全 文 ：植物生理学通讯 第 43卷 第 3期，2007年 6月 605
大型海藻的组织培养及其应用
刘树霞，邹定辉 *，徐军田
汕头大学海洋生物研究所广东省海洋生物重点实验室，广东汕头 515063
Tissue Culture and Its Application in Marine Macroalgae
LIU Shu-Xia, ZOU Ding-Hui* , XU Jun-Tian
Marine Biology Key Laboratory of Guangdong, Marine Biology Institute, Shantou University, Shantou, Guangdong 515063, China
提要 ：文章对大型海藻组织培养中愈伤组织和原生质体的获得、除菌效果以及植物生长调节物质的选用的研究进展进
行了概述，并对其应用和研究前景作了分析和展望。
关键词：大型海藻；组织培养；应用
收稿 2007-01-26 修定　 2007-05-22
资助　 国家自然科学基金(30470343和 30670396)和广东省科
技计划(20 06B20 60100 5)。
* 通讯作者(E-ma il：dhzou@stu .edu .cn；T el：0 75 4 -
2 9 0 3 2 8 0 )。
大型海藻是海洋植物中的重要组成成分，分
为绿藻、褐藻、红藻等 3 个门类，许多都有重
要的经济价值，是提供食品、饲料和药物的天然
原料，也可以用来作为提炼藻酸盐、琼脂、角
叉胶、卡拉胶的工业原料。在过去的几十年中，
随着组织培养技术在高等植物中的成功应用(史忠
礼 1980；罗士韦 1983；何卓培 1983)，大型海
藻的组织培养研究也开始逐年受到人们的注视。
最早从事这方面研究的是 Chen和 Taylor (1978)，
他们是以皱波角叉菜(Chondrus crispus)开始的。以
后对经济海藻种类(如能够产生藻胶的海藻种类石
花菜、海带和江蓠等和可食用的海藻种类如紫
菜、麒麟菜和裙带菜等)进行组织培养的研究。在
高等植物中，组织培养的原始意义是指愈伤组织
培养，但随着发展范围的日益扩大，组织培养的
内涵已进一步丰富，它包括植物本身以及它的离
体器官、不同组织、细胞和原生质体的无菌培
养、体细胞杂交及突变体等。海藻的组织培养虽
然起步较晚，但也相应地包括以上几方面内容。
其中原生质体不仅是研究基础生理学过程中的一个
非常有用的工具，并且利用这种工具也是进行杂
交和遗传操纵的一种手段。将源自原生质体的细
胞进行悬浮培养，不仅能为研究有关课题提供大
量的同种细胞，还可以得到完整藻体所不具有的
一些特性，如一些特殊基因的表达( R oede r 等
2005)。
本文介绍海藻组织培养的研究进展及其应用
现状，并对今后这方面的研究作了展望。
1 大型海藻的组织培养
在早期大型海藻组织培养主要是对海藻组织
或切段进行离体培养，以后随着组织培养技术的
成熟和发展以及研究的不断深入，近几十年来，
又较多地进行了细胞、原生质体以及愈伤组织培
养的研究，并取得了较大进展。
1.1 愈伤组织和原生质体 植物的任何器官和任何
组织在离体培养中，其细胞会发生分裂和脱分
化，持续不断分裂成多细胞团，进一步发展成不
受外植体影响的愈伤组织。愈伤组织在高等植物
中，被认为是已分化或未分化的组织细胞受到损
伤后所表现出的无序生长的一种现象，对于这个
定义，如果应用到缺乏有序组织的海藻中则易引
起混淆，因此，这个概念在海藻中还存在一定的
争议，一般常用“类愈伤组织”(callus-like)一词
来代替(Garcia-Reina等 1991)。原生质体是植物细
胞除去细胞壁后裸露的球形细胞，它具有全能
性，可在人工控制条件下进行大量快速繁殖，也
可诱导其融合，形成杂种细胞，为体细胞杂交提
供实验材料。从藻体分离出原生质体的方法有：
机械法、微生物法、酶法等，一般认为酶法是
较理想而常用的方法。
在海藻组织培养中，愈伤组织诱导技术与原
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生质体分离技术可用来选择和培育人们想要得到的
植株品系，这是海藻组织培养中特别引起重视和
兴趣的 2个问题。表 1是近年来有关绿藻、褐藻、
红藻种类的原生质体分离及其进一步发育的研究情
况；表 2是近年来褐藻、红藻外植体愈伤组织的
诱导情况，绿藻中愈伤组织可以从原生质体或单
个细胞中获得(如缘管浒苔和扁浒苔，Reddy和
Fujita 1991)，但从完整的外植体中还未获得成功。
由表 1可看出，绿藻中由原生质体发育为愈
伤组织的报道相对较少，但其重建为完整的新个
体则在很多种类中都有报道；在褐藻中由藻体得
到原生质体的报道较少，而在一些藻种类中从外
植体诱导形成愈伤组织已获得成功(表 2)，并且大
多数的研究材料用的是生产藻胶的藻类，如海带
属、马尾藻属和昆布属等，另外还有网地藻属的
种类(表 1和 2) ；在红藻中，原生质体主要是从
紫菜属中得到的，而在几个藻种类中由原生质体
发育为愈伤组织或新植株个体也多有报道。在获
得原生质体的其他一些种类(如江蓠和角叉菜)中，
也有关于其发育为愈伤组织或新植株的报道(张全
启 1991；Yan和Wang 1993)。紫菜属中由完整的
外植体形成愈伤组织的报道较少，而在石花菜
属、江蓠属和麒麟菜属中则很常见(表 2)。
对于海藻的愈伤组织，有两点值得考虑，即
愈伤组织形成的百分率及其大小。海藻的愈伤组
织与高等植物相比通常生长较慢并且较小(直径
1~3 mm)，海藻中愈伤组织产生是比较少的，并
且其产生百分率也很低，如麒麟菜(Euch euma
uncinatum)为 0.9% (Polne-Fuller 和 Gibor 1987)，
圈扇藻(Zonaria tournefortii)为 1% (Aguirre-
Lipperheide 1993)。另外，在不同的实验条件下
同种海藻可产生愈伤组织，如Yan (1984)的研究
表明，裙带菜(Undaria pinnatifida)外植体愈伤组
织的生长需要植物生长调节物质，而Kawashima
和 Tokuda (1993)在缺乏植物生长调节物质的条件
下同种海藻中则可获得愈伤组织(表 2)。这说明获
得愈伤组织的条件并不是确定的，而且愈伤组织
的产生并不取决于任何特殊的实验条件，外植体
本身固有的内部因素比外部培养条件更加重要。
1.2 无菌和有菌材料 组织培养实验中所需要的材
料往往是要求无菌的，无菌材料通常是通过物理
或化学方法对外植体进行灭菌处理而得到。在早
期的研究中遇到的最突出的问题之一就是获得无菌
藻体组织十分困难。自从发现抗生素并工业化生
产以后，海藻组织培养的污染问题得到了部分解
决，许多成功的海藻无菌培养主要是通过抗生素
表 1 近年来报道的有关从绿藻、褐藻、红藻中分离出原生质体及其进一步发育形成愈伤组织或叶状体的情况
植物种类 发育情况 参考文献
坛紫菜(Porphyra haitanensis) 愈伤组织、叶状体 Dai等 1990
甘紫菜(Porphyra tenera) 愈伤组织、叶状体 Araki和Morishita 1990
条斑紫菜(Porphyra yezoensis) 愈伤组织、叶状体 Araki和Morishita 1990
Porphyra lanceolata、P. nereocystis、P. perforata 愈伤组织、叶状体 Polne-Fuller和 Gibor 1990
Porphyra schizophylla、P. pseudolinearis 愈伤组织、叶状体 Fujita和 Saito 1990
角叉菜(Chondrus ocellatus) 丝状体、愈伤组织、叶状体 张全启 1991
扁浒苔(Enteromorpha compressa) 愈伤组织、叶状体 Reddy和 Fujita 1991
硬石莼(Ulva rigida) 愈伤组织 Della-Pieta等 1991
孔石莼(Ulva pertusa) 愈伤组织、叶状体 Reddy等 1992
Pilayella littoralis Mejjad等 1992
Gracilaria asiatica 丝状体、愈伤组织、叶状体 Yan和Wang 1993
蜈蚣藻(Grateloupia filicina) 丝状体、叶状体 Chen和 Chiang 1994
稀疏蜈蚣藻(Grateloupia sparsa) 丝状体、叶状体 Chen和 Chiang 1994
宽礁膜(Monostroma Latissimum) 叶状体 Chen 1998
裂叶石莼(Ulva fasciata) 叶状体 Chen和 Shih 2000
海带(Laminaria japonica) 孢子体 Matsumura等 2000
脐状小网藻(Microdictyon umbilicatum) 叶状体 Kim等 2002
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表 2 褐藻和红藻外植体愈伤组织的诱导
生长调 培养条件
种类 参考文献

节物质
培养基 温度 /℃ 光强 /µmol·m-2·s-1 光 /暗时间 /h
穴昆布(Ecklonia cava) — — 8~23 160 24/0, 0/24 Kawashima和 Tokuda 1990
辐射昆布(Ecklonia radiata) + M&S (固体) 15~25 5 0 0/24 Lawlor等 1990
Cystophora retorta + M&S (固体) 15~25 5 0 0/24 Lawlor等 1990
Cystophora siliquosa + M&S (固体) 15~25 5 0 0/24 Lawlor等 1990
Cystophora retroflexa + M&S (固体) 15~25 5 0 0/24 Lawlor等 1990
Cystophora expensa + M&S (固体) 15~25 5 0 0/24 Lawlor等 1990
昆布(Ecklonia kurome) — PES 1 5 20~40 14/10 Notoya等 1992
Ecloniopsis radicosa — PES 1 5 20~40 14/10 Notoya等 1992
一种孔叶藻(Agarum cribosum) — PES 1 5 20~40 14/10 Notoya等 1992
裙带菜(Undaria pinnatifida) — PESI 1 3 8 0 10/14 Kawashima和 Tokuda 1993
一种圈扇藻(Zonaria tournefortii) - PES (固体) 1 8 12~20 12/12 Aguirre-Lipperheide 1993
羊栖菜(Hizikia fusiformis) — PESI (固体) 1 8 4 0 12/12 Jin等 1997
海带(Laminaria japonica) + PESI 1 0 3 0 10/14 王希华等 1999
麒麟菜(Eucheuma denticulatum) × ESS (固体) 18~26 20~160 12/12 Dawes和 Koch 1991
长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii) × ESS (固体) 18~26 20~160 12/12 Dawes和 Koch 1991
鲂生蜈蚣藻(Grateloupia doryphora) — PES (固体) 2 0 2 7 18/6 Robaina等 1990
脐形紫菜(Porphyra umbilicalis) + La (液体) 1 8 20~35 12/12 Liu和 Kloareg 1991
凹顶藻(Laurencia sp.) — PES (固体) 2 0 2 7 18/6 Robaina等 1992
蜈蚣藻(Grateloupia filiformis) — VS — — — Yokoya等 1993
江蓠(Gracilaria verrucosa) + ASP6F2 1 8 2~4 16/8 Kaczyna和Megner 1993
Ochtodes secundiramea + ASP12 2 5 1 0 12/12 Maliakal等 2001
长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii) + PES (固体) 2 2 5~35 12/12 Reddy等 2003
长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii) + PES (固体) 2 6 5~10 12/12 Muñoz等 2006
　　+：刺激愈伤组织形成；-：测试但未证明有影响；—：未研究；×：只有在其存在时才生长。
处理而获得的。1978年，Chen和 Taylor采用无
菌的皱波角叉菜髓部组织获得了愈伤组织并诱导形
成植株。但抗生素的使用也并不是必不可少的
(Lawlor等 1991)。王希华等(1999)比较海带愈伤
组织诱导过程中几种除菌方法效果的结果表明，
用1.5% KI和无菌水处理海带组织块的抑菌效果比
较理想；硫酸卡那霉素处理海带小孢子体除菌的
效果虽然明显，但处理时间不宜过长。杀菌过程
中的损伤会抑制愈伤组织的形成和减少可育的原生
质体数量，如果用抗生素的话，在确保能够得到
无菌外植体的前提下，应尽量用最小浓度的抗生
素才能保证材料的生育能力(Aguirre-Lipperheide和
Evans 1993)。迄今为止，大型海藻的无菌化依然
是一个较为困难的事。另外，有报道表明，许
多无菌条件下培养的海藻不能正常发育，而是形
成畸形的叶状体，且生长受到阻碍；当加入分离
的污染物后，培养的藻即可恢复正常生长。很早
就证明，有菌材料表面的微生物会给它们的宿主
提供促进生长的物质。早在 1953年，Ericcson和
Lewi s 的实验就表明，维生素可由细菌转运给
藻。Chandramohan (1971)的研究表明，生活在
肠浒苔表面的细菌可以将色氨酸合成生长素
(IAA)。但由于迄今还没有可以得到无菌材料的可
靠方法，因而海藻中促进生长的物质还未得到彻
底的阐明。
1.3 植物生长调节物质和海藻组织培养 植物激素
是植物体内自然产生的对植物的生长发育起调控作
用的化学物质，尽管藻类的形态结构比高等植物
简单，但其发育与高等植物类似，海藻的发育也
受化学物质的调节。植物中的五大类激素在海藻
中均已检测到，同时，也已分离鉴定出一些具有
激素活性的其他物质。海藻生长调节物质的分离
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和鉴定是海藻组织培养研究进一步发展和广泛应用
的关键。
高等植物生长一般受植物生长调节物质的控
制，在一些高等植物种类中，没有植物生长调节
物质(但存在外源糖类)但可得到愈伤组织，并在
培养一段时间后愈伤组织的生长会停止，只有植
物生长调节物质存在的条件下细胞才能增殖(Fitch
1993)。许多大型海藻组织培养的研究表明，外
加植物生长调节物质对愈伤组织的形成、细胞和
组织分化以及藻体的形态建成是必需的(Bradley和
Cheney 1990；Liu和Kloareg 1991)。海藻对植物
生长调节物质的反应是多种多样的，一般来说，
红藻比褐藻对植物生长调节物质具有更大的依赖
性。高等植物与海藻的培养基中经常需加入一些
作用原理还不清楚的提取物(椰子或土壤浸出物)以
促进生长，如 Schreiber (1935)研究发现，在网
地藻的培养基中加入同种藻的提取物和从凹顶藻类
提取的可溶性提取物都可以促进其生长，这些物
质还可以提高同种植物外植体愈伤组织的形成
(Robaina等 1992)。Bradley (1991)研究发现，植
物生长调节物质 α-萘乙酸(NAA)和细胞分裂素类
似物(6-BA)可以促进愈伤组织的诱导和重建。张
亚萍等(2002)报道，高等植物组织培养中常用的 2
种生长调节物质NAA和6-BA对紫菜细胞生长有明
显的促进作用。其他生长调节物质(如多胺和精
胺)的研究则较少，但也有报道认为它们有促进细
胞分裂(Cohen等 1984)和形态发生(Garcia-Jimenez
等1998)以及促进孢子生长和发育的作用(Guzman-
Uriostegui等 2002；Sacramento等 2004)。Yokoya
等(2004)的研究表明，IAA、2,4-D和激动素(K)
对 2种江蓠(Gracilaria tenuistipitata和Gracilaria
perplexa)的生长和形态建成有调节作用，K可促
进G. tenuistipitata藻体中间部分的生长速率，而
2,4-D (1.0 µmol)和 K (10.0 µmol)可分别促进 G.
perplexa藻体顶端和中间部分的生长速率，并且
这2种江蓠所表现出的不同反应与它们种的发育系
统相关。
高等植物中生长调节物质及其作用模式已经
很清楚，但海藻中尚待进一步研究。大型海藻和
陆生高等植物有许多相似之处，因此可以借鉴陆
生高等植物中成熟的组织培养技术进行海藻组织培
养的研究，但不能完全照搬，应作深入而具体的
研究。
2 海藻组织培养的应用
2.1 作为生理、生化和遗传研究的手段 在离体的
器官、组织和切段的培养中，以它们为研究对象
比研究整体藻体更加方便、快捷，易于取得结
果。例如，以原生质体为研究对象进行生理生化
研究(如细胞壁的生物合成，细胞质膜的结构与功
能，物质运转、能量转换、信息转换、细胞识
别、细胞间的相互关系以及激素的作用等)，可
以获得完整藻体所不具备的功能。从将掌状海带
(Laminaria digitata)原生质体与孢子体的表达序列
标签(ESTs)比较得知，掌状海带原生质体比完整
的藻体可表达更多的胁迫基因，在抵抗活性氧胁
迫的细胞保护中胁迫基因可编码的蛋白有硫氧还蛋
白、硫氧还蛋白过氧化物酶以及谷胱甘肽转移酶
(Roeder等 2005)。
2.2 苗种生产 植物组织培养的一个重要的应用就
是通过植物离体快速繁殖进行大规模的苗种生产。
离体快速繁殖具有取材少、繁殖速度快和易于人
工控制等优点，尤为适合于珍稀良种、濒危植物
的育种工作。海藻细胞组织培养有许多方面都与
高等植物相同，例如用海带的雌性细胞能在未受
精前发育成单倍体，紫菜细胞融合的种间杂交，
绿藻属间细胞融合等都反映海藻生物技术可在其育
种中的应用。在经济海藻的苗种生产中也取得了
一定的进展。如刘凤贤(1990)用壳聚多糖可将鹧
鸪菜切段长成再生苗，朱仲嘉等(1992)的羊栖菜
组织培养芽生苗，裴鲁青等(1993)的石花菜切段
再生，贺丽虹等(2004)的条斑紫菜单细胞固体培
养成苗以及曾庆国等(2004)以坛紫菜单个体细胞克
隆培养获得的叶状体用组织培养技术形成纯合丝状
体再进行海上养殖等，这些都为海藻养殖苗的培
育提供了新途径。但与高等植物组织培养和离体
快速繁殖相比，海藻快速繁殖的实际应用还有一
定的差距，所以应重视离体快速繁殖在经济海藻
中的应用研究，以促进海藻快速繁殖的产业化。
2.3 生产有用的化学成分 植物能生产蛋白质、脂
肪、糖类、药物、香料、生物碱以及其他活性
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化合物等多种天然有机化合物，这些化合物都是
在细胞内合成的，因此用组织或细胞进行大规模
培养就有可能生产这些化合物。直至 1995年为
止，人们从植物组织和细胞培养获得的产物已超
过 140种(Stöckigt等 1995)。这些产物多数为发酵
培养的微生物所不能合成的，但海洋植物与普通
高等植物不同，两者所要求的生长环境也不一
样，它们含有特殊的成分(范晓和严小军 1996)，
在工业和医药中有特殊的利用价值。例如温带红
藻Agardhiella subulata含有稀有的通过脂肪氧化代
谢产生的类花生酸(Graber等1996)和具有抗滤过性
病原体活性的磺酸盐半乳糖体(Witvrouw等 1994) ；
热带红藻Ochtodes secundiramea含有的多种卤化类
萜化合物(Maliakal等2001)可以通过月桂烯合成酶
(Wise等2002)和海洋溴过氧化物酶(Rorrer等2001)
产生。另外，从海藻组织培养中还可以生产有用
的药物或其他活性物质如胡萝卜素、红藻色素等。
3 结语
海藻组织培养是一门起步较晚而富有生命力
的技术，迄今为止，海藻组织培养的研究已取得
了可喜的成绩，并在工业原料生产、养殖业苗种
生产、医学药物生产中表现出广阔的应用和发展
前景。今后，海藻组织培养中需要解决的问题可
能有：(1)寻找获得无菌材料的可靠方法。实验中
海藻组织处理即其中的杀菌过程通常会改变材料的
生理功能，如海藻的光合作用下降和光敏感度增
高等，另外，这同时也是研究海藻中促进生长的
物质的前提条件。(2)研究海藻中生长调节物质的
作用及其作用模式。有研究表明，从海藻中已可
以分离到并已经鉴定的各种存在于高等植物体中的
植物激素，但有关这些激素在海藻中的生理作用
看法还不统一，其作用模式也不清楚，这些问题
如能获得突破，则海藻组织培养的研究将会进入
一个快速发展时期。(3)海藻生长调节过程的研究
以及促进海藻生长和分化因素的识别与分离的研
究。(4)迄今，藻类外植体对外源糖类需要的研究
还很少，海藻如何吸收外部物质(如糖类和植物生
长调节物质)以及外界物理条件变化对其吸收的影
响也值得研究。
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