中華民國八十六年五月一日    技術專輯第二期第 97001號

生命之殖與植

馮丁樹 (組織培養技術)

 

    植物是一種多樣分類的生物體﹐可依其不同能力進行繁殖。許多植物採取有性繁殖方式﹐以種子生產一下代。有些具有葡蔔莖、地下莖的植物則採用無性生殖的方法。另有一些則採用無性或有性的方式均可。

 

壹、目標

--辨識植物在無性及有性生殖的差別。

--說明植物利用有性生殖的過程。

--認識種子之各部份及其功能。

--評估雜交種子對現代化農業之重要性。

--定義植物無性生殖之過程。

--列舉四種無性生殖的方式。

--評估組織培養在植物品種改善方面之重要性。

 

貳、植物之有性繁殖

    有性繁殖是當上一代作物結出種子後﹐由這粒種子再長成下一代。種子之產生係由雄蕊之花粉粒使胚胎受粉﹐或使胞子受精。胚胎受精後即會成長種子﹐以繁殖下一代。

    許多作物如小麥、燕麥、豆科植物及豆莢作物等係屬種子作物的品種﹐以有性方式繁殖下一代。這些植物具有相同的遺傳特徵﹐稱之為同一品系。構成同品系的植物個體均由一母群體中繁衍下來。

 

 

一、以種子繁衍

    利用種子生產之最大優點是在同一季節裡﹐可以大量進行播種。只要生長條件良好﹐可以迅速增加生產的數量。

    一般種子包括三部份﹕即種皮、胚胎與胚乳。種皮目的在保護胚胎及胚乳。水分進入種皮後﹐會使種子內部膨脹﹐脹破種皮﹐胚胎乃開始發育成芽。胚乳含有澱粉、蛋白質及油質﹐為小芽體發育時的營養來源。這就是發芽的過程。胚乳繼續供應植物體養分﹐直到根部發育完整﹐可以直接自土壤中吸收養分為止。此時光合作用亦即開始。

    胚胎是一個未成熟的微小植物﹐含有根、莖及葉。一旦種皮破裂﹐胚胎內之根與莖先由種子內長出﹐葉再長在莖部上。整個小植物體開始形成其自有之營養供應系統。

    由種子轉變為植物﹐發芽相當重要。影響發芽的因素包括種子品質、水分含量及溫度等﹔而週圍之土壤及土壤特性對於種子之發芽率亦具重要之地位。

 

 

二、雜交種子之生產

    種植作物之主要目的常是要其種子作為人類之食物或家禽之飼料。這使種苗之生產更為重要﹐因為每年必須有足夠的種子才能大量生產所需之糧食。

雜交種子之生產是一種利用具有兩種遺傳特徵之族系進行交配﹐以進行商品化之量產方式。玉米是典型例子。

    種子雜交是在開花期間﹐避免同株發生授粉﹐僅容許待交配的品系花粉進行授粉。這兩種植物母本之特性甚不相同﹐但經雜交後之種子特性則具有兩母本之優良特性。雜交種子通常生長較均勻﹐其品質及產量均較原母本為高。

    但雜交種子必須每年培育﹐雜交種子成長後﹐所產生下一代種子則不具原雜交種子之特性﹐非但成長不均﹐有些則會恢復母本的特性。故僅雜交的一代種子可以作為生產之用。

 

參、植物之無性繁殖

植物與其他生物體不同的地方是它具有以新的組織取代缺損部位的能力。這種過程稱之為再生。有些植物可以由葉子、根部或莖部等再生或發育成完整之植株。無性繁殖是植物可以維持其原有品系特徵之唯一再生方式。有些水果、花卉等植物無法育成純種﹐有些品種甚至沒有種子。這些植物必須取自母株之部份進行培植。

 

 

一、分裂與分離

許多植物係藉種球分裂來繁殖。種球有許多短的地下莖﹐覆蓋有鱗芽。鬱金香與百合花為其例子,其種球在基部生出許多子球﹐當上部株體於秋天乾枯後﹐地下之子球即可取出﹐較大的可以分離種植﹐長成所要的花卉;小的可能要隔一段時間成長才能種植開花。地下球莖與種球類似﹐但球莖較長鱗芽較少。劍蘭是利用地下球莖分離而成。

進行分離時,係將地下莖或根部切成小段﹐然後分段種植長成新株。唐菖莆則利用地下球莖切段進行大量繁殖。在成長期間﹐球莖較長﹐但可以切短以長成新株。

塊根則屬地下莖﹐但其上有可見之芽眼,新株可自芽眼處長出。馬鈴薯是利用其塊薯切離後之塊根繁殖之例子。只要將塊薯切成小塊﹐每塊上保有一芽眼即可在種植後長成新株。

 

 

二、扦插

    扦插是將植物體部份切離﹐直接種植產生新株。切離之部位可能是葉、莖、根或芽。有些植物需要使用幼嫩或質材較軟的部位才較容易發根。但有時必須加入荷爾蒙成份﹐使其活化。其基部則需置於適當之介質中﹐以促進其成長。此時環境的控制也甚為重要﹐適當的水分、濕度及覆蓋會使新植體長得快樂而健康。其所需環境條件與種子發芽之情況類似﹐唯一不同是它仍需要陽光。以藉光合作用剌激根部成長。許多園藝植物均採用扦插法進行大量繁殖。林苗之繁殖有些亦採用扦插法。

 

 

三、嫁接

果樹之繁殖常使用嫁接技術﹐現在也廣泛應用於瓜類。其程序是將兩棵植物苗進行「移花接木」﹐先在主莖幹上削開一個缺口﹐將另植體取得之小幼枝接於切口上﹐然後兩個株體在一起成長﹐並且分工合作。這種方式可以將優良的種苗進行繁殖﹐而且成長良好。利用嫁接繁殖之植物體﹐其小幼枝或子葉之屬性通常需與母株相同﹐其繁殖之成功率較高。

嫁接用之主莖或根需具抗氣候之特性﹐且對某特定病蟲害有抵抗能力﹐使整個植物體更為健壯。將來之植株大小由主莖部位決定﹐要矮化樹種時﹐可以利用此特性加以選擇。

橫山梨是利用進口之優良果樹芽嫁接在本地之山梨上。在同一株樹體上﹐亦可嫁接不同品種之幼枝,使其長出形形色色的花卉或果實。在國外常見有許多不同顏色的蘋果長在一顆樹幹上,即利用這種嫁接技術完成的﹐造成自然界的多樣世界。

 

 

四、芽接

    芽接是嫁接的另一種型式﹐只是小幼枝改成葉芽。這種情形以瓜類之嫁接為多,如西瓜苗嫁接在扁蒲株體上。作業時,葉芽取自其他種苗﹐然後插入主植體之切口部位﹐使其繼續生長。這種嫁接法依植物特性而有不同的方法。有些利用靠接或斜接﹐將主幹之表皮底層切開一縫﹐將葉芽切削成形後置入。最後再利用夾子夾緊或用膠帶包紮,直至癒合為止﹐由於嫁接需要大量人工﹐故目前亦有使用機器人擔任嫁接的工作。

    準接法則常使用於葡萄之嫁接。由葡萄主幹活性已低﹐故必須先在主株切出一小塊木質部﹐要嫁接之新芽亦需含有一塊體積相同的木質部置於缺口處﹐然後加以包紮直至癒合。

 

肆、組織培養

一、組織培養定義

    組織培養是植株大量繁殖的新方法。這種方式是將組織細胞摘自母體之葉芽、葉片部位或芽端組織。其所培養之植株完全與母株相同﹐而且可以迅速繁殖。

    根據定義組織培養通常係指:「利用植物各部分如根、莖、葉、花芽、花序、子房、珠被、胚珠、花藥、花粉及胚等器官、組織或細胞當起始之培養材料,或稱為培植體,無菌培養於透光容器內,提供無機鹽、碳素、維生素、氨基酸和其它有機成份及生長調節物質,同時控制溫度、光線或氣體等環境因子,促使培植體生長分化及再生,或培育出獨立個體之小植株。此系列操作統稱為體外培養技術﹐亦為慣稱之組織培養。

 

 

二、組織培養之應用

    植物之組織培養法也是一種無性繁殖的方式﹐主要是可以藉刺激單株細胞之分裂來達成。這種方式下﹐細胞必須回歸至一種很單純的狀態﹐此時細胞不能分化為特殊組織。若所使用之細胞培養基是來自葉片部份﹐則必須加入荷爾蒙成份﹐使所有之基因均能活化。藉此程序產生之細胞稱為癒合體(Callus)。一旦進入此階段﹐培養基須開始加以改變﹐加入一些營養素及各種荷爾蒙素﹐使基因得以依適當的順序打開或關閉﹐以分別刺激根部、莖部、葉部及其他植物器官之生長。新的植物於焉產生﹐並可直接種植於土中。其所結之種子可進行測試﹐以瞭解是否有新的基因存在。這種由修改的植體細胞再行複製新植物﹐並產生優良遺傳特性的方式﹐其經濟價值相當高。部份可抗病、抗蟲的特性已有商業化的產品出現。

    組織培養因具有可大量快速繁殖、消除病源、建立健康種苗生產體系及標準化規格化生產等優點,但因其利用植物體一部份及組織培養技術複製植物體的方法常因植物之種類而不同﹐技術之應用變為較為複雜。目前已成為國內生產高品質種苗的主要途徑,其主要生產的種類包括香蕉、蘭花及球根花卉等。國外則應用在大豆及穀類方面﹐但表現仍較遲緩﹔而其他如番茄、菸草及花卉等之應用則較為廣泛。雖然如此﹐植物育種學家已普遍應用無性繁殖之技術加速新植物品種之發展。故若與無性繁殖與基因組合相互為用﹐此方面之成果應屬指日可待。

    目前組織培養苗其生產過程相當繁瑣、其從植體杆插、組織增生或再生、發育成小植株到植株馴化出苗、其對於人力需求、作業精度及作業環境的要求極高,故在現今農業面臨自由化與團際化的衝擊,如何應用先進的科技,發展組織培養苗自動化作業系統,以節省人工、提高作業效率,並確保生產高品質組織培養苗,降低生產成本,提高競爭力,是目前加速農業升級的重要課題。

 

 

三、組織培養步驟

    組織培養由於採取途逕及培養目的之不同,其操作步驟稍有差異,但大體上從培植體準備到培育出獨立個體健壯的小植株,約可分成以下六個階段:

  1. 從母株上獲得培植體;

  2. 進行培植體表面消毒;

  3. 進入Stage I初次栽培:將培植體植入培養瓶中,並予封瓶以防感染細菌。

  4. 進入Stage II增生栽培:增生腋芽,並與分切成單芽,再將大小近似一植株集合移植入新的營養液培養瓶中。

  5.  Stage III生根栽培 :分切之芽長出根之階段。

  6. 健化栽培 :將粒株植於盆中、並使其適應大氣環境。