人工种子

       农业生产中使用的天然种子，一般都是由种被、胚乳和胚三部分构成。种皮通常在种子的外层起保护作用；胚乳含有大量的营养物质，是种苗萌发生长不可缺少的营养来源；胚由胚芽、胚轴、胚根和子叶构成，将来发成植株。

       人工种子概念：人工种子又称人造种子，这是细胞工程中最年轻的一项新兴技术。最初是由英国科学家于1978年提出的。他认为利用体细胞胚发生的特征，把它包埋在胶囊中，可以形成具有种子的性能并直接在田间播种。这一设想引起人们极大的兴趣。人工种子技术确实有着诱人的前景：第一，它同微繁殖技术一样，培养条件可以人为控制，免遭大自然灾害性气候的不利因素，且具有省地省工可直接在田间播种等优点。第二，在人工种子制作中，可加入营养物质、植物生长调节剂、固氮菌、杀虫剂等，这是微繁殖难以达到的。第三，用于制作人工种子的体细胞胚，可利用生物反应器大规模培养，大大提高了效率。第四，一些难以得到天然种子的珍稀植物或脱毒苗、基因工程植株，均可利用人工种子技术加速用于生产^[1]。

       人工种子制作：人工种子是有体细胞胚、人工胚乳和人工种皮三个部分组成（图3-3）。体细胞胚是制作人工种子的起始材料。它既可由外植体的表皮细胞直接产生，也可由愈伤组织的表层细胞产生。人们还发现细胞培养中的单细胞，花粉中产生单倍体体细胞和原生质体培养在适当条件下均可获得体细胞胚。从理论上讲，产生体细胞胚是植物界的普遍现象，但目前已知能产生体细胞胚的植物只有200余种。由于这方面的奥秘还未完全揭开，科学工作者们只得花费巨大的劳动，进行大量的筛选才能获得体细胞胚、人工胚乳是包埋体细胞胚的胶状介质。美国的一个研究组花了近两年时间，从百余种材料中筛选到目前广泛使用的人工种子包埋介质海藻酸钠。这种物质在0.1M氯化钙溶液中可以迅速固化成透明的小胶球。海藻酸价格低廉，质地柔软无毒性，还可人为地在其中加入各种营养物质和生长调节剂，因此是一种，迄今为止已发现的比较理想的体细胞胚包埋剂。但这种物质作人工胚乳还存在一些缺点，如营养物质易泄漏，保水性差，而且胶球很易粘连等。为此，科学家又设想在胶球外包一层薄膜——人工种皮。美国科学家在1987年筛选出一种疏水性物质Elvax-4260（乙烯、乙烯基乙配和丙烯酸共聚物）但不够理想。人们正在寻找更理想的、既能由于季节性的关系，人工种子要应用于生产还需解决贮藏问题。但用海藻酸钠炮制的人工种子，含水量大，常温下易萌发，也易失水干缩，贮藏难度很大，利用液体石腊法、低温法、干燥法、塑料和铝箔包装法等进行贮藏，均不够理想。原因是所取的体细胞胚正处于旺盛生长状态，一般来说，成熟体细胞胚培养5～6天就可长成具根芽的小植株。采用上述各种方法贮藏，也很难抑制包制在胶球中的胚的萌发。

       我们根据天然种子形成过程中生理生化的特性，在胡萝卜悬浮细胞培养中，采用调控培养法获得了具高活力的静止状态的胚。所谓静止状态，即控制了体细胞胚胚根的生长。这种胚在贮藏中无需采用特殊的条件抑制其萌发。静止状态胚比正常培养的胚粗短、含水量少、干物质及活性物质积累多，因此具有耐脱水和抗逆力强之特点，可贮存较长时间。如果此法能用于其他植物的体细胞胚培养，也许可为人工种子的贮藏开辟一条新途径。

       人工种子的不足之处：目前，科学工作者已制成模式性人工种子的植物十余种，但距离实际应用还有很大距离。主要有三大难题有待克服：①许多重要植物还不能培养出大量的高质量的体细胞胚。②现有的人工胚乳和种皮还不够理想，不能有效地防止微生物的腐蚀。③人工种子的贮藏有待进一步完善。透水透气又能防菌的人工种皮。

      种子不仅是植物传种续代繁衍之本，而且也是人类衣食之源。植物人工种子的制作，是在组织培养基础上发展起来的一项生物技术。

      种子能发育出新的植物体，首先是因为它有一个具有生活力的胚。科学工作者能够采用高科技手段，将其某些植物细胞在试管中培育成胚状体，再用富含营养物质和其他必要成分的凝胶物将胚状体包裹起来，制成人工种子。当条件适宜时，胚状体就像真正的种子那样萌发成幼苗。

      体细胞胚是制作人工种子的起始材料。它既可由外植体的表皮细胞直接产生，也可由愈伤组织的表层细胞产生。人们还发现细胞培养中的单细胞，花粉中产生单倍体体细胞和原生质体培养在适当条件下均可获得体细胞胚。从理论上讲，产生体细胞胚是植物界的普遍现象，但已知能产生体细胞胚的植物只有200余种。由于这方面的奥秘还未完全揭开，科学工作者们只得花费巨大的劳动，进行大量的筛选才能获得体细胞胚、人工胚乳是包埋体细胞胚的胶状介质。美国的一个研究组花了近两年时间，从百余种材料中筛选到广泛使用的人工种子包埋介质海藻酸钠。这种物质在0.1M氯化钙溶液中可以迅速固化成透明的小胶球。海藻酸价格低廉，质地柔软无毒性，还可人为地在其中加入各种营养物质和生长调节剂，因此是一种，迄今为止已发现的比较理想的体细胞胚包埋剂。但这种物质作人工胚乳还存在一些缺点，如营养物质易泄漏，保水性差，而且胶球很易粘连等。为此，科学家又设想在胶球外包一层薄膜——人工种皮。美国科学家在1987年筛选出一种疏水性物质Elvax-4260（乙烯、乙烯基乙配和丙烯酸共聚物）但不够理想。人们正在寻找更理想的、既能透水透气又能防菌的人工种皮。

       根据Redenbaugh对人工种子的分类方法，可将人工种子分为三大类：

1.裸露的或休眠的繁殖体：如微鳞茎，微块茎等。它们在不加包被的情况下也具有较高的成株率。

2.人工种皮包被的繁殖体：一些体细胞胚、原球茎等不能过度干燥，但只需要用人工种皮包被即可维持良好的发芽状态，如胡萝卜体细胞胚。

3.水凝胶包埋再包被人工种皮的繁殖体：大多数体细胞胚、不定芽、茎尖等均需要先包埋在半液态凝胶中，再经人工种皮包裹才能避免失水，从而维持良好的发芽能力。

      根据繁殖体的类型人工种子可分为两类：

1.体细胞胚人工种子

2.非体细胞胚人工种子

      绝大多数人工种子发芽需要无菌条件，所以，还不能实现广泛应用。另外，人工种子的制作费用过高，并且在应用上需要各个环节的配套设施费用昂贵，技术也不够成熟，农民对人工种子还比较陌生，对种子也不熟悉，不了解，自然没有什么兴趣，这些都限制了人工种子的推广。

      粮食生产受到多种主客观条件的制约，水、肥料、土壤、种子对粮食都有极大的影响，其中种子的优劣更是一个关键因素。多年来，科学家采用传统的“杂交”良种研究法，诚然，杂交产生的良种对提高粮食产量起过很大的作用，例如杂交水稻良种推广后可大面积增产，是一个成功的范例。但是培育的杂交品种往往只有一代或者几代具有优势。因此，杂交制种需要专门的“制种田”，这一缺陷很大程度上限制了其发展。

       人工种皮的透水性和透空气性差异比较大，制造人工种皮的质量不能保证，导致胚不能正常发育，影响正常耕种。

       已有许多国家的植物基因公司和大学实验室从事这方面研究。欧共体将人工种子的研制列人“尤里卡”计划，我国也于1987年将其列入国家高新技术研究与发展计划(863计划)。经过20多年的努力，人工种子研究已取得了很大进展。一种新型的、像一粒粒小胶丸样的人造种子，正在雄心勃勃地带领着古老的种植业迈向新时代。它为解决日益因难的粮食问题带来了新曙光。现代遗传学研究证明，植物细胞具有全能性，每一个细胞都有可能生成一株完整的植株。1958年，美国科学家斯蒂伍德，将一棵胡萝卜根须上的细胞取下，经人工培养成了完整的胡萝卜植株并开花结果，这种方法是在玻璃试管中完成的，从此开创了“试管苗”的先河。但是，这种试管苗的培育环境是无菌而且要求营养丰富，把试管苗移种大田，条件的变化使其成活率非常低。人造种子可有效解决上述难题。人造种子制作过程是先把植物幼苗的嫩茎切成极小的碎片，这些碎片叫胚状体，根据生物工程原理，每一碎片，经处理后可长出根、茎、叶成为一株幼苗。胚状体很娇嫩，为了适应环境必须给它穿上“外衣”，即给其包上一层如天然种子种皮一样的营养层和保护层，营养层是胚状体萌发及发育的营养物质，保护层是一种入土后能自行溶解的高分子材料。人造种子可以保证种子发芽整齐划一，对管理和收获的机械化非常有利。人造种子可以在制作的过程中用刺激细胞变异的方法，培养新品种或增强某种有用性获得高产优质的种子。人造种子还可加入天然种子没有的特殊成分，如加入固氮菌、杀虫剂和除草剂等物质。人造种子的使用可以节约大量的粮食，统计表明，我国每年种子的用量可达150亿公斤，几乎可供近1亿人一年的口粮。而人造种子一株植物的嫩芽就可制出百万粒种子，可节约大量的粮食。