人工种子研究进展及其在园林绿化中的应用前景-园林工程苗木种植技术

人工种子（artificialseeds，syntheticseeds）的概念最早是由Murashige(1978)提出的，是指通过组织培养技术，将植物的体细胞诱导成在形态上和生理上均与合子胚相似的体细胞胚，然后将它包埋于有一定营养成分和保护功能的介质中，组成便于播种的类似种子的单位。人工种子首先应该具备一个发育良好的体细胞胚（即具有能够发育成完整植株能力的胚）；为了使胚能够存在并发芽，需要有人工胚乳，内含胚状体健康发芽时所需的营养成分、防病虫物质、植物激素；还需要能起保护作用以保护水分不致丧失和防止外部物理冲击的人工种皮。通过人工的方法把以上3个部分组装起来，便创造出一种与天然种子相类似的结构――人工种子。 由于人工种子是通过无性繁殖产生的，与天然种子相较，人工种子可以工厂化生产和贮存；可以减少具有杂种一代优势的作物的育种程序；可以快速繁殖结实率低或难以用种子繁殖、育性欠佳的作物；可以快速推广优良种质资源；人工种子还具有节约种源、土地，不受季节限制的优点。因此，受到许多国家的重视，我国已将人工种子的研究列入了863高新技术发展计划。Kitto等（1981）用聚氧乙烯包裹胡萝卜胚状体首次制成了人工种子。经过20余年的研究，人工种子的研究取得了很大进展，除了胡萝卜、苜蓿、芹菜、水稻、玉米、甘薯、棉花、西洋参、小麦、烟草、大麦、油菜、百合、莴苣、马铃薯等农作物种子外，花卉和林木人工种子如长寿花、水塔花、白云杉、黄连、刺五加、橡胶树、柑桔、云杉、檀香、黑云杉、桑树、杨树等都有成功生产的报道。 1.人工种子的制备方法与技术要求 人工种子制备包括胚状体的诱导与同步化、人工种子的包埋、人工胚乳的制作、人工种皮的制作、人工种子贮藏等步骤内容。 1.1胚状体的诱导与同步化 生产高质量的胚状体是制作人工种子的关键。从目前的研究结果来看，并不是所有的植物种子都开发出了胚状体培养发生技术。不同植物的体细胞的培养亦有难易。在生产人工种子时，要求胚状体具有可观的成株率，甚至超过天然种子。 胚状体的诱导：胚状体可从悬浮培养的单细胞得到，也可通过试管培养的愈伤组织、花粉或胚囊获得。胚状体一般在培养物的表面产生，其形状与合子胚类似，但胚状体却是无性繁殖的产物。实际操作中，一般在试管中诱导出愈伤组织，并在含生长素的培养液中悬浮培养，然后置于含生长素的发酵罐中，使细胞迅速扩增，再将细胞移入无生长素的发酵罐中诱导出大量胚状体。 胚状体同步化处理或分选：胚状体的同步化是指促使所有培养的细胞或发育中的细胞团块进入同一个分裂时期。只有同步化了细胞才可能成批地产出成熟胚胎。常用的方法有： 化学方法：饥饿法――将培养基中的一些重要成分反复去除和添加；阻断法――在培养初期加如DNA合成抑制剂，如5-氨基脲嘧啶，阻断细胞分裂的G1期。 物理方法：低温处理法、过滤筛选法、渗透压分离法、密度梯度离心法(体胚不同的发育阶段密度有差异)等到胚状体胎成熟以后，就可以进行人工种子的包埋了。其中过滤筛选法较实用、快速。 1.2人工种子的包埋 人工种子的包埋关系到人工种子萌发、贮藏和生产应用等重要环节。Redenbaugh于1984年首次筛选出透水性好的海藻酸钠作为胚状体和不定芽的包埋剂。包埋方法主要有将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤的液胶包埋法；将体细胞胚经干燥后用聚氧乙烯等聚合物进行包埋的干燥包裹法；以及通过离子交换或温度突变形成凝胶包裹材料的水凝胶法，Redenbaugh等用此法包裹单个苜蓿体细胞胚制成了人工种子，离体成株率达86%。组合包埋法以及流体播种、液胶包埋、琼脂、铝胶囊等新颖包埋法也开始被应用，George等用硅胶包埋谷子体细胞胚，葫发率达82%，且4℃贮藏14天后仍能自行裂开、顺利萌发。 对胚状体包裹要求做到：首先，不影响胚状体萌发，并提供其萌发与成苗所需的养分和能量，即起到胚乳的作用；其次，使胚状体经得起生产、贮存、运输及种植过程中的碰撞，并利于播种，即起到种皮的保护作用；最后，针对植物种类和土壤等条件，满足对人工种子的特殊需要。 目前研究中的人工种子普遍采用水凝胶法，以海藻酸钙作为包埋剂，它具有对胚状体无毒害作用、价格低廉等优点。但由于海藻酸钙对水溶剂有很好的通透性，使得包埋其中的营养物质、激素、抗生素等(即人工胚乳成分)容易渗透出来，造成营养泄露；另外，由于没有真正意义上的“人工种皮”的包裹保护，一些病原微生物容易侵入胚状体，对种子造成破坏，因而目前绝大多数人工种子都只能在无菌条件下才能达到较高萌发率。 1.3人工胚乳的制作 为了满足包裹要求，要有针对性地在包裹剂中加入大量养分、无机盐、有机碳源、植物生长调节剂，以及抗菌素和有益菌类。选用无毒、透气和吸水性强的木薯淀粉与1.5%海藻酸钠(1/2MS培养基配制)混合制作的胚乳可改善单一海藻酸钠人工胚乳的透气性、吸水性和发芽率，人工胚乳中加入GA3有利于人工种子的发芽，加入CaCl2有利于向培养物供氧，提高人工种子发芽率和耐贮藏性，加扩活性炭可改善营养固定和缓释，提高人工种子在土壤中的成苗率。 1.4人工种皮的制作 人工种皮既要求允许内外气体交换畅通，以保持胚状体的活力，又要能防止水分及营养成分的渗漏和起保护作用。一般采取双层种皮结构，内种皮通透性较高，外种皮硬，透性小，起保护作用。 现已筛选出海藻酸钠、明胶、果胶酸钠、琼脂、树胶等可作内种皮应用，某些纤维素衍生物与海藻酸钠制成复合改性的包埋基质可明显改善人工种皮的透气性，海藻酸钠中加入多糖、树胶等可减慢凝胶的脱水速度，提高干化体细胞胚的活力。 外层种皮可选用半疏水性聚合膜，以降低海藻酸钙的亲水性，对人工胚乳起固定作用。另外可在膜上添加毒性小的防腐剂或溶菌酶，以防止微生物的侵入。Ling-FongTay用壳聚糖作为外种皮制作的油菜人工种子萌发率达100%，但在有菌条件下萌发率仍不高。美国杜邦公司生产的由乙烯、乙酸和丙烯酸三种物质聚合的Elvax材料是目前认为较好的一种人工种皮材料。 人们仍在积极寻找其他的包埋方式和包埋材料，以完善现有人工种皮的制作技术。 1.5人工种子的贮藏 贮藏是人工种子的主要难点之一，目前应用的有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等及上述方法的组合。干燥法和低温法组合是目前应用最多的，胡萝卜愈伤组织在15℃相对湿度25%的条件下存放一年仍可再生。大豆体胚干化到原体积的40%～50%后再吸水，萌发率仍达到31%。干化增强人工种子幼苗的活力，可能与其超氧化物酶和过氧化物酶的活性显著提高，从而减轻低温贮藏对体胚的伤害有关。通过电镜观察和电导值与脱氢酶的比较，发现干化有助于体胚贮藏期间细胞结构、膜系统的保持和酶活性的提高，使体胚具有更好的耐贮性。富含胡萝卜体胚的悬浮培养液包埋于水溶性塑料薄膜内，形成的胶囊26℃干化4天后再吸水萌发仍可获得植株，高浓度的蔗糖、脯氨酸和ABA预处理体胚能提高干化耐受性，这可能与ABA等抑制体胚过早萌发、促进干物质积累有关。近年，液氮冻存体胚及包裹体胚的报道也越较多。 防腐是人工种子贮藏和大面积田间应用的关键技术之一。Castillo制得的人工种子虽有较高的萌发率，但未能在有菌条件下成苗，其主要原因是人工种子易感染病菌而腐烂。在甘薯人工种皮中加400～500mg/L的先锋霉素、多菌灵、安苄青霉素或羟基苯酸丙酯，均有不同程度的抑菌作用，萌发率可提高4%～10%。 2.人工种子技术存在的主要问题 尽管目前人工种子技术的实验室研究工作已取得较大进展，并且已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物、稀有及珍贵植物的过程中，显示出超常的优势。但从总体来看，目前的人工种子还远不能像天然种子那样方便、实用和稳定。主要障碍在于人工种子的质量和成本：(1)许多重要的植物目前还不能靠组织培养快速产生大量的、出苗整齐一致的、高质量的胚状体或不定芽；人工种子的质量达不到植物正常生长、运输和贮藏的要求；人工种子的制种和播种技术尚需进一步研究。(2)目前多数人工种子的成本仍然高于试管苗和天然种子。虽然一些研究机构已经建立起大规模自动化生产线，能够生产出高质量、大小一致、发育同步的人工种子，但是它的成本仍高于天然种子。以苜蓿为例，目前生产1粒人工种子所需成本是0.026美分，而1粒天然苜蓿种子的成本是0.0006美分，二者相差40多倍。因此，人工种子要真正进入商业市场并与自然种子竞争，必须降低生产成本。由于人工种子是由组织培养产生的，需要一定时间才能很好地适应外界环境，因此人工种子在播种到长成自养植株之前的管理也非常重要，在推广之前必须经过农业试验，并对栽培技术及农艺性状进行研究。 由此可见，人工种子要想成为种植业的主导繁殖体，目前仍有相当的困难。 3.人工种子在园林绿化及水土保持方面的应用前景 人工种子与试管苗相比，具有所用培养基量少、体积小、繁殖快、发芽成苗快、运输及保存方便的特点；人工种子技术适用于难以保存的种质资源、遗传性状不稳定或育性不佳的珍稀林木的繁殖；人工种子可以克服营养繁殖造成的病毒积累，可以快速繁殖脱毒苗。因此，人工种子在快速繁殖苗木和人工造林方面，具有很大的应用前景。现在，我国处于经济高速发展时期，需要有大量的优良苗木种子供应，而我国现有的林木种子供应远远不能满足社会需求。人工种子可以工厂化地提供绿化种子，解决种子供应量不足的矛盾。随着人工种子技术的不断成熟完善，必将给我国的园林绿化方式带来革命性的变化。