作者:李晨 杨宇 来源: 中国科学报 发布时间:2019-6-11
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植物干细胞:从实验室走向产业

 

张宪省(左二)与团队成员分析植物分生组织关键蛋白的功能。杨宇摄

近十几年来,张宪省团队围绕激素对植物干细胞的调控机理开展了深入研究,已经发现了生长素和细胞分裂素调控干细胞的机理。根据他们的研究结果,生长素和细胞分裂素的响应信号在茎端分生组织重塑呈现出十分有规律的变化过程,逐渐从相互重叠的均匀分布变成相互拮抗的分布模式,最终细胞分裂素分布在原分生组织的中心,生长素在细胞分裂素的上方周围区域呈环状分布。

■本报记者 李晨 通讯员 杨宇

“海棠苗木繁育仍采用扦插、嫁接等老办法,树苗的脱毒、品质控制等方面还存在一些问题和困难。联盟成立后,我们将建立山东农业大学组培实验室,依靠科学技术和专家力量来提高海棠组培苗木品质和生产水平。”

“育苗是果树产业发展的关键。我们希望参加这个联盟后,利用最先进的组培等技术提高苗木繁育和生产水平,促进苹果产业的转型升级。”

……

近日,山东农业大学作物生物学国家重点实验室与来自4省区的12家苗木企业、科研单位联合成立植物干细胞与生物技术创新战略联盟(以下简称联盟)。山东省聊城绿泽园林科技有限公司总经理李群述和甘肃省静宁县果树果品研究所所长李建明等与会者希望,通过此举加强产学研合作,用最新的科研成果推动植物组织培养产业健康可持续发展。

高价值物种难以组培的谜团

植物特别是木本植物的有性生殖获得的后代往往性状杂乱不一;而营养繁殖是对亲本的“克隆”,优良性状得以完全保留。

组织培养(简称“组培”)就是一种营养繁殖方式。相对于扦插、压条等,组培苗有生长势更好、更加整齐、生产过程更容易控制、占地面积小、速度快、不受季节限制、适合工厂化大规模高效生产等优势。组培还是植物基因工程操作和分子设计育种的必要步骤。

“组织培养已经成为农业科学研究和农业现代化生产的手段和重要途径。” 山东农业大学作物生物学国家重点实验室主任张宪省教授告诉《中国科学报》,目前苹果、樱桃和一些花卉、林木可以通过组织培养来进行工厂化生产,实现快速繁殖,但还有许多经济价值高的物种或性状优异的品种难以实现组织培养。

例如,很多生物技术企业组培生产的花卉仅限于非洲菊、蝴蝶兰、红掌等,而牡丹、芍药、玫瑰、月季等经济价值更高、市场更大的花卉却从未见有人利用组培进行生产。原因就在于它们再生困难,很难建立组培再生体系。

再如,很多公司利用组培生产大樱桃矮化自根砧苗木,基本都生产吉塞拉等几个品种。原因就是其他品种,哪怕是性状更加优良的品种,也很难建立组培体系。

为什么会产生上述情况?

科学家认为,只有搞清楚外源细胞分裂素和生长素诱导茎端干细胞再生的作用机制,才能彻底揭开这个谜团。

揭开谜团的重要一步

近十几年来,张宪省团队围绕激素对植物干细胞的调控机理开展了深入研究,已经发现了生长素和细胞分裂素调控干细胞的机理。

山东农业大学作物生物学国家重点实验室教授桑亚林告诉《中国科学报》,根据他们的研究结果,生长素和细胞分裂素的响应信号在茎端分生组织重塑呈现出十分有规律的变化过程,逐渐从相互重叠的均匀分布变成相互拮抗的分布模式,最终细胞分裂素分布在原分生组织的中心,生长素在细胞分裂素的上方周围区域呈环状分布。

“这一特定模式是诱导干细胞产生的必要条件。”桑亚林说。

他们经过进一步的分析发现,这一特定模式是生长素和细胞分裂素信号转导和合成途径中的基因相互抑制造成的,而其中细胞分裂素信号转导通路中的B类响应因子直接启动干细胞调控基因的转录。

“这些结果为我们进一步提高难再生物种和品种的再生能力,进而建立组培体系奠定了理论基础。”张宪省说,从理论上讲,植物的所有器官都可以诱导产生,这与使用的培养材料,以及激素的种类、激素的水平等都有密切的关系。

过去一般都是利用茎、叶通过诱导愈伤组织来进行组织培养,而该团队最近的研究发现,用根经过转分化过程培养产生的芽不仅数量多,而且时间短。

科研人员介绍说,随着研究的进一步深入、拓展,将来有可能直接产生花瓣、心皮、雄蕊,甚至果实,建立真正的“植物工厂”:生产心皮和雄蕊,从而直接在培养基上结出大米;生产果实,让宇航员只带接种了植物组织的培养基上飞船,便可以在太空中吃到新鲜的番茄……可以说,组织培养为现代农业带来美好的前景。

产学研合作提高创新水平

“基础研究要为技术创新提供指导。我们刚申报了山东省植物干细胞与生物技术创新研究中心,目的是让这些最新研究成果在推动农业产业发展中发挥作用。我们不仅希望通过与国内外顶尖科研单位加强合作取得一流研究成果,而且希望与企业加强合作,让这些研究成果接地气、指导生产实践,用科技提高我国农业生产的水平。”张宪省说。

记者注意到,联盟中既有山东丰沃农业有限公司、山东聊城绿泽科技有限公司等国内苗木行业的知名企业,也有地方科研和推广单位。

桑亚林认为,企业最想看到的就是越来越多的重要物种或品种建立组培体系,由它们来进行工厂化的生产。而科研工作者最看重的是揭示某个生物学过程的机理。“联盟的意义在于,让企业告诉高校,哪些物种或品种经济价值最大;由高校根据自己的基础研究积累,去建立这些物种或品种的组培体系;再由高校和企业一道,优化方案,降低成本,建立可商业化的成熟体系。”

著名果树专家、中国工程院院士束怀瑞指出,干细胞和组织培养研究是作物生物学国家重点实验室的特色优势方向,已经取得的重要成果要想应用于生产,必须与企业结合。通过建立联盟,把创新能力强的相关单位联合起来,强强联合,形成合力,这样才能保证研究成果和产品是高水平、高效益的。

“希望这个联盟瞄准生产需要来研究问题,争取大项目、出大成果,推动产业做大做强,这样我们的产学研结合才有力量。”束怀瑞说。

《中国科学报》 (2019-06-11 第6版 农业科技)
 
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