2024年2月25日发(作者：宿令暎)

植物人工种子技术

摘要：植物人工种子是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织,包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内,形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。完整的人工种子包括3部分:胚状体、人工胚乳、人工种皮。植物人工种子技术主要包括体细胞胚的诱导与同步化、包埋方法、人工种皮制备、干化、贮藏及防腐等。人工种子具有可

工厂化大规模制备、贮藏和迅速推广优良种质资源等优点,应用前景十分广阔。

Abstract: artificial plant seed is refers to the plants cultured in vitro produced somatic embryos

or can develop into a complete plant meristems, embedding in the presence of nutrients and has

a protective casing, formed under suitable conditions to germination seed particle. The complete

artificial seed consists of 3 parts: the embryo like body, the artificial endosperm, the artificial

seed coat. Plant artificial seed technology mainly includes the induction and synchronization

of somatic embryos, embedding methods, preparation, drying, storage and preservation, and so on.

Artificial seeds can be used in large-scale production, storage and rapid extension of excellent

germplasm resources and so on, the application prospect is very broad.

关键词:植物人工种子;胚状体;人工种皮;应用前景

一、植物人工种子的定义

植物人工种子(Plant artificial seed)概念最早由Murashige(1978)提出,是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。广义上的人工种子技术包括体细胞胚的生产、包裹、人工种子的贮藏、人工种子制作装置等多方面的技术内容,但从狭义范围来说,人工种子技术包括体细胞胚的生产和体细胞胚的包裹(人工胚乳和种皮)。完整的人工种子包括3大基本部分:体胚、人工胚乳、人工种皮。由于人工种子在本质上属于无性繁殖,可对一些自然条件下不结实的或种子很昂贵的植物进行繁殖,固定杂种优势,使Fl杂交种可多代利用,使优良的单株能快速繁殖成无性系品种,从而大大缩短育种年限。此外,由于人工种子作为播种材料,在一定程度上可取代部分种子与块根茎等。在人工种子的包裹材料里加入各种生长调节物质、菌肥、农药等,可人为地影响和控制作物生长发育和抗性。可以保存及快速繁殖脱病毒种苗,克服某些植物由于长期营养繁殖所积累而造成病毒病等。与试管苗相比成本低,运输方便(体积小),可直接播种和机械化操作。欧洲将植物人工种子列入尤里卡计划,我国也于1987年将其列入国家高技术研究与发展计划。

二、人工种子的主要制备方法与技术要求

从广义上讲,人工种子制备技术包括胚状体生产、胚状体包裹、人工种皮的制备、人工种子贮藏、人工种子制造机械等众多技术内容。从狭义范围讲,人工种子技术只包括胚状体生产和胚状体包裹(人工胚乳和人工种皮)技术。

1、胚状体包埋

胚状体的包埋关系到人工种子萌发、贮藏和生产与应用等重要环节。对胚状体包裹要求做到:首先,不影响胚状体萌发,并提供其萌发与成苗所需的养分和能量,即起到胚乳的作用;其次,使胚状体经得起生产、贮存、运输及种植过程中的碰撞,并利于播种,即起到种皮的保护作用;最后,针对植物种类和土壤等条件,满足对人工种子的特殊需要。为了满足上述要求,要有针对性地在包裹剂中加入大量养分、无机盐、有机碳源、植物生长调节剂,以及农药、抗菌素和有益菌类。

人工种子的包埋方法主要有液胶包埋法、干燥包裹法和水凝胶法。液胶包埋法是将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤。干燥法是将胚状体经干燥后再用聚氧乙烯等聚合物进行。

包埋的方法。虽然干燥包埋法成株率较低,但它证明了胚状体干燥包埋的有效性。水凝胶法是指通过离子交换或温度突变形成的凝胶包裹材料的方法。

目前研究中的人工种子普遍采用水凝胶法,以海藻酸钙作为包埋剂,它具有对胚状体无毒害作用、价格低廉等优点。但由于海藻酸钙对水溶剂有很好的通透性,使得包埋其中的营养物质、激素、抗生素等(即人工胚乳成分)容易渗透出来,造成营养泄露;另外,由于没有真正意义上的“人工种皮”的包裹保护,一些病原微生物容易侵入胚状体,对种子造成破坏,故目前绝大多数人工种子都只能在无菌条件下才能达到较高萌发率。

2、人工种皮

人工种皮一直是人工种子研究的主要热点之一。Redenbaugh(1987)试验了26种水溶性胶,结

果表明只有海藻酸钠、明胶、果胶酸钠、琼脂、树胶及Gelrite可作为内种皮,其中海藻酸钠具有诸多优点而被广泛采用。但鉴于它仍存在诸如保水性差、水溶性成份及助剂易渗漏、在空气中易失水干燥、干燥到一定程度后不能再吸水回胀而不利于人工种子贮藏和发芽、机械强度差以及胶球粘连等的缺点,对包埋基质的研究应集中在改善其透气性来提高胚的转化率,如用一些纤维素衍生物与海藻酸钠制成复合改性的包埋基质,取得了较为满意的效果。

3、人工种子的干化、贮藏和防腐方法

（1）干化

因农业生产的季节性所限,需要人工种子贮藏一定的时间。人工种子含水量大,常温下易萌发,易失水干缩,不利于贮藏。干化能增强人工种子幼苗的活力,有助于贮藏期间细胞结构和膜系统的保持和提高酶的活性,使其更好的耐贮性。目前,有关胚状体的干化处理已进行了很多工作。一般在4℃左右的温度下保存,随着时间的延长,萌发率呈现下降趋势,这可能有人工种子没有休眠有关[8]。

（2）贮藏

贮藏是人工种子研究的主要难题之一,目前报道的方法有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等多种方法的结合。干燥法和低温法相结合是目前报道最多的方法,也是目前人工种子贮藏研究主要热点之一。目前,有关包裹体胚的干化处理已进行更多的工作。李修庆(1990)发现海藻酸钠包埋的胡萝卜体胚经干化后其超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性显著提高,从而减轻低温贮藏对胡萝卜体胚的伤害。近年有关液氮冻存体胚及包裹体胚的报道越来越多]。

（3）防腐

防腐是人工种子贮藏和大面积田间播种的关键技术之一Ocastillo(1998)制得番木瓜人工种子虽有较高的萌发率,但未见有菌条件下成苗的报道。美国加州植物遗传公司(PGI)与Ciba-Geigy公司合作,专门研究人工种子防腐剂添加问题。李修庆等(1990)在人工种皮中加入防腐剂G和对蛭石灭菌后播种,人工种皮中加入400～500mg/L的先锋霉素、多菌灵、氨苄青霉素和羟基苯甲酸丙酯,均有不同程度的抑菌作用,使甘薯人工种子在有菌的MS琼脂培养基上萌发率提高了4%～10%以上。但当人工种子进入大规模的田间种植阶段,则应考虑到方便操作和降低成本等问题。所以防腐剂的选择有两种方向,一方面是从农药中筛选,另一方面是选择与天然种皮有相似特性的高分子材料作为人工种皮。

三、人工种子的应用前景

人工种子具备组培试管苗的全部优点，具有巨大的应用前景具体表现在以下几方面: （1）可以使在自然条件下不结实、结实率低或种子昂贵的植物得以繁殖; （2）固定杂种优势;（3）不受季节限制，快捷高效; （4）在制作人工种子时加入的菌肥、微生物、农药，为后期的管理工作带来方便; （5）人工种子能够克服营养繁殖造成的病毒积累，可快速繁殖脱毒苗。目前，珍稀药用植物人工种子技术的实验室研究已趋于成熟，然而在大面积运用方面还存在很多问题，许多植物目前还不能靠组织培养快速产生大量高质量的体细胞胚，且人们还不能有效控制离体培养后的变异问题，由此可见，人工种子要想成为珍贵药材的主导繁殖体，目前仍有一定的难度。

四、讨论

人工种子从一诞生就向人们展示了诱人的前景,目前人工种子尚处于研究开发阶段,但它已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物和珍稀及珍贵植物的过程中,显示出了超长的优势。人类要首先解决的关键问题是:人工种子本身的质量问题及人工种子的成本问题。虽然一些研究机构已经建立起大规模自动化生产线,能够生产出高质量、大小一致、发育同步的人工种子,但是它的成本仍高于天然种子。以苜蓿为例,目前生产1粒人工种子所需成本是0.026美分,而1粒天然苜蓿种子的成本是0.0006美分,二者相差40多倍[12]。由此可见,人工种子要想成为种植业的主导繁殖体,目前仍存在一定的困难,但我们有理由相信经过全世界科技工作者的努力,随着现代科技的迅猛发展,以人工种子代替天然种子,人类最终实现农业、林业全程工业化,全程化控制将指日可待。

参考文献:

[1]陈德富,陈喜文,程炳嵩.人工种子几个问题的探讨[J].山东农业大学学报,1995,26(2):249256.

[2]李修庆.植物人工种子研究[M].北京:北京大学出版社,1990.

[3]Murashige impact of plant tissue culture on agriculture[M]//Thorpe ers of Plant

Tissue y:U-niversity of Calgary Alberta,1978.

[4]Redenbaugh K,Slade D,VissP,et ulation of somaticembryosin synthetic seed

coats[J].HortScience,1987(20):803～809.

[5]汤绍虎,孙 敏,蕹菜人工种子研究[J].园艺学报,1994,21(1):71～75.

[6]张 铭,黄华蓉,魏小勇.植物人工种子研究进展[J].植物学通报,2000,17(5):407～412.

[7]许光学,卢泽俭,林少琨.人工种子种皮的研究现状[J].生物工程进展,1990,10(5):14～23.

[8]倪德祥,邓志龙.紫参和安祖花不定芽人工种子的研究[J].复旦学报;自然科学版,2004,33(5):540～546.

[9]Bouafia S,Lairy G,Blanc A,et eservation of axillary shoot tips of in vitro cultured

potatoes by encapsulationdehydra-tion:effects of preculture[J].Acta Botanica Gallica,1995,142

(4):393～402.

[10]Vigneron T,Arbault S,WKaas eservation of gameto-phytes of Laminaria

digitata(L)Lamouroux by encapsulationdehy2 dration[J].Cryo Letters,1997,18(2):93～98.

[11] Ball, B.,Meharry, D.,Acuna, T. L. Botwright et SES IN SEED DENSITY CAN IMPROVE PLANT

STAND AND INCREASE SEEDLING VIGOUR FROM SMALL SEEDS OF WHEAT (TRITICUM AESTIVUM)[J].Experimental

agriculture,2011,47(3):445-457.

[12] Ozawa, H.,Watanabe, J.,Chen, H. et impact of phenological and artificial factors on

seed quality in a nematode-resistant <i>Pinus densiflora</i> seed orchard.[J].Silvae

Genetica,2009,58(4):145-152.

2024年2月25日发(作者：宿令暎)

植物人工种子技术

摘要：植物人工种子是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织,包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内,形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。完整的人工种子包括3部分:胚状体、人工胚乳、人工种皮。植物人工种子技术主要包括体细胞胚的诱导与同步化、包埋方法、人工种皮制备、干化、贮藏及防腐等。人工种子具有可

工厂化大规模制备、贮藏和迅速推广优良种质资源等优点,应用前景十分广阔。

Abstract: artificial plant seed is refers to the plants cultured in vitro produced somatic embryos

or can develop into a complete plant meristems, embedding in the presence of nutrients and has

a protective casing, formed under suitable conditions to germination seed particle. The complete

artificial seed consists of 3 parts: the embryo like body, the artificial endosperm, the artificial

seed coat. Plant artificial seed technology mainly includes the induction and synchronization

of somatic embryos, embedding methods, preparation, drying, storage and preservation, and so on.

Artificial seeds can be used in large-scale production, storage and rapid extension of excellent

germplasm resources and so on, the application prospect is very broad.

关键词:植物人工种子;胚状体;人工种皮;应用前景

一、植物人工种子的定义

植物人工种子(Plant artificial seed)概念最早由Murashige(1978)提出,是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。广义上的人工种子技术包括体细胞胚的生产、包裹、人工种子的贮藏、人工种子制作装置等多方面的技术内容,但从狭义范围来说,人工种子技术包括体细胞胚的生产和体细胞胚的包裹(人工胚乳和种皮)。完整的人工种子包括3大基本部分:体胚、人工胚乳、人工种皮。由于人工种子在本质上属于无性繁殖,可对一些自然条件下不结实的或种子很昂贵的植物进行繁殖,固定杂种优势,使Fl杂交种可多代利用,使优良的单株能快速繁殖成无性系品种,从而大大缩短育种年限。此外,由于人工种子作为播种材料,在一定程度上可取代部分种子与块根茎等。在人工种子的包裹材料里加入各种生长调节物质、菌肥、农药等,可人为地影响和控制作物生长发育和抗性。可以保存及快速繁殖脱病毒种苗,克服某些植物由于长期营养繁殖所积累而造成病毒病等。与试管苗相比成本低,运输方便(体积小),可直接播种和机械化操作。欧洲将植物人工种子列入尤里卡计划,我国也于1987年将其列入国家高技术研究与发展计划。

二、人工种子的主要制备方法与技术要求

从广义上讲,人工种子制备技术包括胚状体生产、胚状体包裹、人工种皮的制备、人工种子贮藏、人工种子制造机械等众多技术内容。从狭义范围讲,人工种子技术只包括胚状体生产和胚状体包裹(人工胚乳和人工种皮)技术。

1、胚状体包埋

胚状体的包埋关系到人工种子萌发、贮藏和生产与应用等重要环节。对胚状体包裹要求做到:首先,不影响胚状体萌发,并提供其萌发与成苗所需的养分和能量,即起到胚乳的作用;其次,使胚状体经得起生产、贮存、运输及种植过程中的碰撞,并利于播种,即起到种皮的保护作用;最后,针对植物种类和土壤等条件,满足对人工种子的特殊需要。为了满足上述要求,要有针对性地在包裹剂中加入大量养分、无机盐、有机碳源、植物生长调节剂,以及农药、抗菌素和有益菌类。

人工种子的包埋方法主要有液胶包埋法、干燥包裹法和水凝胶法。液胶包埋法是将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤。干燥法是将胚状体经干燥后再用聚氧乙烯等聚合物进行。

包埋的方法。虽然干燥包埋法成株率较低,但它证明了胚状体干燥包埋的有效性。水凝胶法是指通过离子交换或温度突变形成的凝胶包裹材料的方法。

目前研究中的人工种子普遍采用水凝胶法,以海藻酸钙作为包埋剂,它具有对胚状体无毒害作用、价格低廉等优点。但由于海藻酸钙对水溶剂有很好的通透性,使得包埋其中的营养物质、激素、抗生素等(即人工胚乳成分)容易渗透出来,造成营养泄露;另外,由于没有真正意义上的“人工种皮”的包裹保护,一些病原微生物容易侵入胚状体,对种子造成破坏,故目前绝大多数人工种子都只能在无菌条件下才能达到较高萌发率。

2、人工种皮

人工种皮一直是人工种子研究的主要热点之一。Redenbaugh(1987)试验了26种水溶性胶,结

果表明只有海藻酸钠、明胶、果胶酸钠、琼脂、树胶及Gelrite可作为内种皮,其中海藻酸钠具有诸多优点而被广泛采用。但鉴于它仍存在诸如保水性差、水溶性成份及助剂易渗漏、在空气中易失水干燥、干燥到一定程度后不能再吸水回胀而不利于人工种子贮藏和发芽、机械强度差以及胶球粘连等的缺点,对包埋基质的研究应集中在改善其透气性来提高胚的转化率,如用一些纤维素衍生物与海藻酸钠制成复合改性的包埋基质,取得了较为满意的效果。

3、人工种子的干化、贮藏和防腐方法

（1）干化

因农业生产的季节性所限,需要人工种子贮藏一定的时间。人工种子含水量大,常温下易萌发,易失水干缩,不利于贮藏。干化能增强人工种子幼苗的活力,有助于贮藏期间细胞结构和膜系统的保持和提高酶的活性,使其更好的耐贮性。目前,有关胚状体的干化处理已进行了很多工作。一般在4℃左右的温度下保存,随着时间的延长,萌发率呈现下降趋势,这可能有人工种子没有休眠有关[8]。

（2）贮藏

贮藏是人工种子研究的主要难题之一,目前报道的方法有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等多种方法的结合。干燥法和低温法相结合是目前报道最多的方法,也是目前人工种子贮藏研究主要热点之一。目前,有关包裹体胚的干化处理已进行更多的工作。李修庆(1990)发现海藻酸钠包埋的胡萝卜体胚经干化后其超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性显著提高,从而减轻低温贮藏对胡萝卜体胚的伤害。近年有关液氮冻存体胚及包裹体胚的报道越来越多]。

（3）防腐

防腐是人工种子贮藏和大面积田间播种的关键技术之一Ocastillo(1998)制得番木瓜人工种子虽有较高的萌发率,但未见有菌条件下成苗的报道。美国加州植物遗传公司(PGI)与Ciba-Geigy公司合作,专门研究人工种子防腐剂添加问题。李修庆等(1990)在人工种皮中加入防腐剂G和对蛭石灭菌后播种,人工种皮中加入400～500mg/L的先锋霉素、多菌灵、氨苄青霉素和羟基苯甲酸丙酯,均有不同程度的抑菌作用,使甘薯人工种子在有菌的MS琼脂培养基上萌发率提高了4%～10%以上。但当人工种子进入大规模的田间种植阶段,则应考虑到方便操作和降低成本等问题。所以防腐剂的选择有两种方向,一方面是从农药中筛选,另一方面是选择与天然种皮有相似特性的高分子材料作为人工种皮。

三、人工种子的应用前景

人工种子具备组培试管苗的全部优点，具有巨大的应用前景具体表现在以下几方面: （1）可以使在自然条件下不结实、结实率低或种子昂贵的植物得以繁殖; （2）固定杂种优势;（3）不受季节限制，快捷高效; （4）在制作人工种子时加入的菌肥、微生物、农药，为后期的管理工作带来方便; （5）人工种子能够克服营养繁殖造成的病毒积累，可快速繁殖脱毒苗。目前，珍稀药用植物人工种子技术的实验室研究已趋于成熟，然而在大面积运用方面还存在很多问题，许多植物目前还不能靠组织培养快速产生大量高质量的体细胞胚，且人们还不能有效控制离体培养后的变异问题，由此可见，人工种子要想成为珍贵药材的主导繁殖体，目前仍有一定的难度。

四、讨论

人工种子从一诞生就向人们展示了诱人的前景,目前人工种子尚处于研究开发阶段,但它已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物和珍稀及珍贵植物的过程中,显示出了超长的优势。人类要首先解决的关键问题是:人工种子本身的质量问题及人工种子的成本问题。虽然一些研究机构已经建立起大规模自动化生产线,能够生产出高质量、大小一致、发育同步的人工种子,但是它的成本仍高于天然种子。以苜蓿为例,目前生产1粒人工种子所需成本是0.026美分,而1粒天然苜蓿种子的成本是0.0006美分,二者相差40多倍[12]。由此可见,人工种子要想成为种植业的主导繁殖体,目前仍存在一定的困难,但我们有理由相信经过全世界科技工作者的努力,随着现代科技的迅猛发展,以人工种子代替天然种子,人类最终实现农业、林业全程工业化,全程化控制将指日可待。

参考文献:

[1]陈德富,陈喜文,程炳嵩.人工种子几个问题的探讨[J].山东农业大学学报,1995,26(2):249256.

[2]李修庆.植物人工种子研究[M].北京:北京大学出版社,1990.

[3]Murashige impact of plant tissue culture on agriculture[M]//Thorpe ers of Plant

Tissue y:U-niversity of Calgary Alberta,1978.

[4]Redenbaugh K,Slade D,VissP,et ulation of somaticembryosin synthetic seed

coats[J].HortScience,1987(20):803～809.

[5]汤绍虎,孙 敏,蕹菜人工种子研究[J].园艺学报,1994,21(1):71～75.

[6]张 铭,黄华蓉,魏小勇.植物人工种子研究进展[J].植物学通报,2000,17(5):407～412.

[7]许光学,卢泽俭,林少琨.人工种子种皮的研究现状[J].生物工程进展,1990,10(5):14～23.

[8]倪德祥,邓志龙.紫参和安祖花不定芽人工种子的研究[J].复旦学报;自然科学版,2004,33(5):540～546.

[9]Bouafia S,Lairy G,Blanc A,et eservation of axillary shoot tips of in vitro cultured

potatoes by encapsulationdehydra-tion:effects of preculture[J].Acta Botanica Gallica,1995,142

(4):393～402.

[10]Vigneron T,Arbault S,WKaas eservation of gameto-phytes of Laminaria

digitata(L)Lamouroux by encapsulationdehy2 dration[J].Cryo Letters,1997,18(2):93～98.

[11] Ball, B.,Meharry, D.,Acuna, T. L. Botwright et SES IN SEED DENSITY CAN IMPROVE PLANT

STAND AND INCREASE SEEDLING VIGOUR FROM SMALL SEEDS OF WHEAT (TRITICUM AESTIVUM)[J].Experimental

agriculture,2011,47(3):445-457.

[12] Ozawa, H.,Watanabe, J.,Chen, H. et impact of phenological and artificial factors on

seed quality in a nematode-resistant <i>Pinus densiflora</i> seed orchard.[J].Silvae

Genetica,2009,58(4):145-152.