全 文 ：第18卷第4期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol. 18, No.4
2002年12月 Journal of Qiqihar University Dec.,2002
禾本科植物愈伤组织的形成分化和
体细胞胚胎发生
张东向
（齐齐哈尔大学生命科学与工程学院，齐齐哈尔 161006）

摘 要 对禾本科植物培养中器官分化和体细胞胚胎发生研究的现状做了介绍，并对其培养物的细胞形态等特殊
性征和基因型在其中所起的作用进行了分析。
关 键 词：禾本科植物; 组织培养; 体细胞胚胎发生; 基因型
中图分类号：S51.01 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2002)04-0112-04
自本世纪初Haberlant提出植物细胞具有全能性（totipotency）以来，高等植物的组织和细胞培养已
成为现实。植物的再生往往从愈伤组织或外植体的特定区域发起，形态发生途径有两条：一条是器官发生
（organogenesis），即由愈伤组织形成芽或根的过程；另一条是体细胞胚发生（somatic embryogenesis），
其标志是形成在类似合子胚结构的胚状体（embryoid），它在一定条件下可以长成完整的植株。但禾本科
植物对组织培养的响应性（responsibility）较低，这一直是其离体再生困难的重要原因。曾认为器官再生
是禾本科植物植株再生的主要途径[1, 2]。尽管玉米、水稻和小麦等作物，从花粉形成花粉胚（pollen embryos）
的频率相当高，但却没有发育成株的报道。近10 年来，体细胞胚胎发生及其植株再生在许多禾本科植物中
相继取得了成功。然而，禾本科植物能否形成愈伤组织及其生长和分化受许多因素的影响。同种植物的不
同品种间的响应性存在着基因型的差异。因此，笔者在此就禾本科植物组织培养中器官分化和体细胞胚胎
发生的有关问题做一综述。
1 离体培养中愈伤组织的生长和分化
1.1 愈伤组织生长及根的分化
愈伤组织是指植物外植体在适当的营养和生长调节物质下，由损伤的组织表面迅速增殖而形成的一团
不规律的组织块。一般认为愈伤组织的形成同组织表面的损伤和适当的培养条件有关。根据它的质地和物
理状态有坚实和松脆之分，以鲜质量做为愈伤组织生长分析的指标，表明愈伤组织在培养的大部分时期是
按指数增长，而到后期生长率逐渐下降[3]。King 指出，并不能把禾本科外植体的增长物都看做是愈伤组织，
因为其中含有生根的分生组织，它常包埋在顶生的分化的细胞中，可以继代培养。许多禾本科植物的组织
在培养过程中，当生长调节物质水平降低时都具有生根的倾向。如果把小麦幼苗愈伤组织从固体培养基转
移到摇床悬浮培养，就形成一团根状物。Cure指出燕麦、小麦种子培养物的增殖可能是一种异常的、类似
生根的机制，它具有愈伤组织的外部形态[4]。根原基的增殖可能是导致外部未分化的生长物的原因。
然而，并非所有谷类作物愈伤组织都表现出高度的生根倾向，也存在例外。Shamina从大麦的两个稳
定的愈伤组织系中区分出了两种主要的细胞系，即分生型和薄壁型。由于它们的相对分布不同，从而形成
了在形态上和生理上不同的两个愈伤组织系，经过 3 年培养，没有一个表现出形成根的倾向[5]。对小麦胚
和小黑麦幼胚愈伤组织的组织学观察结果表明：当 2, 4-D 存在时，所形成的分生区中发生细胞分裂，但只
有当 2, 4-D 下降到某一临界值时，根原基才能从这些区域发生。这暗示在一定条件下分生组织可以向生根

收稿日期：2002—04--29
作者简介：张东向，男，1963年生，理学硕士，副教授，从事植物生理与植物细胞工程研究。

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的方向转化。此外，从小麦成熟胚产生的愈伤组织，在培养一段时间才观察到其中有分生区的出现，而明
显的根和芽结构的发育是在转移到低生长素培养基后才出现。
1.2 芽的分化
早期对谷类植物再生的研究多取材于幼苗切段，芽的发生率较低，重复性也很差。后来用幼胚、花序
做外植体，再生频率提高很大。遗传因子对再生起很大作用。不同的植物的响应性差别很大。例如羊草和
珍珠谷响应性最好，而小麦和大麦较差。即使同一种内的各品种之间也存在着明显差异。此外，植物的生
理状态可能也影响其反应。培养条件对植物再生也很重要，2, 4-D 能促进愈伤组织形成芽。在小麦和燕麦
研究的报道中，苗的分化机制可能同愈伤组织中芽原基的某种去抑制作用机制有关。胚和花序培养物的再
生是重新形成的[6]，但芽的分化能力随时间下降，而形态发生能力可以继续保持下去[7] 。一般地，未分化
的愈伤组织不能再生，只有具一定分化程度的组织才能形成芽。
1.3 体细胞胚胎发生
培养技术的改进使禾本科植物体细胞胚胎发生成为可能。1970年，Norstog首次从大麦盾片节培养获
得胚状体[8] 。Thmas用高梁获得了更多的胚状体和再生苗[9] 。自此，有关禾本科植物体细胞胚胎及胚状体
发
生的报道越来越多。只有少数胚状体由松软、易碎的愈伤组织产生。多数出自复杂、坚实、表面具球形颗
粒的胚性愈伤组织。常呈白色或黄色，胞质浓厚、富含淀粉。Nabors提出了胚性愈伤组织与非胚性愈伤组
织可以相互转化[10]。胚胎发生能力的保持取决于在继代培养中胚性细胞的稳定性，从非胚性组织中形成明
显的胚胎发生区域，可能是由于在其中存在一些不易察觉的小胚性细胞团；也可能是由于在幼龄培养物中，
发生生理上的分离而向胚性细胞的转移。
体细胞胚胎发生与器官再生过程不同，后者的植株再生包括两个彼此独立、相继发生的过程[11]。在珍
珠谷和甘蔗[12] 已表明体细胞胚胎和胚性细胞团是单细胞起源，而玉米盾片培养物表面的器官发生则是多细
胞起源的 [13]。Wernicke发现高梁幼叶可以形成愈伤组织，体细胞胚胎发生无法追溯到单细胞，而是由原胚
性组织分裂产生的[14]。而原胚性组织可能是单细胞起源的。在多细胞环境下，这种单个细胞再生出完整植
株的能力，充分证明某些禾本科植物细胞具有全能性。
2 培养物的形态和细胞学特征
植物愈伤组织既可转化为胚性愈伤组织，也可转化为非胚性愈伤组织。禾本科植物这两种愈伤组织，
在颜色、表现形态和细胞学上都有明显的差别。一般胚性愈伤组织生长缓慢，质地较坚实，颜色有乳白色
或黄色，表面具球形颗粒，非胚性愈伤组织生长迅速，易碎疏松，颜色有黄色或褐色[15]，表面粗糙。从细
胞学来看，前者由等直径细胞组成，细胞较小，原生质浓厚，无液泡，常富含淀粉粒，核大，分裂活性强；
后者与之相反，由不规划的薄壁细胞组成，细胞大，高度液泡化，核质比小，分裂活性弱。尽管胚性愈伤
组织和非胚性愈伤组织，在外部形态和内部结构上差异很大，但在多数培养物中这两者同时并存。
胚性细胞中富含的淀粉粒，其含量和分布的变化往往是胚胎发育的标志和诱因，胚状体的形成和器官
发生是与淀粉的积累和消失密切相关的。Vasil[16]在用盾片或顶端分生组织做为外植体培养时，由于这些组
织代谢活动强烈，尤其是碳水化合物代谢，所以细胞中淀粉含量高，以适应细胞分裂、代谢需求高的生理
特点。因此，淀粉的累积可能是体细胞胚胎发生的触发器。
外植体对培养基的反应能力与质体或叶绿体的发育关系密切。在球形胚阶段，质体中就包含着小的、
彼此独立的基粒，随着胚胎发育逐渐分化成叶绿体。在植物生长调节剂的作用下，质体既可以发育成正常
的叶绿体而导致芽的形成，也可以发育成淀粉而导致胚状体的形成。高梁分生组织细胞在仅含 2, 4-D 的培
养基中没有叶绿体的发育。这时愈伤组织呈白色、半透明状[17]；如添加适当的细胞分裂素，则能分化出典
型的胚性愈伤组织，如浓度提高，则又逆转形成芽，细胞分裂素促进烟草细胞叶绿体的分化。这暗示，在
植物细胞的分化和发育中，质体可能是激素作用的靶细胞器。然而，质体与叶绿体和淀粉之间的关系、生
长调节剂在其中所起的作用，以及它们与植物发育的关系等都有待于进一步探讨。

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3 基因型的作用
在植物离体培养中，基因型对愈伤组织的诱导和再生有很大影响。大量研究表明，同一种类的不同品
种间，其外植体对同一培养基的反应存在很大差异。双亲的基因型对杂交后代再生能力有很大影响。基因
型的表达与供体植物本身、环境状况和培养条件密切相关。
3.1 基因作用的普遍性
Tabata发现玉米胚乳愈伤组织的增殖是受胚乳以外因素控制的，但母体效应（matenal effect）对杂
合体的愈伤组织也有影响[18]。Sun还注意到正反交的差异，交互影响的差异很显著，6 个品系的胚性愈伤组
织显示加性方差大于显性方差，据此推测有两个遗传系统控制胚性愈伤组织的形成，即核和细胞质[19]。对
玉米8 个品系的双列分析也表明：它们在愈伤组织生长、茎和根的形成能力方面存在着相当大的基因差异，
除核因子外，细胞质遗传因子也可能参与离体生长的决定[20]。在水稻组织培养中，再生能力由核基因和胞
质基因共同控制。
基因的作用不仅表现在不同基因型对同一培养条件的反应不同，还能遗传给它的子代。Duncan 对101
个玉米自交系的研究表明，只要亲本中有一方具有再生能力。它的杂交
1F 代的愈伤组织再生率可达99.7%，
如双亲都缺乏再生能力，其后代则不能产生愈伤组织[21]，Hodges 用几种玉米的纯系与高再生力的纯系A188
杂交，一些杂种后代的再生能力明显提高，而另一些提高的并不显著，他认为其中可能存在着基因表达的
阻碍剂（suppressor），而其中两个反应“迟钝”品系（B73和Mo71）的其后代始终缺乏再生能力[22]。用
玉米B73和Mo71做母本时则没有这种现象。这就提示除核基因外，细胞质遗传也起很大作用。
3.2 各种内外因素对基因型表达的影响
外植体愈伤组织的形成、芽和根的出现及体细胞胚胎的诱导都受基因型的控制，同时，基因型的作用
受各种内外因素影响。首先，供体植物本身的生理状况影响着基因型。基因型的差异同外植体在培养中的
反应也不可能完全相同，这与它们内源激素水平高低有关[14]。水稻愈伤生长和再生存在着明显的基因型差
异，Abe认为这是由于内源激素的组成和含量不同，从而外植体对 2, 4-D 的敏感性不同[15]。在水稻各基因
型中，种子和胚根的愈伤组织诱导率都接近100%。但胚芽鞘的诱导率则因基因型而不同，从0 ～ 80%不等，
这归因于基因型之间的生理差异，依各自的基因型可能有不同的遗传决定性（genetic determinants）。
培养基中植物生长调节物质的浓度和配比对再生能力的基因表达具有明显作用。只要生长调节剂的种
类和浓度适宜，绝大多数基因型的再生能力都可以得到表达[23]，对水稻的4个品种进行培养，应用不同浓度
的 2,4-D或2,4,5-T获得了令人满意的效果。植物体细胞胚胎的诱导在很大程度上是一种生理现象，它受植
物生长调节物质的类型和浓度的诱导。实际上，禾本科植物的再生，关键取决于外植体的生理状态和适宜
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ZHANG Dong-xiang
（College of Life Science and Technology, Qiqihar University, Qiqi ar 161006）

Abstract Current researches of the organ defferentiation and somatic embryogenesis in plant tissue culture of
Gramineae were introduced in this paper. And the histology characteristics of the cultures and effects of genetype
were analysied.
Key words Graamincae；tissue culture；somatic embryogenesis；genotype