全 文 ：西 植 物 G u iha ia 1 2( 1 ): 4 1一 5 5. F e b. 1 92 9
禾本科植物的组织培养研究及其应用竺
邵 宏
( 北京大学生物学系 ,
波
北京 1 0 0 8 7 1 )
搞要 禾本科植物是粮食作物的主要来源 , 随着人 口的增加和生活水准的提高 , 人类对粮 食
的产量 、 种类和质量的需求岑日益迫切 仁3 。 ’ ` “ ’ “ ” 。 ” ’ , 7 ’ ` , . 〕 。 根据国外在 1 9 8 2年对 90 个发展 中
国家的统计和预测的结果说明到 1 9 9。年末 , 这些国家共缺少72 百万吨谷物 而到 2。。。年将缺少 14 4
百万吨谷物 4[ “ ` “ 7 〕。 近十金年以来 , 随着植物分子生物学的迅猛发展 〔” 忍` 。 一 ’ ` ’ “ 吕` 3 : ’ “ . ’ , . ` . “ 忍’
. 3
. ` ’ 4一 1 ’ “ ” “ 2 ’ , 3 3〕和作为植物生物技术重要组成部分的植物组织培养技术的 日臻完 善 〔3一 ` ’ 。一 : . ’
蕊卜忍 ` ,名 7 ’ a ` 一 , . ’ 棍“ 一心 : ’ 4 。一 ` : ’ “ 一 。 . ’ 。 `一 7 ” 2 . ] . 被公认为非常困难从事 的禾木科植物 ( G r a而 n a -
e e a e ) 的组织培养也取得了异常迅速的发展 〔` ’ ` “ ’ 3 “ ’ 4 ’ ` 摇 “ ` 一 “ 0 ’ 5弓 ’ 5 5 ” “ 一 7 ” 7 6 一 7一洛’ ` “ 4〕 , 并 且已
经在作物改良的生产中取得了成效 , 显示了越来越大的潜能和威力 , 为人类 从 根 木 上解决食物问
题指出了一条切实可行的途径 [3 ’ 1 2一 1 8 ’ 3 2 一 3 “ “ 7 ` 7 7 5 7 6 ’ 。 3一 。 7 ! 2 之一 1 3。 , 1 4 2 ] 。 本 文拟在评述 近年
来禾本科植物组织培养 (主要指胚胎培养 、 器官培养 、 细鲍培养和原生质体培 养 )的理论性 研究和
应用性研究的进展 , 并重点描述和讨论在应用 _ J一较为成熟和有发展 前 景 的几叮箭域的发展现状以
及利用禾木科植物的组织培养技术而进行的基 因转移技术跳概况。 希望能为我 国从事植牧组织培
养的工作者们提供某些参考资料并对于一些问题进行共同的商榷和探讨 。
关键词 禾本科植物 ; 组织培养 ; 基因表达的调控 ; 无性系繁殖 ; 种 质 保存 ; 作物育种 ; 体
细胞杂交 ; 基因转移技术 ; 植物基因工程
一 、 前 言
作为植物生物技术的主爵组成部分的植物组织 培养技术从 1 9 0 2年 G · H a b er al n dt 提出
细胞全能性理论和进行离体竣养开始 , 至今已有 80 余年的历史 , 在这段时间里 , 植物组织培
养研究经历了从梦想到现实 , 从理论到实践 , 从实验室走向大田和工业以及医药业生产的逐
步完善和成熟的发展过程 飞“ ’ ` 吕 ’ ` ” ’ ` 1 。 目前植物 纸织培养已经被生物学的许多分支学科
如植物生理学 、 生物化学 、 遗传学 、 育种学 、 病理学 、 解剖学 、 植物栽培学 、 细胞生物学 、
发育生物学等加 以应用并且 已 产 生 了明显的社会和经济效益 , 得到了国内外各研究机构和
产业部门的广泛注意和重视 , 成为现代生物科学中最活跃 、 最有生命力的一个分支 L” ” ` 。 ’
` , , , ` ” ’ “ ` l 。 随着植物分子生物学的发展和发展而来的 D N A 重 组技术 、 高等植物的基因
转移技术的进一步完善和成熟 , 将会使得改良农作物的遗传操 作 达 到 一个全新的更高水平
1 1 6 , 3 e , 6 2 , 1 3 0 , 1 4 3 1
。
自六十年代末期以来 , 由于一些重要农作物相继通过细胞 ( 小抱子 、 原生质体 ) 培养并
诱导成再生植株 , 使得国际上许多著名的植物组织培养学家由从事模式植物 (m do “ 1 lP a n 七)
的组织培养研究转向以禾本科植物为对象的组织培养研究 , 从而使得难于成功地进行组织培
养研究的禾本科植物在该领域中取得了突破性的进展 [ ` 2 ” 5 ” ” ’ 3 ` 1 , 并 且 从 此 就一直成
一一一 - 一一 .一叫 - .长本文得到杭州大学生物 系梁海曼教授的指导 , 特此致谢 。
4 2广 西 植 物 1 2卷
为了植物组织培养领域中最为引起重视的热点研究领域之一t “ 6’ 。 “ ” “ 8” 弓 “l , 贯 穿 于全部
生物工 程 ( 基因工程 、 细胞工程 、 酶工程和发酵工程 )内容 , 并成为它们的重要手段 。 其原 因
正是在于改 良农作物 、 创造班高产小稳户万,减赓好 、 ` 禽硫赢 一抗涝 、 抗虫害 、 抗高温 、 抗低
温 的优良品种以适应多变环境和人类的需要 , 正是生物工程的核心内容 [ “ 一 ’ 。 ’ ` 3 ’ “ 3 ’ “ ’ 一 “ ”
石 “ ’ ` 3 。 〕 。 因而进行禾本科植物的组织培养研究和应用性研究无论在理 论 上, 还是在实践上
均显得越来越迫切 , 越来越重要 。
我国的禾本科植物的组织培养工作开始于七十年代的初期 : ’ “ ` 1 , 比国外大致要晚五年左
右的时伺 曰 ` , , “ 一 , , ], 并且在全国形成一支较大的队伍是在七 十年代末期所开展的花药培
养研究 , 其显著的标志是 1 9 78 年在北京脐举行的植物组织培养会议 ( p r o ce 碱 in gs o f S y m -
oP is u m 姐 lP an 七 iT 朋ue 一 ou lut e)r 并由此推动了我国从事禾本科植物的组织培养工作 〔 ’ ” ’
, ` ’ “ , ” `飞、 丁认: 至i八十年代的初期 , 我国的未本科植 物 组织培养工作的范围 、 . 深摩均大大地
扩六 `不仅仅局限于花药和花粉的培养 t ` ’ 泊 “ 。 , :而且开展了水稻 ` 1卿 、 小勿 1! ·州 6 1 、大麦 伟 ` ” , `尸s3 ] 、 玉米 [ ’ ` 。 “ 、 甘蔗 `’ ` ’伙 谷子 【` ’ 〕 、 高粱 [` 2 1等的胚胎培养 、 细胞培养
和原生质体培养工作并取得了许多进展 , 为进行重要农作物的改 良提供了丰富的资料和基础
t “ ” ’ 至、 。 ’ ` “ 一 ’ 。 , “ “ ’ “ “ ’ ` 7 , 5 ` ” ` 钊 。 由于篇幅的关系 , 本文将主要论述禾本科植物的细胞培
养 、 原生质体培养的研究概况 以及与之相关的基因转移技术研究现状 。 其它方面的问题请参
阅王新宇等 、( 19 8 4 ) 〔“ l 、 刘涤 ( 1 9 8 4 ) I“ , I 、 丁家宜等 “ ’ ` “ “ 、 陈振光 [ ’ 。 ] 、 颜昌敬 I` , l 、
许 智一 宏 〔3 肠 ’ “ 。 , 毛 。 ] 、 何 中 虎 等 ( 1 9 9 0 ) 〔4 “ , ` 4 1 、 李向辉 [` 。 ’ “ 2 1 、 王 大 元 [ ’ 艺j 、 L o r z 等
( 19 5 5 ) 【’ 。 ” 1 、 C o h e n ( 1 9 8 9 ) [ ’ ` 6 ] 、 召肠宏波等 ( 2 9 8 9 ; 1 9 9 0 ) 工` 7 ’ ` g ’ ” ` ’ ” ” ’ ” 了〕 的综述
性文章。
二 、 禾本科植物组织培养的理论性研究及 意义
禾本科植物的组织培养是在植物组织培养达到成熟的阶段 , 即在六十年代末期才逐渐开
展起来并在七十年代的末期达到高潮 [ ’ 吕 lo 禾本科植物的组织培养的理论性研究也正是伴随
;{抓熬:赣{!)))排{数源 DNA 导入等 , 三是加 强了细胞的生长 、 分 化和发育的生化机制研究 , 加强了体细胞变异的研究 , 同时对胚胎发生中的基因表达调控研 一究也给以了足够的重视 〔” ’ 2 “ ’ “ ” ” 2一 , ` ’ ` 3 5几
所有这些将使禾本科植物组织培养的研究与应用向更新更高的水平发展 。 _ _ ` 六
1
. 花药培养及其在遗传学 、 胚 胎学上的意义 [ 4 ’ 。 ’ 。 “ ” ” ` ’ ` “ “ ]
花药培养和花粉培养获得的单倍体和纯合二倍体植物是研究细胞遗传的极好材料 。 在细
胞培养 中很易引起变异和染色体变化 , 从而可得到作物的附加系 、 代换系和易位系等新类型 ,
如在小麦和玉米中 , 为开展染色体工程研究开辟了新的途径 [ . ’ 】。
利用花药培养 , 梁海曼等 ( 1 9 8 5 , 1 9 87 )[ “ 7” 峨 。 1研究了花药壁的形态变化以及其在细胞
分化中的作用并认为低温 、 p H 值均影响着花药壁的作用 , 从而丰富了植物胚胎学的基础理
1期 邵宏波 :禾本科植物的组织培养研究及其应用
论 汇。2 一 。 刁] 0 -
2
. 细胞培 养及其在生理学、 发育生物学等上的意义 工“2 ’ “ ” ” ” 今. ,
细胞是构成生物体的基本单位 , 是进行一切生理机能的场所 , 因而细胞和组织培养为研
究植物生理活动提供了一种极有力的手段 。 由于在人工控骊的语养基王可以加人丢种一营养骊
质 、 生长活性物质和调节物质 , 因而利用植物组织培养来研究矿质营养 、 有机营养以及它才门
之间的相互关系 。 一 近几年来 , 这方面的进展也较为迅速 。 召吓宏波等 ( 1 9 9 0 ) 〔“ ` ’ 5 ” 1在 甘 蔗
和大麦的细胞和组织培养中发现 , 甘蔗及大麦的胚性细胞中含有高于非胚性细胞中的蛋 白质
含量 , 而且它们之间的过氧化物酶同工酶谱存在着很大的差异 , 对大麦组织培养中的真.毛份:
同胚胎发生能力的外植体进行矿质元素分析表明它们之间也存在着差异 , 具有强胚胎发生能
力的外植体大都含有相对较低的大量元素 C a Z + , M g Z + , K 十 而 含 有 相对、较豪 的微量元素
C u
“ + ,
M n
Z 十 ,
z n
’ + , 这一结果与黄大年等 I“ 5 1在甘蔗细胞培养中所 观察的结果相似 。 以
上这些结果对于 探讨营养生理 、 离子间的作用与平衡以及植物胚胎发生的机制等均是有益的
sl[
, , “ , 5 7 , 7 5, ,叫 。 近年来 , 利用单细胞培养研究植物的 光 合 代 谢也取得了进展 〔曰 ’ 八 ’
, , , ,
。 另外利用细胞培养对研究病理学也提供了方便 , 如植物的抗病性用单细胞培并来进行
检验和鉴定 , 一周之内便可以 得到结果 l[ ` ’ “ 2〕 。 一 ` 一
3
. 原生质体培养及其理论意义 -
自从 C oc ik 雌 在 1邪 。年用酶法首次 从 悉茄根尖分离出大量有 活 性 的 原 生 质休 , 并通
过培养能再生新细胞壁成为再生细胞以后 , 植物原生质体的研究及应 用 便 进 人 了一 个新阶
段 。
禾本科植物的原生质体培养是在六 一}一年代籽。一叶年代切期时间内所山种模式掉卜烟草原生质体培养技术基础上开展起来的 sl[ 。 最 早 的 报 告 是 K ao 等 ( 1 0 7 3 ) 〔 , 5 。 ! , 随 后
k o bl it
z ( 1 9 7 6 )[ ` “ ` ]报告了从水稻叶鞘分离的原生质体经培养形成了愈伍组织 , P毗勺玫叨
等 ( 1 9 7 7 ) f ’ 2 ]培养来源于玉米茎的原生质体获得了愈伤组织 。我国学者蔡起贵等 、4 6 1也相雄
从液体培养的水稻细胞制备的原生质体获得了愈伤组织 。 .上述的报告均来能获得原生质体钓
再生植物 , 并且有些报告的结果不稳定 , 难以重复 。 ` 最近 C 。 。 1` ab l y 等(1 9卿 t“ 卜 ,一 、 一冲。等 ( 19 8 6 ) “ 、 。叮分别从水稻无菌苗胚芽鞘形成的愈伤组织中分离的原生质体 以及 从 水稻悬i浮
培养物分离的原生质体再生出了正常的植株 。 这在重要的禾本科植物的原生质体培养方瓦是
一大进展 。 同时 , V a s i l 等 ( 2 9 8 0 , 2 9 8 1 , 1 9 8 3 , x9 8 7 ) 〔6一 6 ` , “ 4 1又分别从珍珠粟 、 羊草 、
紫狼尾草的胚性悬浮培养物中制备的原生质体通过体细胞肚 胎 发生 ( S o m a七ic le n b r oy g “ -
” se 柏 ) 途径产生了植株 , 这样的实验 结 果 以 后 又 由 黄 培 培 .(1 9 的一 `“ “ , 、 dA ac 砧等
( 19 8 9 ) 〔5 吕! 在普通小麦原生质体培养中观察到 , 同时 w a n g 等 卜“ ` 了也在 工n d i o a 互空水稻朴{
C M S 型水 稻 原 生 质体 培 养 以 及 S h i l l i七o 等 ( 1 9 8 9 ) 〔 ’ 。 2 1 、 p r i o l i 等 , ( 1 ” 8 ” ) 至’ 。 . 3 ] 、
hR od es 等(19 8) “ 。 。 l 在玉米 、 玉米近交系的原生质体培养和 L伙hr s _ 等解98 8丫1 0 8 ’ 在大麦
的原生质体培养中均得到了证实并成功地进行了禾本科植物的原生质体培养工作 , 并使得禾
本科植物的原生质体培养技术日趋完善 , 为进行禾本科植物的原生质体培养的理论性研汽那
应用性研究提供了丰富的材料来源 , 打下了坚实的基础 。 现将已经成功地进行了禾本科植物
的原生质体培养工作的植物列于表 1 “ 2 日 ’ ` “ loz , _ -
i ) 原生质体的特点 [ “ ’ 3 ’ “ ” 。 ’ ` “ ’ 2 “ ’ 3 。 ’ 5 “ 一 “ ` ’ ` 。 ` 一 ` 。 “ ’ ` 要7 ’ 几3 。 飞 ; 一 : 卜一
4凌 广 西 植 物 2 1卷
表 1禾本科植物的原生质体培养事例( 1 9了 3一 18 9 9)
植 物 名 称 原生质体的来源 最终的培养结果 参考文献
ory 名 old 续a e稻亚科
口ry 加s o矛印。 水稻
P o oida e e早熟禾亚科
H or ` eu 币 。u 勺ar 。 大麦
Tr ` tic “ 份a es “ 盯“ 附 小麦
S e eol e e e, e a l e 黑麦
犷 r六 i ca 份 小黑麦
L o l i u 用
麦草
B r o 脚盯 s
F e s t u e a
阴 “ I t i l o r “阴 多花黑
兰羊茅
f” e r二 : s 无芒雀麦
。 r “ 侈` ” a e e o s 竹叶
悬浮培养的细胞
悬浮培养的胚性细胞
叶 鞘
胚芽鞘愈伤组织
叶 片
愈伤组织
悬浮培养的胚性细胞
叶 片
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的膝性细胞
叶 片
叶 片
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
胚性愈伤组职及悬浮培
养的胚性细胞
愈伤组织
植 株
愈伤组织和根
植 株
细胞团
愈伤组织
白化苗
二次细胞分裂
植 株
愈伤组织
愈伤组织
二次细胞分裂
愈伤组织
胚状体 、 白化植株
植 株
〔1 6 , 1 5 3〕
〔7 7 , 1 0 4 , 1 5 4 , 1 5 5〕
〔1 5 1〕
〔6 8〕
〔2 , 9〕
〔1 0 1〕
〔1 0 8〕
〔9 , 1 5 9〕
〔1 5 6〕
〔1 0 9〕
〔1 5 8〕
〔 9 〕
〔1 6 1〕
〔8 6 , 1 5 0〕
〔1 6 3〕
P o l y p o g o : f
。 夕a x 棒头草
P an ic 以d石么e 黍亚科
S a e e ha r气功 oj f i e 玄n a r 。 沉 甘蔗
〔1 2〕
尸。 n i cu 巾 二 a 劣 i沉 u川 大黍
S 诊匆 r ia `t a l i亡a 谷子
P ` . ” i s e t” 叻 夕u r夕. r e u m 紫狼尾草
P
.
a 加 e r I’c a ” u 巾珍珠谷
悬浮培养的细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
S o r 夕几“ 拼 6 i e o l o r 双色高梁
多e a 脚口 y s 玉米
, u
eP
r s w e e t e o r n 超甜玉米
i n b r e d e o r n 近交玉米
悬浮培养的细胞
茎 尖
悬俘培养的细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
悬浮培养的胚性细胞
细胞团及愈伤组织 〔41 , 69 , 1 5 9〕
植 株 〔3 8 , 1 6 0〕
植 株 〔1 6 2〕
愈伤组织 〔1 6 4〕
植 株 〔5 9 , 6 3 , 6 4〕
植 株 〔6 0 , 67〕
愈伤组织 〔1 6 5〕
愈伤组织 〔7 2〕
愈伤组织 〔166〕
植 株 〔1 0 3 , 1 0 6〕
单倍体和二倍体植株 〔1 6 3〕
植 株 〔x o Z〕
随着原生质体培养研究的不断发展 , 为作物的改良和基础理论研究开辟了又一个崭新的
领域 , 与其它类的组织培养 ( 如组织 、 细胞的培养 ) 相比 , 原生质体培养有许多优越性 : 第
~
,一种基因型的同一种组织可以 同时产生大量的遗传上一致的分离的原生质体群 , 第二 , 每
个原生顶体都含有该个体的全部遗传信 息 , 而且在适 当的培养条件下 , 有再生与其亲本相似
的完整植株的全能性 。 这就说明 ,原生质体可以象一粒种子那样再生繁殖 , 第三 , 由于它没有
细胞壁 , 它可以像动物细胞那 样 , 在诱导条件下超越性细胞的不亲和障碍 , 进行各种远缘种
卿细煦的融合或杂交 , 第四 ,原生质体可以摄取外源遗传信息 , 包括细胞器 ,细胞核 ,细菌 ,病
1 期 邵宏波: 禾本科植物的组织培养研究及其应用
毒 , 质粒以及各种 D N A 分子 。 因此 , 易于在控制条件下进行准确的操作以及重组体 、 转化
体的分离和分析 , 是进行遗传转化研究的理想的实验体系 , 它是在分子水平和细胞水平上研
究遗传信息动态的结合点 `’ “ ” ` ” ’ 一 ’ “ ” ` ’ 。 经过遗传操作以后的原生质体 , 在再生发育康
程中能产生遗传重组及形成新的变异植株 , 因而它已成为改良作物品种的新途径 , 并在改变
植物遗传性的应用研究和基础研究中有着广泛应用的前景 [。 . ’ ` “ “ l 。
2 ) 利用原生质体进行细胞壁再生及质膜研究 〔“ , ` 。 ’ 4 。 ” ’ ` 。 ’ ` 。 。 l
细胞壁是植物细胞特有的结构 , 原生质体具有无细胞壁的特性 , 因而植物细胞生物学家
利用它来研究细胞壁的再生及其各种细胞器在细胞壁再生中的作用 。 质膜为壁所遮盖着 , 是
生命活动中起重要作用的筛膜结构 , 不具细胞壁的原生质体成为植物细胞质膜研究的很好的
实验系统 。 以前常用有丝分裂末期细胞板的产生来研究胞壁的形成和再生 , 这在取材观察或所
获得的资料方面均存在一定的局限性 , 改用原生质体后 , 利用电镜及冰冻蚀刻等技术即可观
察细胞壁重新形成的整个过程 。 另外 , 刚分离的原生质体由于质膜充分暴露 , 为研究结构与
功能及表面的特性提供了极大的方便 。
3 ) 原生质体在细胞核与细胞质相互关系研究中的应用 [` “ ’ ` 7 ’ , 吕 ’ 3 7 ’ . 5 ’ , “ ’ “ 7 ’ 毛` . 1
现在可以利用原生质体摄取小分子 、 大分子 、 病毒及细菌一类的颗粒 , 甚至能移植细胞
核 、 叶绿体及线粒体等细胞器 , 或用两个不同亲本的原生质体进行融合 ( 即细胞杂交 , 融合
的 结 果 将 导致双方染色体组及细胞质的添加 ) 来进行核与质关系的研究 。 其优点是扩大了
研究的手段及缩短了研究时间 , 从而避免了过去利用动物细胞 的核移植方法的局 限怜以及在
植物中利用连续回交方法的繁锁手续和不彻底性 。 目前 , 在 细 胞 融 合方面 , 巳获得了品种
间 、 种间 、 属间杂种植物 , 甚致科间的杂种细胞系 [昌 ’ 7 ’ ` “ ’ 2 ` ’ 吕 。 ’ “ 。 1 。 在对杂种细胞的质
体和染色体的行为 、 同功酶的分析及亚显微结构的观察等方面都积累了一些有关于核与质关
系的资料 , 为深入地阐明核与质关系的规律性打下了基础 。 :
4 ) 原生质体在病毒学及遗传操作研究中的应用 [ “ “ , ’ ` 毛” “ ’ ` 2 “ l
在植物病毒病的研究中 , 只有深入了解病毒与寄主翅胞的相互关系 , 才能提出防治病毒
病的新方法 。 由于原生质体可摄入外界物质 , 又可被病毒同步侵染的性质 , 因而原生质体成
为研究病毒侵染机理以及植物与病毒关系的理想材料系统 、 以病毒的侵染过程为例 , 过去多
用叶片为材料 , 研究病毒侵染及复制的机理 , 存在着很大的困难 , 主要是感染频率低 ( 1 %
左右 ) 及不同步感染 ( 即先感染少数细胞再经反复感染才能达到其余细胞 ) 。 利用原生质体
后 , 由于感染频率可高达 85 一 10 % , 并且又是同步感染 , 就克服了上述 障 碍 , 病毒学的研
究提供了理想的实验数据 t “ 吕 ’ ` 2 “ 一 ` “ ` ] 。
原生质体可 以作为理想的受体系统进行各种传遗操 作 的 研 究 [’ ’ 已 ’ 。 ” “ ” ” 2 3 ’ 2 . ’ 犷’
8 。 ’ ` 6 ’ ` “ ’ “ 2 ’ 丁 7一 “ ’ 。 。 ’ ` 。 ” ` 。 ” ’ ` ’ ` 一 ” 7 ” 吕 “ l 。 例如利用根窟农杆菌中的 T i质粒作 为 载体
把外源遗传物质引入原生质体作转化研究 , 已取得了可喜的成绩 〔` ’ : 3 ’ ` 2 ’ ` 冬丁一 ’ 3 “几 在未本
科植物中 , 利用原生质体而进行的遗传物质直接转化方法在大麦 [ ’ “ ` l 、 小麦 t 2 .伙水稻 梦. ’
, , 1
、 甘蔗 L” ’ “ 。” ” ` 2 ” 1等植株上均获得了成功 , 为作物改良的遗传操作手段和水平 升辟
了新的途径和方法 , 其前景极其诱人 。
广 西 植 物2 1卷
三 、 禾本科植物组织培养的应用研究现状
;
` 禾本科植物组织培养的应用性研究与其理论性研究是紧密相联的 。 随 着 生 物 技术的发
展、 特别是植物组织培养技术的进步 , 植物细胞具有 “ 全能性 ” 的概念已被广泛接受 , 因而
也使得近十年来在难于从事组织培养工作的禾本科植物中在应用方面取得了许乡进展 。 现分
以 一F几个主要方面论述 。
二 一 1 、 花药 ( 粉 ) 培养在作物改 良上的潜 力
少 离体培养花药 , 可以诱导花粉改变正常的有限分裂次数的配子体发育途径 , 而转向无限
分裂的产生完整植株的袍子体发育途径 〔. 吕’ 。 “ ’ 。 。 ’ ` “ “ 〕一 。 由此可见 , 经过减数分裂产生的花粉
粒 (纪子体 )细胞的染色体数目比原来体细胞减少一半 , 成为单倍体细胞 , 由这种单倍体花粉生
妹分化出的植株 , 其细胞中染色体只有正常的二倍体植株的一半 , 这样的植物就叫 “ 单倍体
植物 ” 。 因而单倍体植物最本质的特征是其细胞 中只有一套 染色体 , 这一特征使得单倍体植
物在作物改 良上具有两个极大的用途 : 第一 , 当用秋水仙素对单倍体进行人功加倍成为同源
二倍体之后 、 就变成了 “ 纯合系 ” , 这在自交作物杂交育种时极为有用的 , 第二 , 单套染色
体不存在显性基因掩盖隐性基 因的现象 , 因而将单倍体用于突 变育种将会大大提高工作效率
.咚甲 ” : ’ 。气 ` ·
` 一 丰 ) 加速杂种纯合广缩短育种年限 卜 5, , 。 , l 。 ` l
一 在常规育种时厂由于杂种后代的不断分离 , 须经多代 自交 , 连育选育 , 逐步缩小配子间
的差异 ` 一 才能得到一个稳定的后代 , 这就需要经过近十个世代 。 再经品比 、 区域试验和生产
试验 ; 一般育成一个新品种 , 至少需要 10 一 2] 年的时间 。 由此可见 , 杂交育种的大部分时间
是花在杂种后代 ( F ; “ F 。 一 , ) 优 良性 状 的 稳 定上 。 而通过低世代 ( F ,一夕 。 ) 植株的花药
培养 , 诱发其花粉发育成单倍体植株 , 经人工或自然加倍 , 立即被纯合成稳定的后代 , 从中
选出优 良株系即可进行 品比 、 、 区域试验和生产试验 , 不须经逐代选择 。 因此 ,一般只需 B 一 5
年可育成新品种。 这正是由于花药培养方法可避免异质配 子交配的结果 , 而直接从花粉发育
成单倍体植株 ` 加倍后得到纯合的二倍体 , 从而加速杂种的纯合 , 大大缩短了育种年限 , 如
我国科学家育出的水稻花粉新品种和新品系已超过 10 多个 , 其栽培面积在 30 。万亩以上 , 其
中 彩花寒早 ” , “ 中花 8 号 ” 、 “ 中花 9 号 ” 等都巳大面积推广并取得显著的增产效果 [” ’
毕’ 。 ` , ` 一 , ’ ` ’ ” “ , ` , “ 1 。 ` 两种育种方法的程序比较见图 1 0 . ` ’ `
丫 2 一 ) 获得异源附加乳 代换系和易位系 甲 ’ , “ “ , ·
在远缘杂交中 , 由于获得的杂种通常存在着不育性和后代的广泛分离现象 , _ 使远缘杂种
利用杂交育种十分困难 ; 一 现在利用花药墙养的方法 , 对远缘杂种花药进行离体培养 , 在花粉
加倍单倍体植株中可 _以获得异源附加系 、 _代换系和易位系等各种重组体 , 使有用的异源基因
或染色体片段或整条染色体转移到栽培作物上 。 如 , 用普通小麦和黑麦进行属 间 杂 交 , 得
到八倍体小黑麦 , , 再用普通小麦对其进行回交 , 然后取 P : 花药 进行培养 , 在花粉植株中可
以得到稳定的异源代换系和异源附加系 ( 图 2 ) 。 又如水稻 “ 取手 2 号 ” 一为种粳杂种 ; 带有
抗稻瘟病的 P i 一 Z ’ 基 因 。 用 “ 取手 2 号 ” 和丰产栽培品种 “ 京系 17 号 ” 水稻杂交 , 回交后对
F : 进行 花药培养 , 只用了两年时间就将 P i 一 Z ’ 抗稻瘟病基因 转移到 “ 京 系17 一号” 上 , 从而
育成了抗病 、 高产 的 “ 中花 8 号 ” 和 “ 中花 9 号 ” 水稻优良品种 。
工期 邵宏波 :禾本科植物的组织培养研究及其应用
早x 言】
杏
Fi
,
「
,
l }
不 同类型 不同类型的 卵细胞 的 花 粉
}_ }
杏花粉植林 (单倍体 )子合配质异结皇义
。 . 淘汰
叨 `一株 」 - 加倍
劣 淘汰
株今—
选择优林自 交
选择优林
自 交
一气豁袜— :} 自 又 :杏 _ :F : (稳 定 ) :
峨一 .— 一 - 一一 ~ - 一 ~ ~ ~ . ~ - ~品比 :
1 :
l 二
今花粉植株 (二倍体 )…杏_
选择鉴 定
}
杏
花培品 系的新品种
}
区试 、 生产试验
}杏
新品种
图 1 杂交育种 ( 左 ) 与花培育种 ( 右 ) 的比较 汇` “ ” ` “ ’ 1 7 ” 〕
3 ) 在异交作物中快速获得纯系并提高突变育种的效率
` 利用异交作物 (如玉米 、 高梁等 ) 的杂交优势可以大幅度地提高其生物产 量 , 但首要的条
件是必须取得一定数量的自交系 ( 纯系 ) 。 利用常规方法要花费大量的人力和时间进行多代
人工自交 ( 一般需 6 代以上 ) 。 如对异花授粉的作物进行花药培养 , 产生花粉植株 ,经过加倍
后就可得到纯合系 , 这样只要一个世代就可以得到 自交系 , 大大缩短了选育自交系的年限 。
单倍体育种传是从杂交后的 灼诱导早倍体开“ 丁 , 色体刀口华行. ’ )半贾丫竺珍! , 男叨登至全可以节省时间 、 土地和劳力 〔. 日” “ ` ’ ` 3 吕” ` 。 lo 而且加倍单倍体在育种中更大的效益表现在
提高选择效率上 , 单倍体加倍成纯合二倍体以后 , 其表现型和基因型是一致的 , 因此从表现
型上就可以容易地区分不同的基因型 , 这样便可以大大地降低误选的频率 〔` ” ’ ` 7 。 } 。 图 3 表
盯单倍体用于杂交育种时提高选徽率的一股圈肌一 _ _ _ . , 、 _ _ 、 , _ _ 、 _ _. 用辐射方法或化学方法进行诱变育种 , 通常只能得到百万分之几的诱变率 。 由于在诱变
过程中很难使等位基因的两个成员同时发生变异 , 而单个的隐性基因的突变往往被显性基因
所掩盖井在处理的当代表现不出来 。 为了使这些隐性变异不致被淘汰 , 处理当代的种子要全
部收下 ; 连续播种 , 工作量之大是可以想象的 。 然而通过高等植物的花药培养除了可以在短
期内获得大量遗传性稳定的新重组体外 , 还可以山于培养过程中经常发生基因突变和染色体
重排而获得频率很高的新的遗传变异资源 [ ’ “ 5 ’ ` 6 8 1 , 这些对遗传育种 , 特别是 为 细胞遗传
广 西 植 物 托巷
A AB B D D XR R
(普通 .J 、 麦 ) {(黑麦 )
甲
〔毋 本 ) A A b b
减数分裂 !丫
x a aB B (父本 )
{分裂减数宁
AB R D (才尸子 ) A b\ / aB (精子 )
!染 色体加倍分 单倍体育种法 {
受精
A AB B DR DR XA AB B D D
〔 ,\ 倍体 , ,、 黑麦 )
!
`食晋尘乒,
幸
A a B b ( F一 )
减数分裂
一 — ” 不 同类型的卵A A B B D D R
(七倍体 , 1、 黑麦 ) { 花药培养岁
A B D R ( 0一 7 )
! 杂色体加倍杏不 “ 斤 二一 口
不
同类
型精
子
A A B B 。
A B A b a B
! ! 受精 !令 常 冲
a b
I杏
A S B b
1
l
we令
A B o A B 、 A A B B A A B b A a B B
A A B B D D R ( 0 一 1 4 )
(异源 附加 系 )
图 2 利用花药培养得到小麦一
黑麦的异源附加系 [ 1 7 0]
和染色体工程创造了基础材料 。 现将
花药培养成功的禾本科植物种类列于
表 3 并将部分禾本科植物花粉植株的
倍性变化列于表 2 。
一
2
. 原生质体培养在品种改 良中
的应 用
原生质体培养是植物组织培养技
术中要求最为严格 , 最能反映某个实
验室研究水平和最有发展前途的一门
技术 , 近年在作物品种改良中已显示
了不可抗 拒 的 力量和前景 [ 3 一 ’ 。 ’ ` 吕’
1 7 一 : . , 名吐一 3 ` , 名 7 一 4 2 , 一 6一 合 , ! 2 ! , ! . 2 ]
1 ) 体细胞杂交
A A b b o A b o A b 、 A A B b A A b b A a B b A a b b
a a B B o a B o a B 、 A _a B B A a B b a a B B a a B b
a a b b o a b o a b 、 A几 B b A a b b a a B b a a b b
纯合 加倍 花药培养二倍体 单倍体
图 3 单倍体育种法提高选择效率图解 〔笼` 〕
表 2 不同种禾本科植物花粉植株的倍性变
化情况格 [ 笼。 ” 2 。 ` 3 5〕
材 料
观察植
株 数
单倍体
植株多
4 9
.
9 0
6 0
.
9 0
6 1
.
8 0
7 0
.
3 7
二倍休 单倍体植株异数倍体与二倍体植植株形 株之和多 植株拓
6 1
。
1
35
。
3
36
。
5
3 7
.
5 0
3 8
.
3 0
2 9
.
4 0
1 8
.
5 2
2 6
.
4
53
.
4
5 7
。
9
8 7
.
4 0
8 9
。
2 0
9 1
.
2 0
8 8
。
8 9
8 7
。
5
8 8
。
7
9 4
.
4
1 2
.
6 0
1 0
.
8
8
.
8
1 1
.
1 1
1 2
。
5
1 1
。
3
5
。
6
几h八bné任`,目` 胜ù Jqt合尸Ot了米麦表玉大小
水稻 (粳 )
水稻 (粳 )
2 4 9 6
2 0 87
. 表中数据是参考上述三篇文献基础上重新刹定的
体细胞杂交或称原生质体融合是以体细胞原生质体 , 即经特殊酶处理体细胞而脱掉了细
胞壁的裸露细胞为亲本进行的融合的一种细胞工程技术 。 它具有某些 有性 杂 交所没有的特
点 , 、经过这种方法所得到的杂种细胞 , 进一步培养就有可能得到一种自然界所不存在的杂种
植物 。 体细胞杂交研究的进展是建立在植物组织 、 细胞培养和原生质体培养的基础上 。 这两
个分支的研究使单细胞或原生质体的研究结果反映到整体冰平上 I” ’ “ ’ ` ’ . ” “ . ’ 1 。 一个单
个细胞或进入脱分 化状态的细胞团能以独立的有机体形式在一定条件下不断分裂 , 如果条件
进一步改变可使这些细胞进入分化状态而形成完整的植株 , 此植株就具有着单细胞所具有的
遗传特点 。 这些研究的发展肯定了单细胞遗传操作的可应用性 , 而且原生质体作为一个裸露
的单细胞也具有全能性 , 同样是进行遗传操作的理想材料 1. 7 ’ “ “ ’ 。 。 ’ 7 。 ’ ` ” ’ ` 2 乞” 3 “ 1 。
体细胞杂交过程比原生质体培养更复杂 , 可分为四个主要步骤 : 制备原生质体 、 用化学
或物理方法诱导异种原生质体融合 、 融合产物的选择培养及融合产物再生成杂种植株 。 许多
I期 邵宏波 : 禾本科植物的组织培养研究及其应用 4 9
资料均表明 , 植物的体细胞杂交几乎
可以不受亲缘关系的限制 , 甚致动植
物界的细胞都能进行杂交 , 由此就大
大地扩大了亲本遗传基因的重组及杂
种变异的选择 。 然而 , 由于禾本科植
物原生质体再生植株困难以 及种类有
限 , 使得这一领域进展不快 , 但是通
过对模式植物的深入研究和利用植物
生长物质的调节 , 已经获得了丰富的
资料和经验并在水稻 、 玉米 、 大麦的
体细胞杂交研究中取得了显著的进展
[ 4 1 , ` 2 , 1 3 0 , 1 6 3 !
最近在原生质体转化方面也做了
许多的工作 t 2 3 ’ “ 2 ” 。 ` 一 ` 。 “ ” “ 一 “ 。 ’
, , , ” , ’ 〕 。 引入的方式主要是通过载
体而进行 的间接 引入 。 目前这方面的
工作以冠痪瘤的转化研究较多 , 虽然
另外的一些质粒及病毒也可成为有希
望的禾本科植物的载体 , 但是 F i 质粒
仍然是最有希望的载体 [” “ 4 ” ` 石 1 。
表 3 获得的花粉植株的主要种类
植 物 种 发生方式赞 文 献
大 麦 E 、 C 、 P 〔9 1 , 1 0 1〕
多花黑麦草 C 、 P 〔9 1〕
黑 麦 草 C 、 P 〔1 0 1〕
水 稻 C 、 E 、 P 〔6 5 , i ` 5〕
黑 麦 C 、 E 、 P 〔1 5 , 1 2 2〕
小 黑 麦 C 、 P 〔7 0 , 74〕
小 麦 C 、 P 〔7 5 , 8 8 , 1 7 9〕
野生二粒小麦 C 、 P 〔1 5 , 1 1 1〕
尾状山羊草 X 小伞山羊草 C 、 P 〔9 3 , 9 4〕
苇状羊茅 C 、 P 〔1 5 , 1 4 6〕
多花黑麦草 X 苇状羊茅 C 、 P ( 1 0 1〕
玉 米 E 、 P 〔x 6 3 , 1 8 0 , 1 8 1〕
甘 蔗 C 、 E 、 P 〔1 1 0 , 1 3 2〕
梯 牧 草 C 、 P 〔1 5〕
甜根子草 C 、 P 〔1 5 , 1 2 9〕
小麦 欠天蓝冰草 E 、 P 〔1 2 9〕
高 粱 E 、 P 〔1 2 9 , 1 7 9〕
粟 E 、 P 〔8 8〕
朴
C
: 愈伤组织 , E : 胚状计 , P : 植株
Z o r : 等 ( 19 85 , 19 8 8 ) [ ’ “ 6 」采用 D N A 直接进行原生质体转化的方法 , 将外源基因引入了
小麦细胞 。 由悬浮培养的小麦细胞游离的原生质体在 P E G 存在 下 与环状和线状质粒 D N A
温育 , 后者为含有可选择性嵌合抗性基 因的 P B R 32 2质粒 。 在卡那霉素抗性平板上筛选转化
子 , 抗性愈伤组织中存在有关的酶活性 。 C O ul ib al y 等 ( 拍 86 ) i ` ’ 乡吕 { ’ “ 。 l 也利用原生质体
直接转化方法将细菌基因引入水稻原生质体中并使该水稻原生质体得到了再生 , 经鉴定其再
生植株中含有相应的基因。 从而为 D N A 介导的作物改 良展示了良好的前景 。
2 ) 突变体的筛选
与细胞或组织培养情况一样 , 在原生质体培养过程中经或不经诱变因子处理均可产生变
异 ( 自发突变和人工诱变 ) 。 用原生质体进行诱变有许多优点 : 对外界物理 ( 各种射线 ) 、
化学 ( 各种化学诱变剂 ) 因子较敏感 , 可供处理的原生质体数量大 、 体积小 、 培养后分裂频
率较高 , 不会出现用组织或幼苗处理时发生正常细胞生长掩盖突变细胞生长的现象 ; 单倍体
原生质体为材料还不存在隐性基 因受掩盖的问题 , 产生的突变体 当代便能鉴别等 。 一旦筛选
出具有优良经济性状的突变体 , 便很快可在生产上得到应用 , 这 是 一 种 有前途的育种方法
〔` ” ’ ` 2 ’ ` 7 “ ] 。 现将有再生植株 的突变体和变异体列于表 4 。
3
。 木本科植物组织培养物 的超低温保存
种质的保存技术近些年来发展十分迅速 , 并且旧 益引起人们 的 重视 I ` ’ 2 ’ ` 7 a ’ ` 7 “ l 。 随
着生物技术的飞速发展 , 这一技术将会得到应有的发展和完善 。 禾本科植物的组织培养发展
推动了这一技术 向纵深发展 , 并月_逐渐在作物的改良 、 人工种子技木的发 展 中 起 到重要作
广 西 植 物 1 2卷
用 [’ 3’ ` . ’ 名 7 ] 。 究其原 因可有以
下几方面 。 第一 , 在植物红群只和
细胞 培养过程中 , 不断的继代培
养会引起染色体和基 因 型 的 变
异 , 从而产生两种危害 : 一是可
能导致培养细胞 全能性的丧失 ,
二是一些具有特殊性状的细胞株
系 , 如具有某种特殊产物的细胞
系以及具有某种抗逆 性 的 细 胞
系 , 有可能在继代培养中丧失这
些十分宝贵的性状 。 随着组织和
细胞培养的发展 , 具有特殊性状
的细胞株系 日益增加 , 特别是细
胞工程和基 因工程的发展 , 迫切
需要收集和贮存各种植物的基因
型 , 使之不发生改变 。 因此 , 在
植物组织和细胞 培养工作迅速发
展的同时 , 也逐渐建立和发展了
表 4
名 称 诱变剂
N a N 。
N a N s
N a N :
X射线
有再生植株的突变体和变异体签
选 择 剂 机 制 遗传方式
A E C
l y s + t h r
经脯氨酸
SM T
抗菲基病药剂
A E C
A E C
U
,根摄取 , A E C 减少
P
,
F
P
不是过量生产
无
麦蔗稻大小水甘
D
、玉 米 N a N
N a N
l y s + t h r
A E C
ly s 过量生产 , 积累 -
l y s
.
A s P
.
A r g
.
A l a
过量生产 、 积累 , 蛋
白质增加
P
l y s
.
T h r
.
I l e
.
M
e t
过量生产
朴本表是参考文献 〔 1 2 8 . 2 42 , 2 7 1 , 1 30 )基础上重新整理而成 。
注 : 机制 : F : 酶对反馈抑 制不敏感 , P : 增加了天然产物 , U . 改变
了掇取方式 。
遗传方式 : D : 显性性状 , S : 半显性性状 , R : 隐性性 状 , 十 : 性
状能通过自交传递 , 但未做遗传研究 , 一 : 未见报道 。
5 M T : 5 一甲基色氨酸 , A E C : S一 2 一氨乙基半胖氨酸
禾本科植物的种质保存技术 , 第二 , 由于人 口的迅速增加 , 对森林和农业土地的急剧开发以
及对粮食的迫切需要 , 依靠传统的种质 保存方法保存农业和园艺上的高产 、 稳产和抗逆性强
的优良品种 、 杂交后代和亲本 、 各种突变体会常发生遗传变异 , 同时今后植物育种工作的成
就将在更大程度上取决于广泛的种质 资源的 收 集 与 贮备 。 所有这些都需要建立更有效的长
期的种质保存技术 ; 第三 , 通过细胞和组织培养方法建立培养细胞的人工种质库是十分经济
和有效的措施 ,它可以大大节省对土地和人力的需求 。 对于依靠营养体繁殖的农作物 , 培养组
织的人工种质库更具有重要的应用意义 。 由此 , 近年来禾本科植物的种质保存究究取得了许
多成就 , 现列于表 5 中 〔 , ” “ ` ’ ` , 。 ’ ` 7 ” ` 7 3 1 , 并 将 植物组织和细胞超低温保存的主要步骤
和环节描绘于图 4 中 。
四 、 禾本科植物的胚性悬浮细胞系的建立和体细胞胚胎发生
许多的资料 表明 : 禾本科植物的胚性悬浮细胞系的建立是真正地把生物技术应用于作物
改良的基础 t` 2 ’ “ “ 一 。 ` 1 , 它使人们有可能象操纵微生物那样 , 在细胞水平上进行植物细胞突
变体的筛选 [ “ 2 〕 , 更重要的是禾本科植物全能性原生质体的理想来源 〔“ 。 ’ “ ? ’ “ “ ] 。 从表 1
可以清楚地看到这一点 , 在胚性悬浮细胞系建立的基础上 , 获取具有经过体细胞胚胎发生途
径进行再生的 , 全能性的大量的 、 均一原生质体并使这些原生质体进行高频率再生 ,现在这样
的程序正为越来越多的组织培养学家所采纳 I“ 。” ” ` ’ ` 。 ” ` 。 . ’ ` 7 “ 〕 。 最近几年的进展又进一
步地证明了这样的观点 。 由此可见 , 胚性悬浮细胞系的建立是进行原生质体培养的前提 , 而
原生质体培养再生成植株是进行禾本科植物中的作物改良的基础和保证 , 是进行高等作物的
各种遗传操作和修饰的前提条件 〔” ` ’ ` 。 5 ’ ` 。 吕 ’ “ ” ` “ 吕 1 。 近年来 , 研 究者经过不懈的努力已
1期 邵宏波 : 禾本科植物的组织培养研究及其应用
植物 器官 、 组织和细胞 ( 材并的准备 ) -
杏
预 处理
( 如加速传代预率 、 提 .务培养基渗透压 、 低温徽炼等 )
杏
1
预 冻法
(
一 2 0 ℃或一 0 7℃ )
一一—一一 》
加 冷冻防护剂 ( O ℃ )
咨
慢冻法
( 1 一 5 ℃ / 分 )杏
一4 0 ℃或一 1 0 0 ℃
番种质序 。 _
( 液氮 : 一 1 9 6℃)杏
迅速解冻 ( 在35 一40 ℃水浴中 )
!
几 l丫
一,é
T T C法检验 生活 力 杏再培养
和观测
( 细胞分裂情况 , 细
胞生 长情况 、 存活
率和植株再生情况 )
染 色法检脸自胞存活率
图 4 植物组织和细胞冷冻保存的主要步骤
经建立了珍珠粟 、 大黍 、 棒头草 、 紫
狼尾草 、 谷子 、 玉米 、 芦苇 、 水稻 、
大麦 、 甘蔗等禾本科植物的胚性悬浮
细胞系 , 为进一步地进行原生质体培
养和遗传操作打下了坚实的基础 。 现
将巳经成功地进行了胚性悬浮细胞系
建立的禾本科植物列于表 6 。
这里值得一提的是大麦胚性细胞
悬浮物的建立所取得 的 进 展 。 K 。 “
等 ( 1 9 8 4 ) [ ` 7 ” ] 用大麦幼胚 来 源的
胚性愈伤组织进行了悬 浮培 养 的 研
究 , 其悬浮培养物通过体细胞胚胎发
生途径再生了白化苗 , 但却未能建立
均质分散的悬 浮细 胞 系 。 L u khS 和
L 6 r Z ( 1 9 8 8 ) [
` 。 . 1 报道了建立均质分
散 、 有形态发生能力的悬浮细胞系 ,
从悬浮细胞和由之而来的原生质体都
只能偶尔 获 得 白 化 苗 。 M ul ler 等
( 1 9 8 9 ) 〔` ’ “ l 报道了从大麦胚轴建立
了悬浮细胞系 , 但却没有形态发生和
表 5 禾本科植物的低温保存名录 .
植物种类 试验材料 观察结果
无芒雀麦
无芒雀麦
水 稻
悬浮培养的细鲍
分离的原生质体
悬浮培养的细胞
花 药
悬浮培养的细胞
悬浮培养的细胞
悬浮培养的细胞
悬浮培养的细胞
悬浮培养的细胞
蔗粱米麦
小大
愈伤组织
38万存活
6 8终存活
60 一“ 拓存活
形成愈伤组织并
再生成植株
形成愈伤组织并
再生成植株
60 拓存活并且再
生成了植株
75 多存活并恢
复生长
25 万存活并恢
复生长
恢复生长
70 万恢复生长 ,
并形成愈伤组
织和胚状体
恢复生长
, 在 文献 〔 27 、 1 67 、 17 2 、 l了3 、 1 5 2 〕基础上整理制作而成的
广 西 植 物 1 2卷
植株再生能力 。 以上所采自的大麦材料 最常使用的是幼胚 、 幼 穗 和 幼 嫩的花药 , 尽管它们
在适当条件下它们这些幼嫩组织都能产生胚性 愈 伤组织 17 “ , ’ “ ” ` ’ ” ’ “ ` ’ ` ’ “ 〕 , 但是这些幼
嫩的组织作为外植体在应用上受到很大的局限性 , 即取材受到严格的 时 间 限 制 , 而来源于
种子的成熟胚作为外植体 $lJ 不受时间和数量的限制 , 但是从成熟胚诱导胚性 愈 伤 组 织和建
立胚性悬浮细胞系及植株再生却是比较困难 的 工’ 6 ’ ” ` ’ ” ” ’ ` ’ 毛 l 。 严华军 ( 1 , 。 o ) 至` 7 ` 1$1J 用舟
麦 2 号的大麦成熟胚来源的愈伤组织建立了均质性良好 、 有优良分散性的胚性悬 浮 细 胞 系
R G
, 并月从 中再生成了白苗植株 , 为大麦的原生质体培养和品种改良 、 基因转移 研究提供
了良好的实验系统 。
在禾本科植物组织培养中 , 近年来的另一突出进展就是发现并证明了体细胞胚胎发生途
径普遍地存在于禾本科植牧的组织培养中 〔 ’ “ ’ ” “ ’ 7 。 ” ” 。” 7 “ 一 ` ” “ 〕 。 禾 本科植物组织培养中
的体细胞胚胎发生途径是禾本科植物体外再生植株的一条共 同途径 ` 5 。 ” 。 ` 〕 , 这一途径的高
频诱导有特别重要的意义 。 第一 , 通过体细胞胚胎发生再生植株的效率高 、 速度快 、 均质性
好 , 为快速繁殖 、 人工种子开发和种质保存提供了有效的手段 〔弓 7 ’ ” ” 〕 ; 第二 ,胚性悬浮细胞
物通过继代培养可以在较长时期内保持胚胎发生和再生植株的能力 , 变异和不稳定的因素较
少影响这类细胞系 t s . ’ ` 5 “ 1 , 第三 , 一般认为体细胞胚是单 细 胞起源的 , I ’ 4 吕 ’ ` “ . ’ ` ” 。 1 ,
由此所再生的植株没有嵌合性 , 这有利于优良性状的保存 、 突变育种和遗传分析 。 有关体细
胞胚胎发生的禾本科植物种类及其影响因素等问题 , 请参阅 王 大元 ( 1 9 8 8 ) 〔` ” ” ’ 1 、 张树
录 ( 1 9 5 5 ) [` ’ . 1及韩碧文等 ( 1 9 5 8 ) 汇` ” ` . 0 1的综论文章 , 这里不再赘述 。
五 、 结束语
综上所述 , 可以看出禾本科植
物组织培养研究的进展非常迅速 。
研究者们在总结经验的基础上 , 继
续使这一领域的理论性研究和应用
性研究向更高的层次发展 , 并最终
达到使禾本科植物组织培养技术应
用于作物改良和提高产量和质量的
实践中去的目的 。 在继续加深对模
式植物组织培养研究的同时 , 需要
全力来加强禾本科植物的组织培养
研究 1 了 ” ` ’ 吕 l 。 在进行探讨 禾 本
科植物组织培养的最佳条件 、 影 响
因素和体细胞胚胎发生等问题的同
时 , 需要对以下几方面问题给以应
有的注意 。
1
. 由于培养过程中所用培养
基中的成分的复杂性 , 很少有人进
表 6
植物名称
无芒雀麦草
大麦
芦苇
水稻
甘蔗
紫狼尾草
谷子
黍
珍珠谷
玉米
鸭茅
大黍
小麦
多花黑麦草
竹叶兰羊茅
已建立的胚性细胞悬浮培养的禾本科植物
材料来源 培养结果 文 献
中胚轴 白化植株 〔舫 , 1 5 0〕
幼花序 植株 〔7 0 , 2 0 5〕
胚轴 愈伤组织 〔1 7 6〕
幼胚 、 成熟胚 白化植株 ( 1 0 8〕
成熟胚 、 幼胚 白化植株 ( 1 7 4〕
种子 植株 ( 1艺8〕
幼花序 、 幼叶 、 胚芽鞘 植株 〔5 1 , 1 0 4 , 2 5 3一 1 5 5〕
幼叶 植株 〔1 5 7 , 1 6 0〕
幼穗 植株 〔5 9 , 6 3〕
幼穗 愈伤组织 ( 1 6 4〕
幼穗 植株 ( 5 9
幼胚 、 筑穗 植株 〔6。 , 6 4 , 6 ?〕
幼胚 、 幼穗 植株 〔5 1 , 1 0 3 , 1 0 6 , 1 6 3〕
叶 植株 〔1 0 1 , 1 1 3〕
幼胚 、 幼穗 植株 ( 59 , 1 6 2〕
成熟胚 植株 〔1 0 9 , , 1 5 6〕
幼胚 愈伤组织 ( 1 6 1〕
幼穗 植株 ( 1 6 3〕
行系统的研究 【2 “ ’ 6 咭 ’ “ “ 1 。 但是众多的资料说明培养基在禾本科植物组 织 培养中的 重 要地
1 期 邵宏波 :禾木科植物的组织培养研究及其应用
位 。 培养基中的大量元素 、 微量元素对外植体的生长 、 分化不仅仅是起到供给无机营养的作
用 , 更大的作用可能是调节作用 [ ’ ` 1 。 禾本科植物的组织培养很难成功 ,其原因可能正是由于
对禾本科植物外植体在离体培养过程中 , 所用培养基的大量元素 、 微量元素的多少及其 比例
关系了解很少 , 因此使禾本科植物的培养基大多不能使其 外植 体 得到很好的表达 。 相信 ,
在今后十年内在禾本科植物组织培养的这一领域内会有新的突破并会吸引更多的学者来从事
这一复杂领域的工作 。
2
. 在禾本科植物的组织培养 ( 花药培养 、 细胞 培养和原生质体培养 ) 过程中 , 常常在
一些重要的经济作物如小麦 、 水稻等植物中 , 出现 比例较高的白化苗 , 随着禾本科植物组织
培养的不断发展 , 这一问题会显得更加严重 。 由于 白化苗沐能进行光合作用 , 无法自养 , 在
育种和品种改良上无利用价值 。 因此是一种很大的浪费 。 目前只知道 白化苗的形成和培养温
度有关 , 温度高白化苗出现的比率就高 。 另外 , 白化苗在植物约种间差异也很明显 , 水稻 ,
小麦大约有 5 %为白化苗 , 小黑麦中有的品系高达卯%为白化苗 , 而玉米花粉植株中的白化
苗 比率却极低 。 因此 , 有必要对白化苗的成因进行系统的研究 , 包括从生理上 ( 在元素含量
上 、 培养基成分上 ) 和热击处理上和遗传上进行的深入探讨 。
3
. 从现在已经成功地进行的禾本科植物的原生质体培养实例来看 , 建立胚性的悬浮细
胞系固然相 当重要 , 但是建立这些胚性悬浮细胞系的关键却是在于获得 “ 优良” 的愈伤组织
并由此建立理想的悬浮细胞培养系统 。 研究者们目前还只能在表观上区别愈伤组织的 “ 优 ,
和 “ 劣 ” , 还没有方便 、 可靠及可行的方法了解愈伤组织的生理 , 生化性质从而在更深的层
次上区分不同质地和不同发育命运的愈伤组织 。 尽 管 在同功酶 、 D N A 和 R N A 及 蛋 白质等
方面进行了一些工作来帮助了解不同愈伤组织的胚 胎 发 生 能力 , 但是这方面的工作范围还
很狭小 , 需要扩大植物种类以 及对大分子的动态变化进行系统的研究 , 尤为重要的是需结合
分子生物学的新技术和理论来探讨愈伤组织在不同培养基上的反应以及在其分化状态下的 基
因表达情况 , 找出其特异基 因的表达标记并为愈伤组织性质判定和外植体标准提供证据 , 只
有这样 , 我们在诱导 、 选择 、 保持 “ 优 良” 愈伤组织并用其建立胚性悬浮培养物 , 及至进行
后续的原生质体培养时 , 才会避免盲目性 。 最近 , 利用组织培养技术结合分子生物学理论和
技术在这一领域已取得了很好的结果 〔` “ “ ” “ ’ ] , 看到了可喜的 苗 头 。 相信 , 今后的木本科
植物组织培养研究方面将向这一领域靠近 。
总之 , 植物组织培养不仅作为一项技术 , 在应用方面取得了很多成果并 日益受到各国的
重视 ; 而且已经作为一门科学正在进行深入的研究 , 以探索其自身发展的规律 。 而作为这门科
学 , 植物组织培养学 ( lP a n 七 it s ue c ul t u or lo g y ) 的中心内容的禾本科植物的组织培养 正
随着它的广泛应用和深入研究以及不断取得进展将会为人类做出更大的贡献的 。
参 考 文 献
( l ) 谷祝平 , 1 98 9 : 细胞生物学进展 。 高等教育出版社 . 254 一 275
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洲 广 西 植 物 1 2卷
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( 37〕
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卢剑栓 ,
钱迎倩 .
李向辉 ,
胡友纪 、
王大元 .
罗士韦 ,
孟 征 、
颜昌敬 ,
蔡起贵 ,
钱迎倩、
丁家宜 ,
高山林 ,
陈振光 ,
刘 涤 .
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l期 邵宏波 :禾本科植物的组织培养研究及其应用
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邵宏波、 初立业 , 1 9 8 9 : 生物学杂志 , 5 : 10 一 13
邵宏波 、 初立业 , 1 9 9 0 : 全物技术通报 , 3 : 1 一 5
邵宏波 、 初立业 , 1 9 9 0 : 大自然探索 , 3 : 5 一 60
邵宏波等 , 1 9 8 9 : 松辽学刊 , 2 : 60 一 6 3
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邵宏波 、 初立业 , 1 9 8 9 : 松辽学刊 , 4 : 58 一62
邵宏波、 初立业 , 1 9 9。 : 松辽学刊 , 3 : 51 一 5
T
.
D A e h i e t a l
. ,
1 9 5 9 : P la n t C e l l l R e P o r t s
,
8
:
2 4 7一 2 5 0
I
.
K
.
V a s i l
,
1 9 8 7
,
P l a n t P h y s i o l
. ,
1 2 5 ` 1 9 3一 2 2 5
V a s i l
,
V
.
a n d I
.
K
.
v a s i l
,
1 9 81
:
A n n
.
B o t
. ,
4 7
:
6 6 9一 6 7 8
V a s
. ,
V
.
a n d I
.
K
.
V a s i l
,
2 9 5 2
:
A m e r
.
J
.
B o t
. ,
6 9 : 1 4 4 1一 1 4 4 9
V a s i l
,
V
.
a n d I
.
K
.
V a s i l
,
1 9 8 1
:
A m e r
.
J
.
B o t
. ,
6 8
: 8 6 4一 5 7 2
W
a n g
,
D
.
Y
.
( 王大元 ) a n d 1 . K . V a s i l , 1 9 5 2 : P l a n t S e i . L e t t . , 2 5 : 2 4 7一 1 5 4
V a s i l
,
V
.
e t a l
. ,
2 9 5 3 : 2
.
P p l f l a n z e n p h y s i o l
. ,
1 1 1 : 2 3 3一 2 3 9
L i n g
,
D
.
H
.
( 凌定厚 ) e t a l . , 1 9 8 3 : P l a n t C e l l R e p . , 2 : 2 6 9一 1 7 1
X u
,
2
.
H
.
( 许智宏 ) e t a l . , 1 9 5 4 : P l a n t C a l l R e p . , 3 : 1 49一 1 50
V a s i l
,
V
.
a n d l
,
K
.
V a s i l
.
1 9 5 0
:
T h e o r
.
A p P I
.
G e n e t
. ,
5 6 : 9 7一 9 9
C e u l i b a l y
.
M
.
Y
.
a n d Y
.
D e m a r l y
,
1 9 8 6 : 2
.
P f l a n z e n z 住e h t g . , 9 6 : 7 9一 5 1
L a r k i n
,
P
.
J
. ,
19 5 2
: P la n t C e l l
,
T i s s u e a n d o r g
.
C u l t
.
, i : 1 4 9一 1 6 4
C h u
,
C
.
C
.
( 朱至清 ) e t a l . , 1 9 8 4 , T h e o r . A P P I . G e n e t . , 6 8 : 3 7 5一3 7 9
S t e w a r d
,
F
.
C
.
e t a l
. ,
1 95 8
:
A m e r
.
J
.
B o t
, .
5 4 : 7 0 5一 7 0 8
P o t r y k u s
,
1
.
e t a l
. ,
1 9 7 7
:
M
o l
.
G e n
.
G e n e t
` ,
1 5 6 : 3盛7一 3 5 0
J i a
,
J
.
F
.
( 贾敬芬 ) a n d p o t r y k u s , L . , 1 9 8 1 , P l a n t eC l l 卫 e p . , e l : 7 3一 7 5
W
e i
,
2
.
M
.
( 卫智明 ) 1 9 5 2 : T h e o r . A P P I . G e n e t 二 6 2 : 1 0 2一1 0 9
o u y a n g
,
J
.
W
.
( 欧阳俊闻 ) e t a l . , 1 9 8 3 : i b i d , 6 6 : 7 1一7 7
L i
,
X
.
H
.
( 李向辉 ) e t a l . , 1 9 7 8 , P r o e . o f S y m p . o n P l a n t . T i s s u e C u l t u r e ,
S e i e n e P r e 3 s ( P e k i n g )
,
3 5 1一 3 5 4
B a b a
,
A
,
e t a l
. ,
1 9 8 6
:
P l a n t C e l l P h y s i o l
. ,
2 7
:
4 6 3一 4 7 1
H u l l
,
R
.
a n d D a v i e s
,
J
.
W
. ,
1 9 8 3
:
A d y
.
V i r u s R e s
. ,
2 5
:
i一 3 3
F r o m m
,
M
.
e t a l
. ,
1 9 5 5
:
P r o e
.
N a t l
.
A e a d
.
S e i
.
U S A
,
5 2
:
5 5 2 4一 5 5 5 5
U e h i m i” , H . e t a l . , 1 9 8 5 , B i o eT e h n o l o . , 3 , 10 9 9一 2 20 3
S h i l l i t o
,
R
.
D
.
e t a l
. ,
1 9 8 6
,
M
o l e
.
G e n
.
G e n e t
. ,
2 0 2
:
2 5 9一 2 9 5
W
e r r
.
W
.
a n d L o r z
,
H
.
1 9 8 6
:
M
o l e
.
G e n
.
G e n e t
. ,
2 0 2
:
3 6 8一 3 7 3
o h t a
,
Y
. ,
2 9 5 6
:
P r o e
.
N a t l
.
A e a d
.
S e i
.
U S A
,
5 3 : 7 1 5一 7 1 9
T o p f e r
,
R
.
a n d S t e i n b i s s
,
H
.
H
. ,
1 9 8 5
,
P l a n t S e i
. ,
4 1
:
4 9一 5 4
B i n d i n g
,
H
.
a n d N e h i s
,
R
. ,
19 7 7
:
2
.
P f l a n z e n p h y s i o l
. ,
5 5 : 2 7 9一 2 5 0
K a o
,
K
.
N
.
( 高国楠 ) a n d M i e h a y l u k , M . R . , 2 9 7吐 : P l a n t a , 1 1 5 : 3 5 5一 3 6 7
M e l e h e r s
,
G
. ,
1 9 7 5
:
P r o e
.
o f S y m P
.
o n P l a n t T i s s u e C u l t u r e
,
S e i e n e e P r e s s
( P
e k i n g )
,
2 7 9一 2 8 5
56 户 西 植 物 1 2卷 2
〔8 8 〕
〔8 9〕
〔 90 〕
〔 91〕
〔 9 2〕
( 3 9〕
〔 94〕
〔 95 〕
〔 6 9〕
〔 7 9〕
〔 8 9〕
( 9 9〕
( 1 0 0 〕
〔10 1〕
〔1 0 2〕
〔10 3〕
〔10 4〕
〔1 0 5〕
〔1 0 6〕
〔1 0 7〕
〔1 0 8〕
〔10 9〕
〔1 1 0〕
( 1 1 1 〕
〔 1 1 2〕
〔 1 1 3 〕
( 1 14 〕
〔 1 1 5 〕
〔 1 1 6 〕
( 1 1 7 〕
〔 1 1 8 〕
( 1 1 9〕
〔1 0 2〕
〔 1 21 〕
〔 1 2 2〕
( 1 3 2〕
〔1 4 2〕
〔 1 25 〕
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Hu a ng
,
B
.
( 黄 斌 ) a n d S u n d e r l a n d , 1 9 8 2 : A n n . B o t . , 4 9 , 7了一 8 8
S u n d e r la n d
,
N
.
e t a l
. ,
1 9 7 9
:
J
.
E x P
.
B o t
. ,
3 0
,
1 1 3 3一 1 1 4 4
C a s s
, D
.
D
.
a n d 1
.
K a r a s
,
1 9 7 5
:
C a n
.
J
.
B o t
. ,
5 3
:
1 0 5 1一 1 0 6 2
C l a Ph a m
, D
, .
1 , 7 3
:
2
.
P f l a n z e n z位 e h t g , 6 9 : 1 4 2一 2 5 5
D a le
,
P
.
J
. ,
1 9 7 5
:
P l a n t a
,
2 2 7
:
2 1 3一 2 2 0
S u n d e r l a n d
,
N
. ,
1 9 7 1 : S e i e n e e P r o g r e s s
,
5 9
:
5 2 7一 5 4 9
K u
,
M
.
K
.
( 谷明光 ) e t a l . , 1 9 7 8 : P r o e e e d i n g s o f S y m p o s i u m o n P la n t T i s s u e
C u l t u r e
,
S e i e n e e P r e s s ( P e k i n g )
,
3 5一 4 2
C h a s e
,
5
.
5
.
, 1 9 6 9 : B o t
.
R e v
. ,
3 5 ( 2 )
:
1 1 7一 2 6 9
H u
,
2
.
( 胡 忠 ) 1 9 5 5 : P r o e . o f S y m p . o n S o m a t i e G e n e t e s A p p l i e d t o C e r e a l s ,
S e i e n e e P r e s s ( P e k i n g )
,
29 1一 3 0 2
C h e n
,
Y
.
( 陈 英 ) a n d L i , L . T . ( 李良材 ) 1 9 7 8 : P r o e . o f S y m p . o n P l a n t
T i s s u e C u l t u r e
,
S e i e n e e P r e s s ( P e k i n g )
,
1 9 9一 2 1 2
S e h a e f f e r
,
G
.
W
.
e t a l
. ,
1 9 7 9 : C r o P S e i e n e e
,
1 9
:
6 9 7一 7 0 2
G u h a
,
5
.
e t a l
. ,
1 9 7 0
:
C u r r e n t S e i e n e e
,
3 9 ( 8 )
: 2 9一4 9
P o w e l l
,
W
. ,
1 9 5 8
:
P l a n t C e l l
,
T i s s u e a n d o r g
.
C u l t
. ,
2
:
2 9 2一 2 9 7
J a i
n , 5
.
M
.
e t a l
. ,
1 98 8
:
C u r r e n t S e i e n e e
,
5 7 ( 2 )
: 5 9一 7 0
S h i l l i t o
,
R
.
D
.
e t a l
. ,
1 9 8 9
:
B i o一 T e e h n o l o g y , 7 : 5 5 2一 5 5 5
P e r i o l i
,
L
.
M
.
e t a l
. ,
1 9 5 9
:
B i o 一 T e e h n o l o g y
,
7
: 5 5 9一 5 9 4
W
a n g
,
D
.
Y
.
( 王大元 ) e t a l . , 1 9 5 9 : P l a n t C e l l R e P . , 8 : 3 2 9一 3 3 2
L o r z
, H
.
e t a l
.
, 1 9 8 8 : P l a n t B r e e d
. ,
1 0 0
: 1一2 5
Rh o d e s
,
C
.
A
.
e t a l
. ,
1 9 5 5
: B i o
一
T e e h n o lo g y
,
6
:
5 6一 6 0
A b e
,
T
.
a n d F u t s u h a r a
,
Y
. ,
1 9 8 6
:
J
a P
.
J
.
B r e e d
. ,
3 6
:
1一 6
L 么 r h s , R . a n d L o r z , H . , 1 9 8 8 : P l a n t a , 1 5 7 : 7 2一 5 1
M a d d o e k
,
5
.
E
. ,
1 9 8 7 , P l a n t C e l l R e P
. ,
6
:
2 3一 2 6
M o h a n t y
,
B
.
D
.
a n d G h o s h
,
P
.
D
. ,
1 9 5 5
:
A n n
.
B o t
. ,
6 2
:
5 4 1一 5 5 5
R e n g e l
,
2
.
e t a l
. ,
1 9 8 6
:
J
.
P l a n t
.
P h y s i o l
. ,
1 2 4 : 3 5 5一 3 9 2
U k a i
,
Y
.
e t a l
. ,
1 9 5 7 : J a P
,
J
.
B r e e d
. ,
3 7
:
4 0 5一 4 1 2
A r m s t r o n g a n d G r e e n
,
C
.
E
. ,
1 9 8 5
: P l a n t a
,
2 6 4 : 2 0 7一 2 1 4
P i e r r e
,
P
.
a n d T il o m
a s , H
.
2 9 5 9
,
P h y s i o l
.
P l a n t
,
7 7 : 6 2 5一 6 3 2
S t e e n
,
G
.
P
.
e t a l
.
, 1 9 8 9 : i b i d
,
7 7
:
4 2 7一 4 3 5
J o e l
,
1
. ,
1 9 89
: T I B T E C H
,
7 : 2 9 5一 3 0 3
S e h w e i g e r
,
H
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G
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5 8广 西 植 物 1 2卷
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[ 1 6 8]
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[ 1 7 0]
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[ 1 72 ]
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M
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T H E R ES E ARC H AN D A P P L IC AT ION O F
G R AM IN AC E A E T IS S U E C U LT U R E
S h a o
,
H
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B
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e n t
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B e i j i n g U n i v e r s t y
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B e i j i n g 1 0 0 8 7 1 )
A b s t r a e t T h e P a P e r d e a l e d w i t h t h e s i t u a t i o n o f e e r e a l s t i s s u e e u l t u r e r e s e a r e h
,
i n w h i e h t h e a u t h o r s t r e 3 3 e d t h e i m p o
r t a n e e o f e a r r y i n g o n e e r e a 13 t i s s u e e u l t u r e
,
s o m e P r o b l e m s i n v o l v e d i n e e r e a l s e e l l e u l t u r e a n d P r o t o P la s t e u l t u r e a n d t h e i r
p r o s p e e t s
.
T h e w r i t e r g a v e a d e t a i l七d d e s e r i p t i o n o f G r a m i n a e e a e t is s u e e u l t u r e
h i s t o r y
, a n a l y s i z e d t h e a p p l i e d t e n d e n e i e s a n d p r o 印 e e t s a b o u t G r a m i n a e e a e t i s 3 u e
e u l t u r e b a s i e r e s e a r e h a n d
, o n a u t h o r , 5 w o r k b a s i s
,
p o i n t e d o u t t h e m
a jo r f a e t o r
i n f l u e n e i n g e e r e a l s p r o t o p l a s t e u l t u e e
, e s t a b l i s h m e n t o f e e r e a l s e e l l s u s P e n s i o n
e u l t u r e s y s t e m
.
T h e w r i t e r b e l i e v e t h a t G r a m i n a e e a e t i s s u e e u l t u r e w i l l h a v e
r a p i d a d v a n e e m e n t i n t h e e o m i n g t
e n y e a r s
.
T e n i l l u s t r a t i o n s i n e l u d i n g s i x t a b l e s
a n d f o u r f i g u r e s
一 a r e i n v o l v e d i n t h e P a P e r
.
K e y w o r d s G r a m i n a e e a e ; T i s s u e e u l t u r e
: R e g u l a t i o n o f g e n e e x p r e s s i o n :
M i e r o P r o p a g a t i o n ; G r e m p la s m e o n s e r v a t i o n ; C r o p b r e e d i n g : S o m a t i e h y b r i z a t i o n :
G
e n e t r a n s f e r t e e h n i q u e s ; p l a n t g e n i e e n g i n e e r i n g