大麻植物组织培养:是什么?

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作者 Luke Sumpter
10 十二月 2020
组织培养与克隆有何不同?它到底是什么?
10 十二月 2020
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大麻植物组织培养:是什么?

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  • 1. 组织培养的历史
  • 2. 组织培养基础知识
  • 3. 什么是植物组织培养及其原理?
  • 4. 组织培养 vs 克隆
  • 4. a. 克隆
  • 4. b. 植物组织培养
  • 5. 组织培养的五个步骤
  • 5. a. 家庭植物组织培养操作指南
  • 5. b. 化学成分参考指南
  • 6. 总结

组织培养是指从植物体上获取活组织,并在无菌条件下将其培养成一株完整的植株。 这种工艺最早可以追溯到1885年,虽然在大麻种子领域算是相对较新的技术,但其效果显著,且适用于大多数植物种类。组织培养工艺可以得到稳定的植物组织来源,技术人员通过植物细胞的增殖对其进行保存。通过在清洁、安全的设施中保存这些种质资源,可以长期留存并持续繁殖特定的植物品系和表现型。这一技术有助于保护稀有品种,或让高产和高效力的表现型植株持续存活并在扩大繁殖时投入生产。你可以把组织培养看作是特殊条件下保存的“基因库”,当需要时才移栽到花盆或室外土地中。

1. 组织培养的历史

组织培养的历史可以追溯到1885年,当时一位德国动物学家尝试培养雏鸡胚胎的组织,但直到1907年,一位美国动物学家才成功培养了青蛙的神经细胞。

Cannabis plant tissue culture: history

组织培养最早由一位德国动物学家首次尝试,他试图培养雏鸡胚胎的组织。
 

随后在1910年,一位法国外科医生改进了这项技术,并定义了组织培养。技术被定义和完善后,其他多项实验获得成功,并促使研究人员能在人工条件下培育干细胞,从而加深了人类对生物学的了解,并推动了再生医学的发展。不过,你可能会问,这和大麻有什么关系?

2. 组织培养基础知识

在深入了解组织培养、其工作原理以及组织培养与克隆的区别之前,让我们先来了解组织培养的基本要素。

研究

如果你准备在家尝试组织培养,首先要了解是否有人对你手头的这个特定品种(strain)实验过且取得成功,这样你可以参考相同的方法进行操作,用作操作指南,知道哪些该做、哪些不该做。

植物组织

明确了参考方案后,下一步就是挑选你想用于组织培养的母株。供体植株必须100%健康且无病害。至于取用植株的具体部位,不同植物可能会有差异,所以一定要严格遵循前述指南,提升成功率。需要注意的是,该过程对清洁度有很高要求,你的衣物、工具及房间必须完全清洁消毒,因为污染是导致失败的首要原因。

空气

其次是空气,因为植物需要洁净空气,确保空气干净你可以购买简易手套箱,或者用旧鱼缸和PVC管自己 DIY。

培养基

最重要的要素之一就是培养基,这是植株生长到一定大小后安置的环境。培养基应为一种凝胶状物质,既能提供稳定支撑促进根系与植株生长,也能供给植物生长所需的营养,因此Agar(琼脂)是最受欢迎的培养基之一。

了解了所需准备后,继续阅读来学习如何进行大麻以及各种植物的组织培养。请记住,如果缺乏合适的材料和设备,组织培养确实有一定难度,但不必担心。你仍可选择克隆你的植物;虽然克隆数量取决于植株分枝的多少,但克隆很简单,无需多少经验。只需克隆凝胶和剪刀即可!

3. 什么是植物组织培养及其原理? 

前面已经详细说明了组织培养,简单来说,就是获取极少量植物组织或细胞,然后发展成为数百甚至上千个完全相同克隆体。这种方法让种植者仅需很小空间和少许投入,就能长期保存某个品种(strain)。同常规克隆一样,组织培养也是从需克隆母株的一小部分开始,不同的是,此组织样本会被修剪、消毒,清洁后置入含有养分、激素和糖分的培养基中。

Cannabis plant tissue culture: what is it?

与克隆不同,组织培养仅需极少量植物细胞即可完成。
 

这个营养培养环境因不同组织培养案例量身定制,因为有些养分和激素会触发具体阶段的发展,所以无论你想启动生长、根系发育还是增殖(当植株足够大),都得为相应的阶段配置特定营养培养基。因此,你可将组织切成许多片分别克隆,当这些组织块足够大时,再供给能促进生根和生长的营养培养基。

4. 组织培养 vs 克隆

随着大麻行业的发展,商业种植者都在寻找如何以更短时间获得更高产量和效力的方法。在可能条件下,种植者正逐步从克隆转向组织培养,这是为什么?

克隆 

如你所知,克隆工艺是从母株剪取枝条,待其生根后继续生长,这个克隆体会成为与母株完全一致的复制品。

Cannabis plant tissue culture: cloning vs tissue culture

克隆与组织培养对比。
 

但克隆苗作为幼苗时可能不太稳定,存活率不高,且容易受到害虫、感染、病害影响,代代相传很容易出现基因突变。而组织培养则完全不同。

组织培养 vs 克隆
组织培养 克隆
比种子和克隆更贵。 比种子便宜。
操作得当存活率更高。 存活率较低。
可从一片叶子获得数百乃至上千克隆。 可从一株植株获得数百克隆。

植物组织培养

组织培养工艺相对简单,但需要严格控制调节环境条件,组织培养实验室需具备:

消毒

组织培养需要为植株提供理想环境,要以最易吸收的状态供应植物生长所需,但该环境同样容易滋生细菌和有害微生物,因此必须全程消毒。消毒至关重要,因为真菌或细菌都可能杀死你的植物,所以不仅实验室本身须消毒,器皿、设备、乃至植物材料(即“外植体”)都需无菌处理。

Cannabis plant tissue culture: cloning vs tissue culture

如同扦插一样,组织培养要求严格遵守特定条件。

无菌环境  

全流程处于无菌环境至关重要。理想条件下,会有一个专用操作舱,用以确保接触到的设备均已消毒。每次须暴露诸如工具、器材或组织时均需在这特殊环境操作。

病原体极易侵入工作空间;空气中到处都是真菌孢子。为防止体外培植(如放在培养皿中)植株被污染,技术员通常在流式超净台前或台下工作。这些设备通过风扇将空气经过HEPA高效过滤器——可以滤除细微病毒、细菌和真菌孢子的设备,净化后的空气以层流方式贯穿整个操作台,避免污染物落入敞开的培养皿。

专用培养基

植物组织培养应使用无菌的培养基,为植物提供营养、糖分、水分及生长空间,保证植物从组织到完整植株的所有生存需求。可以用现成粉剂、糖和蒸馏水在家自制,pH值调到5.8。过程简单,但安全措施必须到位。

组织培养的优缺点
优点 缺点
可短时间内获得成株。 需要更多人力和资金投入。
只需极少量组织。 因无菌环境导致抗逆性较低。
新植株更有可能无病虫害。 组织需彻底检查有无异常。

5. 组织培养的五个步骤

下面介绍实验室进行植物组织培养的五个简单步骤,请注意这里是流程摘要。

  1. 选择想用于组织培养的植物;
  2. 将组织置于无菌环境,取一小块,清洗并在适宜培养基培养;
  3. 确保合适环境并让组织增殖繁殖(通常需14天);
  4. 诱导生根;
  5. 移栽到最终容器,继续生长。

如果你想知道更为详细的操作流程及如何在家手动操作,这里有一份指南,不过请知悉还需配备较贵的器材和专用设备。

家庭植物组织培养操作指南

如果你对如何用大麻进行植物组织培养感兴趣,下面附上详细的操作步骤。如前所述,需要专用设备,但完全可以在家完成。

起始化阶段(1-2周)

步骤1

启动超净工作台并提前30分钟运行,如果没有层流超净台,可用酒精灯并靠近火焰操作。

Cannabis plant tissue culture: step-by-step guide

确保在操作前全部消毒。

步骤2

用70%乙醇消毒超净操作台,但切勿直接喷洒于滤网。

步骤3

开启灭菌器并预热20分钟。

步骤4

用干热循环消毒一包滤纸,再用慢速循环消毒器皿、水和吐温。

步骤5

准备培养基:取一容器,注入反渗透水、蒸馏水或去离子水(最佳)。若为1L培养基,加900ml水。水备好后加生长养分至EC值为1.5,然后加30g/L糖并调pH至5.7,加6g/L琼脂,装入高压灭菌瓶内(勿过满)。高压灭菌15分钟后每只无菌容器分装约50ml。

步骤6

准备培养基后,用0.5%漂白液和0.1%无菌吐温20配制消毒液,如果只有2.75%漂白液,每升需181ml。

Cannabis plant tissue culture: step-by-step guide

确保连植物材料也在开始操作前彻底消毒。
 

步骤7

容器装少量水,放入大麻材料,确保植物材料健康。如需保存超1小时,须装冰盒冷藏并尽快放水。

步骤8

取消毒密封容器,注入约80%的漂白/吐温液,添加植物材料并密封。

步骤9

轻轻摇动20分钟,随后剧烈摇晃20秒。

步骤10

将材料转移至装满80%无菌水的容器,轻摇5分钟,重复2次。

Cannabis plant tissue culture: step-by-step guide

完成所有步骤后需将外植体置于培养容器中,至少培养3周。

步骤11

用无菌镊子转移植物材料至无菌滤纸以吸干多余水分,并每份材料单独放一只容器。植株应垂直放入容器,置于25℃,18/6光照周期下至少3周。待植株长成后,即可作为克隆苗于你选择的介质中继续生长,无论是户外还是室内。

化学成分参考指南 

需知有多种类型培养基,矿物质及其含量会根据你使用的具体培养基而变化,本文以Murashige-Skoog培养基为例,务必阅读并确定你所选培养基推荐的成分及用量。

大量元素
无机氮 25000-60000µmol/L
钾 20000-30000µmol/L
磷、镁、硫、钙 1000-3000µmol/L

这些是大麻植物大量需求的基本营养物质,也是组织培养不可或缺的条件,缺失时植物无法生长绿色组织。

微量元素
钴、铜 0.1µmol/L 锌 5-3µmol/L
铁、钼 1µmol/L 锰 20-90µmol/L
碘 5µmol/L 硼 25-100µmol/L

这些微量元素植物需求量虽少但同样重要,缺乏时植株会表现出明显缺素症状,影响组织培养的正常进行。

维生素
硫胺素 0.1-10mg/L 吡哆醇 0.1-10mg/L
烟酸 0.1-5mg/L 肌醇 50-500mg/L

这些维生素有助于植物新陈代谢,对组织培养尤其重要,务必补充并严格控制用量。

氨基酸
酪蛋白水解物 0.25-1g/L 天冬酰胺 100mg/L
甘氨酸 2g/L L-精氨酸 10mg/L
谷氨酰胺 8000µmol/L L-酪氨酸 10mg/L

6. 总结

大麻组织培养看似复杂,其实原理并不难,只要你能持续保持最优环境,采取所有安全措施,存活率就能大大提升。我们知道该工艺较新且成本较高,因此并非所有种植者都能拥有需要的设备。如果你工作、或者自己在家搭建了组织培养实验室,欢迎你与广大种植者分享经验,欢迎在评论区留言!

外部参考文献

  1. Plant Tissue Cultures. - Kärkönen, Anna & Santanen, Arja & Iwamoto, Kuninori & Fukuda, Hiroo. (2020). 
  2. Nanotechnology and Plant Tissue Culture. - Tariq, Amina & Ilyas, Saiqa & Naz, Shagufta. (2020). 
  3. Plant Tissue Culture Media, Recent Advances in Plant in vitro Culture. - Annarita Leva and Laura M. R. Rinaldi (2012).
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