,10(5):14~23.

倪德祥,邓志龙.紫参和安祖花不定芽人工种子的研究.复旦学报；自然科学版,2004,33(5):540~546.

Bouafia S,Lairy G,Blanc A,et al.Cryopreservation of axillary shoot tips of in vitro cultured potatoes by encapsulationdehydration: effects of preculture.Acta Botanica Gallica,1995,142(4):393~402.

Vigneron T,Arbault S,WKaas R.Cryopreservation of gametophytes of Laminaria digitata (L) Lamouroux by encapsulation dehy2 dration.Cryo Letters,1997,18 (2):93~98.

王侠礼.植物人工种子.中国种业,2004(9):41~42.

李浚明.植物组织培养教程.北京:北京农业大学出版社,1992.

Advances in Study on Artificial Seed of Plant

Liu Xincen,Fan Guosheng

（Southwest forestry university,Yunnan kunming 650224,China）

Abstract:This review focused on the developments of plant artificial seed technology in the past 20years,and summarized different items on artificial seeds : the concep,significance,application prospect,the way of encapsulating,artificial coat,maturation drying,storage and preservation,etc,and a review of the manufacture of plant synthetic seed.

Key words: plant;embryoid;artificial seedお