植物繁殖的奇迹

从单个细胞到植株

自从1865年，英国物理学家罗伯特·胡克在显微镜下看到了软木的死细胞以来，人们对植物细胞已经作了相当详细的研究。

科学家们知道，植物细胞的种类很多，它们具有不同的形状，能行使不同的功能。植物细胞的形状与其在植物体内承担的功能有关。比如，薄壁细胞具有吸收、贮藏、通气和营养作用，所以它们呈球形、星芒状或多边形；导管细胞、筛管细胞和管胞，它们在植物体内输导水分和养料，所以它们呈长管状；纤维细胞和石细胞都起支持作用，所以它们的形状多半呈纺锤状或球状；而起保护作用的表皮毛则多半呈刺状……然而，科学家发现，不管形状如何多变、功能如何复杂，一个植物细胞在适宜的条件下总能发育成一个完整的植株。

20世纪初，德国植物学家哈勃伦脱曾大胆设想用一个植物细胞培养出幼小的植物，可惜因条件限制失败了。50年代，美国科学家斯蒂瓦特用胡萝卜根部细胞，在培养基中首次成功地培养出完整的胡萝卜植株，开创了植物细胞和组织培养的新纪元。目前，植物学家已经对1000多种高等植物作了离体培养的尝试。实践证明，利用离体培养的方法，单个植物细胞完全能长成一群细胞，最终培育成完整的植物。

单个植物细胞为什么能分化成根、茎、叶、花、果实和种子等器官呢？这是因为，所有的植物细胞都是由受精卵分裂产生的，受精卵含有植物所特有的全部遗传信息，因此，虽然植物体内细胞的外形、结构、生理特点不尽相同，但它们都具有相同的、完整的遗传物质。环境的束缚使它们不得不表现出特定的形态和功能，一旦脱离母体，摆脱束缚，它们就可能在一定的营养和激素作用下激发原先的遗传潜力，使细胞分化出组织、器官，最后发育成完整的新植株。人们还注意到：在不同时期必须给离体细胞不同的环境，这样才能使细胞按照一定的程序长成完整的、具有一定形态和生理特性的植物。

然而，并不是所有的植物细胞在离体培养时都能发育成新个体。科学家认为，这跟培养基和激素的类型、取用细胞的部位以及光照、温度等有关。当前，人们只是根据经验和偏爱选择离体细胞的培养条件，等到摸索出科学规律后，离体细胞的培养就将更成熟。到那时，所有的植物细胞都能培养出完整的植株了。

大蒜和青菜结亲

1985年，复旦大学学者朱培坤采用一种特殊的技术——植物外源遗传物质动态导入法，成功地将大蒜（题图）、胡葱、玉米的遗传物质分别接入青菜的体细胞中。三星期后，三种杂交植物——大蒜青菜、胡葱青菜和玉米青菜相继问世。这些杂交植物分别具有大蒜、胡葱、玉米和青菜的外形特点，检验结果也证明，大蒜、胡葱、玉米的遗传物质已分别和青菜的遗传物质融为一体了。

这个实验成果在全国乃至全世界都引起了震动，它的成功证明了植物的远缘杂交是完全可能的。人们平时将亲缘关系较近的同种植物之间进行的杂交叫种间杂交。将亲缘关系较远的种间、属间或科间的杂交称作远缘杂交。种间杂交较为常见，运用普通的育种方法即可完成。例如，曾被评为国家科技成果特等奖的秈型杂交水稻就是利用野生稻种和栽培稻种杂交选育而成。远缘杂交特别是科间杂交的难度较大。1960年，我国吉林省海龙县农民将“长丰”水稻和“英粒子”玉米进行杂交，培育出玉米稻。玉米稻同时具有玉米和水稻的特点，既能水栽也能旱种，有较强的抗旱、抗寒、抗盐碱、抗倒伏和抗病能力。水稻和玉米同属禾本科，玉米稻的培育是不同的属之间的杂交。除玉米稻之外，科研人员还培育出高粱稻、高粱蔗、大小麦和小黑麦。然而，不同科之间杂交的成功率极低，正因为难，故引起很多专家的兴趣。

为什么亲缘关系越远越不容易成功？从事杂交研究的科学家认为，植物的柱头和花粉之间存在一种“识别”系统，不是“自己人”传粉授精就很困难。如何逾越这道障碍呢？ 1972年，美国科学家卡尔松利用细胞融合与愈伤组织培养的方法将郎氏烟草和绿色烟草杂交，培育出新种。这是人类历史上体细胞融合成功的首例。20世纪70年代兴起的基因工程给人们带来了希望，1978年和1980年，美国科学家维拉科马洛夫和其他学者将人工合成的人胰岛素基因和干扰素基因分别转移到大肠杆菌细胞中，产生了胰岛素和干扰素。因此，人们设想照样将单子叶植物的基因转移到双子叶植物的细胞里，产生具有单子叶特征的双子叶植物。但是他们失败了，因为高等植物的有些特征是由多个基因共同控制的，这些基因的彼此关系相当复杂，通过基因工程杂交是极为困难的。如今，这个难关已被中国学者朱培坤攻破。他采用的“秘密武器”便是植物外源遗传物质动态导入法。

远缘杂交至今还有很多问题没有解决，其中最大的问题就是如何使远缘杂交种的遗传性保持稳定。远缘杂交的植物具有一般植物所没有的优点，不仅高大健壮，长得快，适应性广，抵抗力强，成熟早，产量高，而且还具有父母亲所特有的性状。但远缘杂交的难度非常大，这正应了一句古话：越是甜的果子越难摘。

“公鸡下蛋”

1964年，有人将曼陀罗的花粉培育成一株完整的曼陀罗，有人说这无异于“公鸡下蛋”。

众所周知，花粉内含有雄性生殖细胞。雄性生殖细胞本身怎么会变成一棵完整的植株？这至今还是个谜。问题的关键在于人们已经知道将植物花粉放在人工配制的营养物上，给予一定的光照，控制适当的温度和湿度，花粉细胞就顺利地发育成一株完整的植物。一般来说，绿色植物在进行有性繁殖时，花粉落到雌蕊柱头上，萌发成花粉管，精细胞再通过花粉管进入柱头跟卵细胞结合成受精卵，然后，受精卵发育成果实（种子），在适当的条件下，种子萌发，长成一棵完整的植株。受精卵发育成的植物带有父母双方传统的染色体组，被称为是二倍体。花粉粒发育成的植株只带有父亲传统的染色体组，所以叫单倍体。因为这个缘故，花粉育种往往又被称为单倍体育种。以往，人们为了获得好收成，常将优良品种进行杂交，得到的杂交后代因同时具备父母亲的优良品质，产量自然就高。但这种方法育种的最大特点是培育时间长，为了“稳定”新品种，需要花上四五年时间。用花粉育种克服了这个缺点，培育出来的是天然纯种，经秋水仙碱处理，单倍体再变成二倍体纯种，时间节省多了。

目前，花粉育种已在水稻、小麦和烟草上取得成功。上海农科院专家长期研究用花粉育成高产优质的水稻良种“新秀”和“花寒早”，并向国际有关方面提出了水稻单倍体育种的操作过程。此外，人们还得到用花粉育成的玉米、茄子、辣椒、甜菜、白菜、亚麻和葡萄植株，不仅缩短了育种时间，而且还简化了育种手续。

但是，花粉育种还有不少问题尚待解决：成苗率普遍较低，例如，杂交粳稻的花粉成苗率最高不超过6％，杂交秈稻更低，只有1％～1.5％。此外，在花粉育种过程中，还会发生大量的白化苗。更重要的是，有时要培养某一种人们需要的性状（外形特征和生理功能），但最终却得不到这种性状。这些问题如果能得到解决，花粉育种就一定能上一个新台阶。