全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2011, 46 (3): 350–360, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2011.00350
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收稿日期: 2010-09-06; 接受日期: 2010-11-08
基金项目: 北京市教委共建项目(2009)和林业科学重点科研项目(No.2006-40)
* 通讯作者。E-mail: chengfy8@263.net
分生结节: 一种有价值的植株再生途径
钟原, 成仿云*, 秦磊
北京林业大学园林学院, 国家花卉工程技术研究中心, 林木、花卉遗传育种教育部重点实验室, 北京 100083
摘要 分生结节是植物组织离体发育的一种特殊状态, 也是一种有价值的植株再生途径。它的外观与体细胞胚有相似之处,
但其结构和发育过程上有明显区别。分生结节可以通过液体培养实现高效增殖, 并能在长期增殖后保持遗传稳定性和分化
能力, 在植物微繁殖、次生代谢物生产、植物生长发育的机制等研究领域具有重要的理论和应用价值。该文结合国内外最
新研究结果, 综合论述了分生结节发生和植株再生的过程及其影响因素, 并通过与体细胞胚等其它植株再生途径相比较,
分析了分生结节的独特之处及其广阔的应用前景。
关键词 分生结节, 微繁殖, 器官发生, 植株再生, 体细胞胚
钟原, 成仿云, 秦磊 (2011). 分生结节: 一种有价值的植株再生途径. 植物学报 46, 350–360.
植物离体再生通常是在一定条件下, 已分化的植
物体细胞恢复分裂能力先形成愈伤组织, 然后分化出
新的器官或胚, 或者不经过愈伤组织而直接发育成新
的器官或胚。然而, 离体培养的植物组织有时会进入
一种特殊而稳定的状态, 在外部形态上, 它是一种致
密的球形细胞团, 彼此独立而又常常聚生在一起; 在
内部结构上, 它至少包含3种类型的细胞(分生细胞、
富含质体的薄壁细胞和维管分子)和2层组织(表皮和
皮层与维管组织)(McCown et al., 1988)。植物组织在
这种状态下可以长期、稳定地增殖, 并且能在合适的
条件下分化出不定芽, 进而形成完整的植株(McCo-
wn et al., 1988)。据报道, 这种发育状态已经存在于
10余个属中, 可能是一种普遍现象, 但这种现象至今
没有统一的名称。国外研究者曾将它表述为vascular-
ized nodules、nubbins(McCown et al., 1988)、
nodules (McCown et al., 1988; Warrag et al., 1991;
Ito et al., 1996; Teng, 1997; Xie and Hong, 2001;
Kongbangkerd et al., 2005; Shahzad et al., 2009)、
meristematic tissue (Aitken-Christie et al., 1988)、
meristematic nodular cell clumps (Godo et al.,
1998)、nodular callus (McCown et al., 1988; Sche-
stibratov et al., 2003)、meristematic nodular callus
(Te-chato and Lim, 2000)、organogenic nodules
(Batista et al., 2000; Ferreira et al., 2009; Moyo et
al., 2009)、 meristematic nodules (Trindade and
Pais, 2003)及nodular meristemoids (Chaudhuri et
al., 2004)等。国内研究者曾将不同发育阶段的类似结
构称为“分生组织结节”和“维管组织结节”, 并指
出它们与器官发生存在密切联系(王凯基等, 1979,
1981; 张举仁, 1987)。可见“结节”(nodule)一词是
命名这种结构的核心词汇。英文“nodule”一词通常
还用来指植物的“根瘤”和地质学中矿物的“结核”,
单独使用时容易产生歧义; 而中文用“分生组织结节”
和“维管组织结节”来表述这种结构既显冗长又不够
准确。因此, 为了使中英文的表述既准确简捷又能够
对应, 本文在参考这类植物组织特点的基础上, 将它
们称为“分生结节”(meristematic nodules)。
虽然分生结节早已被发现, 但直到1988年才把
它作为一种特殊的植株再生途径进行了明确的定义
和较为系统的研究, 并认识到它在植物微繁殖和次生
代谢物生产上的重要价值(McCown et al., 1988)。此
后, 不断出现相关研究报道, 但该研究领域始终没有
得到足够的重视 , 目前仅在啤酒花(Humulus lupu-
lus)、杨树(Populus)、桉树(Eucalyptus spp.)及菊苣
(Cichorium intybus)等植物中研究较多, 其中对啤酒
花的研究较为深入。
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钟原等: 分生结节: 一种有价值的植株再生途径 351
分生结节是植物在离体培养过程中产生的一种
特殊结构, 既不同于一般的愈伤组织, 又不同于植物
的其它组织或器官, 具有鲜明的外部和内部特征, 处
于从未分化到明显分化之间的过渡状态, 也被称作
“组织化的愈伤组织”(organized callus) (George et
al., 2008)。与体细胞胚发生和普通的器官发生相比,
分生结节是一种鲜为人知的植株离体再生途径。本文
系统总结了国内外有关植物分生结节的研究进展, 全
面论述分生结节的发生、发育以及植株再生过程的特
点及其主要影响因素, 为更加深刻地认识植物离体再
生不同途径之间的区别与联系以及分生结节作为
一种离体再生途径所具有的优点和重要价值提供
参考。
1 分生结节的发生和植株再生的形态过程
1.1 分生结节的发生
分生结节多由外植体直接发生, 也可经过愈伤组织间
接发生。通过不同方式发生的分生结节, 只是发育初
期有所不同, 其后的生长、增殖、分化等过程的特征
都非常一致。直接发生的分生结节由外植体的不同组
织共同产生。如: 菊苣(Cichorium intybus)分生结节
是由外植体维管束中不同类型的细胞共同产生的, 其
形成层来源于叶的原形成层, 薄壁组织来源于叶的维
管束薄壁组织, 表皮木栓细胞层来源于叶的维管束鞘
组织(Piéron et al., 1998); 啤酒花的节间外植体形成
层和皮层细胞在培养初期先后启动分裂, 皮层细胞分
裂形成初始的愈伤组织, 形成层细胞通过切向分裂深
入愈伤组织内部, 并分化形成维管组织中心, 然后发
育成具有器官发生能力的分生结节(Fortes and Pais,
2000)。
有关分生结节的发育, 在杨树中有详细研究(Mc-
Cown et al., 1988)。杨树分生结节通过愈伤组织间接
发生, 在个体生长过程中至少经历小细胞团、单中心
结节和多中心结节3个阶段。分生结节在刚形成时只
是一个小的细胞团, 没有明显的内部组织分化, 表面
是一些呈线状排列(linear arrays)且分裂旺盛的细胞。
这些表面的细胞脱落并发育成单独的分生结节。在适
宜的培养条件下, 处于小细胞团阶段的分生结节继续
增大, 并迅速分化出明显的内部结构, 进入单中心结
节的阶段。单中心分生结节呈球形, 具有典型的内部
结构: 1个维管化的中心区域、1层由富含酚类物质的
致密细胞或线状排列的旺盛分裂细胞组成的表皮和1
个居间的富含质体的皮层区域; 在富含质体的皮层内
侧, 靠近维管中心部位通常会发育出一个含有较少质
体的薄壁组织细胞区域。分生结节发育的第3个阶段
是形成内部包含多个维管组织中心的多中心结节, 它
们在不同培养条件下会表现出不同的发育命运。多中
心结节可以保持完整并几乎无限地增大, 发育成“巨
型结节”(meganodule)。杨树分生结节自然增殖的方
式主要有3种: (1) 发育初期小细胞团表面线状排列
的细胞脱落并发育成独立的分生结节; (2) 多中心的
分生结节解体, 形成多个分离的分生结节; (3) 多中
心的分生结节表层细胞发生分裂, 以出芽的方式发育
成与母体相连的新分生结节。啤酒花(Batista et al.,
2000)等植物分生结节的发育过程与杨树非常相似。
胡杨(Populus euphratica)分生结节的发育和结构等
都与普通的分生结节一致, 只是由于没有经历液体培
养, 外形上没有表现出典型的球状结构(Ferreira et
al., 2009)。
分生结节的发生往往不经过愈伤组织大量无序
增殖的阶段, 其本身的生长发育也与普通的愈伤组织
不同, 是有序进行的, 这就大大降低了离体培养中变
异发生的几率。分生结节的球形外观和特有的发育过
程及内部结构使其易区别于其它植物组织和器官, 也
是形成其特殊生长发育习性和命运的基础。
1.2 分生结节再生植株
器官发生是分生结节再生植株的主要途径。分生结节
在合适的条件下可以直接再生芽、根、叶状体等植物
器官(McCown et al., 1988; Salaj et al., 2005), 说明
它具有器官分化的潜力, 但分化的方向不是预先决定
的, 而是受培养条件的影响。对于植物微繁殖来说,
再生不定芽是期望得到的结果。植物分生结节普遍具
有分化不定芽的能力, 在合适的条件下分化效率可高
达100%(表1)。分生结节分化的不定芽通常起源于分
生结节表层的分生组织, 与分生结节出芽增殖的来源
类似(McCown et al., 1988; Batista et al., 2000)。也
有研究认为, 不定芽的分化来自分生结节内部维管中
心周围的薄壁组织(Piéron et al., 1998)。分生结节中
具有分裂能力的细胞分布在表层和内部的维管中心
周围, 这两处的细胞可能都具有分化不定芽的潜力。
352 植物学报 46(3) 2011
表 1 一些植物的分生结节发生和不定芽再生体系
Table 1 Protocols for meristematic nodule induction and shoot regeneration in multiple species
植物学名 外植体 基本培养基 分生结节发生的激素条件 分生结节诱导(I)频率
Acacia mangium 胚轴, 子叶,
茎, 小叶, 叶
柄
MS 4.55 µmol·L–1 TDZ +
1.43 µmol·L–1 IAA
子叶: 10.83; 胚轴: 10.23; 叶柄: 9.00;
小叶: 8.13; 茎: 4.17 (均为诱导出分生
结节的外植体占所有外植体的百分比)
Ananas comosus 叶, 芽基部 1/2 MS (改进) 4.44 µmol·L–1 BA +
2.69–5.37 µmol·L–1 NAA
没有提供数据
Charybdis numidica 叶片 MS (I:液态; II:半固态) 20 µmol·L–1 BA 没有提供数据
Cichorium intybus 叶(多基因型) QL 无机盐 + Walkey
维生素
1 mg·L–1 BAP + 0.05
mg·L–1 IBA
2.2–7.3(个分生结节/个叶片)
Cichorium intybus 叶(‘77’) QL 无机盐 + Walkey
维生素
0–1 mg·L–1 BAP + 0–1
mg·L–1 IBA
8.5–14(个分生结节/个叶片)
Eucalyptus botryoides 芽尖 B5 (I:液态; II:固态) 0.5 mg·L–1 4PU + 0.02
mg·L–1 NAA
没有提供数据
Eucalyptus
camaldulensis
芽尖 B5 (I:液态; II:固态) 0.2 mg·L–14PU + 0.02
mg·L–1 NAA
没有提供数据
Eucalyptus deglupta 芽尖 B5 (I:液态; II:固态) 0.2 mg·L–14PU + 0.05
mg·L–1 NAA
没有提供数据
Eucalyptus grandis 芽尖 B5 (I:液态; II:固态) 0.2 mg·L–1 4PU + 0.05
mg·L–1 NAA
没有提供数据
Eucalyptus globulus 种子, 下胚轴,
子叶
B5 0.25 mg·L–1 BAP + 0.5
mg·L–1 NAA
下胚轴, 子叶: 100; 种子: 84 (均为诱导
出分生结节的外植体占所有外植体的百
分比)
Eucalyptus grandis 下胚轴 MS 无机盐+B5 维生
素
1 mg·L–1 Kinetin + 4 mg·L–1
NAA
没有提供数据
Humulus lupulus 叶柄 MS (改进, 液态) 2 mg·L–1 BAP +
0.1 mg·L–1 IAA
没有提供数据
Humulus lupulus 叶柄 MS (改进, I:固态、液
态; II:液态)
1 mg·L–1 BAP +
0.01 mg·L–1 IAA/IBA
没有提供数据
Lilium × formolongi 芽尖 MS (I:液态); 1/2 MS
(II:固态)
1 mg·L–1 Picloram 80 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Linum usitatissimum 下胚轴 MS 0.5 mg·L–1 BAP +
0.5 mg·L–1 NAA
没有提供数据
Pinus radiata 子叶 LP (改进, I); 1/2 LP
(改进, II)
22.2 µmol·L–1 BAP 93 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Populus euphratica 叶 MS 0.25 mg·L–1 BA +
0.5 mg·L–1 NAA
77 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Populus spp. 组培芽 WPM (液态) BA + NAA 没有提供数据
Sansevieria cylindrica 叶 MS 10 µmol·L–1 2,4-D 90 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Sclerocarya birrea subsp.
caffra
叶 MS (I:固态; II:液态) 4.0 µmol·L–1 BA +
1.0 µmol·L–1 NAA
86 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Sclerocarya birrea subsp.
caffra
叶 WPM (I:固态; II:液态) 1.0/4.0 µmol·L–1 BA +
1.0 µmol·L–1 IBA
100 (诱导出分生结节的外植体占所有
外植体的百分比)
Tylophora indica 根 MS 26.80 µmol·L–1 BA 92 (诱导出分生结节的外植体占所有外
植体的百分比)
Vriesea reitzii 叶 MS 1.0 µmol·L–1 Kinetin +
20.0 µmol·L–1 2,4-D
90.6 (诱导出分生结节的外植体占所有
外植体的百分比)


维管组织中心是分生结节的重要特征之一, 它的存在
可能与器官分化的发生有密切关系(George et al.,
2008)。
除了直接再生植物器官外, 分生结节还可以直
接再生体细胞胚(Ziv et al., 1994; Lilien-Kipnis et al.,
1994); 或在培养过程中发生脱分化, 产生胚性愈
伤组织, 进而间接再生体细胞胚(Chaudhuri et al.,
2004; Sané et al., 2006; Cameron, 2010)。分生结节
的体细胞胚发生和器官发生有时会同时进行(Mc-
Cown et al., 1988; Trindade and Pais, 2003)。尽管
通过分生结节发生体细胞胚的现象很少见, 且其过程
和机理也不十分清楚, 但作为联系器官发生和体细胞
胚发生这两条主要植株再生途径的纽带, 分生结节在
研究植物生长发育过程及其调控机制方面可能具有
钟原等: 分生结节: 一种有价值的植株再生途径 353


不定芽再生的激素条件 不定芽分化(II)频率 参考文献
0.045 µmol·L–1 TDZ 22 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Xie and Hong, 2001


0.44 µmol·L–1 BA + 0.54 µmol·L–1 NAA 叶: 70; 芽基部: 77 (均为分化出芽的分生结节占所有分生结
节的百分比)
Teng, 1997
20 µmol·L–1 BA + 2.5 µmol·L–1 NAA 154.9(个芽·g–1分生结节) Kongbangkerd et al., 2005
PGRs free 41 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Piéron et al., 1993

0.1 mg·L–1 BAP + 1 mg·L–1 IBA 11.5 (个芽/个叶片) Piéron et al., 1993

0.2 mg·L–1 BA + 0.02 mg·L–1 NAA ≥20 (个芽·g–1分生结节) Ito et al., 1996

0.2 mg·L–1 BA + 0.02 mg·L–1 NAA ≥20 (个芽·g–1分生结节) Ito et al., 1996

0.2 mg·L–1 BA + 0.02 mg·L–1 NAA ≥20 (个芽·g–1分生结节) Ito et al., 1996

0.2 mg·L–1 BA + 0.02 mg·L–1 NAA ≥20 (个芽·g–1分生结节) Ito et al., 1996

0.5 mg·L–1 BAP 10 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Trindade and Pais, 2003


PGRs free 没有提供数据 Warrag et al., 1991

从 0.1 mg·L–1 BAP 到 PGRs free 83 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Batista et al., 2000

PGRs free 83 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Batista et al., 2000

1 mg·L–1 BA 100 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比), 80
(个芽·g–1分生结节)
Godo et al., 1996, 1998
0.5 mg·L–1 BAP +0.5 mg·L–1 NAA 没有提供数据 Salaj et al., 2005

0.44 µmol·L–1 BAP 61 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Schestibratov et al., 2003

0.25 mg·L–1 BA +0.5 mg·L–1 NAA 没有提供数据 Ferreira et al., 2009

从 0.1 µmol·L–1TDZ 到 PGRs free 30.3 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) McCown et al., 1988

5 µmol·L–1 BA +1 µmol·L–1 NAA 100 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Shahzad et al., 2009

2.0 µmol·L–1 BA +1.0 µmol·L–1 NAA 62 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Moyo et al., 2009

0–1.0 µmol·L–1 BA + 0–2.0 µmol·L–1 IBA 50 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Moyo et al., 2009

10.72 µmol·L–1 BA 42 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比) Chaudhuri et al., 2004

2.5 µmol·L–1 2-iP +0.5 µmol·L–1 NAA 80.6 (分化出芽的分生结节占所有分生结节的百分比), 60.0
(个芽·g–1分生结节)
Alves et al., 2006


重要价值。
1.3 分生结节与体细胞胚的关系
分生结节再生植株的过程与体细胞胚发生在外观上
有许多相似之处。分生结节可以从外植体上直接发生,
也可从愈伤组织中产生。类似现象在体细胞胚发生中
分别称为直接发生和间接发生。分生结节的外观为球
形, 当体积较小时与体细胞胚的球形胚阶段非常相
似。分生结节和球形胚在合适的条件下都可以发育成
完整的植株。无论是用肉眼还是借助扫描电镜, 从外
表观察2种结构都极其相似(Moyo et al., 2009)。分生
结节可以出芽增殖, 就像体细胞胚能通过次生体胚进
行增殖一样。分生结节分化的不定芽通常来源于表层
细胞, 与之相似, 体细胞胚的发生常常来源于外植体
354 植物学报 46(3) 2011
的表皮细胞或胚性愈伤组织表面的细胞。所以, 分生
结节发生是与体细胞胚发生高度类似的植株再生途
径(McCown et al., 1988)。
分生结节和体细胞胚虽然外观十分相似, 但内部
组织结构和生长发育过程各有特点(图1)。胚性细胞团
和发育早期的体细胞胚主要是由细胞质浓、细胞核大
且液泡化程度很低的分生细胞构成; 而构成分生结节
的大部分是薄壁细胞。维管组织在体细胞胚发生过程
中出现在器官分化开始之后, 而且贯穿于整个胚胎之
中; 而分生结节发育过程中在器官分化开始之前, 就
出现维管组织中心。分生结节再生植株通常是经过器
官发生途径, 即分化出的结构是单极性的; 而体细胞
胚发生中经历与合子胚发育相似的过程, 形成同时具
有茎分生组织和根分生组织的双极性结构。这是2种
途径最根本的区别。
分生结节与体细胞胚外形高度相似, 而在内部组
织结构和发育过程上又各具鲜明特点。 因此, 二者有
时容易混淆, 需要通过仔细的组织学研究加以区别。
体细胞胚的概念已广为人知, 而分生结节的概念比较
少见, 一些有关体细胞胚再生植株的研究在发表时缺
乏组织学证据, 在进一步研究之后发现其实是经历了
分生结节途径(Salaj et al., 2005), 或者是直接的器
官发生(Haensch, 2004)。因此, 将现有的体细胞胚发
生的文献进一步甄别, 很可能会发现更多分生结节发
生的例子。由于这2种途径经历了完全不同的发育过
程, 其调控机制也是不同的。对不同再生途径的准确
认识, 将有助于我们更好地理解植物离体再生机制。
2 分生结节发生和植株再生的生理过程
离体植株再生是一个复杂的过程。目前对分生结节发
生和植株再生的生理过程认识较少, 基本上仅对啤酒
花进行了研究。啤酒花分生结节的发生主要与防卫和
胁迫反应、糖类和脂类代谢、次生代谢、激素信号调
控等生理过程有关(Fortes et al., 2008)。
胁迫是诱导植物离体形态发生的重要因素(Shar-
iatpanahi et al., 2006)。创伤和渗透胁迫所引起的一
系列防卫和胁迫反应为外植体的离体发育提供了重
要的调控信号, 受这些信号调控的基因表达后可能导
致了分生结节的产生(Fortes et al., 2008)。在植物分



图1 植物的2种离体发育途径——体细胞胚和分生结节(McCown et al., 1988)

Figure 1 A flowchart showing the parallelism between two in vitro plant development pathways: somatic embryogenesis and
nodular development (McCown et al., 1988)
钟原等: 分生结节: 一种有价值的植株再生途径 355
生结节发生和植株再生等形态发生的信号转导过程
中, 细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regul-
ated kinase)可能起重要的作用(Silva et al., 2004)。
糖类和脂类的代谢是分生结节发生与植株再生的重
要生理现象(Fortes et al., 2004, 2008)。早在外植体
接入培养基24小时后的原始结节形成过程中, 就有
一个明显的蔗糖代谢、糖酵解和次生代谢物合成的过
程(Fortes et al., 2008)。在分生结节发生过程中, 细
胞中会积累大量的淀粉, 而在植株再生过程中, 淀粉
含量会明显减少。说明与其它形式的器官发生相似,
分生结节的器官发生是一个需要消耗大量能量的过
程(Fortes and Pais, 2000)。分生结节生长发育所需
的能量是通过转运和降解糖类的异养厌氧代谢而获
取的(Fortes et al., 2008)。分生结节的形成和植株再
生过程伴随着体内茉莉酸合成的变化(Fortes et al.,
2005)。多胺和生长素也与分生结节的发生过程有关
(Fortes et al., 2008)。啤酒花节间外植体中具有形态
发生能力的细胞被角质层所包围, 角质层外侧还有一
层胼胝质。角质层在此时可能通过改变渗透性和受体
供给条件而提供进入细胞周期的特殊环境。这一角质
层随后包裹在分生结节的表面, 在不定芽再生之前加
厚并且质地变平整, 然后随着植株再生的发生而逐渐
消失。角质层特异地存在于具有器官发生能力的区域,
可能控制了植株再生过程中水分的渗透和溶质的转
移(Fortes et al., 2002)。
3 影响分生结节发生和不定芽分化的因素
通过分生结节实现植株再生的整个离体发育过程中,
分生结节发生和不定芽分化是2个关键阶段。由于相
关研究还不够深入, 目前尚不能全面了解影响这2个
阶段的因素。已有的研究结果显示, 分生结节发生及
不定芽分化是多种因素共同作用的结果, 其中外源植
物激素、植物种类、基本培养基及其它添加物、培养
的物理环境等因素可能对这2个阶段有重要影响。
已有资料表明, 绝大多数研究都是通过添加外源
植物激素来调控分生结节发生和植株再生的, 其中最
常用的是生长素和细胞分裂素。生长素在杨树和一些
木本植物分生结节发生过程中起关键作用, 而之后分
化不定芽的过程是由细胞分裂素调控的。细胞分裂素
能诱导芽的分化, 但阻碍芽的进一步发育, 所以, 芽
的发育需要在不添加植物激素的培养基中进行(Mc-
Cown et al., 1988)。但这一规律显然不具有普遍性,
因为在许多植物中, 不论是调控阶段的数量, 还是所
需激素的种类都可能与之差别很大。就调控阶段而言,
有些植物分生结节的发生和不定芽的分化、发育可以
在相同的培养基上进行(Warrag et al., 1991; Teng,
1997; Moyo et al., 2009)。更多的植物的不定芽从开
始分化到进一步发育能在相同培养基上进行, 而与分
生结节产生时所需的条件差别较大(Xie and Hong,
2001; Trindade and Pais, 2003; Salaj et al., 2005;
Alves et al., 2006)。从所需植物激素来说, 多数植物
分生结节的发生需要较高浓度的外源植物激素, 通常
同时需要生长素和细胞分裂素;不定芽的分化常常在
激素浓度较低或不含激素的条件下进行, 如果需要激
素, 那么细胞分裂素通常是必需的(表1)。也有植物分
生结节在只含细胞分裂素的培养基上产生, 而不定芽
的分化能够在植物激素组成差异非常大的培养基上
进行(Kongbangkerd et al., 2005)。所以, 分生结节发
生过程中哪种激素起主要作用因植物种类而异, 而分
生结节分化不定芽的过程中细胞分裂素可能起主要
调控作用。在研究一种植物激素对某个发育阶段的作
用时, 出现不一致甚至相反的结果在体细胞胚的研究
中也很普遍。外源添加的植物激素与内源植物激素之
间的相互作用可能是导致这种现象的原因之一
(Jiménez, 2005)。
植物激素调控分生结节发生和不定芽分化的研
究表明, 植物种类是决定体系中植物激素种类和浓度
的重要因素。此外, 植物种类还决定着所用的外植体
类型、基本培养基种类等培养条件(表1)。大多数植物
的分生结节能够在不含激素或含有较低浓度激素的
培养基上较好地完成植株再生, 也有一些植物在相似
条件下分化不定芽的比例很低(Trindade and Pais,
2003)。但分化比例低并不一定意味着它们不具备其
它植物分生结节的分化能力, 可能只是现有的体系没
有提供适合其分化不定芽的条件。与体细胞胚发生对
植物材料基因型高度依赖(武秀明等, 2008)不同, 分
生结节发生对基因型的依赖并不明显(Piéron et al.,
1993)。用于诱导分生结节发生的外植体有叶片、叶
柄、茎尖、下胚轴、子叶、胚、茎和根等(表1), 其中
叶片最为常用。分生结节的直接发生通常来源于成体
器官的维管束; 而间接发生通常来源于幼嫩组织产生
356 植物学报 46(3) 2011
的愈伤组织(Xie and Hong, 2001)。所以, 分生结节在
不同外植体上发生的来源不同, 发育过程和诱导条件
也有差异。即使同一类型的外植体, 取材部位不同,
其分化不定芽的效率也会有差异, 如胡杨叶片靠近基
部的部位比靠近叶尖的部位在相同条件下具有更高
的分化能力(Ferreira et al., 2009)。同一种植物的相
同外植体在诱导分生结节发生时, 如果使用的基本培
养基不同, 所需的外源植物激素种类和浓度也会有差
异(Moyo et al., 2009)。基本培养基及其添加物在植
物发育中所起的作用常常是多方面的。蔗糖除了作为
能量物质以外, 还常常通过调控培养基的渗透势而影
响分生结节的发育过程。当培养基中的蔗糖浓度为5
或10 g·L–1 时, 新铁炮百合(Lilium × formolongi)的
分生结节有85%能分化出不定芽; 当蔗糖浓度为20
g·L–1时, 其分化能力受到明显的抑制, 仅为20%左
右; 当蔗糖浓度为40或80 g·L－1时, 分化率为0(Godo
et al., 1998)。还有一些成分较为复杂的天然添加物质
也能显著地影响分生结节的发育。椰子水(coconut
water)是诱导蓝桉(Eucalyptus globulus)形态发生的
关键因素, 在其它条件相同的情况下, 添加椰子水可
以使外植体发生分生结节的频率由5%提高到62%
(Trindade and Pais, 2003)。
培养的物理条件等因素也能影响分生结节的发
生及植株再生。固态和液态的培养基在气体交换、剪
切力(shearing forces)、激素和营养的可用性、代谢
产物和信号物质的扩散等方面有差异, 从而对培养物
的发育产生影响(Batista et al., 2000)。将固体培养基
上产生的愈伤组织转入液体培养基是啤酒花分生结
节形态发生的必要条件, 而不定芽的分化需要在液体
振荡培养时将转速调低, 保持低氧环境以促进结节的
分化(Batista et al., 2000)。采用液体培养能使Scle-
rocarya birrea subsp. caffra 分生结节的不定芽分化
率从19.4%提高到62%(Moyo et al., 2009)。Chary-
bdis numidica分生结节能够在液体培养基中进行增
殖, 但不定芽的分化率很低, 而且玻璃化严重, 所以
不定芽分化需要在半固体培养基或短暂浸入(tem-
porary immersion)系统中进行 (Wawrosch et al.,
2005)。此外, 继代培养的周期、培养物与培养基的
比例、光照强度、培养物的大小等都可能影响分生结
节的发生和植株再生(Batista et al., 2000; Kong-
bangkerd et al., 2005)。
4 分生结节再生植株途径的应用前景
4.1 自动化生产商品种苗
可靠、高效的增殖过程是植物微繁殖提高增殖系数和
生产效率、降低生产成本的关键所在。然而, 传统微
繁殖方法往往存在不尽如人意之处。以愈伤组织的方
式增殖容易产生变异, 不能保持后代与亲本的一致
性, 而且愈伤组织在长时间继代培养后容易丧失分化
能力(George et al., 2008)。以腋芽或丛生芽的方式增
殖一般只能在固体培养基上进行, 繁殖体的分割、继
代难以实现自动化, 操作步骤繁琐, 需要大量的人工
和较大的培养场地。分生结节恰恰在这些方面具有独
特的优势。经过长达数年的大量增殖后, 分生结节仍
能保持稳定的遗传特性和旺盛的分化能力, 保证繁殖
后代与亲本的一致性(Warrag et al., 1991; Ito et al.,
1996; Godo et al., 1998; Xie and Hong, 2001;
Schestibratov et al., 2003; Kongbangkerd et al.,
2005; Alves et al., 2006)。利用分生结节方式再生植
株, 其增殖可以在液体培养基中进行, 与体细胞胚发
生过程中胚性组织的增殖类似(Ibaraki and Kurata,
2001), 非常有利于利用生物反应器进行自动化培
养。所以, 分生结节以其特有的组织结构和生长发育
规律, 为植物微繁殖提供了一种可靠且高效的增殖
途径。
与直接的器官发生和顶芽或腋芽增殖相比, 分生
结节能够在合适的条件下稳定地处于特有的“分生结
节”状态, 并容易通过大小的筛选实现统一化, 这就
为植株再生过程的同步化提供了机会(McCown et
al., 1988; Teng, 1997; Moyo et al., 2009)。植株再生
的同步化有助于提高繁殖后代的整齐度, 减少分选不
同发育阶段种苗的工作量, 进一步提高自动化程度,
降低生产成本。与体细胞胚发育而成的植株相比, 通
过分生结节方式再生的植株可能发育得更完善, 生长
得更茁壮, 有利于移栽成活(McCown et al., 1988)。
综上所述, 分生结节再生植株是一种可靠、高效且能
够适应自动化商品种苗生产的理想的植株再生途径,
具有巨大的应用潜力。
4.2 提供特征明显的分化能力标记
植物组织或细胞形态发生能力的获得和表达通常需
要不同的离体培养条件, 分辨具有形态发生能力的组
钟原等: 分生结节: 一种有价值的植株再生途径 357
织或细胞是建立植株离体再生体系的必要步骤。因此,
寻找形态发生能力的标记非常重要。体细胞胚胎发生
能力的标记主要集中在细胞和分子水平上, 如细胞的
形态和结构、细胞生理信号(pH、Ca2+)、细胞极性的
建立、特异表达基因、胞外蛋白质等(Féher et al.,
2003; Tchorbadjieva, 2005), 通常需要特殊设备和
复杂的步骤才能探测到。分生结节明显的形态特征与
其巨大的分化潜力有密切联系, 通过肉眼观察和简单
的解剖就能与普通的愈伤组织区分开, 为培养条件的
筛选和阶段性规律的总结提供了有利条件, 是建立植
株再生体系的一种有效途径。
4.3 其它领域
分生结节与其它植株再生途径既有区别又有联系, 它
具有独特而稳定的发育过程, 而且普遍存在于不同植
物类群中, 因此, 有可能作为研究植物生长发育及其
调控机制的好材料。植物的遗传转化需要高效的离体
再生体系作保证。分生结节具有稳定而旺盛的分化能
力, 具备成为遗传转化受体的潜力。特别是对于那些
通过传统的途径目前还难以建立高效植株再生体系
的植物, 分生结节有可能成为一种新的选择。植物次
生代谢产物是许多重要药物的主要来源。分生结节
发育过程中次生代谢活动十分旺盛(Fortes et al.,
2008), 再加上它本身能够稳定、高效、自动化地增
殖, 有望为制药领域提供一种新技术。
4.4 主要限制因素
虽然分生结节再生植株是一种理想的微繁殖途径, 并
在许多领域具有很大的应用潜力, 但仍然存在一些限
制因素影响其广泛应用。首先, 分生结节作为一种有
价值的植株再生途径长期以来鲜为人知, 以致相关的
研究进展缓慢。其次, 分生结节发生以及再生植株的
调控措施在不同植物之间差异很大, 目前还难以找到
一致的规律, 建立可以广泛应用的技术程序。因此,
每一种植物可能都需要进行比较系统的研究才能取
得成功, 前期研究需要投入较多的时间和精力。尽管
如此, 我们相信随着研究积累越来越多, 分生结节这
种有价值的植株再生途径必将日益彰显其优点和重
要性, 而且随着相关研究的不断深入, 有望为揭示植
物生长发育机制提供重要信息, 为植物高效微繁殖和
遗传改良、次生代谢物生产等领域提供理论依据和技
术支持。
5 结语
综上所述, 分生结节是植株离体再生的重要途径之
一, 但它的普遍性与重要性可能还不仅如此。栽培紫
斑牡丹(Paeonia rockii)的嫩枝在非离体状态下经过
环剥刺激和激素处理后, 会产生愈伤组织, 进而分化
出与上述离体培养中的分生结节十分相似的结构, 并
经过单极生长后形成根(成仿云和王友平, 1993)。这
种植物茎段(插条)先产生愈伤组织, 再从中分化出根
的现象, 在育苗学中称为愈伤组织生根, 在生根困难
的植物扦插繁殖过程中尤为常见(Hartmann et al.,
2002)。此外, 一些植物叶插繁殖时在器官发生前也
会先产生类似分生结节的结构, 新的根和芽正是从这
些结构中发生的(Hartmann et al., 2002)。因此, 分生
结节很可能是植物形态发生与器官分化中具有普遍
意义的一种途径, 值得进行更广泛深入的研究。
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360 植物学报 46(3) 2011
Meristematic Nodule: a Valuable Developmental Pathway
for Plant Regeneration
Yuan Zhong, Fangyun Cheng*, Lei Qin
Key Laboratory for the Genetics and Breeding of Forest Trees and Ornamental Plants, Ministry of Education/National
Engineering Research Center for Floriculture, College of Landscape Architecture, Beijing Forestry University,
Beijing 100083, China
Abstract Meristematic nodules are tissues with distinct status during plant in vitro development and thus provide an
important regeneration pathway via organogenesis. They are similar to somatic embryos in appearance but differ in
structures and developmental processes. Meristematic nodules go through unique processes in their development;
therefore, they can be multiplied by repeat liquid culture. The genetic stability and differentiation competence of meris-
tematic nodules are well kept. Meristematic nodules are valuable both theoretically and practically in plant micropropaga-
tion, secondary metabolite production, and research into plant development mechanisms. This paper reviews the pro-
cesses and impact factors of meristematic nodule initiation and plant regeneration and compares the characteristics and
application prospects of this pathway with somatic embryogenesis.
Key words meristematic nodule, micropropagation, organogenesis, plant regeneration, somatic embryogenesis
Zhong Y, Cheng FY, Qin L (2011). Meristematic nodule: a valuable developmental pathway for plant regeneration. Chin
Bull Bot 46, 350–360.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: chengfy8@263.net
(责任编辑: 白羽红)