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小麦花药培养育株记蛋蛋彩票

  上世纪七十年代初,欧阳俊文、胡含等一批中国科学院遗传研究所的科学家在小麦花药离体培养方面取得重大突破,在国际上率先培育出第一株小麦花粉单倍体再生植株,于1973年在刚刚复刊的《中国科学》季刊第一期上发表了题为“小麦花粉植株的诱导及其后代的观察”的科研论文。这是在那个年代由中国科学家自主完成的少有的原创性的重大科研成果之一,该文一经发表就引起了国内外学术界的广泛关注和高度评价。

  当时的Scientia Sinica刚刚复刊,国门也初开,在国外还谈不上有发行量。但该论文发表的消息在国外不胫而走,前来索取论文抽印本的明信片如雪片似的纷至沓来。包括植物组织培养的祖师爷之一,法国的R.J.Gautheret也寄来的索取函。《中国科学》编辑部早料到该文会受到特别关注,主动破例多加印了340份英文抽印本,这么多的抽印本依然很快就被索取殆尽。

  人们不禁会问,当时是如何取得这项成果,为什么能在国际上引起细胞生物学界科学家的高度关注,其意义何在,现在的发展应用状态等问题,试以回顾做一叙述。

  上世纪六十年代我国经历了三年自然灾害,加之恶化的国际环境和连续不断地政治运动多重影响,造成全国性的粮食短缺、生活物品匮乏。党和国家先后提出了“备战备荒”、“抓革命、促生产”的号召。遗传发育所的广大科技人员克服困难排除干扰,在良种培育、粮食生产上都做出了很大贡献。例如杂交高粱的普及推广,一定程度上缓解了有饭吃的问题。国庆二十周年,当展示遗传所取得成果的彩车通过检阅时就让全所的人兴奋不已了。那时遗传所引以为傲的3大成果是“高粱土豆打猪草(打猪草为一类糖化饲料)”。虽然这句话后来被系统外的一些单位的人调侃,说遗传所名不副实,最多也就是高级农科所或良种站,但当年的这些成果的确激励了遗传所职工的工作干劲。

  1970年初,由于政治运动形势趋于缓和,中国科学院已经允许做一些与生产实践相联系的基础性的科研工作。那是3月17日,遗传所召开了全所科研生产会议,对落实1970年科研生产计划提出“五定”要求,即定方向、定任务、定指标、定措施、定人员,并强调科技推广工作不能放松,商讨基础理论如何突破等问题。当时工、军宣传队进驻遗传研究所,将五个科研“专业队”改为“连队”编制,实行军事化管理。所属的第三连队为落实1970年的科研生产计划,在连勤务组的召集下于4月23日召开了连队勤务会议,商议开展哪些项目的科研业务工作。庄家骏、颜秋生主持会议,从国内的形势到遗传所的现状讲起,全国各行业都取得很大成就,遗传所的其他连队也都出了许多好成果。提到我们连队决不能落后拖后腿,除了现在常用的远缘杂交和化学诱变育种方法外,希望大家集思广益,提出适合连队开展的育种新方法,加速育种进程,尽快取得好成绩向党和人民献礼。那个年代人们就是这样想,这样说,这样干的。

  会上李良才与欧阳俊闻讲道可以尝试开展一种“花药培养”的新育种方法引起大家的极大兴趣。年前李良才出访日本时从一篇由日本科学家新关宏夫撰写的综述文章中看到了有关从曼陀罗、烟草、水稻等高等植物经花药培养成功再生植株的报道而获得启发,找欧阳俊闻共同商议,觉得这一技术很有前途,能加速培养新良种,虽然缺少详细技术资料,但认为国外能做到我们也一定能做成功。随后李良才介绍了所了解的国际上花药组织培养发展动态,谈到这一工作的意义:在育种上可以缩短获得纯系的时间;在理论研究上,有助于在高等植物上进行犹如微生物上一样的遗传操作和分析。欧阳俊闻先生曾经有从事植物组织培养研究的经历,为此着重介绍了组织培养的操作程序和所需要的基础实验条件。认为花粉培养也不是高不可攀,只要大家齐心协力,攻克花药培养难关也不是没有可能性。

  科学发现是有时效性的,没有把握住时机就会错失机遇,所以那时决定开展花粉培养单倍体育种至关重要。但是花药培养单倍体育种项目立项过程并不顺利,且差点就胎死腹中。全连队有几十个人,会上主要发言讲话的就几个人,但争论非常激烈。生产计划工作会议持续开了一整天,上午未达成一致意见,下午接着议题继续开会讨论。这在以往少见的,通常连勤务会布置、讨论工作计划2小时内搞定。这次皆因部分人员质疑花粉培养的可行性,认为这是天方夜谭,没有详细技术资料参考佐证,遗传所的组织培养的基础薄弱,培养条件几乎没有。特别是连队主要负责人之一的陈英先生就表示质疑,她极力主张连队开展化学诱变或辐射育种研究,因为取得成果的把握几率更高些。庄家骏先生则表态联系实际工作本组问题不大,化学诱变已经在小麦方面开展了,提议争取小麦夏播,立即开展小麦花粉培养的预备实验。胡含发言表示同意,支持开展花粉培养研究,主张进行阶段性的任务,化学诱变与组织培养工作可以结合起来,材料要分期播种,可以随时进行实验,保证能在‘十一’献礼。颜秋生也表示:“应集中精力搞小麦、水稻花粉组织培养工作,如果到年底花培工作无结果,再回头抓水稻诱变工作亦不晚”。胡含先生在会上再次强调应该开展具有国际水平的研究项目,表示我们应该在水稻、小麦等主要农作物上开展花药培养技术研究,争取获得突破,在国际上显示祖国的科学事业的发展和进步。并且从花药培养的原理上进行了一番分析,阐述了选题对科学研究的重要性。由于视野独到,目标都是朝向国际水平的高度看齐,具有远见卓识的眼光。一些与会者至今都对胡含的讲话有深刻印象。经过大家认真讨论协商,大多数同志都表态赞同开展花粉培养育种的新方案。在这种情形下,陈英也妥协了,表示“在花粉培养的同时,可以同时进行种子化学诱变处理”。意见统一了,颜秋生表示由他来负责撰写科研生产计划报告书,并向所革委会提交开展新育种方法的申请报告。即使这样,陈英当晚还从中关村大老远赶往北郊,试图阻止颜秋生提交花粉培养育种方案,再次要求更改为化学诱变和辐射诱变育种方案。幸好被颜秋生直接回拒了,答复说,“既然大家都在会议上通过了该方案,就让先试试做上一年,诱变育种也可以做,相互之间并不产生矛盾。连队人员多,可以让一些人开展诱变育种试验”。假使花培育种方案没有实施,就没有后来的一切,欧阳俊闻提起来还很感谢颜秋生能顶住压力不妥协,使花粉培养育种技术在祖国开花结果。陈英虽然曾激烈反对开展花粉培养研究,但花粉培养工作正式展开后,她还是全身心投入了试验工作,并在该领域取得很多成果,这是后话。

  由于这一次连勤务会议契机,遗传研究所开展了探索花药培养与单倍体育种新方法的研究,从而在小麦花药离体培养研究领域取得了举世瞩目的辉煌成就。

  时间要追溯到六十年代,花药培养首先在曼陀罗上取得了突破。1964年,印度科学家Guha S. and Maheshwari S.C.通过花药培养获得了毛叶曼陀罗(Datura innoxia)的单倍性胚状体和小植株,并证明小植株来源于花粉(1964. Nature, 204: 497)。但这篇重要文章并没有引起中国科学家的关注,甚至没有人读过这篇论文。也许与当时我国政治形势和所处的国际环境受到长期封锁,几乎没有国际科技交流有关。连里打出的旗号是要建立一个育种新方法,加速育种进程,这是符合当时中国科学院制定的科研大方向,计划顺利获得到遗传所革委会(当时所领导机构)的批准与支持。

  1970年开始了花药培养实验,全连的二十多人团结一心齐上阵,参加了花粉培养的前期筹备工作。欧阳俊闻、李良才先生曾撰写“花药培养,曾经的辉煌”一文对当初的工作情景做了详细描述:在连队勤务组的领导下,人心齐、干劲足,排除困难创造条件,前期工作很到位。从器材科库房领出了已闲置多年的全部组织培养专用器材,包括玻璃器皿,试管架和试剂等;接收了所里闲置的公用接种间和培养室。例如用纱布、棉花捆扎试管塞,大家齐动手,几千个瓶塞在谈笑声中就做完了,真可谓“天时,地利,人和”。

  花药培养一开始就以小麦,水稻这两个重要农作物为实验材料,主要从那些为育种而配置的杂交组合F1代取材,因为当时科研工作必须和育种实际紧密结合,而恰巧也正是三连的优势所在。当年5月就以大田小麦为材料开始做花粉培养,采用了大兵团作战方式,接种量很大。但小麦花粉培养在当时国际上还是难题,初次尝试虽没成功,还是积累了一些经验。

  其中最辛苦的工作当数接种花药,这不是人人都能做的,身体不好、眼神不佳、手指不灵活的都无法胜任。组织培养、花药培养需要在无菌条件下操作,那时还没有空调和空气过滤设施,而接种间是在一个密闭空间,不能通风透气,设立的隔离间、缓冲间也是密不通风。接种前用福尔马林熏蒸消毒,再喷洒70%的卫生酒精,紫外线灯始终照射灭菌,仅在接种操作时临时关闭。在那种条件下工作,光气味就能使人窒息,而且进入接种间要换已灭菌的白大褂、戴口罩和帽子,加上操作台上为消毒接种工具而燃烧的酒精灯,室内氧气严重不足,工作一阵子就头晕眼花,必须出来深呼吸、透透气以缓解疲劳与压抑。这种接种工作,只有经过亲身体验,才知到从小麦幼穗中挑拣出小小花药实在不易,离远了看不清,近了就可能导致污染。

  经过大家共同努力,当年(1970年)水稻花药培养就获得了再生植株,1971年又在国际上率先培育出了小麦花粉植株。相关研究结果于1972年1月在《遗传学通讯》第一期上发表,题目为“从水稻、小麦花粉培养诱导植株研究初报”。这篇文章严格地说只能算是一份研究简报,署名为遗传所303组,正是三连的二十多位人员组成的科研团队共同完成的水稻、小麦花粉诱导再生植株的报告。《遗传学通讯》是内部刊物,1971年创刊,半年出版一期,主要以赠阅方式在国内发行,但依然引起了国内许多科研人员的关注。

  在这篇报告中提到,最先开展小麦花粉培养起于1970年春。当时仅获得了愈伤组织的细胞团块,却没有分化出根或芽,但发现找到了关键因素,是愈合组织质量与培养基成分的关联。因而在八、九月开展水稻花药培养时对培养基成分做了一系列改进实验,其中蔗糖浓度提高一倍后所形成的愈合组织比较容易分化出再生幼苗,当年就获得200多株水稻绿苗。经过显微镜检查根尖染色体,部分植株是单倍体,大部分为二倍体。1970年有47株水稻花粉植株移栽成活,半数自然结实。关于水稻花粉培养基、培养方法主要参考国外的资料,并做了适当改进,也在本期《遗传学通讯》上以303组署名发表了题目为:“从花粉培养出植株的研究及其意义”的文章。报道了国外相关研究进展,对这项研究的意义和前景作了评估和预测,主要就是能大为缩短育种时间,提高选择性和效率等,在理论研究上也有重大意义。通过离体花粉培养的单倍体和纯合二倍体进行形状分析,研究遗传规律相结合,为育种方法提供理论指导。从本文也看出小麦花粉植株于1971年培育成功,因有了小麦、水稻失败与成功的两次实践,根据经验做了认真分析,着重于解决第一步培养中影响愈合组织质量的主导因素,调整了培养方案。接种了上万个花药,终于把小麦花粉幼苗培养出来了。蛋蛋彩票3月份取温室栽培的春性和半冬性小麦为材料进行小麦花粉培养,花药取自花粉单核时期,采用MS培养基,蔗糖浓度提高到6%,补加2,4-D 2ppm,水解去氧核糖核酸10-120ppm,在低于25℃温度条件下培养。花药经过十余天培养后就陆续长出愈合组织,将愈合组织转移到补加有吲哚乙酸和激动素各0.2ppm的MS培养基后即分化出了芽和根。因从4月下旬开始,陆续有小麦绿芽分化出来,最后得到了多达49株小绿苗。由于小麦试管苗移栽不易,死亡率很高,仅有16株长大成熟。镜检证明多数是单倍体,也有少部分二倍体,移栽后有的已能自交结实,经后代分析也证明,这些二倍体也是单倍体自然加倍的纯合二倍体。在1970-1971年积累经验的基础上,为1972年的小麦花药离体培养工作设计了几个实验程序,有目的地对培养基、培养方法和条件做了改进,也进行了系统的细胞遗传学观察分析,取得了很大的进展,获得的花粉植株就达几百株了。

  小麦花药离体培养成功获得再生植株消息传出后,中央新闻电影制片厂闻讯来遗传所跟踪拍摄了301组科研人员进行小麦花药诱导培养并获得再生植株的全过程,剪辑编排成“花粉育珠”的短纪录片。当年国庆节前在全国播映了“伟大祖国欣欣向荣”的6集系列纪录片,其中第三集反映科技战线成就中就特别加入了“花粉育株”短片,扩大了国内的知名度和影响力,全国各地纷纷来人学习取经,很快花药培养技术就在全国推广普及了。

  正巧在1973年《中国科学》正式复刊了,在复刊后的第一期英文版上发表了以欧阳俊闻、胡含、庄家骏、曾君祉署名的“小麦花粉植株的诱导及其后代的观察”论文。发表时间虽晚了点,但内容却更系统,更有深度。这篇论文不仅仅报道获得小麦单倍体植株,内容还包括多种培养基试验,不同花粉发育时期的影响以及培养初期花粉发育的细胞学变化等。此外,还有愈伤组织质量的组织学描述。更值得注意的是还观察到了来源于杂种F1花粉植株后代不分离的现象。因为工作非常系统,实验数据详实,同时介绍了详细的培养条件,实验方法、步骤和结论,起点水平很高,自然引起了国内外学术界的高度关注。

  花药培养工作刚开始都是二十多人一同做,水稻、小麦培养也没分组,只是每人侧重某方面工作。1972年遗传所科技人员也分批分期到中国科学院在河南和湖北建的“五七”干校进行劳动锻炼,三连也有许多科技人员也被派遣去了干校,从事花药培养的人员有所减少,但工作没有停顿,培养技术的成熟,研究更加深入了。1973年在《中国科学》发表了署名文章后,引起了部分未署名的人员不满,为保持团结,平息风波,分头做了调解工作,又在1973年的《遗传学通讯》第二期,以三室一组名义重新发表了“离体培养小麦花药诱导花粉植株”的论文,内容几乎与《中国科学》上发表的相同,在页脚标注了参加工作的全体人员名单15人,除了原有署名的欧阳俊闻、庄家骏、胡含、曾君祉外,另外11人是贾旭、郗子英、汤光才、姚珍、胡启德、张炎、李良才、蔡祺星、谷明光、于锡厚、黄大年。又以三室二组名义发表了“诱导水稻花粉植株发生的某些因素及植株遗传学表现的研究”的论文,同样在页脚标注了参加该项工作的12人名单,即使这样,个别人员的情绪也没化解。这时连队编制已经取消,三连改为第三研究室,原连队人员进行了重组,分设为5个研究组,部分人员分流到第四研究室。从事小麦花药培养遗传研究的组成三室一组,简称301组,组长庄家骏、副组长欧阳俊闻,研究组成员有胡含、曾君祉、贾旭、贾双娥、郗子英。研究所的同事根据人员姓名之特点打趣,称该组是“真真假假、稀里糊涂、欧阳装蒜”。研究组的人员也做了初步分工,分为花药组织培养、细胞学遗传分析、再生植株后代栽培与选育等部分。分工合作,研究工作开展顺利,研制出土豆简化培养基,提高了再生植株诱导频率。离体花粉培养的细胞学观察与遗传分析都取得显著进展,并选育出许多花粉植株新品系,送往各地试种。

  小麦花药植株培养成功后,经过几年选育,培育出第一个优良花粉小麦新品种“花培一号”,在昆明郊区获得大面积推广种植。为此在国内举办了多期花培技术培训班,在全国掀起花药培养热潮,几年后全国就有20多种植物花粉培养获得成功。并应邀举办了国际植物组织培养培训班和学术讨论会,极大地提高了中国在国际科技界的声望和地位。这项成果使得301组在1978年3月举办的“全国科学大会”上获得表彰,评为先进集体。

  为了改善科研基础条件,进一步提高花药培养技术和加强遗传学机理研究,小麦花培课题组扩增了人员,并拆分为2个科研小组,相互独立又相互关联。由庄家骏、欧阳俊闻领导的小组主要开展花粉培养技术的研究,通过对诱导、分化培养基的激素、生长素、碳源、无机与有机元素的配比组合调整,以及温度前处理等培养条件的优化,研发出适合小麦花药、花粉培养的新型土豆培养基,极大地提高诱导再生频率。小麦花药培养取得的一系列成绩,在2001年获得了中国科学院自然科学一等奖。胡含小组侧重细胞遗传学机理的研究探索,通过对小麦花粉愈伤组织的染色体变异、花粉植株体细胞、花粉母细胞的变异现象持续观察研究,揭示了小麦花粉植株的变异普遍性及其规律与机制;发现和论证了在花粉植株水平上配子类型充分表达的遗传规律,提出了小麦花药培养遗传机理和单倍体育种体系。不仅有遗传学理论研究意义,也有育种应用价值,对小麦品种改良上有重要意义。这项研究曾获得1997年的国家颁发的自然科学二等奖。

  随着时代科技进步,生命科技的突飞猛进,组织培养、花药培养热潮早已消退。但时至今日,小麦花药培养、单倍体育种技术作为常规实用的方法依然被国内外许多科研院所采用,继续开展研究及应用。国内外学术刊物时能读到相关的科研论文,国内也始终未终止花药培养的研究。例如石家庄市农科院在2000年后才组建了花培实验室,至今依然大规模利用花药培养技术开展小麦花粉植株培育工作,选育出许多新品系和优良新品种,取得了很多成果和效益。

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