人工種子研究進(jìn)展及其在園林綠化中的應(yīng)用前景

2008/6/30 15:34:14

人工種子（artificialseeds，syntheticseeds）的概念最早是由Murashige(1978)提出的，是指通過組織培養(yǎng)技術(shù)，將植物的體細(xì)胞誘導(dǎo)成在形態(tài)上和生理上均與合子胚相似的體細(xì)胞胚，然后將它包埋于有一定營養(yǎng)成分和保護(hù)功能的介質(zhì)中，組成便于播種的類似種子的單位。人工種子首先應(yīng)該具備一個發(fā)育良好的體細(xì)胞胚（即具有能夠發(fā)育成完整植株能力的胚）；為了使胚能夠存在并發(fā)芽，需要有人工胚乳，內(nèi)含胚狀體健康發(fā)芽時所需的營養(yǎng)成分、防病蟲物質(zhì)、植物激素；還需要能起保護(hù)作用以保護(hù)水分不致喪失和防止外部物理沖擊的人工種皮。通過人工的方法把以上3個部分組裝起來，便創(chuàng)造出一種與天然種子相類似的結(jié)構(gòu)——人工種子。
由于人工種子是通過無性繁殖產(chǎn)生的，與天然種子相較，人工種子可以工廠化生產(chǎn)和貯存；可以減少具有雜種一代優(yōu)勢的作物的育種程序；可以快速繁殖結(jié)實(shí)率低或難以用種子繁殖、育性欠佳的作物；可以快速推廣優(yōu)良種質(zhì)資源；人工種子還具有節(jié)約種源、土地，不受季節(jié)限制的優(yōu)點(diǎn)。因此，受到許多國家的重視，我國已將人工種子的研究列入了863高新技術(shù)發(fā)展計劃。Kitto等（1981）用聚氧乙烯包裹胡蘿卜胚狀體首次制成了人工種子。經(jīng)過20余年的研究，人工種子的研究取得了很大進(jìn)展，除了胡蘿卜、苜蓿、芹菜、水稻、玉米、甘薯、棉花、西洋參、小麥、煙草、大麥、油菜、百合、萵苣、馬鈴薯等農(nóng)作物種子外，花卉和林木人工種子如長壽花、水塔花、白云杉、黃連、刺五加、橡膠樹、柑桔、云杉、檀香、黑云杉、桑樹、楊樹等都有成功生產(chǎn)的報道。
1.人工種子的制備方法與技術(shù)要求
人工種子制備包括胚狀體的誘導(dǎo)與同步化、人工種子的包埋、人工胚乳的制作、人工種皮的制作、人工種子貯藏等步驟內(nèi)容。
1.1胚狀體的誘導(dǎo)與同步化
生產(chǎn)高質(zhì)量的胚狀體是制作人工種子的關(guān)鍵。從目前的研究結(jié)果來看，并不是所有的植物種子都開發(fā)出了胚狀體培養(yǎng)發(fā)生技術(shù)。不同植物的體細(xì)胞的培養(yǎng)亦有難易。在生產(chǎn)人工種子時，要求胚狀體具有可觀的成株率，甚至超過天然種子。
胚狀體的誘導(dǎo)：胚狀體可從懸浮培養(yǎng)的單細(xì)胞得到，也可通過試管培養(yǎng)的愈傷組織、花粉或胚囊獲得。胚狀體一般在培養(yǎng)物的表面產(chǎn)生，其形狀與合子胚類似，但胚狀體卻是無性繁殖的產(chǎn)物。實(shí)際操作中，一般在試管中誘導(dǎo)出愈傷組織，并在含生長素的培養(yǎng)液中懸浮培養(yǎng)，然后置于含生長素的發(fā)酵罐中，使細(xì)胞迅速擴(kuò)增，再將細(xì)胞移入無生長素的發(fā)酵罐中誘導(dǎo)出大量胚狀體。
胚狀體同步化處理或分選：胚狀體的同步化是指促使所有培養(yǎng)的細(xì)胞或發(fā)育中的細(xì)胞團(tuán)塊進(jìn)入同一個分裂時期。只有同步化了細(xì)胞才可能成批地產(chǎn)出成熟胚胎。常用的方法有：
化學(xué)方法：饑餓法——將培養(yǎng)基中的一些重要成分反復(fù)去除和添加；阻斷法——在培養(yǎng)初期加如DNA合成抑制劑，如5-氨基脲嘧啶，阻斷細(xì)胞分裂的G1期。
物理方法：低溫處理法、過濾篩選法、滲透壓分離法、密度梯度離心法(體胚不同的發(fā)育階段密度有差異)等到胚狀體胎成熟以后，就可以進(jìn)行人工種子的包埋了。其中過濾篩選法較實(shí)用、快速。
1.2人工種子的包埋
人工種子的包埋關(guān)系到人工種子萌發(fā)、貯藏和生產(chǎn)應(yīng)用等重要環(huán)節(jié)。Redenbaugh于1984年首次篩選出透水性好的海藻酸鈉作為胚狀體和不定芽的包埋劑。包埋方法主要有將胚狀體或小植株懸浮在一種粘滯的流體膠中直接播入土壤的液膠包埋法；將體細(xì)胞胚經(jīng)干燥后用聚氧乙烯等聚合物進(jìn)行包埋的干燥包裹法；以及通過離子交換或溫度突變形成凝膠包裹材料的水凝膠法，Redenbaugh等用此法包裹單個苜蓿體細(xì)胞胚制成了人工種子，離體成株率達(dá)86%。組合包埋法以及流體播種、液膠包埋、瓊脂、鋁膠囊等新穎包埋法也開始被應(yīng)用，George等用硅膠包埋谷子體細(xì)胞胚，葫發(fā)率達(dá)82%，且4℃貯藏14天后仍能自行裂開、順利萌發(fā)。
對胚狀體包裹要求做到：首先，不影響胚狀體萌發(fā)，并提供其萌發(fā)與成苗所需的養(yǎng)分和能量，即起到胚乳的作用；其次，使胚狀體經(jīng)得起生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸及種植過程中的碰撞，并利于播種，即起到種皮的保護(hù)作用；最后，針對植物種類和土壤等條件，滿足對人工種子的特殊需要。
目前研究中的人工種子普遍采用水凝膠法，以海藻酸鈣作為包埋劑，它具有對胚狀體無毒害作用、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但由于海藻酸鈣對水溶劑有很好的通透性，使得包埋其中的營養(yǎng)物質(zhì)、激素、抗生素等(即人工胚乳成分)容易滲透出來，造成營養(yǎng)泄露；另外，由于沒有真正意義上的“人工種皮”的包裹保護(hù)，一些病原微生物容易侵入胚狀體，對種子造成破壞，因而目前絕大多數(shù)人工種子都只能在無菌條件下才能達(dá)到較高萌發(fā)率。
1.3人工胚乳的制作
為了滿足包裹要求，要有針對性地在包裹劑中加入大量養(yǎng)分、無機(jī)鹽、有機(jī)碳源、植物生長調(diào)節(jié)劑，以及抗菌素和有益菌類。選用無毒、透氣和吸水性強(qiáng)的木薯淀粉與1.5%海藻酸鈉(1/2MS培養(yǎng)基配制)混合制作的胚乳可改善單一海藻酸鈉人工胚乳的透氣性、吸水性和發(fā)芽率，人工胚乳中加入GA3有利于人工種子的發(fā)芽，加入CaCl2有利于向培養(yǎng)物供氧，提高人工種子發(fā)芽率和耐貯藏性，加擴(kuò)活性炭可改善營養(yǎng)固定和緩釋，提高人工種子在土壤中的成苗率。
1.4人工種皮的制作
人工種皮既要求允許內(nèi)外氣體交換暢通，以保持胚狀體的活力，又要能防止水分及營養(yǎng)成分的滲漏和起保護(hù)作用。一般采取雙層種皮結(jié)構(gòu)，內(nèi)種皮通透性較高，外種皮硬，透性小，起保護(hù)作用。
現(xiàn)已篩選出海藻酸鈉、明膠、果膠酸鈉、瓊脂、樹膠等可作內(nèi)種皮應(yīng)用，某些纖維素衍生物與海藻酸鈉制成復(fù)合改性的包埋基質(zhì)可明顯改善人工種皮的透氣性，海藻酸鈉中加入多糖、樹膠等可減慢凝膠的脫水速度，提高干化體細(xì)胞胚的活力。
外層種皮可選用半疏水性聚合膜，以降低海藻酸鈣的親水性，對人工胚乳起固定作用。另外可在膜上添加毒性小的防腐劑或溶菌酶，以防止微生物的侵入。Ling-FongTay用殼聚糖作為外種皮制作的油菜人工種子萌發(fā)率達(dá)100%，但在有菌條件下萌發(fā)率仍不高。美國杜邦公司生產(chǎn)的由乙烯、乙酸和丙烯酸三種物質(zhì)聚合的Elvax材料是目前認(rèn)為較好的一種人工種皮材料。
人們?nèi)栽诜e極尋找其他的包埋方式和包埋材料，以完善現(xiàn)有人工種皮的制作技術(shù)。
1.5人工種子的貯藏
貯藏是人工種子的主要難點(diǎn)之一，目前應(yīng)用的有低溫法、干燥法、抑制法、液體石蠟法等及上述方法的組合。干燥法和低溫法組合是目前應(yīng)用最多的，胡蘿卜愈傷組織在15℃相對濕度25%的條件下存放一年仍可再生。大豆體胚干化到原體積的40%～50%后再吸水，萌發(fā)率仍達(dá)到31%。干化增強(qiáng)人工種子幼苗的活力，可能與其超氧化物酶和過氧化物酶的活性顯著提高，從而減輕低溫貯藏對體胚的傷害有關(guān)。通過電鏡觀察和電導(dǎo)值與脫氫酶的比較，發(fā)現(xiàn)干化有助于體胚貯藏期間細(xì)胞結(jié)構(gòu)、膜系統(tǒng)的保持和酶活性的提高，使體胚具有更好的耐貯性。富含胡蘿卜體胚的懸浮培養(yǎng)液包埋于水溶性塑料薄膜內(nèi)，形成的膠囊26℃干化4天后再吸水萌發(fā)仍可獲得植株，高濃度的蔗糖、脯氨酸和ABA預(yù)處理體胚能提高干化耐受性，這可能與ABA等抑制體胚過早萌發(fā)、促進(jìn)干物質(zhì)積累有關(guān)。近年，液氮凍存體胚及包裹體胚的報道也越較多。
防腐是人工種子貯藏和大面積田間應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。Castillo制得的人工種子雖有較高的萌發(fā)率，但未能在有菌條件下成苗，其主要原因是人工種子易感染病菌而腐爛。在甘薯人工種皮中加400～500mg/L的先鋒霉素、多菌靈、安芐青霉素或羥基苯酸丙酯，均有不同程度的抑菌作用，萌發(fā)率可提高4%～10%。
2.人工種子技術(shù)存在的主要問題
盡管目前人工種子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究工作已取得較大進(jìn)展，并且已在繁殖遺傳工程植物、減數(shù)分裂不穩(wěn)定植物、稀有及珍貴植物的過程中，顯示出超常的優(yōu)勢。但從總體來看，目前的人工種子還遠(yuǎn)不能像天然種子那樣方便、實(shí)用和穩(wěn)定。主要障礙在于人工種子的質(zhì)量和成本：(1)許多重要的植物目前還不能靠組織培養(yǎng)快速產(chǎn)生大量的、出苗整齊一致的、高質(zhì)量的胚狀體或不定芽；人工種子的質(zhì)量達(dá)不到植物正常生長、運(yùn)輸和貯藏的要求；人工種子的制種和播種技術(shù)尚需進(jìn)一步研究。(2)目前多數(shù)人工種子的成本仍然高于試管苗和天然種子。雖然一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立起大規(guī)模自動化生產(chǎn)線，能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量、大小一致、發(fā)育同步的人工種子，但是它的成本仍高于天然種子。以苜蓿為例，目前生產(chǎn)1粒人工種子所需成本是0.026美分，而1粒天然苜蓿種子的成本是0.0006美分，二者相差40多倍。因此，人工種子要真正進(jìn)入商業(yè)市場并與自然種子競爭，必須降低生產(chǎn)成本。由于人工種子是由組織培養(yǎng)產(chǎn)生的，需要一定時間才能很好地適應(yīng)外界環(huán)境，因此人工種子在播種到長成自養(yǎng)植株之前的管理也非常重要，在推廣之前必須經(jīng)過農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，并對栽培技術(shù)及農(nóng)藝性狀進(jìn)行研究。
由此可見，人工種子要想成為種植業(yè)的主導(dǎo)繁殖體，目前仍有相當(dāng)?shù)睦щy。
3.人工種子在園林綠化及水土保持方面的應(yīng)用前景
人工種子與試管苗相比，具有所用培養(yǎng)基量少、體積小、繁殖快、發(fā)芽成苗快、運(yùn)輸及保存方便的特點(diǎn)；人工種子技術(shù)適用于難以保存的種質(zhì)資源、遺傳性狀不穩(wěn)定或育性不佳的珍稀林木的繁殖；人工種子可以克服營養(yǎng)繁殖造成的病毒積累，可以快速繁殖脫毒苗。因此，人工種子在快速繁殖苗木和人工造林方面，具有很大的應(yīng)用前景。現(xiàn)在，我國處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期，需要有大量的優(yōu)良苗木種子供應(yīng)，而我國現(xiàn)有的林木種子供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會需求。人工種子可以工廠化地提供綠化種子，解決種子供應(yīng)量不足的矛盾。隨著人工種子技術(shù)的不斷成熟完善，必將給我國的園林綠化方式帶來革命性的變化。

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