任何一种生物个体，总是要有序地经历发生、发展和死亡等时期，人们把一生物体从发生到死亡所经历的过程称为生命周期(life cycle)。种子植物的生命周期，要经过胚胎形成、种子萌发、幼苗生长、营养体形成、生殖体形成、开花结实、衰老和死亡等阶段。习惯上把生命周期中呈现的个体及其器官的形态结构的形成过程，称作形态发生(morphogenesis)或形态建成。在生命周期中，伴随形态建成，植物体发生着生长(growth)、分化(differentiation)和发育(development)等变化。
1.生长
在生命周期中，生物的细胞、组织和器官的数目、体积或干重的不可逆增加过程称为生长。它通过原生质的增加、细胞分裂和细胞体积的扩大来实现。例如根、茎、叶、花、果实和种子的体积扩大或干重增加都是典型的生长现象。通常将营养器官(根、茎、叶)的生长称为营养生长(vegetative growth)，繁殖器官(花、果实、种子)的生长称为生殖生长(reproductive growth)。根据生长量是否有上限(asymptote)，又可把生长分为有限生长(determinate growth)和无限生长(indeterminate growth)两类。叶、花、果和茎的节间等器官的生长属于有限生长类型；而营养生长中的茎尖和根尖生长，以及茎和根中形成层的生长属于无限生长类型。
2.分化
从一种同质的细胞类型转变成形态结构和功能与原来不相同的异质细胞类型的过程称为分化。它可在细胞、组织、器官的不同水平上表现出来。例如：从受精卵细胞分裂转变成胚；从生长点转变成叶原基、花原基；从形成层转变成输导组织、机械组织、保护组织等。这些转变过程都是分化。正是由于这些不同水平上的分化，植物的各个部分才具有异质性，即具有不同的形态结构与生理功能。因为细胞与组织的分化通常是在生长过程中发生的，因此分化又可看作为“变异生长”。
3.发育
在生命周期中，生植物的组织、器官或整体在形态结构和功能上的有序变化过程称为发育。例如，从叶原基的分化到长成一张成熟叶片的过程是叶的发育；从根原基的发生到形成完整根系的过程是根的发育；由茎端的分生组织形成花原基，再由花原基转变成为花蕾，以及花蕾长大开花，这是花的发育；而受精的子房膨大，果实形成和成熟则是果实的发育。上述发育的概念是从广义上讲的，它泛指生物的发生与发展，然而狭义的发育概念，通常是指生物从营养生长向生殖生长的有序变化过程，其中包括性细胞的出现、受精、胚胎形成以及新的繁殖器官的产生等。人们常把生长发育连在一起谈，这时发育的概念也是狭义的。
4.生长、分化和发育的相互关系
生长、分化和发育之间关系密切，有时交叉或重叠在一起。例如，在茎的分生组织转变为花原基的发育过程中，既有细胞的分化，又有细胞的生长，似乎这三者没有明确的界线，但根据它们的性质和表现是可以区别的：生长是量变，是基础；分化是质变；而发育则是器官或整体有序的一系列的量变与质变。一般认为，发育包含了生长和分化。如花的发育，包括花原基的分化和花器官各部分的生长；果实的发育包括了果实各部分的生长和分化等。这是因为发育只有在生长和分化的基础上才能进行，没有生长和分化，就不能进行发育。同样，没有营养物质的积累，细胞的增殖、营养体的分化和生长，就没有生殖器官的分化和生长，也就没有花和果实的发育。但同时，生长和分化又受发育的制约。植物某些部位的生长和分化往往要在通过一定的发育阶段后才能开始。如水稻必须生长到一定叶数以后，才能接受光周期诱导，这一特性对同一品种来说是较稳定的；水稻幼穗的分化和生长必须在通过光周期的发育阶段之后才能进行；油菜、白菜、萝卜等在抽薹前后长出不同形态的叶片，这也表明不同的发育阶段有不同的生长数量和分化类型。
植物的发育是植物的遗传信息在内外条件影响下有序表达的结果，发育在时间上有严格的进程，如种子发芽、幼苗成长、开花结实、衰老死亡都是按一定的时间顺序发生的。同时，发育在空间上也有巧妙的布局，如茎上的叶原基就是按一定的顺序排列形成叶序；花原基的分化通常是由外向内进行，如先发生萼片原基，以后依次产生花瓣、雄蕊、雌蕊等原基；在胚生长时，胚珠周围组织也同时进行生长与分化等。
一、细胞分裂的控制
1.细胞分裂面的控制
除少数象胚乳游离核类型外，植物细胞一般都有细胞壁。细胞壁把植物细胞接合在一起，使得单个细胞在组织中不能移动。因而在分生组织内，细胞分裂的方向，即分裂面的位置对组织的生长和器官的形态建成就显得十分重要。当进行平周分裂(子细胞间新形成的壁与表面相平行的细胞分裂)时，就促使植物器官增粗；而进行垂周分裂(垂直于器官表面的细胞分裂)时，就促使植株长高，叶面扩大，根系扩展。
许多实验表明，植物细胞的分裂面，在分裂期前就被决定，主要受核与微管控制。
在烟草悬浮培养细胞的分裂过程中，可观察到在分裂期前细胞核首先移至中央(图8-1A、B)，在分裂即将开始时，微管有序地沿质膜内侧环绕核而成带状聚集，这种在分裂发生前由微管呈带状聚集的结构称早前期带(preprophase band，PPB)。在以后的细胞分裂过程中，赤道面、成膜体和细胞板的形成都是在核与早前期带组成的区域内进行的，且细胞板在早前期带出现的位置上与母细胞壁融合。这一结果暗示着细胞核与微管控制着细胞分裂面的位置。早前期带之所以能决定细胞的分裂面，那是因为细胞板的形成与成膜体的扩展有关，即成膜体的扩展方向则受PPB的控制，且成膜体与PPB之间有微丝牵联。
单子叶植物的气孔器由保卫细胞和副卫细胞组成，它们都是由表皮细胞分裂分化来的，分裂面的位置也是由核和早前期带所决定的。
2.影响细胞分裂的因素
细胞的分裂依赖于DNA、RNA和蛋白质等细胞构成物质的定量合成，因此，凡影响这些物质合成的因素都会影响细胞分裂。如温度、营养、蛋白质或核酸合成的抑制剂、植物激素等都能影响细胞分裂。近年研究得知控制细胞周期的关键酶是依赖于细胞周期蛋白的蛋白激酶(CDK)。细胞有几种蛋白激酶，它们依靠细胞周期蛋白(cyclin)的调节亚基去活化细胞周期的不同时期。
蛋白质在两个主要转变位点的降解有助于控制细胞周期的进展。在G1-到-S转变位点，两种类型细胞周期蛋白是调节蛋白水解酶CKIs的底物，CKIs结合S期循环-CDK复合体阻止CDK活性，G1循环降解细胞不可逆的进入下一个新的循环的开始。在中期到末期转变过程，蛋白质水解需要切断连接的两个姊妹染色单体，使得染色体解离，降解了有丝分裂周期。
在一定温度范围内，增温可加速细胞分裂。例如，小麦胚乳细胞游离核，在18℃时，分裂周期时间为8.1h，而在30℃时，周期时间仅为5.6h。
人工培养的细胞在营养供应充足时分裂频度加快，而在停止养分供应时，细胞则停止分裂。同样，田间作物在肥水供应良好、光照充足，光合产物供应充足时，植株长得根深叶茂，这与茎尖和根尖分生组织细胞分裂旺盛密切相关。亚胺环己酮、嘌呤霉素等能抑制蛋白质合成，放线菌素D等能抑制核酸代谢，因而这些试剂都能阻断细胞分裂。激素能显著影响细胞分裂，用免疫抗体染色法已证明，细胞分裂素对维持分生组织的分裂具有重要的作用。
二、细胞生长的控制
细胞分裂后产生的子细胞，其体积只有母细胞的一半，所以子细胞必须增大至母细胞那样大小时才能进行下一次分裂。倘若子细胞不再分裂，其体积可增加几倍，几十倍。细胞生长受多种因素的影响，如受核质遗传基因的控制，因为细胞核与细胞质的数量比只能维持在一定的范围内；细胞生长及其形态受细胞壁以及周围细胞作用力的影响，也就是说细胞只能在一定的空间内生长；此外，细胞的生长还受环境因素的制约，如在水分少，温度低，光照强时，细胞体积相应变小……。但在诸多因素中，对细胞形态起决定作用的要算是细胞壁。
1.细胞生长方向受微纤丝取向的影响
细胞生长的原动力是膨压。这种压力是均等地向各个方向的。如果没有壁的束缚，在膨压的作用下，细胞应呈球状(无壁的原生质体为球状)。然而，植物细胞都有各自的形态，这主要取决于细胞壁中微纤丝的取向和交织程度。植株细胞中最常见的是圆柱形细胞，它的伸长程度要远大于加粗的程度，这是由于细胞圆柱面中所沉积的微纤丝通常与伸长轴的方向垂直，成圈状排列，因而限制了细胞的加粗生长，而对伸长生长的限制较小(图8-5A)。如叶肉细胞原先是柱状细胞，细胞空隙少，在生长过程中，由于微纤丝在壁中成带状沉积，局部地限制了生长，导致叶肉细胞成为多突起的细胞。
细胞壁的存在阻碍着细胞体积的增长。克服这种阻碍有两种方式：一种是增加膨压，因为只有当膨压超过细胞壁的抗张程度时细胞才能生长；另一种是让细胞壁松弛，减弱壁的强度。在通常情况下，植物通过第二种方式使细胞生长。植物的细胞质膜中有ATP酶，它被IAA激活后，可将细胞质中的H+分泌到细胞壁中，而低pH值一方面可降低壁中氢键的结合程度，另一方面也可提高壁中适于酸化条件的水解酶的活性，使壁发生松驰。壁一旦松驰，在膨压的作用下，细胞就得以伸展。同时，一些新合成的成壁物质会填充于壁中，以增加壁的厚度和强度。
2.微纤丝的取向由微管控制
采用微管荧光抗体法可观察到，在细胞生长时微管聚集于壁下，并在质膜内侧面沿着微纤丝沉积方向有规则地排列端正。用微管蛋白合成抑制剂秋水仙碱处理，细胞壁中微纤丝的排列就杂乱无章。大量的研究都表明，微管在质膜内侧面的排列方向控制着微纤丝在细胞壁中的取向。图8-6是关于纤维素微纤丝沉积的一种模式。这种模式要点如下：(1)纤维素是在原生质膜中合成并沉积在细胞壁的内侧；(2)质膜中有末端复合体，其中含纤维素合成酶。复合体一边在膜中移动，一边合成纤维素，其移动的方向决定了微纤丝沉积的方向；(3)微管排列在质膜内侧，像轨道一样引导着末端复合体在膜中移动，从而控制了微纤丝的沉积方向。
激素和一些外界因素因能影响微管在质膜内侧的排列方向，从而影响微纤丝在细胞壁中的沉积方向，进而影响到细胞的伸长和植株的形态。例如赤霉素和乙烯对豌豆幼茎表层细胞中微管的排列有着不同的效应：赤霉素能使微管在质膜内侧的排列与细胞长轴方向成直角，因而当用赤霉素处理豌豆芽时，幼茎伸长而不增粗；而乙烯则能使微管在质膜内侧的排列与细胞长轴方向平行，因而当用乙烯处理豌豆芽时，幼茎增粗而少伸长。
关于合成细胞壁成分的场所以及所合成的壁成分如何运输等问题，运用同位素标记与电镜观察相结合的技术，现已基本搞清，即成壁物质在内质网和高尔基体中合成，再由高尔基体分泌小泡运输，小泡运至质膜并与膜融合，小泡中成壁物质被释放至壁中。成壁物质的合成过程受核基因控制，并能被IAA等激素诱导。
三、细胞分化的控制因素
(一)细胞分化的分子机理
细胞分化的分子基础是细胞基因表达的差别。一般情况下，同一植物体中的细胞都具有相同的基因，因为它们都是由同一受精卵分裂而来的，而且其中的每一个细胞在适宜的条件下有可能发育成与母体相似的植株。在个体的发育过程中，细胞内的基因不是同时表达的，而往往只表达基因库中的极小部分。比如，在胚胎中有开花的基因，但在营养生长期，它就处于关闭状态。一定要到达花熟状态，处在生长点的开花基因才表达，即花芽才开始分化。这就是个体发育过程中基因在时间和空间上的顺序表达。
细胞的基因是如何有选择性地进行表达，合成特定蛋白质的，即基因是如何调控的，这是细胞分化的关键问题。在已分化的细胞中仍然保留着整套染色体的全部基因，因此，细胞分化一般不是因为某些基因丢失或永久性失活所致，而是不同类型细胞有不同基因表达的结果。从某种意义上讲，具有相同基因的细胞而有着不同蛋白质产物的表达，即为细胞分化。
基因表达要经过两个过程，一是转录，即由DNA转录成为mRNA；二是翻译，即以mRNA为模板合成特定的蛋白质。在转录与翻译水平上的调节都会使不同的细胞产生不同的蛋白质(酶)，从而控制不同的功能代谢，并诱导细胞的分化。然而在细胞分化时的基因表达控制主要发生在转录水平上，因此，细胞分化的本质就是不同类型的细胞专一地激活了某些特定基因，再使它转录成特定的mRNA的过程。
(二)细胞分化的控制因素
细胞分化既受遗传基因控制又受外界环境的影响。虽然对控制分化的详细机理了解得还很少，但已清楚以下因素会对细胞分化起作用。
1.极性是细胞分化的前提
极性(polarity)是指细胞(也可指器官和植株)内的一端与另一端在形态结构和生理生化上存在差异的现象。主要表现在细胞质浓度的不一，细胞器数量的多少，核位置的偏向等方面。极性的建立会引发不均等分裂，使两个子细胞的大小和内含物不等，由此引起分裂细胞的分化。
以荠菜胚发育为例，受精卵的不均等分裂产生大小不等的两个细胞，靠近珠孔端的细胞大，将来发育成为胚柄，其对侧的细胞小，将来形成胚。胚细胞和胚柄细胞在形态、功能方面差异很大：胚柄细胞大且液泡化，能合成营养物质和GA等激素，并运至胚细胞，供胚发育所需。胚柄细胞通常在胚发育后消亡。而胚细胞的细胞质浓，能持续进行分裂与分化。胚细胞也有极性，经分裂分化后，与胚柄相对的一端形成子叶和胚芽，而近胚柄的一端则形成胚根。
再如根的表皮细胞经不均等分裂，产生的大细胞仍为表皮细胞，而小细胞则分化为根毛；禾本科植物气孔保卫细胞与副卫细胞的产生，也是由于核偏向，引起不均等分裂的结果。
2.细胞分化受环境条件诱导
光照、温度、营养、ph、离子和电势等环境条件以及地球的引力都能影响细胞的分化。如短日照处理，可诱导菊花提前开花；低温处理，能使小麦通过春化而进入幼穗分化；对作物多施氮肥，则能使其延迟开花。下面举墨角藻假根产生的例子来说明环境对细胞分化的作用。
褐藻中的墨角藻的卵在水中可自由游动。当受精卵受到单方向光照时，背光的一面在受精后14h开始形成突起，而纺锤体的轴是与光照方向平行的，因而形成的胞壁与光的方向垂直。新形成的细胞壁将细胞分割为大小不等的两个细胞，较大的发育成叶状体，较小的则成为假根，墨角藻以假根固定在附着物上。进一步研究发现，照光能使Ca2+在细胞中产生浓度梯度，即照光的一面Ca2+从细胞中流出，而背光的一面Ca2+则从介质中流入。同时由肌动蛋白组装的微丝以及大量的线粒体、高尔基体、核糖体等细胞器都聚集在背光一侧，细胞核也向背光一侧移动。这样，Ca2+梯度和微丝聚集使细胞产生极性而引起不均等的分裂。
与墨角藻受到不均一刺激不同的是，把蕨类植物的原叶体置于液体培养基中进行振荡培养，由于重力及光照的单方向刺激均受干扰，原叶体与培养基的接触也变得均一，从而使其生长不再表现出极性，而长成一团不定形的愈伤细胞。
3.植物激素在细胞分化中的作用
植物激素能诱导细胞的分化，这在组织培养中已被证实。1955年韦特莫尔(Wetmore)等在丁香愈伤组织中插入一个茎尖(内含IAA)，可以看到在茎尖的下部愈伤组织中有管胞的分化。如以含有IAA的琼脂代替茎尖，也可以诱导管胞的分化。这个试验证明了IAA有诱导维管组织分化的作用。另一个经典的实验是对烟草愈伤组织器官分化的研究，在改变培养基中生长素和细胞激动素的比例时，可改变愈伤组织的分化。当细胞分裂素相对浓度高，IAA与KT的比值低时，则有利于芽的形成，而抑制根的分化；反之，当生长素的相对浓度高时，则有利于根的形成，而抑制芽的分化。
值得注意的是，不同植物或植物的不同组织在被诱导分化时，对激素的种类和浓度有不同的要求。例如，在一般情况下，进行胚状体诱导时，应降低(或除去)生长素类激素，特别是2，4?D浓度。烟草、水稻可在无激素的培养基中分化出胚状体，而小麦、石刁柏、颠茄则要在适当浓度的生长素和较高浓度的激动素时才能分化出胚状体。这就说明激素可能在不同的细胞或组织中以不同的方式起作用。
细胞的分化是非常复杂的，涉及面广，研究难度很大。目前虽然在形态、结构、生理、生化变化以及与某些环境因素的关系等方面取得了不少实验结果，但有关细胞分化的详细机理还远没有搞清楚。
一、组织培养的意义和分类
(一)组织培养的概念与分类
植物组织培养（plant tissue culture)是指植物的离体器官、组织或细胞在人工控制的环境下培养发育再生成完整植株的技术。用于离体培养进行无性繁殖的各种植物材料称为外植体（explant）。根据外植体的种类，又可将组织培养分为：器官培养、组织培养、胚胎培养、细胞培养以及原生质体培养等(图8-12)。
图 8-12由高等植物的细胞、组织和器官培养成植株的过程。
1.器官培养 包括根、茎、叶、花器官及其原基的培养，其中茎尖培养具有快速繁殖和去除病毒的优点。
2.花药和花粉培养 花药是花的雄性器官，花药培养属器官培养；花粉是单倍体细胞，花粉培养与单细胞培养相似，花药和花粉都可以在培养过程中诱导单倍体细胞系和单倍体植株。单倍体植株经过染色体加倍就成为纯合二倍体植株，这样可缩短育种周期，获得纯系。花培已成为植物育种的一种重要手段。
3.组织培养 包括分生组织、形成层组织、愈伤组织和其他组织的培养。愈伤组织 (callus)原来是指植物受伤后于伤口表面形成的一团薄壁细胞,在组织培养中则指在培养基上由外植体长出一团无序生长的薄壁细胞。愈伤组织培养是最常见的培养形式,因为除了一部分器官，如茎尖分生组织、原球茎外,其他各种培养形式往往都要经过愈伤组织培养与诱导后才产生植株。
4.胚胎培养 包括原胚和成熟胚培养、胚乳培养、胚珠和子房(未授粉或已授粉的)培养，可用于研究胚胎发生以及影响胚生长的因素；用试管受精或幼胚培养可获得种间或属间远缘杂种，因此它也是研究生殖生理的有用方法；胚乳培养是研究胚乳的功能、胚乳与胚的关系，以及获得三倍体植株的一个手段。
5.细胞培养 包括单细胞、多细胞和细胞的遗传转化体的培养。细胞培养也称细胞克隆（cell clone）技术，它培养单离的细胞，可诱导再分化，用于取得单细胞无性系，进行突变体的选育。至今已有多种生物发生器(bioreactor)用于批量培养增殖细胞，这些发生器可分为两大类：悬浮培养(suspension culture)发生器和固相化细胞(immobilized cells)发生器，前者的细胞处于悬浮、可动状态,而后者的细胞包埋于支持物内，呈固定不动的状态。
6.原生质体培养 包括原生质体、原生质融合体和原生质体的遗传转化体的培养。将去壁后裸露的原生质体进行培养，它易于摄取外来的遗传物质、细胞器以及病毒、细菌等，常应用于体细胞杂交和转基因的研究。
(二)组织培养的历史与意义
植物组织培养的理论基础建立在植物细胞全能性(totipotency)的概念上。植物细胞的全能性是指植物的每个具有核的细胞都具备母体的全部基因，在一定的条件下可以发育成完整的植株。早在1902年德国植物学家哈伯兰特(G. Haberlandt)根据细胞学说就提出植物体细胞有再生完整植株的潜在可能性。1934年美国的怀特(White)等培养离体番茄根尖，建立了可以继代培养（subculture）的第一个无性繁殖系。20世纪40年代末崔利用腺嘌呤诱导烟草组织培养形成芽和完整植株。1958年斯图尔德(Steward)和赖纳特(Reinert)用胡萝卜根的愈伤组织诱导成了体细胞胚，并进而获得了完整植株。1960年科金(Cocking)等用真菌纤维素酶分离番茄幼根原生质体获得成功。1964年古哈(Guha)等从曼陀罗花药中得到了单倍体植株。1971年塔克伯(Takebe)等用烟草叶肉细胞分离原生质体，并再生完整植株；以后中国学者在水稻、玉米、小麦、高梁和大麦等农作物的原生质体培养中相继成功地获得了它们的再生植株。原生质体的培养为体细胞融合技术的发展创造了条件。1972年卡尔森(Carlson)等通过两个烟草品种之间原生质体的融合，获得了第一个体细胞杂种。1978年梅尔彻斯(Melchers)等首次获得了番茄和马铃薯的属间体细胞杂种——“Potamato”。进入20世纪80年代后，生物工程迅速发展，通过某种途径或技术将外源基因导入植物细胞并使之表达，可实现植物遗传改良的目的。组织培养的优点在于：可以在不受植物体其它部分干扰下研究被培养部分的生长和分化的规律，并且可以利用各种培养条件影响它们的生长和分化，以解决理论上和生产上的问题。有力地推动了生物科学中植物生理学、生物化学、遗传学、细胞学、形态学以及农、林、医、药等各门学科的发展和相互渗透，促进了营养生理、细胞生理和代谢、生物合成、基因转移、基因重组的研究。当前组织培养作为生物工程的一项重要技术，在基础理论研究和生产实践中发挥的作用与日俱增，可望为造福人类作出贡献。
二、组织培养的基本方法
（一）材料准备
尽管已确立了植物细胞全能性的理论，但实践中，全能性表达的难易程度在不同的植物组织之间有着很大的差异。将同一植株不同器官作为外植体诱导愈伤组织，它们的分化频率和模式与来源器官有关。由根、下胚轴及茎形成的愈伤组织分化成根的频率很高；由叶或子叶形成的愈伤组织分化成叶的频率很高；由茎端形成的愈伤组织分化成芽与叶的频率亦很高；靠近上部的茎段与接近基部的茎段相比能形成较多的花枝和较少的营养枝。这说明外植体的发育状态在组织分化中有“决定”作用的存在。决定（determination）这一术语是指植物发育过程中细胞逐渐成为具有特异专一性倾向的过程，这个过程具有稳定的表型变化，而且这些变化在原初刺激消失时还能存在。因此要根据研究目标，有针对性地选择材料。一般来说，受精卵、发育中的分生组织细胞和雌雄配子体及单倍体细胞是较易表达全能性的。
通常采集来的材料都带有各种微生物，故在培养前必须进行严格的消毒处理。常用的消毒剂有70%酒精、次氯酸钙（漂白粉）、次氯酸钠、氯化汞（HgCl2，升汞）等。消毒所需时间长短依外植体不同而异，消毒后需用无菌水充分清洗。
(二)培养基制备
培养基（medium)中含有外植体生长所需的营养物质，是组织培养中外植体赖以生存和发展的基地。White培养基是最早的植物组织培养基之一，被广泛用于离体根的培养；MS(Murashige和Skoog,1962)培养基含有较高的硝态氮和铵态氮，适合于多种培养物的生长；N6培养基含有与MS差不多的硝态氮，但铵态氮仅为MS的1/4多一些，特别适合于禾本科花粉的培养；B5培养基则适合于十字花科植物的培养。总之，应根据培养的目的选择一种适宜的培养基。常见的培养基配方如表8-1所示。
1. 培养基成分 培养基的成分大致可分五类：
（1）水 一般用蒸馏水或去离子水配制培养基，煮沸过的自来水也可利用。
（2）无机营养 包括大量和微量必需元素，对硝酸铵等用量较大的无机盐通常先按配方表配成10倍的混合母液。植物必需微量元素因用量小，常配成100倍或者1000倍的母液。
（3）有机营养 主要有糖、氨基酸和维生素。糖为培养物提供所需要的碳源，并有调节渗透压的作用。常用的是2%～4%的蔗糖，有时也加入葡萄糖和果糖等。一般来说，以蔗糖为碳源时，离体的双子叶植物的根长得较好，而以葡萄糖为碳源时，单子叶植物的根长得较好。已知植物能够利用的其他形式的碳源有麦芽糖、半乳糖、甘露糖和乳糖，有的还能利用淀粉。
维生素和氨基酸类的物质，主要有硫胺素（维生素B1）、吡哆素（维生素B6）、烟酸（维生素B3）、泛酸（维生素B5）以及甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、肌醇和水解酪蛋白等。
(4) 天然附加物 有时还加一些天然的有机物，如椰子乳、酵母提取物、玉米胚乳、麦芽浸出物或番茄汁等。它们对愈伤组织的诱导和分化往往是有益的。
(5) 植物生长物质 常用的有生长素类和细胞分裂素两类。生长素类如2，4-D、萘乙酸、吲哚乙酸、吲哚丁酸等被用于诱导细胞的分裂和根的分化。IAA易被光和酶氧化分解，所以加入的浓度较高，常为1～30mg·L-1，NAA、2，4-D的浓度则以0.1～2mg·L-1为宜；细胞分裂素如激动素、6-苄基腺嘌呤、异戊烯基腺嘌呤、玉米素等可以促进细胞分裂和诱导愈伤组织或器官分化不定芽。它们常用的浓度为0.01～1mg·L-1。在初代培养中，一般都须加入激素类物质，但随着继代培养次数的增加，加入量可逐代减少，最终常可做到“激素自养”。离体培养物的根芽分化取决于生长素/细胞分裂素的比值(见图8-11)。吲哚乙酸以及酶和维生素C等因在高温高压灭菌时易遭破坏，故使用时以过滤或抽滤灭菌为好。
2. 培养方式 植物组织培养方式有固体培养和液体培养两种。通常在液体培养基中加入0.7%～1%的琼脂作凝固剂，便成了固体培养基。固体培养使用方便，能满足多种目的的培养的需要，且培养基质地透明，便于观察发根状况，因此得到广泛的应用。液体培养分静止和振荡两类，静止培养不需增添专门设备，适合于某些原生质体培养；而振荡培养需要摇床或转床等设备，在振荡培养过程中，可使培养基充分混和，也可使培养物交替地浸没在液体中或暴露在空气中，有利于气体交换。通常半月至1月后须移换新鲜培养基。
（三）接种与培养
1.接种 接种是指把消毒好的材料在无菌的情况下切成小块并放入培养基的过程。接种时一定要严格做到无菌操作,一般在接种室、接种箱或超净工作台中进行。
2.愈伤组织的诱导 植物已经分化的细胞在切割损伤或在适宜的培养基上可以诱导形成失去分化状态的结构均一的愈伤组织或细胞团，这一过程即为脱分化(dedifferentiation)。一般诱导愈伤组织的培养基中含有较高浓度的生长素和较低浓度的细胞分裂素。外植体一旦接触到诱导培养基，几天后细胞就出现DNA的复制，迅速进入细胞分裂期。细胞的分裂增殖，使得愈伤组织不断生长。如果把处在旺盛生长且未分化的愈伤组织切成小块进行继代培养，就可维持其活跃生长。经过多代继代培养的愈伤组织还可用于悬浮培养，用作单细胞培养研究、细胞育种和分离原生质体等。无论是固体培养还是液体培养，都须控温在25±2℃之间。除某些材料诱导愈伤组织需要黑暗条件外，一般培养都需一定的光照，光源可采用日光灯或自然光线，每天光照约16h，光强为20 000lx左右。
3.器官形成或体细胞胚发生 愈伤组织转入诱导器官形成的分化培养基上，可发生细胞分化。分化培养基中含有较高浓度的细胞分裂素和较低浓度的生长素。在分化培养基上，愈伤组织表面几层细胞中的某些细胞启动分裂，形成一些细胞团，进而分化成不同的器官原基。器官形成过程中一般先出现芽，后形成根。如果先出现根则会抑制芽的出现，而对成苗不利(图8-12)。有时愈伤组织只形成芽而无根的分化，此时须切取幼芽转入生根培养基上诱导生根。生根培养基一般用1/2或1/4的MS培养基，再添加低浓度的生长素而不加细胞分裂素。这种由处于脱分化状态的愈伤组织或细胞再度分化形成不同类型细胞组织、器官乃至最终再生成完整植株的过程称为再分化（redifferentiation)。
在特定条件下，由植物体细胞发生形成的类似于合子胚的结构称为胚状体（embryoid)或体细胞胚（somatic embryo)，简称体胚。胚状体最根本的特征是具有两极性，即在发育的早期阶段能从方向相反的两端分化出茎端和根端，而不定芽或不定根都是单极性的。胚状体由于具有根茎两个极性结构，因此可以一次性再生完整植株。而由器官发生的植株则一般需要先诱导成芽，再诱导芽生成根，形成植株。胚状体发生及其再生的过程是植物表达全能性的有力证明,也是获得再生植株最理想的途径。胚状体发生的方式可分为直接发生和间接发生两类，直接发生是指从原外植体不经愈伤组织阶段直接的；而间接发生是指胚状体从愈伤组织、悬浮细胞或已形成的胚状体上发育来的。
（四）小苗移栽
当试管苗具有4～5条根后，即可移栽。移栽前应先去掉试管塞，在光线充足处炼苗。移栽时先将小苗根部的培养基洗去，以免招细菌繁殖污染。苗床土可采用沙性较强的菜园土，或用泥炭土、珍珠岩、蛭石、砻糠灰等调配成的混合培养土。用塑料薄膜覆盖并经常通气，小苗长出新叶后，去掉塑料薄膜就能成为正常的田间植株。
三、组织培养的应用
植物组织培养在科研和生产上的应用十分广泛，简介如下：
(一)无性系的快速繁殖
快速繁殖是组织培养在生产上应用最广泛、最成功的一个领域。对上千种植物离体繁殖得到了无性系，并带来了巨大的经济效益，不少国家成立了专业公司，形成一种产业。无性系繁殖植物的主要特点是繁殖速度快。通常一年内可以繁殖数以万计的种苗，特别对于名贵品种、稀优种质、优良单株或新育成品种的繁殖推广具有重要的意义。离体繁殖良种种苗最早在兰花工业上获得成功。兰花成熟的种子中大多数胚不能成活，种子不能发芽，但通过原球茎组织培养，能使兰花的繁殖系数大为提高，从而形成了20世纪60年代风靡全球的“兰花工业”。甘蔗繁殖用种量大，1hm2需用半至7.5-15t的种蔗。采用茎尖、嫩叶组织培养繁殖种苗，节省了大量的种蔗，加速了优良品种的推广。其他如牡丹、香石竹、唐菖蒲和菊花等难以扦插的名贵品种以及无籽西瓜、草莓、猕猴桃、葡萄、菠萝、柑橘、樱桃、桉树、杉木等的无性系快速繁殖都取得了进展，有力地推动了生产。
(二)培育无病毒种苗
农作物受病原菌侵染后既影响产量和质量，也影响植物材料的国际交流。然而感病植株的不同部位病毒分布不一致，新生组织及器官病毒含量很低，生长点几乎不含病毒。这是由于分生组织的细胞生长快，病毒繁殖的速度相对较慢；而且病毒要靠筛管或胞间连丝传播，在分生组织中的扩散也受到一定的限制。茎尖越小，去病毒机会越大，但分离技术难度大，也较难成活。一般以0.2～0.5mm、带1～2个叶原基的茎尖为外植体，可获得无病毒株系。病毒病常使马铃薯减产50%左右。1990年中国马铃薯的无病毒种苗栽培面积已超过25万hm2，约占全国马铃薯栽培面积的1/10，目前仍在继续扩大之中。另外，在香蕉、苹果、甘蔗、葡萄、桉树、毛白杨、草莓、甜瓜、花卉上均通过试管脱毒，建立了试管苗工厂及无病苗圃。
(三)新品种的选育
组织培养在品种改良、新种质资源的提供、新品种的选育方面涉及和应用的范围十分广泛，并已取得了成效。
1.花培和单倍体育种 花药和花粉培育的主要目的是诱导花粉发育形成单倍体植株，以便快速地获得纯系，缩短育种周期、且有利于隐性突变体筛选，提高选择效率。中国科学院遗传研究所于1970年获得第一批水稻花药培养形成的幼苗，1971年又获得小麦花药培养的单倍体植株。近年来已有烟草、水稻、小麦、大麦、玉米和甜椒等一大批花培优良新品种在生产上大面积推广。
花粉粒培养可使配子体的生长恢复为孢子体的生长,生长出单倍体植株
图8-13 电融合法的装置、基本顺序和原理
1.在两电极间(1mm)放入原生质体悬液； 2.给电极施加高频(1MHz)交流电压(如300V·cm-1)，40sec，原生质体表面电荷重新分布，具有正负极性，因相互吸引，使多个原生质体排成串珠(pearl chain)状； 3.施加一次直流脉冲电压(如2.0kV·cm-1 ,30μsec)，串珠间的原生质体质膜局部破裂，脂质分子重新排列，引起质膜融合； 4.断电，已融合的原生质体在膜张力的作用下逐渐成为球状，未融合的细胞被分开。
2.离体胚培养和杂种植株获得 这是用于克服远缘杂交不亲和的一种有效方法。例如，棉花远缘杂交杂种胚胎发育过程中，胚乳生长不正常，致使幼胚分化停止，如将杂交授粉后2～5d的胚珠进行离体培养，可使胚发育成杂种植株。至今，用胚培养技术已得到许多栽培种与野生种的种间杂种，并选育出一批高抗病、抗虫、抗旱、耐盐、优质品系或中间材料，从而扩充了作物的基因库。
3.体细胞诱变和突变体筛选 植物细胞存在着广泛的异质性，在整体中常被掩盖而无法表现出来。在离体培养条件下，它不受整体的调控直接与环境接触，而且培养基中的化学成份和植物激素，又可能含有诱变因素或促进突变的条件，因此植物体细胞在离体培养条件下容易发生染色体畸变与基因突变。如果再加上物理或化学诱变处理，则诱发突变的机率更高。物理诱变的因素有 X 射线、α射线、β射线、γ射线、中子、质子和紫外线等。化学诱变的因素有烷化剂、亚硝酸、羟胺、天然碱基结构类似物以及某些抗菌素等。目前，筛选出的突变品系已在十几种作物的改良中得到了应用。如早熟、丰产的水稻和小麦新品系；高产多穗的玉米新品系以及抗白叶枯病的水稻；抗赤霉病或根腐病的小麦；高赖氨酸含量的玉米和大麦；抗早疫病的番茄；耐枯黄萎病、耐高温、耐盐的棉花新品系；抗晚疫病、枯萎病的马铃薯突变系以及抗除草剂的烟草品系等等。
4.细胞融合和杂种植株的获得 细胞融合(cell fusion)是指在一定的条件下，将2个或多个细胞融合为一个细胞的过程。当前，细胞融合已成为遗传转化实验最有效的手段之一。用纤维素酶、半纤维素酶和离析酶等离析细胞以获得纯净的原生质体。原生质体脱掉了细胞壁后，易于诱导融合，也易于摄取外源遗传物质、细胞器等。通过原生质体融合可以部分克服远缘杂交中的不亲和性，提供新的核质组合，创造新的细胞杂种，为进一步选种育种扩展新的资源。对那些有性生殖能力很低的香蕉、木薯、马铃薯、甘薯和甘蔗等作物的改良，体细胞杂交可能具有更为特殊的意义。最初(1985年)采用聚乙二醇(PEG)等化学融合剂进行细胞融合，因化学融合剂对原生质体易引起伤害，现已不用，而大多采用电融合法，即将需处理的原生质体放在两电极中，并用一定强度的电脉冲将质膜击穿，以导致原生质体融合(图8-13)。目前，已得到栽培烟草与野生烟草、栽培大豆与野生大豆、籼稻与野生稻、籼稻与粳稻、小麦与鹅冠草等细胞杂种及其后代，获得了有价值的新品系或育种上有用的新材料。
(四)人工种子和种质保存
人工种子(artificial seeds) 又称人造种子或超级种子，是指将植物组织培养产生的胚状体、芽体及小鳞茎等包裹在含有养分的胶囊内，具有种子的功能并可直接播种于大田的颗粒。人工种子通常由培养物、人工胚乳和人工种皮三部分组成。人工种皮常采用海藻酸钠、聚氯乙烯、明胶、树胶等。人工种子可解决有些作物繁殖能力差，结籽困难或发芽率低等问题，使像无籽西瓜一类的不育良种得以迅速推广；有利于保持杂种一代高产优势，防止第二代退化；在制作过程中可以添加农药、肥料、固氮细菌等各种附加成份，以利作物生长；还可以节约用作种子的粮食。制作人工种子首先要培养大批同步生长的、高质量的胚状体、芽体(不定芽、腋芽、顶芽)等培养物。现在已有胡萝卜、芹菜、柑橘、咖啡、棉花、玉米、水稻、橡胶等几十种植物的人工种子试种成功，但由于成本较高，中国尚未应用于生产。
近些年来，对于植物材料超低温保存及其种质库的建立也取得了重要进展。超低温种质保存就是将植物材料保存在液氮(-196℃)条件下，使它们处在长期冰冻状态，而不失去生长和形态建成的潜力。超低温植物材料的保存可以减少培养物的继代次数，节省人力物力，解决培养物因长期继代培养而丧失形态建成能力的问题。一般认为，采用有组织结构的材料，如茎尖、幼胚和小苗等作保存材料，其遗传性较为稳定，易于再生。
(五)药用植物和次生物质的工业化生产
植物是许多有用化合物的重要来源，有些尚供不应求。目前植物细胞的大量培养主要用来生产药物和次生代谢物质，如抗癌药物、生物碱、调味品、香料、色素等。运用组织培养生产化学物质可以不受地区、季节与气侯等限制，便于进行代谢调控和工厂化生产，生产速度也比植物正常生长的速度快。例如日本大量培养人参细胞，并从中取得人参皂甙等有效成分，德国培养洋地黄取得疗效高、毒性低的强心甙，中国正在进行人参、三七、三分三、贝母、紫草、紫杉等，药用植物的细胞培养，其发展前景十分诱人。
