植物人工种子技术研究进展

胡文斌，张少飞，杨文，孙娜

（陇南师范高等专科学校，甘肃成县 742500）

人工种子是指将植物离体培养产生的胚状体或能发育成完整植株的分生组织，用含有营养物质的胚乳和具有保护功能的种皮包埋而形成的颗粒体。人工种子技术是建立在组织培养技术基础上，利用化学材料对胚状体进行包埋等方法而建立起来的技术，具有容易制备、育种周期短、成本低、可直接播种等优点，有望代替组织培养技术成为濒危植物、经济作物繁殖和优良品种选育的新技术。笔者对人工种子技术近几年来的研究进行综述，以期为人工种子制作工艺及技术的优化提供参考。

1 人工种子材料的选择

人工种子在研究过程中，一般将植物分成2 种类型：一类是具有一定研究基础的植物，这类植物结构简单、生长周期短、特征明显，很容易与其他植物区分开来，同时已建立好体细胞胚胎发生系统，称为模式植物，如胡萝卜、苜蓿、芹菜、花椰菜、莴苣等[1]；另一类是一些经济作物或者中药材，如蕙兰、铁皮石斛、半夏、三七、马铃薯、小麦、玉米、青天葵等[2-4]。目前为止，研究人员已经对多种类型的植物进行了人工种子研究，研究范围已经从过去的模式植物转向经济作物、观赏植物、中药材、濒危植物等各种类型，并呈一定的上涨趋势。

2 体细胞胚的同步化调控

体细胞胚的同步化是利用一定的方法将体细胞胚的分化程度控制在某一生长阶段，最终得到大小相同、形态及分化程度相近的胚状体。如果体细胞胚的成熟度不同，所形成的人工种子萌发速度也会有差异，这样就不便于管理，只有获得大量同步化的体细胞胚，避免人工种子在包埋时再根据胚的大小、成熟度等来筛选体细胞胚等繁琐的过程，才能节约大量人力、物力和财力，有效提高生产效率，为实现工厂化的生产目标奠定基础。

因此，体细胞胚的同步化是人工种子实现工厂化生产的前提，目前，常用的体细胞胚同步化方法主要有物理方法和化学方法2 种，其中物理方法主要有过筛分级分选、密度梯度离心、低温培养、渗透压调节等，化学方法主要有饥饿法、抑制剂法、外源激素调控等[5]。

3 人工种子的包埋基质

3.1 人工胚乳

人工胚乳是介于人工种皮和胚状体之间，为胚状体提供矿质元素、维生素以及激素等营养物质的成分，是胚状体萌发生长的营养来源。人工胚乳所含的物质是体细胞胚萌发的培养基成分，主要有MS 培养基、B5 培养基、N6 培养基和SH 培养基等[6]。同时，人工胚乳中还需添加一定的碳源，如蔗糖、果糖、麦芽糖和淀粉等，主要起维持胚乳内外的渗透压以及给胚状体提供营养的作用。

目前，适宜作为人工胚乳基质的材料有海藻酸钠、果胶酸钠、琼脂、明胶、树胶等[6]，这些材料各有优势，目前常用的是海藻酸钠，因其具有通透性好、无毒、具有生物相容性及价格低廉等优点，至今仍是人工胚乳基质的首选，但它也存在很多问题，如易黏连、易渗漏、易失水、吸水回涨性差、机械强度差等，为了克服这些困难，研究人员尝试用复合材料来制备人工胚乳，比如在人工胚乳中添加壳聚糖、活性炭、木薯淀粉、保水剂等[7-9]。同时，培养基成分由于含有营养物质而易污染，因此，人工胚乳中常通过添加防腐剂、抗生素及农药等的方式来提高其防腐性能，也是人工种子实现长时间贮藏以及田间播种的关键技术之一[10-11]。

3.2 人工种皮

人工种皮分内种皮和外种皮2 种，内种皮也就是人工胚乳，外种皮是能保持人工胚乳中的水分和营养物质，同时具有一定强度以防止外来机械破坏并具一定的透气性成分。目前，内种皮的研制还依赖于无菌条件，仅有内种皮包埋的人工种子机械强度差、易污染等，不利于机械化播种。

人工种子要想同自然种子一样贮藏、包装及运输，还需要附加人工外种皮来增强其保水性及机械强度等。外种皮不但可以提高人工种子的保水性、防止内种皮中的营养外渗，还可以降低土壤中微生物、温度及pH 等环境因素对种胚萌发率、成苗率的影响。同时也便于人工种子的贮藏、运输及播种，外种皮目前最常用的制备方法仍然是通过在海藻酸钠中添加多糖（如壳聚糖）。黄和平等[12]研究发现当种皮基质为4%海藻酸钠+2% CaCl2+2%壳聚糖时，四倍体盾叶薯蓣人工种子的萌发率和成苗率最高。李伟平等[13]以白及种子为材料，研究发现以4.0%海藻酸钠+0.2 mol/L CaCl2+0.4 mg/L 青霉素+0.3%多菌灵+0.2%苯甲酸钠为人工种皮基质，其成苗率最高，可以在有菌基质中生长。胡根海等[14]以陆地棉营养芽为材料，发现人工种皮基质为4%海藻酸钠+1%甲基纤维素+1.0%苯甲酸钠+0.02～0.04 mg/L 青霉素+0.5 mg/L 多效唑时，人工种子的萌发率达到了95%。

4 人工种子的包埋方法

人工种子的包埋方式目前主要有机械包埋和手工包埋2 种，机械包埋主要是利用人工种子包埋机进行包埋，但是还有许多方面需要改进，不能完全代替手工包埋。包埋方法主要有液胶包埋法、干燥法和离子交换法3 种[15]。液胶包埋法是将体细胞胚混合到温度较高的胶液中，然后将容有胚状体的胶液滴注到有小坑的模板上，待温度下降即可形成胶丸状的人工种子。干燥法是指利用聚氧乙烯等高聚物对胚状体进行包埋，干燥后休眠的人工种子可以长时间保存，人工种子需要长时间贮藏时可用这种方法。离子交换法是指通过离子交换的方法使外种皮固化后形成一个坚硬的外壳，将繁殖体包埋起来，最终形成一个具有一定机械强度的凝胶颗粒，目前，最常用的方法是将胚状体用海藻酸钠包埋后，再转到CaCl2溶液中与Ca2+发生离子交换，最后形成球状胶囊。

5 人工种子的贮藏

由于农业生产具有一定的季节性，因此，获得的人工种子不一定能及时播种于大田，人工种子胚乳含有丰富的营养，这就有可能导致其在贮藏过程中出现萌发的现象，同时人工种子含水量也比较高，失水后容易皱缩，因此，人工种子的贮藏是亟待解决的一个难题。想要解决这个问题则要从多方面着手，如包埋基质的完善、呼吸作用抑制失水后吸水回胀的研究等，目前人工种子贮藏方法主要有干燥法、低温法、抑制剂法、超低温保存法及多种方法组合等[16]。干燥法是通过脱水使胚状体生长停止，从而人工种子进入休眠而达到贮藏的目的。低温法一般将人工种子保存于4℃条件下，利用低温环境来抑制人工种子的新陈代谢，从而达到长期保存的目的，但是低温保存人工种子则需要耗费大量的人力、物力和财力。抑制剂法是在人工胚乳中添加适当的脱落酸等促进其休眠而达到贮藏的目的。液体石蜡法是在人工种子包埋后通过涂抹或者浸入液体石蜡的方式来抑制其呼吸作用，从而达到长期保存的目的。超低温保存法是利用超低温冰箱或者液氮对人工种子进行保存的方法，在超低温条件下，人工种子的新陈代谢或者生命活动几乎完全停止，在适当条件下进行解冻即可播种于大田。

6 人工种子的防腐

由于人工胚乳中含有糖类等营养物质，这些营养物质容易受到细菌、真菌等的污染，进而影响其贮藏效果、人工种子的萌发率，以及企业的生产效率。因此，只有做好人工种子的防腐工作，才能延长其贮藏时间，提高其萌发率和企业的生产效率。而目前的防腐措施主要是给人工胚乳中添加抗生素、农药、防腐剂等来提高人工种子的防腐效果，如青霉素[4，13-14]、多效唑[14]、多菌灵[10]、苯甲酸钠[14]等。

同时有些植物材料在培养基中诱导分裂分化过程中，会向培养基释放褐色类物质，从而导致褐变的发生，能够发生褐变的外植体有很多，如铁皮石斛[16]、核桃[17]、牡丹[18]等，因此，在人工种子制作过程中，可以在人工胚乳中添加PVP、硫代硫酸钠、活性炭、硝酸银等来减少褐变的发生。

7 讨论及展望

目前人工种子的研究仍然处于试验阶段，还有许多问题需要解决。人工种胚基本上都是通过组织培养获得，与天然种子相比，在生理生化方面还有着很大差别，人工种胚体内蛋白质含量较低，同时在抗性、休眠及生长发育等方面还与天然种子差距较大；同时，体细胞胚的同步化研究措施存在操作复杂、易污染、周期长且同步化效率不高等问题；人工胚乳和人工种皮材料与天然种子也存在很大差距，保水性较差，机械强度不够等，同时胚乳的成分也有待于进一步优化，这就缩短了人工种子的贮藏时间；人工种子对播种条件的要求也较高，如果防腐工作不到位就会严重影响其萌发率和成苗率；人工种子的生产仍然以人工为主，机械化及自动化程度不高[2，15，19]。

人工种子是在组织培养的基础上发展而来的一种新的育种方式，具有广阔的应用前景，但离大规模的推广应用还有很长的路要走。但是随着对人工种子技术研究的深入以及制作工艺的优化，人工种子的制作成本将会进一步下降，贮藏时间将会进一步延长，种胚的萌发率和成苗率也会进一步提高，人工种子极有可能成为濒危植物保护、经济作物育种及珍稀中药材繁殖的主要方式。相信在不久的将来，人工种子与天然种子相比也将具有独特的竞争优势，人工种子将展现出巨大的竞争优势和广阔的应用前景。