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第1321期(总第1321期) 2019年6月10日   本期八版  上一期  下一期  更多期次  
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植物干细胞研究:从实验室走向产业



作者:杨宇 桑亚林

  5月31日,山东农业大学作物生物学国家重点实验室与来自4个省的12家苗木企业、科研单位联合成立植物干细胞与生物技术创新战略联盟,通过此举加强产学研合作,用最新的科研成果推动植物组织培养产业健康可持续发展。


  前景广阔的组织培养技术


    组织培养是通过将植物活的离体器官、组织或细胞置于培养基内,并放在适宜的环境中进行连续培养以获得细胞、组织或个体的技术。植物的繁殖包括有性生殖和营养繁殖两种方式。有性生殖后代遗传物质来自于父母双方,由于遗传物质的重组、花粉的混杂等因素,有性生殖获得的后代往往性状杂乱不一。而营养繁殖是对亲本的“克隆”,使得优良性状得以完全保留,并且让获得的后代植株长势整齐;与扦插、压条等其他营养繁殖方式相比,组培苗有生长势更好、更加整齐、生产过程更容易控制、占地面积小、速度快、不受季节限制、适合工厂化大规模高效生产等优势。组培还是植物基因工程操作和分子设计育种的必要步骤,是发展生物育种的重要前提。因此,组织培养已成为农业科学研究和农业现代化生产的手段和重要途径。目前苹果、樱桃和一些花卉、林木可以通过组织培养来进行工厂化生产,实现快速繁殖。但是由于对组织培养的一些问题还缺乏更深入的研究,目前仅有较少物种或一个物种的少数品种能建立组培再生体系,还有许多经济价值高的物种或性状更优异的品种无法实现组织培养。

  由于组织培养技术对提高农业科研和生产水平有重要意义,国内外相关学者对这方面研究高度重视。作物生物学国家重点实验室主任、山东农业大学张宪省教授率领的研究团队从上世纪九十年代开始就从事植物组织培养研究,取得多项重要研究成果。该团队在研究中通过组织培养不仅可以产生常见植物的根、叶、芽,还可以在培养基上单独长出一朵花;也能够单独培养出一个植物的花药,花药是花的雄蕊产生花粉的重要组织。他们还可以从培养材料上面直接诱导产生胚珠,胚珠授粉后就能长出种子;也能够单独诱导出植物子房,这对有性生殖研究非常重要。

  科研人员介绍说,随着研究的进一步深入、拓展,将来就有可能直接利用组培体系离体产生器官,比如花瓣、心皮、雄蕊,甚至果实,这样就可以产生真正的“植物工厂”,在车间中生产花瓣,用作花店销售或提取精油;生产心皮和雄蕊,从而直接在培养基上结出大米;生产果实,甚至可以让宇航员只带接种了植物组织的培养基上飞船,便可以在太空中吃到新鲜的番茄……可以说,组织培养将为现代农业带来更美好的前景。


  揭示激素调控植物干细胞的分子机理


    1957年,德国科学家Skoog和Miller发现,外源施加细胞分裂素和生长素能够在体外培养条件下诱导茎端干细胞重新形成,进而再生出完整植株。这一发现是植物组织培养技术的源头,基于这一发现而建立的植物组织培养技术成为上世纪末、本世纪初国际植物生物技术的“主角”,为植物离体快繁和基因工程的出现奠定了基础。然而为什么外源细胞分裂素和生长素能够诱导茎端干细胞再生?这两种植物激素作用的机制是什么?这些问题始终没有得到细致完备的回答,这也是为什么很多物种,或某一物种的部分品种难以建立组培体系,人们又对此束手无策的原因。

  植物生长和组织培养都离不开干细胞。干细胞是一类具有自我更新能力和多项分化潜能的细胞,干细胞是生物体所有细胞的来源。植物的根、茎、叶、花、果、种都是由干细胞产生的。相对于动物干细胞研究,植物干细胞研究起步较晚,难度也较大。近十几年来,张宪省团队围绕激素对植物干细胞的调控机理开展了深入研究,发现了生长素和细胞分裂素调控干细胞的机理。根据他们的研究结果,生长素和细胞分裂素的响应信号在茎端分生组织重塑呈现出十分有规律的变化过程,逐渐从相互重叠的均匀分布变成相互拮抗的分布模式,最终细胞分裂素分布在原分生组织的中心,生长素在细胞分裂素的上方周围区域呈环状分布。这一特定模式是诱导干细胞产生的必要条件。他们经过进一步的分析发现,这一特定模式是生长素和细胞分裂素信号转导和合成途径中的基因相互抑制造成的,而其中细胞分裂素信号转导通路中的B类响应因子直接启动干细胞调控基因的转录。这些结果为我们进一步提高难再生物种和品种的再生能力,进而建立组培体系奠定了基础。

  张宪省介绍说,从理论上讲,植物的所有器官都可以诱导产生,这与我们用的培养材料,以及激素的种类、激素的水平等都有密切的关系。过去利用茎、叶来进行组织培养,而该团队最近的研究还发现,用根培养产生的芽不仅数量多、而且时间短,他们正准备将这个新发现申报专利。


  产学研合作提高创新水平


  据了解,该团队与中科院遗传所、中科院植物所、中科院上海生科院、中国科技大学、山东大学等国内科研单位和高校,以及美国加州理工学院、德国弗莱堡大学、芬兰赫尔辛基大学等国外知名高校开展了密切的合作,并且组织召开了首届国际植物分生组织研讨会。张宪省对记者说:“基础研究要为技术创新提供指导。我们刚申报了山东省植物干细胞与生物技术创新研究中心,目的是让这些最新研究成果在推动农业产业发展中发挥作用。我们不仅希望通过与国内外顶尖科研单位加强合作、取得一流研究成果,而且希望与企业加强合作,让这些研究成果接地气、指导生产实践,用科技提高我国农业生产的水平。”
  记者注意到,植物干细胞与生物技术创新战略联盟中既有山东丰沃集团、山东聊城绿泽科技园林有限公司等国内苗木行业的知名企业,也有地方科研和推广单位。山东聊城绿泽园林科技有限公司是一家以繁育和种植园林绿化植物为主的企业,也是国内最大的海棠种植繁育基地,目前这里以海棠为主的观赏果树繁育基地的面积达到5000多亩,已经收集到200多个海棠品种,并被国际海棠协会确定为中国海棠品种资源圃。总经理李群述说:“尽管这些年来我们的企业规模和影响不断扩大,但海棠苗木繁育仍采用扦插、嫁接等老办法,树苗的脱毒,品质控制等方面还存在一些问题和困难。联盟成立后,我们将建立山东农业大学组培实验室,依靠科学技术、依靠专家来提高海棠组培苗木品质和生产的水平。”
  甘肃静宁县果树果品研究所所长李建明告诉记者:“静宁是从上世纪八十年代开始发展苹果的,苹果面积已经达到100万亩以上,是全国苹果面积最大的县、苹果品质最好的县。现在老果园面积已经达到30多万亩,每年有两三万亩果园需要更新,苗木的需求量在200万株以上。但现在外调的苗木都是速生苗,苗木质量得不到保证,病虫害也比较多,育苗现在成了制约苹果产业发展的短板。我们希望参加这个联盟后,利用最先进的组培等技术提高苗木繁育和生产水平,促进苹果产业的转型升级。”
  著名果树专家、中国工程院束怀瑞院士说:“干细胞和组织培养研究是作物生物学国家重点实验室的特色优势方向,这个研究团队与国内外相关方面的顶尖团队进行合作,在植物干细胞等领域研究取得多项重要成果。要把这些研究成果应用于生产,必须与企业结合。通过建立植物干细胞与生物技术创新战略联盟,把这方面创新能力强的单位联合起来做到强强联合形成合力,这样才能保证我们研究的成果、生产的产品是高水平、高效益的。希望这个联盟要瞄准生产需要研究问题,争取大项目、出大成果,推动产业做大做强,这样我们的产学研结合才有力量。”
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