植物细胞工程相关问题释疑

摘 要：本文主要对“植物细胞工程”一节中学生产生的疑问进行解答，涵盖作物脱毒原理、外植体灭菌剂选择、花药与花粉培养差异、原生质体融合后细胞壁再生及次生代谢物的作用等问题，以期为教学提供实用参考。

关键词：作物脱毒；灭菌剂；植物组织培养；细胞壁再生；次生代谢物

文章编号：1003-7586（2024）10-0090-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》（以下简称“教材”）在“植物细胞工程”一节中增加了花粉培养、次生代谢物等内容。在教学过程中，笔者发现学生对花粉培养和花药培养的区别、次生代谢物是否必需、植物顶端分生区病毒极少的原因、外植体灭菌剂种类选择和处理时间不同的原因以及原生质体融合后细胞壁再生的时间和意义等问题产生了浓厚兴趣。针对以上问题，笔者查阅相关资料作出详细解释。

1 植物顶端分生区病毒极少的原因

教材在该节“植物细胞工程的应用”中介绍了“作物脱毒”这一应用，其中提到用无性繁殖的方式进行繁殖的植物感染的病毒容易传给后代，而且会逐年积累，导致作物产量降低，品质变差。但是科学家发现植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至没有病毒。科学家利用这些无病毒组织进行植物组织培养可以获得脱毒作物。学生产生疑问：为什么植物顶端分生区附近的病毒极少，甚至没有病毒？

病毒在植物体内依靠维管束系统（导管和筛管）移动，植物感染病毒后能够很快传至全身大部分组织，而分生组织中还没有形成维管束，病毒只能靠胞间连丝传播，移动速度很慢。分生组织生长速度比病毒的传播速度快，因此生长旺盛的茎尖、根尖通常只含有极少量的病毒，甚至没有病毒。^［1］但茎尖或者根尖并非绝对没有病毒，因此，外植体的选择十分关键。越是新鲜生长的外植体感染病毒的概率越小，且越小的材料脱毒效果越好。但材料过小会增加培养的难度，因此可以使用热处理法或抗病毒药剂法来辅助脱毒。热处理法是根据病毒和植物对高温的耐受性差异，选择适当的温度处理植物，使寄生的病毒钝化，减缓其扩散，从而达到杀灭病毒而不伤害植物的目的。抗病毒药剂法是利用抗病毒药剂干扰病毒的繁殖，将抗病毒药剂注射到植物上或直接加到正在培养植物细胞的培养基中，可得到脱毒的分生组织，再通过植物组织培养得到脱毒苗。

2 外植体灭菌剂种类选择和处理时间不同的原因

教材“菊花的组织培养”实验中提到“将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精消毒30 s，然后立即用无菌水清洗2～3次；再用次氯酸钠溶液处理30 min后，立即用无菌水清洗2～3次”，学生据此产生疑问：为什么外植体的消毒既要用酒精又要用次氯酸钠？为什么酒精处理的时间仅需30 s，而次氯酸钠溶液的处理时间长达30 min？笔者查阅资料发现，选择灭菌剂既要考虑灭菌效果，也要考虑灭菌剂对外植体生长的影响以及是否容易清除。灭菌剂种类的选择、处理时间及处理方式，不仅会影响灭菌效果，而且会影响植物体的生长，进而影响培养效果，因此，灭菌剂的选择及处理时间应根据植物材料的具体情况而定。^{［2］［3］} 浓度为70%～75%的酒精具有较强的细胞穿透力，但不能达到彻底的灭菌效果，因此需要配合使用次氯酸钠等其他灭菌剂。此外，由于酒精对外植体具有强烈的杀伤作用，应严格控制处理时间，而次氯酸钠既有强杀菌能力又对植物体无害，因此酒精消毒时间短而次氯酸钠溶液处理时间较长。教材中选用的灭菌程序经实践证实，染菌率低。

3 花药培养和花粉培养的区别

教材在该节“单倍体育种”中提到“单倍体育种可以先通过花药（或花粉）培养获得单倍体植株”，其中涉及两个概念：①花药培养和花粉培养的区别；②花药或者花粉经组织培养后形成的幼苗是否均为单倍体幼苗。

花药培养是利用植物组织培养技术，选取发育到一定程度的花药，通过诱导花药内的花粉连续分裂，形成细胞团，进而发育为愈伤组织或胚状体，最终分化成单倍体植株。而花粉培养要先从发育到一定程度的花药中分离出单个花粉粒，再进行组织培养，最终获得单倍体植株。

花药培养相比花粉培养操作更简便，但是也具有一定局限性。由于花药培养是将整个花药转接到培养基上，花药壁细胞、绒毡层细胞等二倍体细胞也会分裂，可能导致形成的新植株是二倍体，或者是二倍体和单倍体的嵌合体。此外，一个花药中含有多个花粉粒，每个花粉粒不一定都具有相同的基因，而这些花粉粒形成的愈伤组织常常混在一起，最终导致形成的个体细胞基因型不完全相同，会成为一个嵌合体。花粉培养采用单个花粉粒进行培养，最终形成的个体基因型相同，因此不存在上述问题。

4 原生质体融合后细胞壁再生的时间和意义

植物细胞的细胞壁阻碍了细胞间的杂交，因此在进行体细胞杂交前，需去除细胞壁，获得原生质体。原生质体融合后得到的杂种细胞再经过诱导形成愈伤组织，进一步发育成完整的杂种植株。有活力的原生质体都具有细胞壁再生和细胞分裂的潜在能力。那么细胞壁什么时候再生？笔者查阅资料发现，原生质体在特定培养基中培养一段时间后会再生出细胞壁，不同植物的原生质体再生出细胞壁所需的时间不同，从几小时到几天时间不等。多数原生质体经培养数小时后开始再生细胞壁，两天至数天后完成细胞壁的再生。细胞壁的再生是细胞分裂的先决条件，原生质体通常在培养二到七天后开始第一次分裂，但开始第一次分裂的具体时间与植物的种类、分离原生质体的材料、原生质体的质量、培养基的成分和培养条件等因素均有关。因此，研究原生质体再生细胞壁的影响因素，对得到具有全能性的完整细胞进而生成完整植株具有重要意义。再生细胞壁后一定能进行细胞分裂吗？笔者查阅资料发现，完成原生质体细胞壁的再生是进行规则有丝分裂的前提，但再生细胞壁后不一定都能进行细胞有丝分裂，这可能与原生质体内细胞骨架的完整性有关。^［4］

5 次生代谢物是否必需

教材中对次生代谢物的相关描述为“植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。”教材在“相关信息”中关于次生代谢物的描述为：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。学生进而产生疑问：次生代谢物都是植物体必需的吗？

1891年，科赛尔（A. Kossel）首次明确提出植物次生代谢的概念，与其对应的是初生代谢的概念。绿色植物及藻类通过光合作用将二氧化碳和水转化成糖类，生成的糖通过不同途径（如磷酸戊糖途径、糖酵解途径、三羧酸循环）进一步转化为核酸、脂质和蛋白质等，上述过程对维持植物生命活动过程是不可或缺的，且几乎存在于所有的绿色植物中，因此被称为初生代谢。而次生代谢是指有些生物体采用某些初生代谢物为“原料”，在一系列酶的催化作用下，形成一些特殊化学物质的过程，这些特殊的化学物质即为次生代谢产物，其产生和分布通常具有种属、器官、组织和生长发育期的特异性。^{［5］［6］}科赛尔认为植物次生代谢物是植物体中一大类并非生长发育所必需的小分子有机化合物，但是随着研究的深入，他发现植物次生代谢物在植物生命活动的许多方面均起着重要作用。有些植物次生代谢物是植物生命活动所必需的^［7］，如吲哚乙酸、赤霉素等植物激素是调节植物生长发育的重要物质，叶绿素、类胡萝卜素是植物光合作用必需的物质，这些物质在所有植物中几乎都存在；还有一些植物次生代谢物仅存在于某些特定植物中，例如，某些植物能产生多酚单宁，这类物质对植物本身无害，但对动物或微生物有毒，可用于防御天敌；某些植物遭受微生物感染时，会合成植保素以抵御微生物入侵。

6 小结与反思

植物细胞工程是现代生物技术的重要组成部分，已在农业、医药等多个领域产生了深远影响。本文围绕教材中“植物细胞工程”一节，就“植物顶端分生区病毒极少的原因”“外植体灭菌剂种类选择和处理时间不同的原因”“花药培养和花粉培养的区别”“原生质体融合后细胞壁再生的时间和意义”“次生代谢物是否必需”五个关键问题进行了探讨与解答。

在教学过程中，教师应将理论与实践紧密结合，帮助学生深入理解植物细胞工程的原理及其在各领域的应用。通过解析作物脱毒技术，学生能够认识到植物组织培养在农业生产中的价值；通过学习外植体灭菌的过程，学生能够理解灭菌剂选择的重要性及其对植物生长的影响；通过对比花药培养与花粉培养，学生能够掌握单倍体育种的基本原理；通过探讨原生质体融合后细胞壁的再生，学生能够认识到细胞壁再生对细胞分裂和植株生长的意义；通过了解次生代谢物的功能，学生能够意识到植物次生代谢物在植物生命活动中的重要作用。此外，教师在课堂上除了要给学生讲解专业知识并对学生在学习过程中产生的疑问进行解答外，还应鼓励学生积极参与实践操作，让学生亲自动手参与实验进而加深对知识点的理解与记忆，培养学生的实践能力和创新思维，进一步提升学生的生物学学科核心素养。

参考文献

［1］周岩.细胞工程［M］.北京：科学出版社，2012.

［2］柳俊，谢从华.植物细胞工程（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，2019.

［3］朱广廉.植物组织培养中的外植体灭菌［J］.植物生理学通讯，1996（6）：444-446.

［4］何其邹洪，鄂一岚，王广超，等.植物原生质体的细胞壁再生［J］.中国细胞生物学学报，2021，43（1）：134-143.

［5］董妍玲，潘学武.植物次生代谢产物简介［J］.生物学通报，2002（11）：17-19.

［6］潘瑞炽.植物生理学（第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［7］KUTCHAN T. M. Ecological arsenal and developmental dispatcher： the paradigm of secondary metabolism［J］.Plant Physiology，2001，125（1）：58-60.