[科普中国]-克隆植物

克隆植物指的是利用植物组织培养技术，能从植物体上的一个细胞开始，把它培养成与原来植物一模一样的“克隆”植物，这个“克隆”植物具有与原来植物同样的根、茎、叶，也能同样地开花、结果。

其实，早在20世纪初，人们就已经着手研究在试管中培养植物的技术了。科学家们把这项技术称为植物组织培养技术，简称组培。植物组织培养技术，用一句话筒单地讲，就是在无菌的条件下，利用人工培养基，对植物体或植物的器官、组织、细胞甚至原生质体进行离体培养的技术。这些被用于无菌人工培养的植物材料被称为外植体1。

概述在植物界，克隆现象在自然界广泛存在。秋海棠的叶片、马铃薯的块茎、杨柳的枝条，都可以通过无性繁殖产生同自己一模一样的后代。而些通常用有性生殖方式繁殖的植物，如水稻、小麦、玉米、高梁等主要粮食作物，能否用无性繁殖方式产生后代，克隆自身呢?生物工程用事实作了肯定的回答。

1958年，克隆植物的实验就取得了重大成果。美国康乃尔大学的斯图尔教授，用通常是用有性生殖方式繁殖后代的胡萝卜进行无性生殖试验。他把胡萝卜的根部细胞打碎以后，用细胞激动素、生长素和无机盐作营养结果这些细胞繁殖生根，得到的克隆胡萝卜，同一般胡萝卜长得一模一样。采用这种技术，一个胡萝卜根就可以播几十亩地。这种无性繁殖系的快速繁殖方法，在农业上得到广泛应用。

1977年，我国四川生物研究所、广东农业科学院、广东甘蔗糖业食品科研所合作，试验成功甘蔗试管育苗，培育出克隆甘蔗。他们为什么要培育克隆甘蔗呢?原来，种植甘蔗一亩地需要蔗种500~1000千克，这是个不小的数目。要是用克隆技术来繁殖试管苗，繁殖一亩甘蔗只需很少点蔗种。须知，一根甘蔗上的细胞数目是一个天文数字。同样，种植水稻小麦玉米高粱等谷物也需要大量的种子。假若主要粮食作物的种苗由用097克隆技术繁殖的试管苗来提供，那该有多好!科学家正为此努力工作着他们已培育出上百种克隆植物。

更为有趣的一些克隆植物试验是在一些药用植物上进行的。你们也许唱过一首朝鲜民歌:“卖花姑娘”。那凄婉的曲调、动人的歌词，叙述一个小姑娘为了给妈妈买一种叫人参的药材治病，卖了几个月的花都未凑够钱，眼睁睁地望着妈妈去世。人参是一种人所共知的珍贵药材，能治很多病。可是，由于野生的人参资源越来越少，人工栽培的人参生长又十分缓慢，能不能让人参细胞像细菌那样迅速繁殖，在工厂里规模化生产人参呢?

1964年，我国科学家罗士韦报道了人参试管苗培养获得成功的消息。以后，日本、美国、前苏联、印度和我国的其他一些科学家也相继报导了人参无性繁殖试管苗成功的新闻。在培育试管苗的基础上，科学家们进一步试验，将人参细胞放在发酵法生产抗生素一类的大型设备里，用发酵罐批量生产人参。日本科学家在这方面的试验获得了较好的效果。他们进行了规模为13万升的发酵罐试验，生产出的人参和天然人参的成分几乎是相同的。我国科学家丁家宜等人也进行了类似的成功试验。这些成功的试验，使药物工作者激动不已。世界上使用的主要抗生素，都是用微生物发酵生产的。由于抗生素的副作用和病菌对抗生素耐药能力的增加，科学家们正在努力寻找新的药源。药用植物是我国传统的药源，由于副作用小和很少发现对植物药耐药的病菌等优点，受到我国和全世界越来越多人的喜爱。但由于栽培时间长、名贵品种价值高昂、化学合成成本高等多种原因，科学家们渴望如克隆人参细胞那样，将珍贵的药用植物细胞在发酵罐里大规模克隆。也就是说，借工业化大规模生产抗生素的方法生产中药，这该是多么了不起的一项发明呵!为了实现这一目标，我国和其他一些国家的科学家做了大量探索性的试验。用组织培养和细胞培养方法培养成功的药用克隆植物在100种以上，从培养物中产生可供利用的药用成分在200种以上。其中，克隆植物药用成分含量超过或接近原植物的有人参、三七、薯芋、柴胡、黄麻、烟草、决明、云南萝芙木、海巴戟、紫草、苦瓜、油麻藤、三分三等20多种。一旦这些技术应用到工业生产上去，实现大规模工业化生产，必将引起植物药生产的重大变革。

克隆花卉植物，也是生物工程师们十分热衷的事。中华民族是一个爱花的民族，在几千年里培育了许多著名的花卉植物，如十大名花:兰花、梅花、牡丹、芍药、荷花、茶花、杜鹃花、月季花、菊花、桂花等。国际市场上的花卉，很多都是引进中国原种培育成功的，比如，一些杜鹃和茶花的原产地就在中国。随着人们温饱问题的解决，赏花这种追求精神享受的欲望强烈起来，花卉需求量与日俱增。在美国，每年菊花、月季花、兰花等的销售收入达4亿多美元。以花卉之国著称于世的荷兰，每年栽培郁金香、水仙等花卉的面积达1万多公顷。须知，荷兰是一个围海造田起家、寸土寸金的弹丸小国!

为了生产更多价廉物美的高品位花卉供应市场，满足人们对“美”的需求，生物工程师们开展了克隆花卉植物的研究。1960年，克隆兰花首先获得成功，兰花试管苗问世。兰花是一种高雅名贵的观赏植物，全世界共有兰科植物1．5万种以上。兰花在国际市场上价格很高，有的珍奇品种一苗即价值上万美元。花农们使用克隆兰花的先进技术，建立了庞大的兰花工业，创造了上亿美元的财富。已有上百种克隆兰花问世。我国四川农业科学院的研究人员，用克隆技术培育成功号称国兰四大天王之一的“宋梅”和价值很高的川兰名品：“银杆春剑素”和“隆昌素”，试管苗已批量上市2。

介绍克隆植物(clonal plant)是指在定居前期通过与母株相连的芽、分蘖或枝条等繁殖体产生无性繁殖的植物，这些繁殖体一旦定居便成为许多潜在的独立个体。

植物克隆技术流程，植物克隆技术技术是是利用离体培养技术在试管内大量繁殖植物种苗的方法，它是将植株上的细胞或小块组织（比如一块叶片、一段茎节、一个芽、一个花蕾中一粒花粉等）在培养瓶中培养，在短短几个月时间内便能繁殖出成千上万个新的植株。植物克隆技术优势主要是快速、周年生产、变异小、无需种子繁殖等等。

植物克隆工厂是指利用环境控制和自动化技术进行植物全年生产的体系，包括无土栽培、植物克隆等技术以及植物细胞和组织培养的工业化产体系。1957年世界上第一工厂诞生在丹麦到1998年，日本有用于研究、展示、生产的植物工厂近四十个，其中生产用植物工厂17个。植物工厂建造虽未达到应用普及发展的时期，但其 出现预示着将来的发展前景。

植物克隆工厂，其生产采用全封闭的方式，严格实行全面和有效的控制环境及先进的植物工程技术，使生产到采收的全过程连续进行并高度自动化、流水化作业，实现全年连续的生产，完全摆脱了自然条件的限制。

克隆植物的研究将植物的细胞或组织从个体上分离出来，在一定条件下进行离体培养，使之形成细胞团或愈伤组织，然后再培养分化器官，形成再生植株(即植物细胞全能性的表达)，这种由一个亲本经无性繁殖形成的生物体，其基因组与亲本完全或基本相同，这样形成的植物称克隆植物。植物细胞和组织培养是植物克隆技术的基础，是植物生理学、细胞生物学和生物技术的有关理论和技术方法及其在生产上的应用。具体地说，用离体细胞进行培养称细胞培养，而用离体组织进行培养称组织培养。但通常不论是用细胞、组织、器官甚至用部分个体为材料，只要利用离体培养技术方法进行培养，都可统称为组织培养。

植物细胞和组织培养可与各种细胞操作和遗传操作相结合，来定向改变农作物的性状，提供选育新品种的材料，还可进行无性系快速繁殖等研究3。

克隆植物生态适应过程的特点研究生物在其环境内的最适生活史格局、生殖配置、生殖值、生殖产量以及生殖对策及其相互关系是湿地克隆植物生态适应性与进化生态学的重要内容。有些湿地植物具有密丛型的生态特点，这是对过湿土壤和氧气供给不足环境的一种适应方式。在5—9月的生长季中，毛果苔草是以Ⅰ龄分蘖株最多，其次是Ⅱ龄分蘖株，Ⅲ龄以后明显减少，说明Ⅲ龄以后毛果苔草虽然具有再生繁殖能力，但因生活力弱而难以成活。毛果苔草生殖分蘖植株的生物量以工龄为最大，并随着年龄的增加而呈现减少的趋势，表明生殖分蘖植株是以工龄级的生活力最强，至Ⅲ龄级时急剧减弱。但Ⅱ龄级和Ⅲ龄级繁殖分配比均比Ⅰ龄级大，

营养元素在生殖器官的分配比的顺序是：K>Ca>P>N>Mg>Mn>Zn>Cu>Fe；毛果苔萆对不同营养元素利用效率(NUE)的顺序是：K>N>Mn>P>Fe>Ca>Zn>Cu>Mg。因此，钾元素可能就是毛果苔草有性生殖的最重要的限制因子，即钾对毛果苔草的有性生殖的影响最大。掘此提出营养元素对克隆植物有性繁殖的“瓶颈效应”这一区域养分限制的观点4。

克隆植物生长型的调节机制克隆植物通过体内激素平衡的变化，调节顶端分生组织和侧生分生组织的活动强度，控制克隆植物生长型的变化。顶端分生组织活动主要是产生较长的节间，提高匍匐茎生长速率；侧生分生组织活动主要是形成新分枝，控制分枝的数量、位置和角度，决定分枝格局的形状和复杂性。分生组织的活动主要受植物激素(主要是生长素IAA、细胞分裂素iPA及其比例)的调节。生长素诱导细胞伸长，增大节间，促进顶端分生组织活动和顶芽生长，提高匍匐茎和根茎的生长速率。细胞分裂素促进细胞分裂和侧生分生组织的活动，促进侧芽生长，控制分枝数量和位置。较大的IAA/iPA比值促进顶端分生组织活动，抑制侧生分生组织，形成较长的节间和匍匐茎，分枝稀少，克隆表现为游击型的生长型，如漂筏苔草等；较小的lAA/iPA比值促进侧生分生组织活动，抑制顶端分生组织，促进侧芽形成，产生大量分枝，匍匐茎的生长受到抑制，这样克隆株系表现为集团型的生长型，如毛果苔草、狭叶甜茅等5。

基本过程培养基的制备

1、 母液的配制和保存

为减少工作量一般将各种成分配成比所需浓度高10-100倍的母液，用时按比例稀释。在配制大量元素无机盐母液时，要防止在混合各种盐类时产生沉淀，为此各种药品必须在充分溶解后才能混合，同时在混合时要注意先后顺序，把钙离子、锰离子、钡离子和硫酸根、磷酸根错开，以免发生作用，相互结合生成沉淀。另外在混合各种无机盐时，稀释度要大，慢慢混合，同时边混合边搅拌。

配制好的母液分别贴好标签，注明母液号、配制倍数、日期及配制1L培养基时应取的量。母液储存于2-4℃的冰箱中。

2、 培养基的配制

（1） 称取规定数量的琼脂和蔗糖，加入一定量的蒸馏水，加热使其溶解。

（2） 在烧杯中加入规定量的各种母液，包括生长调节物质和其他的特殊补加物。

（3） 将母液混合物加入融化的琼脂中，再加入糖类物质，定容至所需体积，搅匀。

（4） 用1mol/L的氢氧化钠和盐酸调节pH值。

（5） 趁热将培养基分装到所选用的培养容器中。

（6） 用棉塞或封口膜盖住瓶口。

（7） 在121-126℃灭菌15-20min。

（8） 灭菌后，待压力归零后将培养基取出让其凝固。

材料的消毒与接种

1、 材料的选择和确定

不同种类的植物以及同种植物不同的器官对诱导条件的反应是不一致的，因此，在取材时要充分考虑季节的影响、器官的生理状态和发育年龄、取材的部位以及材料的大小。

2、 材料的消毒

一般材料先用自来水冲洗，再用70%的酒精浸泡数秒，倒去酒精，再用0.1%的升汞溶液或2-10%的次氯酸钠溶液浸泡10-15min，后用无菌水冲洗3-5次。

3、 接种

将材料切成所需的形状和大小，接入培养基中。

初代培养、继代培养、生根与移栽

1、 初代培养

在初代培养基上，外植体经不同的途径可以诱导出愈伤组织、直接分化出芽或诱导出胚状体。

2、 继代培养

将初代培养产物转入继代培养基上，使愈伤组织分化出丛生芽、不定芽继续增殖、胚状体发育成完整植株。

3、 生根

将健壮的试管苗插入生根培养基中，诱导根的形成。

4、 试管苗的移栽

打开瓶盖，逐渐降低湿度，并逐渐增强光照，进行驯化，以适应环境，经过一段时间的炼苗即可移入盆中。

本词条内容贡献者为:

李学强 - 教授 - 宁夏大学