全 文 ：植物学通报 2004, 21 (3): 360~366
Chinese Bulletin of Botany
① 国家自然科学基金资助项目( 30270929 )。
② 通讯作者。Author for correspondence.
收稿日期：2003-06-23 接受日期：2003-09-15 责任编辑：崔郁英
我国葫芦科植物离体培养研究进展①
1宋莉英 1谭 诤 1高 峰② 2邓暑燕
1（西南师范大学生命科学学院 重庆 400715） 2（西华师范大学生命科学学院 南充 637002）
摘要 葫芦科植物包括多种瓜类蔬菜，对其进行离体培养研究具有重要的理论和实践意义。综述了国
内在葫芦科植物器官培养、体细胞胚胎发生、花药培养、原生质体培养和体细胞杂交及离体遗传转化等
方面取得的研究进展，并对葫芦科植物离体培养、遗传转化与育种的前景作了展望。
关键词 葫芦科，离体培养，遗传转化
Advances in in vitro Culture of Cucurbitaceae in China
1SONG Li-Ying 1TAN Zheng 1GAO Feng② 2DENG Shu-Yan
1（School of Life Science , Southwest China Normal University , Chongqing 400715）
2（School of Life Science , China West Normal University, Nanchong 637002）
Abstract Many melon vegetables are included in Cucurbitaceae, and in vitro culture of
Cucurbitaceae is very important. This paper reviewed recent research progress on tissue culture,
somatic embryogenesis, anther culture, protoplast culture and somatic hybridization, as well as ge-
netic transformation of Cucurbitaceae in China. The prospects of in vitro culture, genetic transforma-
tion and breeding of these plants were predicted.
Key words Cucurbitaceae，In vitro culture，Genetic transformation
葫芦科（Cucurbitaceae）植物包括 118个属共 825个种，广泛分布于热带和亚热带地区。
在我国分布约有 130个种，且多为人们所喜爱的瓜类蔬菜，如黄瓜（Cucumis sativus L.）、
西瓜（Citrullus lanatus）、甜瓜（Cucumis melo L.）和苦瓜（Momordica charantia L.）
等。由于葫芦科植物的常规遗传育种方法育种周期长、难度大和遗传性状不稳定，因此，在
葫芦科植物中开展以离体培养为基础的生物技术育种研究显得尤为重要。它对于葫芦科植物的
快速繁殖、种质资源的保存以及优良性状的培育等都具有十分重要的理论意义和应用价值。近
年来，我国在葫芦科植物的器官培养、体细胞胚胎发生、花药（花粉）培养、原生质体
培养和体细胞杂交以及离体遗传转化等的研究均取得了一定的成就。本文着重对国内关于这方
面的研究进展、存在的问题和发展方向作一总结和讨论，以供同行参考。
1 器官培养
葫芦科植物的器官培养已有不少的报道，但大多集中在西瓜、黄瓜和甜瓜等少数几个物
种或品种。近年来，研究范围有了较大幅度的扩展，相继开展了瓠瓜（Lagenaria siceraria）
3612004 宋莉英等：我国葫芦科植物离体培养研究进展
（杨洪全等,1995）、栝楼（Trichosanthes kirilowii）（曹孟德等,1996）、佛手瓜（Sechium
edule Swortz.）（王小素等,1997）、苦瓜（唐琳等,1997）、南瓜（Cucurbita moschata）
（赵建萍,1999）以及冬瓜（Benincasa hispida Cogn.）（林娟和徐皓,1999）的组织培养研
究。目前，已经能够从这些植物的真叶、子叶、带芽茎段、茎尖和下胚轴等外植体经器官
发生途径再生出完整植株。
由外植体经器官发生途径再生植株可以先经愈伤组织阶段，再进一步分化形成再生植株，
而由外植体直接诱导形成不定芽，不仅可以缩短培养周期，而且对于由愈伤组织难以分化成
苗的物种或品种来说，是一种有效的植株再生途径。研究表明，由外植体直接诱导产生不定
芽取决于以下 3个关键的因素。
1.1 苗龄
以西瓜子叶为外植体进行离体培养发现，子叶的苗龄是植株再生能否成功的关键因素之
一。正常发育的无菌苗 5 d左右子叶刚由黄变绿，此时的分化效果最好（任春梅等,2000; 王
果萍,2002）。在黄瓜中也发现，1～2 d苗龄的芽再生率较高，达到 51％，且随着苗龄的不
断增加，芽再生率逐渐下降，5～7 d苗龄的芽再生率很低，甚至不能再生（梅茜和张兴国,
2002）。这表明，处于幼态的外植体分化能力较强，再生植株的频率也较高。因此，在材
料的选择上要尽量选用苗龄较小和分化能力较强的外植体。
1.2 激素
不同的激素种类及其配比是影响植物细胞脱分化和再分化的另一关键因素，特别是细胞分
裂素与生长素的比例。葫芦科植物组织培养中常用的激素是BA与 IAA，但也有用ZT代替BA
其诱芽效果更好的报道（唐琳等,1997）。在西瓜的组织培养中发现，BA是芽分化所必需的
物质，但其浓度的变幅较大，一般为 1. 0～5. 0 mg.L-1。研究还发现，IAA虽然不是必需物
质，但一般在诱导培养基中可附加较低浓度的 IAA（黄学森等,1994; 王春霞等, 1996）。另有
报道，IAA的加入可以防止试管苗玻璃化现象的发生（任春梅和董延瑜, 2001）。
激素浓度要适当，过高的激素浓度对芽的分化有抑制作用。在黄瓜的研究中发现，激素
浓度的增加，使出愈率提高，愈伤组织增殖加快，但分化能力减弱（张承妹和陆家安,
1995）。5～7 mg.L-1的BA使黄瓜的愈伤组织质地太脆并成水渍状，难以诱导形成不定芽（梅
茜和张兴国, 2002）。
物种的不同对激素要求也有所差异。苦瓜的离体培养中要求较高的ZT浓度，一般为 4～
6 mg.L-1（唐琳等,1999）；黄瓜的离体培养中生长素的浓度仅需 1～2 mg.L-1左右（赵秀娟
和吴定华,1998）。即使同一物种，不同外植体对激素的要求也存在差异。甜瓜子叶不定芽诱
导的最适培养基中需要的ZT浓度为 3 mg.L-1，而由幼苗真叶诱导不定芽则需要 6 mg.L-1（马
国斌等,1999）。这可能与植物体内不同组织或器官中的内源激素水平高低有关。正是由于葫
芦科植物离体培养中存在基因型依赖性以及外植体差异，使得操作程序繁杂，重复性较低。
这可能是造成葫芦科植物离体培养研究进展较缓慢的原因之一。
1.3 其他添加物
培养基中加入适当浓度的 AgNO3有利于黄瓜芽的再生（梅茜和张兴国, 2002）。多数学
者认为，这是由于 A g N O 3 是乙烯合成的抑制剂，从而影响了愈伤组织的内源激素代谢
（Mohiuddin et al.,1997）。另外，添加 ABA是使多种难以再生的植物组织培养成功的有效
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措施（陆玲和周燮,1992），培养基中添加ABA可以明显提高黄瓜的芽再生能力（梅茜和张
兴国, 2002）。研究还发现，培养基中加入水解乳蛋白（LH）有利于苦瓜芽的分化（唐琳
等, 1999）。
其他条件如温度和光照，对外植体出芽的影响较小，通常培养温度在 23～28℃范围内，
光照条件为 1 000～3 000 Lx，12～16 h·d-1。然而，王春霞等（1996）在西瓜组织培养
研究中发现，对外植体进行暗培养处理是获得高频再生的关键，未经暗处理外植体的出芽率
（19%）显著低于经过 6 d暗期处理外植体的出芽率（86.7％）。在葫芦科植物其他物种中是
否存在同样的现象，还有待于进一步验证。
2 体细胞胚胎发生
大多数葫芦科植物经器官发生途径可以再生植株，但其再生频率较低，繁殖速度较慢，
且基因型的差异很大，难以满足研究和生产实际的需要，一些学者尝试经体细胞途径再生植
株。与不定芽相比，胚状体具有数量多、速度快和结构完整等特点。目前，通过体细胞胚
胎发生途径已经成功地获得了黄瓜（余俊杰和朱其杰,1992）和甜瓜（尹俊等,2000）的
再生植株。
诱导体细胞胚胎发生通常是以子叶作为外植体，余俊杰和朱其杰（1992）对国内 10个黄
瓜品种进行了离体胚状体诱导和植株再生的研究，首次以成熟胚作为外植体诱导出胚性愈伤组
织，并获得了再生植株。此研究不仅为黄瓜的植株再生提供了一条新途径，而且使取材更为
方便。徐方秀和贾士荣（1994）在黄瓜的研究中发现，在体细胞胚胎发生过程中，不同碳
源对胚状体的发生方式有很大的影响, 以蔗糖和葡萄糖为碳源，胚状体以间接方式发生；以乳
糖和麦芽糖为碳源，则以直接方式产生胚状体。
体细胞胚胎发生与渗透压有着密切的关系，糖类作为重要的渗透调节剂对体胚的发育和成
熟起着重要的作用。高渗条件利于体胚成熟及其贮藏物质的累积。同时，这种生理脱水也可
抑制种子的过早萌发。因此，高浓度的糖类（高渗透势）有利于体胚成熟，但可抑制体胚
的发生以及体胚转化成苗。甜瓜子叶块在含2％蔗糖的培养基上，胚状体的分化频率最高，达
78％，随着蔗糖浓度提高，胚状体发生的频率降低，当蔗糖浓度为 9％时，外植体各部位细
胞的生长明显受阻，子叶块在含 12％蔗糖的培养基上很难展开，其上分化的胚状体很少（徐
方秀和贾士荣,1994）。黄瓜的体细胞胚胎研究中也发现（余俊杰和朱其杰,1992），在愈伤组
织诱导体细胞胚胎发生过程中，高糖（5％）不利于黄瓜胚状体的正常发育；而胚性愈伤组
织的继代增殖及胚性保持则需要高浓度的蔗糖（5％）。
在葫芦科植物中的研究发现，体细胞胚胎发育过程中存在胚状体畸形发育的现象，典型
的有子叶缺失、过大或融合和畸形，以及多胚融合现象出现等。另外，在各个发育阶段均
有胚状体提前萌发出现（尹俊等,2000）。采用双层培养，提高蔗糖浓度，加入 ABA和活性
炭等措施可以在一定程度上促进胚状体的正常发育（余俊杰和朱其杰,1992），但要从根本上
解决畸形胚发生等仍需进一步探索。
3 花药培养
利用花粉小孢子及未受精子房进行离体培养，可以再生出单倍体植株，经人工加倍后，
3632004 宋莉英等：我国葫芦科植物离体培养研究进展
得到完全纯合的双单倍体。这样可以大大缩短选择及纯化的过程和时间，对植物遗传育种具
有重要的理论和实际意义。然而，我国在葫芦科植物花药培养的研究很少，仅在西瓜和甜瓜
中有过零星的报道。薛光荣等（1983）以西瓜品种‘琼酥’的花药作为外植体进行培养，
获得了再生的花粉植株，通过嫁接成活而结瓜，获得了二倍体的纯系材料。陶正南（1987）
对甜瓜花药进行培养，经愈伤组织诱导获得了完整的再生植株，但无有关再生植株倍性方面
的报道。
4 原生质体培养和体细胞杂交
原生质体因无细胞壁，便于经原生质体融合进行各种近缘和远缘物种间的体细胞杂交。同
时，它又是遗传转化较理想的受体。因此，原生质体培养和体细胞杂交在改良葫芦科植物遗
传性状方面有着广阔的应用前景。目前，已经有多种葫芦科植物成功地进行了原生质体培养。
制备原生质体的供体可以取自植物的各类器官、组织和细胞。葫芦科植物中通常是用子
叶或叶片分离制备原生质体。原生质体培养的方法很多（余晓丽,1998），孙勇如等（1989）
比较了液体浅层培养、双层培养与琼脂糖珠看护培养等方法，结果发现，由烟草瘤细胞 B6S3
看护的琼脂糖珠培养，最宜于新疆甜瓜子叶的原生质体培养。
原生质体培养可以通过两种方式获得再生植株: 一是由胚状体途经发育成苗；二是从愈伤
组织诱导不定芽或不定根的分化，从而获得再生植株。黄瓜原生质体培养大部分是通过胚状
体途径获得再生植株的（贾士荣等,1988）。
苟小平等（1997）及李仁敬和孙勇如（1992）分别对苦瓜和西瓜进行了原生质体培养，
仅形成了愈伤组织。张兴国和刘佩瑛（1992）及张兴国和陈劲枫（1992）在丝瓜（Luffa
cylindrica）、‘西双版纳’黄瓜的原生质体培养获得愈伤组织的基础上，进一步得到增殖，
并分化出根。随后，张兴国和刘佩瑛（1998a）分别由‘成都二早子’黄瓜真叶原生质体
愈伤组织培养的胚状体和子叶原生质体愈伤组织诱导的不定芽培育成小植株。孙勇如等
（1989）在新疆甜瓜原生质体培养中，由再生的愈伤组织分化出完整的小植株。总的来说，
由原生质体再生出完整植株仍然比较困难，今后的工作重点应当进一步完善葫芦科植物原生质
体培养植株再生体系。
在原生质体培养的基础上，通过原生质体融合的方法可实现亲缘关系较远物种间的基因重
组，不仅克服了自然条件下有性杂交的局限，而且可以在不确切了解遗传背景的情况下，转
移或重组单基因尤其是多基因控制的性状，从而为植物品种改良和创建新种质开辟新的技术途
径。在葫芦科植物中，大多数学者的研究还停留在通过原生质体培养获得再生植株，原生质
体融合方面的研究报道较少。李仁敬等（1994）将新疆甜瓜与西瓜原生质体通过 PEG介导，
在高 Ca2+和高 pH条件下融合，得到了远缘属间体细胞杂种，进一步培养获得了融合愈伤组
织。张兴国和刘佩瑛（1998b）用相似的方法将黄瓜和南瓜原生质体融合获得了体细胞杂种
愈伤组织。林伯年（1994）通过原生质体电融合技术，获得了两种不同甜瓜原生质体融合
愈伤组织，遗憾的是，均未能获得杂种再生植株。
原生质体融合过程中，由于两融合亲本存在一定程度的不亲和性和染色体的排斥现象，即
使获得融合体，在随后的培养过程中，双亲染色体分裂的速度不一致，或发生丢失或发生遗
传重组，都可能阻碍杂种植株的再生。因此，原生质体融合后的植株再生成为影响体细胞杂
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交成功的重要障碍，还有待于技术的进一步完善。
5 离体遗传转化
随着葫芦科植物离体培养技术的日趋成熟，许多研究者对葫芦科植物离体遗传转化进行了
深入研究。葫芦科植物子叶外植体具有较高的转化频率和再生频率，被广泛用于离体遗传转
化体系研究。Fang和Grumet（1990）首次报道了利用根癌农杆菌 LBA4404菌株成功地将新
霉素磷酸转移酶基因（NptⅡ）导入甜瓜。多数学者也都采用了农杆菌介导法将外源基因导
入葫芦科植物（Yoshioka et al., 1992; 李继红等, 1999;王慧中等, 2000a; 2000b）。另外，也有
报道利用花粉管通道法（李涛等,1996; 粟长兰等,2002）、DNA浸泡法（肖光辉等,1998）和
子房注射法（粟长兰等,2002）成功地将外源基因转入到植物基因组中。粟长兰等（2002）
采用花粉管通道法和子房注射法进行了外源DNA导入黄瓜的试验，并对这两种方法的效果进
行了比较。结果表明，花粉管通道法比子房注射法有效，但从方法的简便程度考虑，子房
注射法较为简便，而且进行外源DNA导入的时间要求比采用花粉管通道的方法较为宽松。
迄今为止，利用转基因技术已经培育出抗病、抗逆、延迟成熟和高品质的葫芦科植物品
种。其中，因病毒病是导致葫芦科植物损失最严重并最难防治的病害（Provvidenti,1997），
而通过基因工程创造新种质为这些问题的解决提供了一条新的途径，因此，这方面的研究成
为葫芦科植物品种改良的前沿领域。目前，采取的主要策略是将病毒的外壳蛋白基因插入到
植物的基因组中，以类似交叉保护的方式使转基因植物获得抗病性。近年来，一些病毒外壳
蛋白基因已经成功地转入葫芦科植物中。Yoshioka等（1992）首次报道了用根癌农杆菌介导
将黄瓜花叶病毒外壳蛋白基因成功地导入甜瓜。我国学者王慧中等（2002a; 2002b）分别将
西瓜花叶病毒 1号外壳蛋白（WMV-1 CP）基因和西瓜花叶病毒 2号外壳蛋白（WMV-2 CP）
基因转入甜瓜和黄瓜，均获得了转基因再生植株。对转基因黄瓜的进一步病毒检测表明，转
基因植株对西瓜花叶病毒 2号（WMV-2）具有较强的抗性，可以有效地推迟发病时间，减
轻发病程度，但尚不能完全实现对病毒的免疫。
6 前景展望
在我国，离体培养已广泛地应用于葫芦科植物的快速繁殖、品种改良以及遗传转化研究，
并取得了一定的成就。但目前仍存在一些缺陷，如葫芦科中西瓜、黄瓜和甜瓜的离体再生体
系已经比较完善，然而，其他许多物种或品种的离体培养研究还处于起步阶段，尚需进一步
完善; 体细胞胚胎发生过程中畸形胚的发生还未找到有效的控制方法; 花药与花粉培养成功的报
道还不多；由原生质体再生出完整植株仍然比较困难，重复性较差；遗传转化中目的基因的
来源比较单一。这些问题尚有待于广大学者作进一步的研究与探讨。
葫芦科植物中许多瓜类蔬菜，如西瓜、甜瓜、黄瓜和苦瓜等，具有很高的经济价值，
在改良品质、提高抗逆性、抗虫和抗病等方面有着巨大的潜力。今后，利用分子克隆技术
分离或人工合成具有某一特性的基因（如改良品质、提高抗虫、抗病和抗逆性），通过一
定的转化方法将这些基因导入到瓜类植物基因组中，从而获得前所未有的且采用常规育种技术
难以得到的新种质或新品种，无疑将为葫芦科植物的遗传育种开辟一条崭新的途径。有理由
相信，随着我国葫芦科植物离体培养研究的进一步深入，必将使其在遗传育种中的应用得到
3652004 宋莉英等：我国葫芦科植物离体培养研究进展
更快的发展，取得更好的成果。
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