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人工种子
河南教育学院生物科学系吴楠楠
摘要 俗话说民以食为天，人类的生存少不了粮食，当然，就缺少不了粮食的种子。人工种子的出现，一改传统的农业生产，为人类提供了更大的效益。结合众多学者在这方面的研究，本文阐述了人工种子的概念、制作的过程以及研究人工种子的意义，提出了人工种子应解决的问题，展望了人工种子的应用前景。
关键词 人工种子 人工胚乳 现状展望
Abstract As the saying goes, hunger breeds discontentment, human survival without food, of course, is not lack of grain seeds. The emergence of artificial seeds, changed the traditional agricultural production, provide more benefit for mankind. Based on lots of scholars in the research in this area, this paper expounds the concept, artificial seed production process as well as the research significance of artificial seeds, should be made to solve the problem of artificial seeds, the foreground of application of artificial seeds.
Key words Artificial seed Artificial endosperm Status prospect
一、人工种子的概念。
人工种子的概念最早是在1978年的国际园艺植物学术会议上由美国生物学家提出的。它是指将植物离体培养所得到的体细胞胚或者具有发育成完整植株的分生组织，如胚状体、芽、茎等，外面包裹一层含有营养物质并具有保护作用的外膜，在适宜环境下能够发育成完整植株的小颗粒。
二、人工种子的现状。
自从人工种子这一概念出世以来，相关研究获得相当大的进展，越来越受到各国的重视。美国加州的植物遗传公司（PGI）似乎走在人工种子技术的最前列。曾获得在人工胚乳和人工种皮的外膜技术上的两项包埋技术的专利，并在芹菜的人工种子制作成功之后，又转向了西红柿、花茎甘蓝、花椰菜、卷心菜和莴苣的人工种子试验。而法国，将向日葵种子和西红柿种子两项课题列入了尤里卡计划。其它的国家，像芬兰用Jain用胡萝卜制作人工种子；印度的Bapat等用海藻酸钠包埋桑树辅助芽；日本的麒麟啤酒公司已与美国的PGI合作，共同研制蔬菜及水稻的人工种子。当然，人工种子在我们国家也是备受重视，自1987年开始，就被列入国家863高技术研究与发展。中科院上海植生所罗士韦教授最早介绍人工种子,从而拉开了人工种子研究的序幕。中科院植生所的郭仲深、金翼毅所主持“西洋参等职务人工种子的研制”，所用模式植物为芹菜；1988年夏天，复旦大学遗传所邹高法、倪德祥研制成功芹菜和水稻的人工种子；北京大学生物系李修庆在法国南巴黎大学生命科学系Demary教授指导下,使胡萝卜的人工种子在无菌条件下的发芽率由58%提高到98%,从而使胡萝卜的人工种子应用于生产。而中山大学在转基因植物的人工种子方面、中国科学院遗传所在橡树的人工种子方面、植物所在体胚的同步化研究方面,以及北农大在体胚发生的生理生化研究方面都取得了重要的研究成果。
三、人工种子的制作过程。
人工种子分为三个部分，即体细胞胚，是有生命的物质结构；人工胚乳，是供体细胞胚维持生命力和保证其能够在适当的环境下生长发育的结构；和起保护作用的人工种皮。
体细胞胚相当于天然种子的胚，可以通过细胞悬浮培养、花药培养、原生质培养来获得，也能够诱导外植体脱分化形成愈伤组织，在愈伤组织上形成胚状体，亦或直接用外植体作为体细胞胚。体细胞胚是人工种子的主体，它的质量直接决定了人工种子苗的质量，所以要得到正常植株，必须得到高质量的胚。1986年，Redenbaugh提出了苗转化率这个概念，即得到一个高质量胚需要达到的要求：（1）形态上与天然的合子胚相似，胚状体的发育必须达到子叶时期，即已有胚轴和胚根的伸长（2）有可发育成为茎叶系统的分生组织，并有根端分生组织形成根（4）发育成的植株表现型应与亲本相似。Fujii等认为应该使用苗转化率的概念来鉴定体细胞胚质量的优劣及人工种子的总效率。
人工胚乳的制作，实质就是将筛选出的适合体细胞胚萌发的培养基添加到包埋介质中。在其添加丰富的营养物质，如淀粉、蛋白质、脂肪等，还有一些酶、维生素、生长素、化学药剂、菌肥等，来为种子的萌发发育和生长提供更好的条件。
人工种皮通常包括两个部分，即内膜和和外膜。内膜是人工胚乳的支持物，其要求是能保持胚乳中的物质不渗漏，具有一定的强度、通透性和保水性，能被某些微生物降解。由于可供选择的胶类物质很多，从1982年五月开始，美国植物遗传公司（PGI）Redenbaugh领导的一个研究小组，为寻找合适的这种物质，花了一年多的时间，筛选了100多种物质。最终，他们选定了水溶性胶类，他们试验了21种胶，并对能形成胶粒的11种作了比较，发现6种这样的水溶胶可以保证胚在包埋后存活。其中能实现胚-植株转化的有海藻酸盐，最后选择出理想的内膜，以海藻酸钠为包裹材料，因其价格低廉，成胶容易，使用起来较为方便，且对体细胞胚无毒害作用。虽然海藻酸钠有这样多的优点来适合作为包埋介质，但它的固化成球的胶体对水有很好的通透性，会导致胚乳中的成分流失，而且胶球还容易粘连。为了克服这个问题，又加上了人工种皮的外膜。目前效果最好的外膜环己烷，它具有防水，无黏性，抑制干缩和促使海藻酸钠硬化等特点，但该药价格昂贵，所以难以推广使用。
至于包裹体细胞胚的方法，虽然外国已经研制出来人工种子包裹机器，但由于在操作的过程中，会因空粒多而浪费了大量的原材料，等一些原因还须进一步改进才能应用于大规模生产。所以目前大多还是采用的手工包裹，其方法如下：在无菌条件下，将体胚悬浮于含2%一3%的藻酸钠溶液中，将含有体胚的藻酸钠悬滴落在0.1mol/Lcacl的凝固剂中,由于发生离子交换反应,表面迅速发生络合作用,一般停留5一10min就会形成胶囊丸的圆形人工种子，包埋的过程就完成了。
四、研究中存在的问题。
1、人工种子的含水量大，常温下易于萌发，也易于失水，储藏技术是很大一难题。目前有低温贮藏法、干燥法、液体石蜡储藏技术、超低温储藏技术、抑制剂法等方法的组合。低温法和干燥法的结合是目前对多的方法，在1978年，Nitzche首次用脱落酸处理胡萝卜体细胞胚，经过了7天的干燥后，仍然具有生命力，并且得到了再生植株；1987年，Gray等在23℃的条件下干化鸭茅体胚21天，萌发率达12%，转化率达4%。各种研究表明，在人工胚乳中添加脱落酸能够促进体细胞胚的形态正常化，抑制配体过早萌发，有利于物质的积累，进而提高干化耐受性。另一种的研究结果是，发现高浓度的蔗糖预处理体配能提高其干化耐受性,延长贮藏时间,提高贮藏后的萌发率。在1996年，Timbert等研究表明脯氨酸也能提高胡萝卜体胚干化耐受性。1990年，李修庆发现海藻酸钠包埋的胡萝卜体胚经干化后其超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性显著提高,从而减轻低温贮藏对胡萝卜体胚的伤害。
2、由于人工胚乳中含有糖类等有机物质，富含营养的人工胚乳一旦暴漏于田间，必然会遭到微生物的侵染。所以必须采取一定措施使人工种子具有一定的防腐抗菌能力。美国加州植物遗传公司(PGI)，专门研究人工种子防腐剂添加问题,1990年，柯善强等在人工种皮中加入防腐剂,明显地提高了黄莲人工种子有菌条件下的萌发率和成苗率;同年，李修庆等在人工种皮中加入防腐剂G和对蛭石灭菌后播种,结果提高了人工种子有菌条件下的萌发率和转化率;在1994年，汤绍虎等在人工种皮中加入400-500mg/L的先锋霉素、多菌灵、安苄青霉素和羟基苯甲酸丙酯,均有不同程度的抑菌作用,使甘薯人工种子在有菌的MS琼脂培养基上萌发率提高了4%-10%;1995年，陈德富等用100mg/L的青霉素和0.1%CTM作为宁麻人工种子的防腐抗菌剂,在自然土壤中发芽率和成苗率均达到100%;在2℃条件下贮藏120天后,发芽率达25%,成苗率达5%。。预先加入链霉素等抗菌剂被证实具有较好的防腐效果，但抗生素时间长了易失效。在包埋介质中添加防腐剂能够保证人工种子在发芽前不染菌，但要找到对胚无伤害，即不影响胚的正常发育和萌发的防腐剂还很困难。
五、人工种子的意义。
不仅能象天然种子一样可以贮存、运输、播种、萌发和长成正常植株，有许多独特的优点：
1、人工胚乳中不单含有天然种子中所含的营养物质，还含一些如除草剂，可起到除去杂草的作用；接种一些对幼苗无害的菌种，可使其对病毒有抵抗能力；添加生长调节剂，可以人为的控制幼苗的生长和开花等一些化学药剂、菌肥、农药，更有助于种子的生长发育。这样，在人工胚乳内添加各种物质，就可使人工种子具有特殊的价值。
2、由于天然种子是有性生殖,在生产上受到季节限制,并且在遗传上具有因减数分裂引起的重组分离现象,所以杂交种只能种植一代.第二代便参差不齐了。而人工种子属于无性繁殖,只要活得优良基因型，就可以保持杂种优势，人工种子与常规育种和良种繁育技术结合,可大大缩短育种及良种推广的年限。
3、可以快速大量繁殖那些在自然条件下不结实或种子昂贵的植物。例如，一些名贵的突变材料，生物工程植株，生长周期长的多年木本植物，或一些同源、异源多倍体品种。
4、繁殖速度快且节约粮食：以胡萝卜为例，用一个体积为12L的发酵罐在20多天内生产的胡萝卜体胚可制作1000万粒人工种子,可供种植几百亩地，而作为农业大国的中国，每年都需要大量的粮食作为种子被播种，所以解决了种子的问题，就是节约了大量的粮食。
5、通过基因工程手段获得沟特种宝贵基因的新的少量的转基因植物,可以通过人工种子在短明内大量繁殖。更有一些植物在组织培养中很难分化,似左嚎生质体培养中通过胚状体途臣却可以获得再生植株,这就为这些植物的基因工程等研究提供了极为有效的桥梁。
6、便于生产机械的操作。由于人工种子不必经过试管苗那样的移出试管和移栽阶段，可直接播种到土壤中区。为了节省播种的劳力且节省耕地面积，可以开发“种子带”、“流动胶体”等技术，使不同作物、品种制作出大小、形状一致的人工种子，进而就可以用同一式样的播种机进行播种。
六、人工种子前景的展望。
在人工种子的应用上，首先必须选择满意的基因型植物进行繁殖。因为就目前状况，人工种子的竞争力还远远低于天然种子，所需成本还是较天然种子高。人工种子研究从模式体系转向商业基因型植物是很困难的。很多现行价值很高的基因型并不表现好的体细胞胚形成学特征。除了价值极高的作物外,只有胚形成过程的费用减少,人工种子才对真实种子有竞争力。例如,首楷人工种子的花费近于真实种子的20倍。将来费用降低可能要取决于实验宝人工胚的产生阶段,从而使人工种子适合于中等价格作物。由此可见选择基因型的重要性以及人工胚产生阶段的意义。人工种子技术可以首先用于多年生木本植物和无性繁殖植物。如橡胶树,由于每亩的用种量不大,而每颗种子所产生的植株价值很大,可以补足由于制造人工种子所增加的费用;又如,马铃薯、甘薯、魔芋等无性繁殖植物,每亩用种量较大,魔芋的用种量为1000kg/亩左右。因此,若用人工种子则可大大节约种芋、种薯,降低生产成本,减少贮藏期的腐烂和病虫危害等。此外,人工种子也是良种苗木快速繁殖和拯救濒危植物的一种新方法。同时,一些应用种子繁殖的植物,当应用细胞融合等技术导入完全异质的基因时,利用常规方法难以提高种子的稳定性和均一性,若用人工种子技术,即可消除这种障碍,使育种新技术得以应用。
总的来讲，人工种子目前尚处在探索阶段，要使人工种子真正得到应用,制备的成本应逐渐降低,手工操作逐渐减少,培养时间逐渐缩短,包裹等材料不断更新、改造,即培养及制作过程的自动化及机械化程度应不断加强。相信随着技术的进步与生产规模的大型化，人工种子的成本会大大降低，有望实现产业化和商品化，为人类创造更大的价值，带来更多的经济效益。
参考文献
【1】倪德祥,邹高治，纪才奎，叶正祥，周中一，李瑶，叶鸣明，蒋如敏.人工种子的研制，自然杂志，（11）6
【2】邢小黑，尹道川，虞秋成.植物人工种子研究进展，生物技术3，1993，（2）：1-5
【3】牛玉璐.植物人工种子技术及前景，衡水师专学报，2004年6月（6）：2
【4】袁海峰，张兴，陈淼，唐焕伟.植物人工种子及在观赏植物中的应用，国土与自然资源研究，2008,2:82
【5】夏海武，宋雨青.植物人工种子及其应用，昌潍师专学报，2001年4月，（20）2:28-29
【6】李玮，于惠敏，李秀荣，耿越.植物人工种子的研究现状及应用前景，科技信息专题论述，772-773
【7】倪德祥，邓志龙.植物人工种子的研究，江西科学，1992年9月（10）：3
【8】柯善墙，桂耀林等.植物人工种子的研究，植物学通报，1989,6（4）：205-210
【9】徐扎根，徐程，王树凤.草业科学，（17）：4
【10】詹忠根，张铭，徐程.植物非体细胞胚与人工种子，2001（6）
【11】杨俊香，张文龙，姚红杰.神奇的人工种子
【12】张宪省，郑成超.人工种子，山东农业大学植物、种子教研室，18
【13】邵宏波，初立业.植物人工种子研究进展，广西植物，1990,（10）2:168-174
【14】张铭，黄华荣，魏小勇.植物人工种子研究进展，植物学通报，2000,17（5）：407-412
【15】孙敏，陈安和.植物人工种子制作技术与应用前景，渝州大学学报（自然科学报），1995，（12）4
【16】廖苏梅，金笛.植物人工种子的概况，生物学通报，2001，（36）8:3-5
【17】杜兰芳.植物人工种子
【18】毛建民，李季平.人工种子技术及发展前景，周口师专学报，1994，（11）4
【19】刘真.人工种子技术的研究及应用展望，工作思考，2009年12月，（10）下
【20】陈喜文，陈德富.人工种子的应用前景
【21】钟孚源.人工种子的研制状况，广东科技，1997
【22】牛小牧，黄美娟等，人工种子的研究现状
【23】姚强，董晓玲.人工种子的研究进展，生物学杂志，1990，（1）
【24】苏丽萍.人工种子的实用化，生物技术
【25】孙毅.人工种子的开发与应用研究进展，科技情报开发与经济，2006，（16）5
【26】倪德祥，人工种子的研制
【27】孙敏，陈安和.植物人工种子研究与应用前景，渝州大学学报（自然科学版），1995
【28】张志军，姚宏亮，李合珍.植物人工种子，种子科技，2001
【29】刘昕岑，樊国盛.植物人工种子研究与应用前景，绿色科技
【30】林克久，曹慧娟.植物人工种子研究，河北林学院学报，1994 |