第八章植物的生长生理

1、第八章  植物的生长生理（4 学时）本章重点、难点：1细胞全能性与植物组织培养2植物生长的相关性3光、温等环境条件与植物生长的关系建议教学方法：采用启发式与形象化教学相结合。教学内容生长与发育贯穿于植物的一生。细胞的分生与伸长引起植株体积与重量的不可逆增加，使植物组织器官由小变大，这种量的增加就是生长；细胞的分化引起不同部位的细胞群发生质的变化，形成执行各种不同功能的组织与器官，这种质的转变就是发育。生长为发育奠定基础，而发育则是生长的必然结果，二者相辅相成，密不可分。生长与发育不仅受植株内在因素的调节，也受外界条件的影响。第一节  种子的萌发种子是种子植物所特有的延存器官

2、，人们习惯于把种子萌发看成植物进入营养生长的第一步。农业生产也是从播种开始。了解种子的萌发生理，对生产有实际指导意义。一、影响种子萌发的外界条件种子萌发必须有适当的外界条件，即足够的水分、充足的氧气和适宜的温度。三者同等重要，缺一不可。此外，有些种子的萌发还受着光的影响。（一）水分吸水是种子萌发的第一步。这是因为：水可使种皮软化膨胀，氧容易透过种皮，增加胚的呼吸，也使胚易于突破种皮；水分可使凝胶状态的原生质转变为溶胶状态，使代谢加强，酶活性提高，使胚乳的贮藏物质逐渐转化为可溶性物质，供幼小器官生长之用；水分促进可溶性物质运输到正在生长的幼芽、幼根，供呼吸需要或形成新细胞结构的有机物；促使种子内

3、束缚态植物激素转化为自由态，调节胚的生长；胚细胞的分裂与伸长离不开水。因此，充足的水分是种子萌发的必要条件。各种作物种子的吸水量不同。一般情况下，豆科植物的种子（蛋白质种子）吸水量较大，因为蛋白质亲水性大；禾谷类种子（淀粉种子）吸水量相对小些。种子吸水速度与温度有关。温度低，吸水慢；温度高，吸水快。（二）氧气种子萌发是一个非常活跃的生长过程。旺盛的物质代谢和活跃的物质运输需要强烈的呼吸作用，以保证能量和物质的供应。因此，氧气对种子萌发是极为重要的。如果种子萌发期间氧气不足则导致无氧呼吸，一方面贮藏物质消耗过多，另一方面易造成酒精中毒。农业生产上如播种过深、土壤积水、雨后表土板结等，都易造成种子

4、缺氧，影响萌发。不同种子萌发需氧程度不同。大多数作物种子需要空气中含氧量在10以上才能正常萌发，尤其是脂肪较多的种子（如花生、向日葵）比淀粉种子要求更多的氧；若空气含氧量降至5以下时，多数作物种子不能萌发；也有些植物种子（马齿苋和黄瓜）在含氧量2时亦可萌发；水稻种子对缺氧有特殊的适应本领，可在无氧条件下萌发，不过缺氧时幼苗生长不正常，芽鞘迅速伸长，而根系生长受阻或不发根。（三）温度种子的萌发也是一个生理生化变化的过程，是在一系列酶参与下进行的，因而受温度影响较大。种子萌发存在温度三基点（表7-1）。不同作物种子萌发时需要的温度要求不同，与它们的原产地有密切的关系。一般原产北方的作物（如小麦）需

5、温较低，原产南方的作物（如玉米、水稻）需温较高。 试验表明，变温条件更有利于种子萌发，尤其是某些难萌发的种子（如芹菜、蓖麻、烟草和薄荷）变温更为重要。例如，经过层积处理的水曲柳种子，在8或25恒温下都不易萌发，但每天给予20小时8和4小时25的变温条件则大大促进萌发。（四）光光对种子萌发的影响可分为三种类型：一是中光种子，萌发时对光无严格要求，在光下或暗中均能萌发，大多数作物的种子属于此类；二是需光种子（light seed），萌发时需要光，如烟草、莴苣、胡萝卜、桑和拟南芥植物的种子。莴苣种子是典型的需光种子，在黑暗中发芽率很低，又称喜光种子；三是需暗种子（dark seed），萌发

6、时见光受抑制，黑暗则促进，如西瓜、甜瓜、番茄、洋葱、茄子、苋菜等植物的种子，又称嫌光种子。但是，某些种子需光与需暗并不绝对，常常与环境条件变化和种子内部生理状况有关，如莴苣种子在10下吸胀时，不论光暗条件均可发芽，而在2025下吸胀时，只有在光下才能萌发。需光种子的萌发受红光（660nm）促进，被远红光（730nm）抑制，在红光下促进萌发的效果可被紧接着的远红光照射所抵消（或逆转）。如果用红光与远红光多次交替照射处理，种子萌发状况则取决于最后一次照射的是红光还是远红光（如表7-2）。现已证明，光对种子萌发的这种影响是由于光敏素参与的结果。表7-2  交替地暴露在红光（R）和远红光（F

7、R）下莴苣种子萌发百分率（在26下，连续的以1min的红光和4min的远红光曝光）光处理萌发 光处理萌发 RR-FRR-FR-R70674R-FR-R-FRR-FR-R-FR-RR-FR-R-FR-R-FR6767 二、种子萌发的生理生化变化种子萌发基本上包括种子吸水，贮藏组织内物质水解和运输到生长部位合成细胞组分，细胞分裂，胚根和胚芽出现等过程。（一）种子的吸水种子萌发从吸水开始。种子的吸水可分为三个阶段，即急剧吸水、滞缓吸水和重新迅速吸水（图7-1）。据测定，种子急剧吸水阶段的温度系数（Q10）相当低（），这说明是物理过程而不是代谢过程，即以吸胀作用为主；第三阶段的重新大量吸水，

8、是由于胚的迅速长大和细胞体积的增大而形成的与代谢作用紧密相关的渗透性吸水。故死种子与休眠种子的吸水只有前二个阶段，无第三个阶段。（二）呼吸作用的变化和酶的形成在种子吸水的第二阶段，即吸水暂停阶段，种子呼吸产生的CO2大大超过O2的消耗；当胚根长出，鲜重又增高时，O2的消耗速率就高于CO2的释放速率（图7-2）。这说明初期的呼吸主要是无氧呼吸，而随后是有氧呼吸。在吸水的第二阶段，种子中各种酶亦在形成着。萌发种子中酶的形成有两种来源：从束缚态酶释放或活化而来；通过核酸诱导合成的蛋白质形成新的酶。在萌发的豌豆种子中，可以观察到上述两种酶的形成情况（图7-3）。有些酶，如支链淀粉葡萄糖苷酶是从已存在的

9、束缚态酶释放出来的，所以在种子吸胀后，即第一阶段开始后，立即出现；有的酶，如淀粉酶是在种子萌发中通过核酸诱导下合成蛋白质新形成的，所以它的出现要迟得多。（三）有机物的转变种子中贮藏着大量的淀粉、脂肪和蛋白质。不同植物的种子三种有机物的含量有很大差异。我们常以含量最多的有机物为根据，将种子区分为淀粉种子（淀粉较多）、油料种子（脂肪较多）和豆类种子（蛋白质较多）（表7-3）。这些有机物在种子萌发时，在酶的作用下可被水解为简单的有机物，并运送到正在生长的幼胚中去，作为幼胚生长的营养物质来源。  在种子萌发中，淀粉水解主要是在淀粉酶作用下进行的。种子在发芽前仅含有-淀粉酶，发芽后才形成-淀粉

10、酶。萌发后10天的玉米幼苗的淀粉酶活性最高，其中-淀粉酶活性占总活性的90，-淀粉酶占10。稻谷胚乳中-淀粉酶活性随种子贮存时间延长而降低，所以，新米饭比陈米饭糊化程度大，粘性强，且有甜味。在淀粉酶的作用下，淀粉逐渐被水解为较小的分子，顺序地产生分子量由大到小的种种糊精，最后形成麦芽糖。以后麦芽糖又在麦芽糖酶的作用下，再转变成葡萄糖。现将淀粉和各种糊精在水中的溶解情况，以及它们对碘的显色反应，总结如下：淀粉粒原来是完整的。种子萌发后，由于淀粉水解形成的可溶性糖溶解于水，在淀粉粒上可见一些小缺痕。缺痕逐渐扩大，并在淀粉粒内部沟通起来，裂为碎屑，最后消失。马铃薯块茎萌发时淀粉的分解有淀粉酶的参与，

11、但大部分是在淀粉磷酸化酶作用下进行的。种子萌发时，蔗糖的水解是靠转化酶（也称蔗糖酶）的作用，水解为葡萄糖和果糖。总之，种子萌发时，种子中的淀粉被淀粉酶水解为麦芽糖，再由麦芽糖酶继续把麦芽糖分解为葡萄糖，供细胞代谢所利用，或转化为蔗糖。蔗糖运送到胚根与胚芽后，再水解为单糖被利用，作为呼吸原料或再转变为淀粉、脂肪、蛋白质等。  含脂肪很多的油料种子萌发时，脂肪在脂肪酶的作用下水解为甘油和脂肪酸。由于脂肪酶的作用在酸性条件下进行更快，而脂肪酶水解脂肪产生的脂肪酸，可提高反应介质的酸性，因而脂肪酶的作用具有自动催化的性质。甘油在酶的催化下变成磷酸甘油，再转变成磷酸二羟丙酮参加糖酵解反应，或转

12、变为葡萄糖、蔗糖等。脂肪酸则经过-氧化分解为乙酰辅酶A，再通过乙醛酸循环而转变。试验证明，蓖麻种子在萌发过程中，贮藏在胚乳里的脂肪不断分解，同时蔗糖含量首先增多，然后葡萄糖逐渐增加（图7-4），并且还可形成淀粉，这说明脂肪转变为糖。种子利用糖类作为胚生长和呼吸消耗的原料，或以淀粉形式暂时贮存。3.蛋白质的转变  种子萌发时，贮藏蛋白质从贮藏部位运到利用部位，以及从一种蛋白质转变为另一种蛋白质，都必须先经过蛋白质分解过程。因为贮藏蛋白质分子量很大，多不溶于水，即使溶于水也呈胶体状态，很难透过细胞，不能运输；另外，每一种蛋白质由一定排列次序的氨基酸组成，要形成另一种蛋白质，必先分解为氨基

13、酸，重新组合成新的蛋白质。蛋白质由蛋白酶催化分解。试验指出，大豆种子萌发6天时，子叶的蛋白酶活性最高，以后逐渐下降。种子萌发时转氨酶的活性也有所增高，因为蛋白质水解时产生的氨基酸，在转氨酶的作用下，产生多种氨基酸，有利于新器官中蛋白质的合成。种子中的含氮化合物主要以酰胺（谷氨酰胺和天冬酰胺）形式运输，运输到新形成的器官中，重新合成蛋白质，供幼胚生长的需要。故总氮量在种子萌发过程中，虽可能由于外渗原因稍有损失，但前后大致相似。当然，随着幼苗的长大，逐渐显得不足，这时就必须从外界吸收氮素以合成蛋白质。综上所述，种子萌发时淀粉、脂肪和蛋白质的转变过程，可用简单的图解表示（图7-5）。种子萌发经历从异

14、养到自养的过程。种子萌发时只能利用种子内贮藏的物质，还不能制造养分，这就是异养。因此，种子内贮藏的养分越多，就越有利于幼胚的生长。在农业生产上，选取大而重的种子，就是这个道理。三、种子寿命和生活力种子的生命力是指种子生命的有无，即成活与否；种子生活力（seed viability）是指种子的发芽潜力，即发芽力；种子活力（seed vigor）指种子的健壮度，包括发芽潜力及生长潜势和生产潜力；种子寿命（seed longevity）是指种子从采收至失去发芽力的时间。根据植物种类和所处条件不同，自然条件下的种子寿命差异很大，寿命极短的种子如柳树种子，成熟后只在12小时内有发芽能力。杨树种子寿命一般

15、不超过几个星期。大多数农作物的种子寿命也是比较短的，约13年。少数较长的如蚕豆、绿豆能达611年。特殊条件下种子寿命长的可达百年以上。种子寿命长短和种子贮藏条件有关。一般来说，如果种子在干燥状态下保存，寿命较长，在湿润状态下则易失去生活力（即发芽力）；外界温度低，则种子寿命长，反之则短。在高温多湿条件下，种子呼吸强烈，消耗种子中贮藏的养分较多；呼吸放出较多能量，产生高温，伤害种胚，所以丧失生活力。加上病菌害虫繁殖，对生活力的维持更不利。试验表明，在050范围内，每降低5种子寿命延长一倍；空气成分亦影响种子寿命，如将水稻种子贮于不同气体中，二年后检测其发芽率：在纯O2中不到1，空气中为21，纯C

16、O2中为84，纯N2中则为95。通常，种子宜贮于干燥、低温的环境中。种子生活力是在标准条件下测得的发芽力（用发芽百分率表示），但是，对休眠期长的或经过特殊处理后才能发芽的种子，可用快速、间接的方法去测定其发芽力，当前快速检查种子生活力采取的方法主要有三类：1.利用组织还原力  活的种子一定有呼吸作用，而呼吸作用会使某些物质还原而呈现特定的颜色，根据颜色反应，即可知种子的生活力。现在常用的药品有三苯基氯化四唑（简称TTC）。凡是活种子遇到这些药品，其胚即呈红色。此法较可靠。  活种子的细胞质不易着色，死种子的细胞质易着色。用染料去染种子，依胚着色与否来判断种子的生活力。用靛蓝

17、洋红或酸性苯胺红溶液测定种子，效果很好。凡是有生活力的种子完全不着色或只在胚根或子叶上有小的、淡的斑点，如果胚局部或全部染上色，就说明种子没有生活力。  蛋白质、核酸和核苷酸等重要有机物，都有萤光性质。可以利用紫外线萤光灯照射纵切的种子，具有生活力的种子能发出蓝色、蓝紫色、紫色或蓝绿色的明亮萤光，而丧失生活力的种子则为黄色、褐色或无色，并带有种种斑点（褐斑或黑斑）。四、种子的老化种子成熟后在贮藏过程中，活力逐渐降低，这种活力降低的过程称为种子老化（seed aging）或称种子劣变（seed deterioration）。在活力下降初期，虽不影响发芽力，但却影响幼苗的生长势，活力下降

18、后期，种子才失去发芽力。因此测定种子活力不能单凭发芽率，还要考察幼苗生长势，而在生长势降低之前，一些生理生化变化就表现出来。例如，呼吸速率下降，淀粉酶、蛋白酶、磷酸酯酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和脱氢酶等的活性也降低，DNA复制迟，RNA和蛋白质的合成能力降低，同时线粒体膜和核膜破裂，细胞间隔丧失等等，最后导致种子无活力。国内外应用一定浓度的聚乙二醇（PEG）溶液浸种，使种子吸胀达一定含水量，有利于修复种子贮藏中的损伤，提高种子萌发和初期生长，这就是渗透调节法。此法在改善多种蔬菜和大田作物的种子萌发与田间生产性上有明显效果。第二节  细胞的生长和分化植物组织、器官以至整体的生长，都是以

19、细胞生长为基础的，即通过细胞分裂增加细胞数目和通过细胞伸长增加体积来实现的。种子萌发后，由于细胞分裂和新产生细胞体积的增加，幼苗迅速长大；由于细胞的分化，各种器官也就不断形成，最后，成长为植株。一、细胞分裂的生理具有分裂能力的细胞，其细胞质浓厚，合成代谢旺盛，把无机盐和有机物同化成细胞质。当细胞质增加到一定量时就进行细胞分裂成为两个新细胞，新生细胞长大后再分裂成两个子细胞。一个细胞分裂成两个新细胞所需的时间称为细胞周期或细胞分裂周期。细胞周期包括分裂间期和分裂期（简称M期）。分裂期是指细胞的有丝分裂过程，据形态指标可细分为前期、中期、后期和末期等。分裂间期是分裂期后的静止时期，DNA在这个时期

20、中一定时间内合成。于是又把分裂间期分为三个时期：DNA合成期（简称S期），在S期之前有DNA合成前期（简称G1期），在S期之后是DNA合成后期（简称G2期）。现将细胞周期图解如图7-6。分裂期产生的子细胞，有些不连续进行下一个细胞周期，就可能扩大和分化。如果在S期之前就进行扩大和分化，分化出的细胞将具正常双倍染色体数目。如果在G2期扩大、分化（植物不普遍），这些分化细胞的染色质丰富，有些细胞不分裂而染色体进一步分裂，则形成多倍体。分化的细胞有时可以通过脱分化过程再进入细胞周期，重新具备细胞分裂能力，再成为分生组织。细胞分裂过程最显著的生化变化是核酸含量，尤其是DNA，因为DNA是染色体的主要成

21、分。从图7-7可看出，洋葱根尖分生组织在分裂间期的初期，每个细胞核DNA含量较少，只有达到分裂间期的中期，即当细胞核体积增加到最大体积一半的时候，DNA的含量才急剧增加，并维持在最高水平，然后才开始进行有丝分裂。到细胞分裂的中期以后，因为细胞核分裂为两个子细胞核，所以，每个细胞核的DNA含量大大下降，一直到末期。呼吸速率在细胞周期中亦发生变化。分裂期对氧气的需求很低，而G1期和G2期后期氧气吸收量都很高。G2期后期吸氧多是相当重要的，可贮存较多能量供给有丝分裂期用。研究证实，生长素影响分裂间期的DNA合成。细胞分裂素是有丝分裂必需的，它会诱导某些特殊蛋白质的合成，进而引起细胞分裂。赤霉素可促进

22、G1期的DNA合成，所以能缩短G1期和S期所需的时间。多胺促进GI期后期DNA合成和细胞分裂。根的分生组织细胞分裂旺盛，而靠近根冠的静止中心的细胞分裂率很低，可能受根冠产生的脱落酸的抑制。细胞周期与代谢关系密切，温度影响细胞周期各个时期和整体的变化所需时间（表7-4）。表7-4  温度对向日葵根端细胞的细胞周期各时期所需时间的影响温度（）所需时间（h）G1SG2M全周期10152025303538-二、细胞伸长的生理在根和茎顶端的分生区中，只有顶部的一些细胞保持强烈的分裂机能，而形态学下面部分的一些细胞，逐渐过渡到细胞伸长阶段。在这个阶段，开始时细胞体积迅速增加，但经过一定时期，细胞

23、体积增加逐渐缓慢，最终停止。人们常用根作为研究细胞伸长的材料，因为根具顶端分生组织，其分生区细胞不断地进入伸长阶段，与根尖不同距离的伸长区的细胞，就代表不同伸长阶段的细胞，为实验观察提供了方便条件。在细胞伸长的不同阶段，细胞的体积、呼吸速率、干物质，特别是蛋白质氮的含量又如何呢？图7-8表明，当细胞体积伸长时，细胞的呼吸速率增快26倍。由于呼吸加强，细胞生长需要的能量便得到保证。与此同时，细胞内的蛋白质也随着增加，最高约增加6倍。距豌豆根尖部分，是细胞体积增长最迅速的部分，同时，也是呼吸作用最大和蛋白质量增加最快的部分。这说明呼吸作用的加强和蛋白质的合成是细胞生长的基础。细胞的伸长生长伴随着代

24、谢系统中某些酶活力的增加。由图7-9可见，二肽酶和磷酸化酶在距蚕豆根尖8mm处不断增加。当细胞停止生长时，这些酶的活性就降低。至于细胞壁组成成分的含量，在分生组织细胞中是较低的，以后随着细胞的伸长，细胞壁各种成分，如果胶质、纤维素和半纤维素等含量剧烈上升（图7-10）。由此可知，细胞伸长时进行着旺盛的代谢作用，无论在呼吸速率和核酸、蛋白质与纤维素含量等方面，都有明显增加。可以说，细胞质和细胞壁的增多是细胞生长的物质基础。植物细胞壁的基本结构物质是纤维素，许多纤维素分子构成微纤丝，细胞壁就是以微纤丝为基本框架构成的。每个纤维素分子是由140010000个D-葡萄糖残基由-1,4键连结成的长链。微

25、纤丝是在电子显微镜下能看到的微细结构。细胞壁的初生壁由微纤丝网状交织构成。网眼中充满水、半纤维素和果胶质等。细胞伸长生长时，即为初生壁的形成时期。当细胞的生长接近停止时，才开始产生次生壁。次生壁中还有木质素、栓质等。它的微纤丝沿细胞纵轴排列，并与纵轴成一定角度，因此，细胞壁具有螺旋形的构造。在次生壁的各层中，螺旋排列的角度也不一样。细胞伸长时，微纤丝所结成的交织点破裂，使细胞壁变松，具体变化在生长素类一节中已阐述，这里补充细胞壁疏松加大的两种方式：化学滑行（chemical creep）。转葡糖基酶将多糖交错结合断裂，然后细胞壁延长，各断裂键再结合；水解。水解酶把部分多糖结合的键断裂，细胞壁就

26、疏松延长（图7-11）。植物激素中，赤霉素和生长素促进细胞伸长，脱落酸抑制细胞伸长，细胞分裂素和乙烯促进细胞横向扩大。三、细胞分化的生理细胞分化是指形成不同形态和功能细胞的过程。由分生细胞可分化成薄壁组织、输导组织、机械组织、保护组织和分泌组织，进而形成营养器官和生殖器官。至此细胞体积定型，细胞壁加厚，结构特化，功能专一，不同组织与器官既分工又联系，使植物成为有机整体。（一）细胞分化的调控关于细胞分化的机理还未完全明了。有人认为，生长锥的胚式细胞具有不等分裂的能力，不等分裂的结果是产生极性，而极性的出现又是导致分化的第一步。植物激素调控分化，如GA/IAA调控形成层产生韧皮部与木质部的组织分化

27、，生长素利于诱导分化木质部；CTK/IAA调控愈伤组织形成芽与根的器官分化。某些物质也影响组织分化，如培养丁香茎髓的愈伤组织时发现，在具备必要的养分和IAA的条件下，蔗糖浓度对木质部和韧皮部的分化有较大影响。当蔗糖为低浓度（1.5%）时仅诱导木质部的分化；蔗糖处于高浓度（4以上）时只诱导韧皮部的分化；只有在中等浓度（2.5%3.5%）时才能同时分化出木质部与韧皮部，而且中间具有形成层。光对分化也有影响。黄化幼苗的组织分化很差，薄壁组织较多，输导组织和纤维等机械组织很不发达，植株柔嫩多汁。（二）细胞全能性德国植物学家Haberlandt于1902年提出细胞全能性的概念。细胞全能性（totipot

28、ency）是指植物体的每个细胞携带着一套完整的基因组，并具有发育成完整植株的潜在能力。因为每个细胞都来自受精卵，所以带有与受精卵相同的遗传信息。细胞分化完成后，就受到所在环境的束缚，相对稳定，但这种稳定是相对的。一旦脱离原来所在的环境，成为离体状态时，在适宜的营养和外界条件下，就会表现出全能性，生长分化成完整的植株。由此看来，细胞全能性是细胞分化的理论基础，而细胞分化是细胞全能性的具体表现。（三）极性极性（polarity）是植物形态学两端的异质性，是植物分化中的一个基本现象，它通常是指在器官、组织甚至细胞中在不同的轴向上存在某种形态结构和生理生化上的梯度差异。事实上，合子在第一次分裂形成茎细

29、胞及顶端细胞就是极性现象。极性一旦建立，即难于逆转。最熟悉的极性例子是将柳树枝条挂在潮湿空气中，不管是正挂或倒挂，形态学下端总是长根，上端总是长芽，而且越靠形态学下端切口处根越长，越靠形态学上端切口处芽越长（图7-12）。根切段也总是形态学上端长芽，形态学下端长根。极性造成细胞内物质（如代谢物、蛋白质、激素）分布不均匀，建立起轴向，两极分化，因此细胞不均等分裂（不是指染色体，而是指细胞质的构造和物质）。整个生长发育期间，细胞不均等分裂现象屡见不鲜，例如气孔发育，根毛形成和花粉管发育等。四、组织培养（一）组织培养的原理组织培养（tissue culture）是指在无菌条件下，将离体的植物器官、组

30、织、细胞以及原生质体和花药等，在人工控制的培养基上培养，使其生长、分化以及形成完整植株的技术。组织培养的理论依据是Haberlandt提出的细胞全能性。（二）外植体从植物体上分离下来的被培养的植物器官、组织、细胞团等，叫做外值体（explant）。对于不同的植物种类，其外植体在培养时的生长、分化能力有差异，培养条件可能差异较大；同一植物种类，不同生长条件和生长状态下所取的外植体，其生长、分化能力和培养条件也有差异；同一株植物，不同部位、不同幼嫩程度的组织，其外植体在培养时的生长、分化能力与培养条件亦有差别，在选材时应考虑到。植物材料（外植体）在培养时要进行无菌处理（消毒），次氯酸钙、过氧化氢、

31、氯化汞等是常用的消毒剂。材料消毒后应在无菌条件下立即接种到无菌培养基中培养。（三）组织培养的形式和培养条件根据外植体的不同，组织培养可以分为胚胎培养、器官培养、组织培养、细胞培养、花药培养、原生质体培养等；根据培养过程，将从植物体上分离下来的第一次培养，称初代培养（primary culture），以后将培养物转移到新的培养基上，则统称继代培养（subculture），继代培养还可细分为“第二代培养”、“第三代培养”等。根据培养基物理状态不同，把加琼脂而培养基呈固体的，称固体培养；不加琼脂而培养基是液体的，称液体培养。根据培养条件和方法，又可分为平板培养、看护培养、微室悬滴培养、条件培养、悬浮

32、培养等。组织培养所需温度一般是2527，但组织不同，所需温度也有差异。例如，培养喜温植物的茎尖，温度可以提高到30，有些植物（如大蒜）在恒温条件下会进入休眠，就有必要进行低温处理来破除休眠。花与果实培养最好有昼夜温差，如昼温2325，夜温1517。要根据不同材料、不同目的等确定具体条件。组织培养时的光照要求，因组织不同而异。茎尖、叶片培养要光照，以便进行光合作用，花果培养要避免直射光，以散射光和暗中培养较宜，根的组织培养通常在暗处进行。（四）脱分化与再分化组织培养中外植体可进行细胞分裂产生愈伤组织，这种原已分化的细胞失去原有的形态和机能，形成没有分化的无组织的细胞团或愈伤组织的过程，称脱分化（

33、dedifferentiation）。愈伤组织细胞经过继代培养后，还可产生分化现象，这种由脱分化状态的细胞再度分化形成另一种或几种类型有组织结构的细胞的过程，称为再分化（redifferentiation）。在植物组织培养中，很多情况下的主要目标是先通过脱分化形成愈伤组织，而后经过再分化形成新的植株，即：植物体外植体愈伤组织组织、器官、植株由愈伤组织至细胞无性系的形态发生，主要有两种方式：不定芽方式，其过程是：外植体愈伤组织形成分生细胞形成器官原基器官发生。胚状体方式，指由培养细胞诱导分化出具胚芽、胚根、胚轴的胚状结构（胚状体），进而长成完整植株。其过程是：外植体愈伤组织胚状体形成发育成完整植

34、株。细胞经脱分化以后，发生持续的细胞分裂增殖，并顺次经过原胚期、球形胚期、心形胚期、鱼雷形胚期和子叶期，把由愈伤组织不经有性过程而直接产生类似胚的这一结构，称为胚状体（embryoid），又称体细胞胚（somatic embryo）或不定胚（adventitious embryo）。表7-5  MS和N6培养基的成分组成MSN6大量元素的盐类  硝酸铵(NH4NO3)  硝酸钾(KNO3)  氯化钙(CaCl2·2H2O)  硫酸镁(MgSO4·7H2O)  磷酸二氢钾(KH2PO4)微量元素的盐类  碘

35、化钾(KI)  硼酸(H3BO3)  硫酸锰(MnSO4·4H2O)  硫酸锌(ZnSO4·7H2O)  钼酸钠(Na2MoO4·2H2O)  硫酸铜(CuSO4·5H2O)  氯化钴(CoCl2·6H2O)  螯合剂钠盐(Na·EDTA)  硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)维生素、生长物质、有机附加物  肌醇  烟酸  盐酸硫胺素  盐酸吡哆素  甘氨酸  吲哚乙酸(IAA) 

36、; 激动素  2,4-D  蔗糖  pHmg/L16501900440370170mg/Lmg/L1001300.0410 30g/Lmmolmol10010030100100mg/L4632830166185400mg/L   mg/L0.2*1.0*2.0* 50g/Lmmolmol   100100 （五）培养基在组织培养中，不同的培养目的、不同的外植体、不同的条件，要选择或配制适宜的培养基。目前，在组织培养中应用的培养基，一般是由无机营养物、碳源、维生素、生长物质和有

37、机附加物等几类物质组成。无机营养物包括大量元素和微量元素。大量元素除C，O，H外，通常N用硝态氮或铵态氮，P常用磷酸盐，S用硫酸盐，还有K，Ca，Na，Mg等。微量元素包括Mn，Zn，Cu，B，Mo和Fe等。碳源一般用蔗糖，浓度2%4。蔗糖除作培养基的碳源外，还有维持渗透势的作用。维生素中硫胺素是必需的，而烟酸、维生素B6（吡哆胺）和肌醇对生长起促进作用。生长物质常用2,4-D和NAA等生长素类，因其不易分解，加热灭菌时比较稳定。IAA有相同效果，但易被分解。此外，还加激动素、玉米素或6-苄基腺嘌呤等细胞分裂素类。有机附加物是指氨基酸（如甘氨酸）、水解酪蛋白、酵母汁、椰子乳等，可促进分化，但是

38、，如果基本培养基的配方适当，则大多数组织是不需要的。    总的来说，不同植物材料所需配方可能有些不同，根据特定需要而定。现有培养基种类很多，这里介绍比较普遍使用的MS（Murashige-Skoog）培养基和中国科学院植物研究所设计、适用于禾谷类花药和花粉培养的N6培养基，成分见表7-5。(六)组织培养的应用1、培育作物新品种  组织培养是育种的有效手段。花药培养是单倍体育种的成功方法。我国从70年代以来诱导出小麦、玉米、杨树等的花粉植株，培育出小麦“花培一号”，烟草“单育一号”等新品种；通过组织培养可人为诱发基因突变，从中选择有益的突变细胞继续培养，

39、进而选出具有优良性状的亲本或品系；通过组织培养尚可克服杂交不亲和性，扩大杂交育种的途径和方法。2、快速无性繁殖植物  组织培养可以大量而快速地繁殖经济作物、园艺作物、观赏植物、药用植物和某些珍贵木本植物。快繁技术简单易行，繁殖速度快，可解决某些难以用种子繁殖的植物的繁殖问题，且可节省种株。某些花卉已达到工厂化生产、商品化出售的程度。3、获得无病毒植株  利用茎尖（生长点）培养获得无病毒植株（virus-free plants），已在果树、马铃薯、甘薯等方面得到应用。脱毒植株一般具有长期不发病，生长发育好，果实增大增多，产量大为提高，丰产年限长，品质大为改善等优点，是解决退化

40、问题的有效途径，前景较好。4、保存和运输种质资源  试管苗便于运输和防止种苗带菌传播，利于种质交流，试管苗可用于保存某些难以用种子保存的种质资源，节省人力、物力和时间。5、生产药用成分  对药用植物进行细胞培养（如悬浮培养），进行工厂化生产，大量繁殖其有用细胞，可以提取其药用代谢产物。如从药用植物三分三（Scopolia acutangula）的培养物提取药用成分莨菪碱及东莨菪碱。对人参、长春花、毛地黄等进行培养也可提取药用成分。6、可用于生长、分化、遗传等方面的基础研究  可以研究被培养部分在不受植物体其它部分干扰下的生长和分化规律，并且可以用各种培养条件影响它

41、们的生长和分化，在细胞学、遗传学、育种学、生物化学、药物学等学科中都有研究价值。第三节  植物的生长生理一、植物的生长植物体是由细胞组成的，而植物的生长，实际上就是细胞数目的增多和体积的增大。因此，植物的生长是一个由代谢引起的细胞数量、体积或重量不可逆的增加过程。可逆的体积的增加，如风干种子在水中的吸胀，就不能称为生长，因为死的风干种子同样也可以通过吸胀而增加体积。一般情况下，植物的生长是与构成植物体的有机物的增加分不开的，但是，在种子萌发生长时，植物的体积及重量是增加了（由于吸收了大量水分），而有机物含量反而减少，因为幼苗初期叶子尚未完全展开，不能制造有机物，而呼吸作用消耗了大量有

42、机物。植物出生后，在整个生活过程中，都在继续不断地产生新的器官，而且，由于茎和根尖端的组织始终保持胚胎状态，茎和根中又有形成层，所以，可以不断地生长（加长和加粗），在百年甚至千年的老树上，还有生出仅数月或数天的幼嫩部分。大多数种子植物的主茎直立生长于地面，其上着生枝条。茎和枝条支持着叶、花和果实，使这些器官充分地发挥作用，茎也是植物体内物质输导的主要通道。茎的高度与倒伏与否有密切关系。控制茎生长最重要的组织是顶端分生组织和近顶端分生组织。前者控制后者的活性，而后者的细胞分裂和伸长决定茎的生长速率。茎的节通常不伸长，节间伸长部位则依植物种类而定，有均匀分布节间的，有在节间中部的，也有在节间基部的

43、。禾谷类植物的近顶端分生组织包括居间分生组织和中央空隙。居间分生组织在整个生活史中保持分生能力。例如，水稻倒伏时，茎向上弯曲生长；水稻顶端分生组织形成花序后的快速生长，都是居间分生组织活动的结果。根的生长部位也有顶端分生组织。根的生理功能是多方面的，固定植株，从土壤中吸收水分和养分，并合成CTK、氨基酸、维生素等。任何作物的高产稳产都必须有一个生长良好的根系。叶在植物生活中担负着重要的功能，它是光合作用的场所，又是气体交换的门户，蒸腾、呼吸和光合等过程的气体都是通过叶片的气孔进出植物体内外的。茎端分生组织的周围经过细胞分裂和扩大，产生突起，形成叶原基。整个叶原基具有细胞分裂能力，首先是顶端部分

44、的细胞分裂，使叶原基伸长形成叶轴。与叶轴伸长的同时，边缘部分的细胞分裂，形成扁平的叶片；基部无边缘生长，就分化为叶柄。对于禾谷类作物来说，叶原基顶端分生能力停止后，基部的居间分生组织细胞分裂成两部分，上方发育成叶片，下方发育成叶鞘。当叶片各部分形成之后，细胞仍然分裂和扩大，直到叶片成熟。烟草叶片是全叶均匀生长的。而单子叶植物叶片基部保持生长能力，例如禾谷类作物叶鞘能随节间的生长而伸长，水稻、小麦、韭菜、葱等叶片被切断后可以很快生长起来。二、植物生长的周期性植物的生长受环境条件的影响很大，所以植株或器官的生长速率随昼夜和季节等而发生有规律的变化，这种现象叫做植物生长的周期性（growth per

45、iodicity），这是植物长期适应环境条件的结果。（一）植物生长大周期1、生长量的表示法  通常，生长量有两种表示方法。生长积累  意指生长积累的数量，可用长度、面积、体积、重量等来表示。生长速率  可用于表示植物生长的快慢，一般有两种表示方法：绝对生长速率（AGR）：单位时间内植物材料生长的绝对增加量。如以t1、t2分别表示最初与最终两次测定时间，以W1、W2分别表示最初与最终两次测得的重量，则：AGR=(W2W1)/（t2t1）；相对生长速率（RGR）：单位时间内植物材料绝对增加量占原来生长量的相对比例（通常以百分率表示）。如果仍用绝对生长速率的各种符号，则

46、：RGR(%)=(W2W1)/W1。2、生长大周期和生长曲线  业已证明，无论是细胞、组织、器官，还是个体乃至群体，在其整个生长进程中，生长速率均表现出共同的规律性：初期缓慢，以后加快，达到最高，之后又缓慢，以至停止。呈现出“慢快慢”的变化。通常，把生长的这三个阶段总起来叫做生长大周期（grand period of growth）。假若以时间为横座标，以生长量为纵座标，就可以给出一条曲线，叫生长曲线（growth curve）。如果生长量以生长积累表示，生长大周期的曲线则为S形曲线；如以绝对生长量来表示，生长曲线则为一抛物线（图7-13）。这条S型曲线可分为四个时期：停滞期（lag

47、 phase），细胞处于分裂时期和原生质体积累时间，生长比较缓慢；对数生长期（logarithmic growth phase），细胞体积随时间而呈对数增大，因为细胞合成的物质可再合成更多的物质，细胞越多，生长越快；直线生长期（linear growth phase），生长继续以恒定速率（通常是最高速率）增加；衰老期（senescence phase），生长速率下降，细胞成熟并开始衰老。但是，个体与群体的生长大周期则不能简单地以细胞生长的情况加以分析。初期生长缓慢，是因为处于苗期，光合能力低，干物质积累少；以后因绿体增加，光合能力提高，干重急剧增加，生长迅速；生育后期，由于植株衰老，光合速率下

48、降，干物质积累减慢，最后不再增加甚至因呼吸消耗而减少。（二）植物生长的昼夜周期性植物的生长随着昼夜交替变化而呈现有规律的周期性变化，叫做植物生长的昼夜周期性（daily periodicity）。影响植物昼夜生长有温度、光照、水分诸因素，以温度的影响最明显。可分为三种情况：在盛夏，植物的生长速率白天较慢，夜间较快。如棉花株高的生长，白天气温高（超过35），蒸腾大，光照强，紫外线多，抑制生长；而夜间气温下降（30以下），蒸腾减少，空气湿润，又无紫外线，促进生长。在秋冬季，植物的生长速率白天高于夜间。如蚕豆11月份播种、出苗，白天温暖，夜间温度很低，故白天生长快，夜间生长慢。如果昼夜温差不大，则昼

49、夜生长相似，如78月份水稻叶片的生长，由于水层的调节作用，昼夜温度相似，加之水稻叶片是叶基性生长，因此稻叶的生长速率昼夜之间差异不明显。（三）营养生长的季节周期性以木本植物为例：春季天气转暖、日照渐长，利于GA合成，促使植物由休眠状态转入生长状态，根系吸收能力提高，越冬芽萌发和生长；夏季气温高、光照强、雨量足，光合产物积累多，促进植物旺盛生长；秋季气温渐低、日照变短，诱导ABA的合成，导致生长缓慢，大量营养物质运向根、茎、芽，淀粉转化为可溶性糖和脂肪，组织脱水，呼吸下降，叶片脱落，芽进入休眠状态，且随着温度的降低而使休眠程度逐渐加深，抗寒性增强。三、植物生长的相关性植物的各个部分既有精细的分工

50、又有密切的联系，既相互协调又相互制约，形成统一的有机整体。植物各部分之间的相互协调与相互制约的现象，叫做相关性（correlation）。（一）地上部分与地下部分的相关1、相互协调  “根深叶茂”、“本固枝荣”深刻地说明植物地上部分与地下部分相互促进、协调生长的关系。原因在于营养物质和生长物质的交换：地上部分为地下部分提供光合产物、生长素和维生素B1，地下部分为地上部分提供水分、矿质、部分氨基酸、生物碱（如烟碱）、细胞分裂素等。可见，通过物质的交换使两部分的生长相互依存，缺一不可。2、相互制约  在水分、养料供应不足的情况下，常常由于竞争而相互制约，这在植物的根冠比（R/T

51、）上尤为明显。环境条件、内部因素、栽培措施均显著影响植物的根冠比。土壤水分状况：植物所需水分主要由根系供应，增加土壤有效水分促进地上部分的生长，这样就会消耗大量的光合产物，减少向地下部分的输入，削弱根系生长，于是R/T减小；但干旱时由于根系的水分状况好于地上部分，而地上部分因缺水使生长受阻严重，光合产物相对较多地输入根系，促使其生长，所以R/T增大。以水调控地上部分与地下部分的相关性在水稻栽培中得到很好的应用。如水稻苗期有时适当落干（烤田）促进根系生长，增加R/T，即所谓“旱长根，水长苗”。土壤通气状况：枝叶处于大气中，供O2充足；根系生活在土壤里，供O2常常受抑。凡能改善土壤通气状况的措施均

52、有利于根系生长，使R/T略有增加；反之，土壤通气不良，根系生长受阻，R/T变小。当然，时间过长，枝叶因得不到足够的肥水也使生长受抑。土壤营养状况：其中以氮素的影响最大。供氮充足，蛋白质合成旺盛，有利于枝叶生长，同时减少光合产物向根系输入，使R/T下降；反之，供氮不足，明显地抑制地上部生长，而根系受抑程度则较小，于是R/T变大（表7-6）。此外，土壤中其它营养元素供应状况也影响根冠比。 光照：光是光合作用的能源，光照强度势必影响叶片的光合能力并进而影响产物输出水平。所以，稻苗遮荫后枝叶与根系的生长均受到抑制，但根系受抑程度更大，R/T减小；反之，在自然光照下，光强相对增加，无论对根或对

53、冠均促进生长，尤其对根的促进作用更大（夜间光合产物向根系运入量大大增加），因而R/T增大。温度：根系生长的最适温度略低于枝叶，所以气温较低时不利于冠部生长，R/T变大；气温稍高时则有利于冠部生长，使R/T变小。这种情况在冬小麦越冬和翌春返青得到证实。修剪整枝：果树修剪和棉花整枝有延缓根系生长而促进茎枝生长的作用，使R/T变小。因为一方面相对减少了光合产物向根系的运输，另一方面相对增加了肥水向枝叶的供应。综上所述，地上部与地下部分的生长相关性主要是通过物质的分配引起的，而这种物质的相互调济又是与环境条件的影响分不开的。（二）主茎生长与侧枝生长的相关顶端优势1、植物的顶端优势现象  植物

54、主茎的顶芽抑制侧芽或侧枝生长的现象叫做顶端优势（apical dominance）。这是由于顶芽和侧芽所处的位置各异，发育的迟早不同，因而在生长上存在相互制约的关系，即主茎顶端在生长上占有优势地位，抑制侧芽的生长。如果剪去顶芽，抑制消除，侧芽则由休眠状态转入萌发状态，开始生长。不同的植物顶端优势的强弱不同。有些植物具有明显的顶端优势，例如木本植物的松、杉、柏等针叶树，上部侧枝受抑严重，生长极慢，下部侧枝受抑较弱，斜向生长较快，因此呈宝塔形树冠。其中，雪松最为典型，挺拔优美，成为重要的园林观赏植物；草本植物的向日葵、玉米、高粱、麻类等栽培作物，分枝极少，也具有明显的顶端优势。但是，有些植物的顶端

55、优势并不明显，例如柳树，主茎与分枝的生长差异不大，因此树型很不整齐；草本植物的水稻、小麦、大麦等，顶芽不抑制侧芽，分蘖强烈；蓖麻也是多分枝。总之，顶端优势明显与否，决定了木本植物的树冠和草本植物的株型，即决定植物地上部分的形态。2、关于顶端优势产生的原因  关于顶端优势产生的原因有多种解释。最早的是K. 戈贝尔（1900）提出的营养学说。该学说认为，顶芽构成了“营养库”，垄断了大部分营养物质。由于顶端分生组织在胚中就已存在，可先于以后形成的侧芽分生组织利用营养物质，优先生长，因而使侧芽营养缺乏，生长受到抑制。在营养不足时这种现象更为明显。这一学说得了解剖学的支持。事实上，侧芽与主茎之

56、间没有维管束连结，侧芽处于有机物质运输的主流之外，缺乏足够的养料供应。而顶芽则恰好相反，成为生长中心，优先供应养料。植物的顶端优势与IAA有关，K. V. 蒂曼和F. Skoog提出了顶端优势的激素学说。该学说认为，主茎顶端合成的IAA向下极性运输，在侧芽积累，而侧芽对IAA的敏感性比茎强，因此侧芽生长受到抑制。距顶芽愈近，IAA浓度愈高，抑制作用愈强。有实验证明，施于植物顶端并向下极性运输的标记生长素并不能进入侧芽。F. W. Went（1936）综合上述两种学说提出了营养物质定向运转学说，该学说认为，IAA既能调节生长又能影响物质的运输方向，使养分向产生IAA的顶端集中。因而主茎生长迅速，

57、侧芽生长受抑。例如在去顶的豌豆植株茎部施用加32P标记的化合物，在顶端切面上涂以IAA，则有较多的32P集中于茎顶端；但若在去顶后6小时再涂IAA，则集中到顶端的32P较少。很多研究表明，顶端优势的存在受多种内源激素的调控。Wickson和Thimann于1958年首次报道用细胞分裂素处理完整豌豆植株的侧芽可以诱导侧芽生长，并为许多后人的实验所证实。植物体内IAA与CTK之间的相互竞争，即IAA/CTK的大小对顶端优势的程度影响很大。植物顶端产生的生长素可能以某种方式抑制侧芽中细胞分裂素的生物合成，从而抑制侧芽生长，有实验证明，生长被抑制的侧芽不能够将异戊烯基腺嘌呤转化为玉米素。也有实验表明，

58、用细胞分裂素处理侧芽可增加处理部位内源生长素的含量，并促进生长素从芽中向外运输，故认为细胞分裂素刺激侧芽生长，并不是作为生长素的拮抗剂，或是改善了体内生长素与细胞分裂素的比例，而很可能是由于刺激了侧芽内生长素的合成及向外运输，从而促进侧芽生长。很多研究表明，GA、ABA、ETH对顶端优势也有某些影响。Bangerth（1989）提出了原发优势（Primigenic dominance）假说。该假说认为，器官发育的先后顺序可以决定各器官间的优势顺序，即先发育器官的生长可抑制后发育器官的生长。先发育器官（如顶端）合成并且向外运出的生长素可抑制后发育器官(如侧芽)中生长素的运出，从而抑制其生长。这种生长素运输的自动抑制作用发生在由各器官产生的生长素流的汇合处。由于此假说所提优势是通过不同器官所产生的生长素之间的作用来实现的，也称为生长素的自动抑制（autoinhibition）假说。这一假说的优势在于不仅可以解释植物营养生长的顶端优势现象，且可