全 文 ：第 卷
年
第 期
月
斌 汉 植 学 研 究 。 。
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试管苗玻璃化现象的生理
生化和机理探讨
梁海曼 周菊华
杭州大学生物系 杭州
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关甘词 试管 苗 , 玻漓化现 象 , 生理生 化特点 , 机 理
,落 口哀 , 妞 , 一
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试管苗玻璃 化 “ “ 是指试管苗呈半透明状 , 外观形态 往往异常 的现象 。
虽然试管苗玻璃 化后偶尔可在延长培养期 间回复正常 〔” , 也可通过诱 导形成愈伤组织后
重新分化生成正常苗 仁’」, 但通常玻璃苗难 以回复正常 , 继代培养 中仍然形成玻璃苗 〔’ ,
且玻璃 苗的分化能力低下 , 难以增殖 , 也难发根成苗 〔‘ ’。 由于玻璃苗的生理功能异常 ,
故也难 以移栽成活 。 因此 , 玻璃 苗的出现对于利用植物组织培养技术进行植物快速微繁殖
” “ “ “ “ 是不利的 。 目前 已经发现各种类型的植物进行繁殖时都有可能出
现玻璃化现象 , 玻璃苗的百分率可高达 〔”‘ , 因而对于微繁殖来说 , 试管苗的玻璃
化是一个严重问题 , 也是试管 苗生产 中急待解决的一个问题 〔 ” ’。
自从 和 〔‘ 、 ‘ 和 〔’ 最早 描述 了石
竹茎尖培养时所出现的半透明状形态异常 试管苗现象 , 及 , 了 等 〔‘ 首先进
行系统研究并提出玻璃化一词概念以来 , 植物组织培养 中玻璃 化发生的原因和防止措施
逐渐受到较多的注意和研究 。 但是 , 玻璃化的诱发因素众说纷云 , 不同植物玻璃化的诱
本文于 。。 年 月 日收到 , , 。 年 月 日收到渗改 稿
武 汉 植 物 学 研 究 集 卷
发因素很不相同 , 对玻璃 化的发生规律和机理至今还缺乏真正的了解 , 还没有普遍适用
的行之有效的防止玻璃 化发生的技术措施 , 仍需要对玻璃 化现象进行更系统更深入的研
究 。 以往的研究是进一步研究的基础 。 为此 , 本文综述有关的研究结果 , 并结合我们的
研究体会提出一些省法和同行们商榷 。
玻确苗的形态解剖学特点
与正常试管苗相比 , 玻璃 苗在形态解剖学上发生显著的变化〔川 ’一 ‘ ” 。 玻璃 苗外观显示
的共同特点是呈半透明状 , 并且可分为外观形态明显异常与基本无异常两种类型 〔‘川 , ’。
此外 , 玻璃 苗的茎尖顶端分生组织相对较小 , 结构简单缺少维管束原组织 , 茎尖发育部
分保持分生组织性的时期也缩短 〔’川 ”川 、 而且 , 玻璃苗的茎叶细胞体积 膨大 , 液 泡
化程度高 、 胞质稀薄 、 核变小 , 细胞无明显长轴 , 在细胞 壁的某些区域会出现空洞使壁
不完整 〔“ 一 ” ’。 所 以 , 玻漓 苗的形态解剖 学明显异常 。
等 〔’ ’认为玻璃 化的发生与细胞 分裂无关 , 与细胞生长过程 中的
变化有关 , 影响生 长的因素可能促进了玻璃苗的形成 , 这 表明玻璃化的发生可能起始于
正在生长的部份 , 起始于生长点部位 。 因此 , 研究 玻璃苗发生的控制规律时应着重注意
茎尖部位从细胞分裂到细胞分化时期的变化 。 又考虑到玻璃 苗的芽细胞受损伤 〔” ’, 玻璃
苗的细胞缺少纤维素和木质素导致壁压下降而细咆吸水过多 、 细胞畸变 〔 , 玻璃 苗的细
胞分化程度较低 。 看来 , 细胞发育进程受阻或异常是玻璃化发生的重要或主要原因 , 从
而导致玻璃 苗的形态解剖呈现明显变化 。
玻玻苗的 生理生化特点
基 本成份 的含量状 况
玻璃 苗的细咆过度含水 〔” 、 含水量高 『川还原搪和蔗糖 、 、 和 的含量明显
较高 〔 一 川 , 而木质素 、 叶绿素和蛋 白质 、 肌醇 、 和 “ 的含量明显较低 〔’‘ 一 ” ’一 ” ’。 这 表
明玻璃 苗的细胞壁发育差 、 细胞质膜透性改变 、 蛋 白质合成能力和光
一
合作用能 力低下 。
酶的活性
玻璃 苗中某些酶的活性也发生明显的变化 , 例如 , 与木质素合成有关的挂基 肉桂酸
连接酶 〔’‘
’
和 与木质化进程有关的苯丙氨酸氮解酶 〔’, ”
’ ‘ 」的 活性比 正常 苗低得
多 , 玻璃 苗 中碱性过氧化物酶同工酶活性上升而酸性过 氧化物酶同工酶 活性下降‘”了。 此
外 , 有报告指 出巴比伦柳的谷氨酸脱氢酶活性与玻璃化程度正相关〔’, ’, 而
的 谷氨酸脱氢酶活性则与玻漓 化怪 度旧又〔’。 , 考虑 可谷氛唆说 氢酶 活 生
易受体内碳的供应状况的影响 , 故谷氨酸脱氢酶活性不一定能与玻璃化的发生有明确的
相关 。 同样 , 由于不同植物玻璃 苗的过氧化物酶总活性的变化趋势完 全不同 〔” ” ’, 因而
测定过氧化物酶的总活性也难以确切了解玻璃化发生的原因 。
。 内源激素的状 况
玻璃 苗的内源激素状况也有显著的变化 和 〔’‘ 报道 石竹组
织在容易诱 导玻璃化发生的液体培养条件下高速产生乙烯 , 玻璃化组织 的乙烯产生总是
高于正常组织 。 但是 , 培养物乙烯的大量产生可能不会是诱发玻璃化的原因 , 因为提高增
加培养瓶 中的乙烯水平 〔’‘ ’、 添加 乙烯的前体 〔”’或乙烯生物合成的抑制剂 〔”’并不影
响玻璃化的发生 。 “ 等 〔‘ ’服告石竹玻璃化叶片生长素的极性运输大大下
第 期 梁海里等 试管苗玻斑化现象的生理生化和机理探讨
降 , 其原因可能是玻璃化使细胞间联系疏松 、 有细胞间气隙 、 维管组织发育差 〔‘ 之故 , 这
表明玻璃 苗的内源生长素状况可能发生了明显的变化 。 等 二’ 〕也报告 玻
璃 化石竹对赤霉素的敏感性高于正常苗 , 提示玻璃 苗的内源赤霉素水平也可能发生改变 。
以上所述的是一些玻璃苗生理生化特点 , 这为探讨控制 玻璃 苗发生的措施和 研究玻
璃 苗发生的机理提供了有价值的参考资料 。
形晌玻璐化发生的因众
玻璃化现象发生在微繁殖试验中 , 是植物组织培养中特有的现象 。 因此 , 材料种类 、
培养基成 份和培养条件等各种内外因素都影响玻璃 苗的发生 , 其中研究较多的是培养基
水势 、 细胞分裂素 、 氮源和碳源的状况 。
玻璃化发 生 的材抖 差异
众多研究表明 , 培养材料的种类和外植体类型显著影响玻璃 苗的发生 〔” ”‘ ”” ’‘ ’。 例
如 , 盒 等 〔’‘服告具有来 自 的外源染色体 或 的甜菜幼
苗是高度玻璃化的 , 周菊华等 。 〔‘ 研究表明瑞香基部茎段产生的试管 苗 玻 璃 化
百 分率最低 、 茎尖的次之 、 中部茎段产生的玻璃苗百分率极高 。 然而 , 这些研究没有进
行必要的生理生化分析 , 因此难以确切说明不同植物种类 、 不同外植体类型所产生的玻
璃化程度不同的原因 。 而且 , 这些研究大多只使用一种培养基 , 所 以不能排除在改变培
养基后试管苗的玻璃化程度会发生显著变化 。 周菊华等 〔‘ ’研究表明 , 利 用瑞香
茎尖培养时 , 当激素供应为 时玻璃 苗百 分率为 , 当为
十 时则为 。 , 差异十分显著 。 因此 , 在比较 玻璃化发生的
材料差异时应注意与之相配合的培养条件 。
。 培养基水势和环境湿 度的影响
已经证实 , 液体培养比固体培养更容易产生试管 苗玻璃 化 〔‘吕”‘ 一 ’吕 ’, 培养管 内空 间相
对湿度提高容易产生玻璃 化〔” ” ” , 故提高培养基琼脂 〔‘
’ “ ’‘”‘ ’“ ’或 ’。〕浓度能降
低玻璃 苗的发生 , 但须注意这也同时降低了试管 苗的增殖率 〔 ” ”
’‘ ’ , 而且不能排除琼
脂和 中高浓度 、 等杂质的作用 〔‘”川 。 总之 , 培 养基水势和环境 湿度 对试管
苗玻璃化有明显的影啊 , 因此 , 玻璃 化发生 的原因有人 认为 与水势过高有关 〔‘ ” ” ’。
’ 。” 」。
等 ‘ ”认为细胞 壁纤维素 、 木质素缺少导致壁压下降 、 细胞吸水过多 , 从
而形态异常而产生玻璃化 。 所以 , 水分生理异常是玻璃 化发生的原因还是伴随的结果有
待于进一步研究 。
。 碳 源 的影响
有关碳源供应状况对试管 苗玻璃化影响的研究还不多见 。 〔‘ 〕 报道
用 。 果糖替换 蔗糖可显著降低扁桃的玻璃 化发生率 , 郭达初等 ‘ ” 则
报道用 或 葡萄糖替换相同浓度的蔗搪明显增加香 石竹嫩 梢培养物的玻璃苗百分
率 , , 和 〔” 也报告矮牵牛玻璃 苗叶片的还原糖 含量明显较高 、
而肌醇含量明显较低 。 因此 , 碳源供应状况对玻璃化发生是有影响的 , 但尚需要继续进
行探讨 。
。 无机盐和 离子 的影响
培养基 中的无机盐和离子对试管苗的玻璃化也有较大的影响 。 许多研究表明 , 培养
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
基 中 东过多容 易导致玻璃 苗的发生〔‘
’“ 一“ ’, 故用 低 左水平的 。〔‘’ 或 ‘ 〔“ 基
本堵养基代替高 享水 平的 基本墙养基可 以减轻试管 苗的玻璃化 , 但不同实验材
料可能得到相反的结果 〔‘
’ 」 提高培养基中的 〔 ,
’“ ’“ 或 ‘ ” ‘ 浓度能降低玻璃 苗
的发生 , 这 与玻璃 苗含高水平的 和 的报道 〔’
’
川不符 , 意味着 、 卜和 十 对玻
璃 苗发生影响的复杂性 , 他们的影响可能还受其他因素的制约 。 此外 , 提高培养基中的
’ 、 ’十 浓度可 以减少玻璃苗形成 〔 ’, 而 一浓度过高易 导致玻璃化发生“ ” 。
外 源激素的影响
许多报告指 出 , 培养基 中外源细胞分裂素供应过多容易导致试管苗玻璃化 〔”玉’
, 吕 ”‘ ,
但应注意相配合的琼脂浓度 〔
’ ’及与生长素的相互作用 〔吕”
’
川 。 供应过量也会诱导
玻璃化 〔“
’‘ , 这种 作用可能是通过过量 诱 导了培养物细胞分裂素的驯化〔“ 从而导
致 内源细胞分裂素过高而发 生的 。 然而 , 外源赤霉素 〔‘” ’和 乙烯 〔“‘
’ ” 对玻璃化 的发生
没有显著的影响 , 因此乙烯不 可能起到 引发玻璃化发生的作用 。 我们认为应该重新估价
乙烯在玻璃化发生 中的作用 。
其他 囚素 的影响
℃左右的低温处理 可以克服试管 苗玻璃化现象‘ 一 ‘” , 但必须 注怠重新转入高温培
养 〔‘ 和继代培养〔‘ ’时玻璃化现象的回复 。 此外 , ℃的热击处理也可以消徐瑞香 愈伤
组织再生苗的玻璃化 〔
暗 中培养容易形成玻璃苗 , 而光照则可 以显著降低玻璃 苗百分率〔’‘
’‘ ” ’“ ’。
培 养基 中添加 根皮普 〔’
’川或活性碳 〔 , 能够减轻试管 苗玻璃化现象 , 而添加水解酪
蛋 白则使玻璃 苗百分率增加 〔’吕 。
培 养毖 值对玻漓 苗发生 也有影响 。 郭达 阴 等 ‘’ 服告 , 在 一 。范
围内 , 玻璃 苗百分率 以 时最高 , 时最低 。 所以 , 研究玻璃化现象时应庄意
培 养基的 值 。
试 , 苗玻玻化发生机理的探讨
目前对组织培养玻璃化现象的发生 规律和机理还缺乏真 正的了解 。 但是 , 就现在已
经掌握 的资料形成一些看法是可能的 , 而且对玻璃化发生机理形成一定的看法也是进一
步深入研究机理和探讨控制玻璃化发生的技术措淘沂必须 的 。
玻璃化是植物组织墙养中特有的现象 , 在 自然环境 中的陆生植物未见有玻璃化现象
存在 。 众多研究表明 , 玻璃 苗绝大多数来 自茎尖或茎切段培养物的不定芽 , 仅极少数玻
璃 苗来 自愈伤组织的再生芽 。 已经玻璃化的试管苗 , 随着培养基和培养环境在培养过程
中的变化是有 可能逆转的 , 也可 以通过诱 导愈伤组织形成后再生成正常 苗 。 导致玻璃化发
生的因素很多 , 但不同植物种类的玻璃化诱发因素往往不同 。 除人为增加染 色体导致玻
璃 化一例 〔“‘ ’报告外 , 未见玻璃化发生 与遗传直接有关的研究 。 因此 , 有关试管苗 的 玻
璃化现象可 以形成 以下共识
玻璃 苗是在试管内控制条件下培养植物的产物 , 是人工提供的培养基和培养条
件不完全符 台培 养物固有需 求的结果 。
与愈伤组织再生 苗相 比 , 从茎尖 、 茎段培养物直接增殖不定芽形成试管 苗的进
程快 、 时间短 , 至少有部分外植体的分生组织还没有米得及适应新的环境 。
第 期 梁 何曼等 试管苗玻漓化现象的生理生化和机理探讨
试管培养不论试验设计千变万化 , 但有许多方面是相似的 , 如光照弱 、 培养容
器内相对湿度近乎饱 和 、 氧气供应不足 、 培养基内各成份大多相似 、 无机盐供应处于完
全速效状态和异养营养等等 。 但是不同植物生 长分化的需求差异甚大 , 因此对于比较相
似的培养基和培养条件 , 不同植物所不能满足的需 求是不相同的 , 这也可能 是不同植物
产生 玻璃苗的原因不同的缘由 。
可 以认为 , 微繁狱 巾试骨苗的玻璃化现象实际上主要是适应性的生理 问题 。
从前述关于玻璃化的形态解剖学和细胞学研究显示 , 玻璃化的发生 是从茎尖 、 从分
生组织开始的 , 已经成长的组织 、 器官不可能再玻璃化 , 这也是符合最年幼部分耐逆性
最差的常规概念的 。 玻璃苗的细胞 学特点是细胞质稀薄 、 细胞壁发育不好 , 实质上就是
细胞分化受损 。 因此 , 关于细胞形态分化的研究资料可 以为玻璃化发生机理研究提供有
价值的线素 。
关于玻璃化发生原因的研究报告不少 , 其中相对比较系统比较深入一 些的是关于乙
烯在玻璃化 中作用的研究 〔”
· ’‘ · ’“ ·“ ’和 根皮普在克服玻璃化 中作用的研究 〔” ” 〕。 乙烯对
玻璃化的诱 导作用 目前已可基本否定 , 根皮普的效应在植物种类上有较大的局限性 。 因
此 , 我们可 以把注意力集中到其他方而 。 目前比较集中的是水势过高的影响 , 以细胞分
裂素为代表的激素平衡问题和 以 为代表的矿质元素平衡供应问题三个方面 。 但是 ,
玻璃化的原发机制还无头绪 。 比较茎尖 、 茎段处于离休培 养和整休植株处于自然生长环
境 的差异 , 主要在于一是茎尖 、 茎段培养时切断 了 与根的联系而丧失了 由根承担的对 离
子选择吸收和原来 由根供应的细胞分裂素和脱落酸 , 这些在一定程度上改变了茎尖 、 茎
段内的离子平衡状况和激素平衡状况 二是茎尖 、 茎段培养时碳营养 由自养变为异养 ,
这在一定时期内必然会使茎尖 、 茎段休内的碳代谢和有关的生物合成受到影响 , 其中包
括对 布的同化 , 三是培养时光照远较自然环境为弱 , 一 般仅 。一 , 培养器皿
内相 对湿度过高 、 饱和 或接近饱和 , 氧气供应逐 日下降 , 浓度逐渐 上升 , 培养基 中
各化学成分往往开始过高而后又颇多感到不足 。 目前的研究对于这些方面的差异均 已有
涉及 , 但还不够系统深入 , 如 脱落酸是否有关 , 。 以 外的其他离子问是否 存在所平
衡失调和培养基水势过高渗透失调 的生理影响等都还有待探讨 。 因此 , 针对 试管培养和
自然环境生长的差异进一步设计试验进行比较系统深入的研究 , 必将能找到克服玻璃玻
化发生的途径和措施 , 研究玻璃化的发生机理也就有了头绪 。 从适应角度考虑 , 估计
璃化的发生不同植物应该会有不同的原因 。 至于不同的起因最后如何会导致相同的结果
—木质素合成受阻
、 细胞分化受抑 , 则是需要深入研究的问题 。
控制试 , 苗玻玻化的策略
目前对试管苗玻璃化的原 因和机理还不明确 , 但是微繁殖工作仍然要进行 , 这就需
要有对策 。 弓 和 〔吕 ’种指出玻璃化是生长 因子不平衡的产物 。 李文安
〔‘ ”文中指出 “ 玻璃化苗产生的条件 ⋯ ⋯能使植物中毒 ” 。我们 在上一节基于现
有资料的分析认为培养基和培养条件不适宜 、不平衡是试管 苗玻璃化的发生原因 。 玻璃化
问题实质上是适应性问题 , 是不同种类植物不同个体的适应性差异的问题 。 因此 , 目前
对待玻璃化的策略就是尽可能采取可能有益 、 肯定无害的预防性措施 , 必要时进行个别
因子的平衡剂量试验 。 目前能够考虑的具体措施大致如下
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
光照培养 , 适 当提高光照强度 。 因强光有助于克服玻璃化 , 却未见有光照会增
加 玻璃 化发生率的报道 。
琼脂浓度不低于 , 条状琼脂事先用双蒸 馏水浸泡 小时 以去杂质 , 使 用粉
状琼脂时尽可 能选用含灰量低于 的 。 因为琼脂杂质 中的 、 、 、 、 ”等含
量高 , 会影响培养基 中矿质元素的适宜含量和合理 比例 。
注意通气 以尽可能降低培养容器内的空气相对涅度和改善氧气供应状况 。 目前
较多使用塑料薄膜封 口 , 这要注意薄膜的通气性能 。
适 当降低培养基 中 浓度 , 或者及时转移 , 十 浓度高低交替 以兼顾不定
芽增殖系数和控制玻璃 苗发生 。 适当提高培养基 中的 ’ 浓度可能有益 , 至少不会增加
玻璃苗的发生 。
‘ 注意碳 源种类和浓度的选择 。 我们对石竹培养物的分析表明玻璃苗的总可溶性
糖含量较高而蔗糖含量明显较低 , 故玻璃 苗的糖代谢异常 。 因此 , 对碳源供应进行探索
将是有益的 。
注意细胞分裂 素和生长素的配合 以及激素和 ‘ 之 间的配合 艺川 , 力求兼顾不 定
芽增殖系数和控制 玻璃 苗的发生 。
考虑到玻璃化发生是 “ 生长 因子不平衡的产物 ” 、 是培养物 “ 中毒 ” 、 不能很
好适应不宜培养基和培养环境 的结果 , 因而 , 注意提高培养物对逆境的耐受能力应该是
有益的 。
以上是我们 对试管 苗玻璃化问题的基本认识 。 试管 苗玻璃化问题 , 在整个植物组织
培养领域 中并不是核心、问题和重大问题 。 但是 , 试管 苗玻璃化现象严重降低了植物组织
培 养的效率和影响 植物组织培养技术在生理生化等基础理论研究中的应用 。 因此 , 试
管 苗玻璃化问题的解决必将有助于提高 整个植物组织培养的科学水平和实际效率 。
今 考 文 献
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