与生物医学技术相似，植物生物技术也由两个关键而互相联系的技术部分组成，即细胞培养技术和分子生物学技术。对植物分子物学的关注与研究是近几与才开始的，目前对植物生长釦发育分子基础的研究已经取得了一定的成果；而细胞培养技术早在本世纪30年代初就出现了，并不断得到改进，其中许多方法已经非常简便，改良品种的生产和繁殖不再需要购置特殊的仪器设备，这项技术将在短期及中期（5年）中得到应用。而建立在整合基因的细胞培养和分子遗传学基础上的一些植物生物技术会在5~10年内取得成果。植物生物技术要对农业生产产生重大影响，必须基于植物生长和发育机制的阐明，这方面可能要到2000年后才会有重大突破。

一、短期目标展望

无性繁殖 植物能在体外从培养的分生组织或已形成的体细胞胚及不定芽再生成完整植株，从而进行繁殖。目前植物生物技术最广泛也是最成功的应用正是利用分生组织培养进行快速大量的植物无性繁殖。很多公司用这种方法生产了大量的各种观赏植物。目前，无性繁殖技术也越来越多地应用于水果、蔬菜、药物和树木等植物的繁殖。不过现在应用的这些“微繁殖”技术耗时多，劳动量大，从而导致了高成本、低收益，使这项技术只能应用于一些高档植物品种。微繁殖技术自动化后会使生产成本降低，有助于将其应用到更多的植物品种中，开拓更大的市场。

这项技术最有意义的应用可能在于重新造林。虽然阔叶或针叶品种树木现在还很难通过培养再生出植株，不过在过去10年中，树木的体外繁殖技术已经取得了非常显著的进展。世界范围的重新造林，需要难以数计的植物幼苗，自动化组织培养技术是源源不断提供高质量植物材料的可靠而有效的方法。

无病毒植物 分生组织的培养物不含病毒或其效价很低。切取仅长出一两片原叶时的芽的分生组织进行培养，常能自然地消除病毒。这种无病毒分生组织在培养中能通过微繁殖技术迅速增殖。在许多国家这种简便的方法已广泛应用于获得无病毒的马铃薯、甘蔗、木薯、大麻、香蕉、草莓和许多观赏植物及蔬菜。这项技术的实用价值是相当可观的，因为病毒感染将会导致作物收成损失50%以上，

胚的解救 由于性的不相容性，许多农业上有用的杂交品种，即使是在亲缘关系很近的品种之间的杂交作物也常常难以获得。很多情况下，受精作用虽已完成，但胚的生长常在发育的不同阶段受阻。研究表明，一些胚的解救技术，包括切除并培养杂交胚的幼体，对于胚的发育成熟以及杂种植物的获得是很有用的。另外，还可通过培养获得的杂交幼胚的多个克隆对杂交品种的遗传和大田栽培价值进行评估。

单倍体 科学家已从100多种植物的花药、小孢子和大孢子的培养中获得了单倍体植株。单倍体的配子细胞经刺激能直接形成胚或形成愈伤组织，后者经诱发可分化产生苗，如果再使这些单倍体植物染色体数目加倍就很容易得到纯合二倍体，而且是可育的植株，它们在育种工作中非常有用。现在利用这种方法已经育成了水稻、小麦、玉米、烟草、油菜等作物一些新的栽培品种，但由于这些成果与常规的育种工作尚未协调一致，再加上其他一些原因，目前它们的经济效益还很有限。

突变体的选择 体内细胞分裂和分化过程中会发生突变，这是一个确认的事实，然而分生组织细胞作为一个胚性细胞系，对这种遗传变化通常具有免疫力、在正常的植物生活周期中，体细胞的突变在有性生殖时会被消除，而不遗传给子代，不过这些突变细胞在进行植物组织培养时能与非突变细胞一样有很好的机会分裂增殖。外加选择性出力可以使突变细胞优先生长，从而建立起突变细胞系，从该细胞系可再生出植株。但这种方法只对单基因性状适用，例如筛选对某种病原性毒素、除草剂、代谢拮抗物、重金属等有抗性或耐受性的突变体，或者筛选能产生过量有用氨基酸的突变体。

曾有许多人试图利用类似的实验构想来筛选能抗各种逆境（如盐、铝、干旱和霜冻等）的突变细胞系或筛选一些对农业重要的性状（如产量、生长等）有所改善的突变体，但这些努力无一成功。这主要是因为这些性状的影响因子都是多重而复杂的，迄今尚未有一种方法能筛选同时含几种所需突变的突变体，此外，这里涉及的各个基因可能仅在特定的组织器官和植物发育的特定时期才起作用，这样在细胞培养阶段选择它们的突变体几乎是不可能的。

在植物育种和改良中，人们对体细胞无性繁殖系变异的应用潜力也有非常多的设想，在体细胞培养中，变异可能来源于分化的植物体细胞已经发生的变异，也可能是在培养过程中新产生的。细胞培养中的这些变异实际上在再生植株中很难找到，所以几乎所有的体细胞突变都是无效的，或者仅与有性杂交或诱变的结果相似。正因为如此，尽管许多人认为体细胞无性繁殖的变异可能有很多用途，而且为此作出了不少努力，但到目前为止，还没有从体细胞无性繁殖的变异中获得任何一种主要作物品种有价值的突变体。

次生代谢物 长期以来，人们一直认为在大型生物反应器中培养植物细胞是生产具有药用价值的次生代谢物的理想途径。确实，过去10年中，在应用大容量自动发酵罐培养悬浮植物细胞以合成次生代谢物方面，工艺技术已取得了颇有意义的进展，但这种生产过程的成本很高，许多产品的市场也有限，严重限制了它们的商业化应用。紫草宁是到目前为止用这种方法制造出的唯一产品。当然，最近在生物反应器设计和生产工艺上取得的&展加上对次生代谢物释放和细胞固定化方面的研究成果可能导致在不久的将来能生产出其它有实用价值的产品。

体细胞杂交和胞质杂交 原生质体融合常被认为是获得有性杂交方法无法得到的杂交植物的一种新颖而重要的方法。虽然有关文献中介绍了很多种体细胞杂交植物，但其中只有很少几种具有实用价值，如由蔓菁与黑芥融合得到的对phomalingam有抗性的蔓菁黑芥；由马铃薯与Solanum brevidens杂交得到的对某些病毒有抗性的一些体细胞杂种。一般来说，由两个亲缘相近或无关的亲本的完整基因组简单组合很难得到有用并且可育的杂种，所以近来对不对称杂交产物的研究才更有意义。原生质体融合技术最重要的用途可能正是获得一些胞质杂种，它含有一个亲本的核与质基因组和另一个亲本的质基因组。这种方法对转移胞质雄性不育这一植物育种中的重要性状尤其有用。

二、中期应用

目前世界上许多实验室正致力于将一些有用的基因进行转移，使其稳定整合到宿主作物基因组中并得到表达，基于这些研究的植物生物技术近年来发展迅速，预计将在6~10年内达到商业化应用。迄今为止已有多种方法可用于转化培养中的植物组织、细胞和原生质体，其中包括：通过根瘤农杆菌的Ti质粒（还有土壤农杆菌的Ri质粒）作为载体；利用聚乙二醇法（PEG法）或电激法将DNA直接转移至原生质体中；利用微注射法或射入外层包有DNA的高速粒子将DNA引入完整植物细胞中。

迄今为止只有3种对农业重要的基因已被确定并分离，这些基因包括对一些新型的、生态上安全的除草剂具有抗性的基因以及对一些灾害性昆虫和病毒具有抗性的基因。这3种基因都已经成功转移并整合到好几种作物中，包括大豆、马铃薯、西红柿、烟草和油菜。由于作物收成的巨大损失往往是收获前或收获后由于杂草、害虫和病毒造成的，预期这些转基因植物带来的经济效益将是相当可观的。不过有关这些转基因作物及其产品的产量与品质资料一般都未见报道，事实上这些因素对于它们的实用前途是十分重要的（目前正在对这些转基因作物进行深入的实验室和田间试验以使这项技术常规化，估计可在将来5 ~ 10年内进入农业市场。尽管如此，仍有许多人士对这些研究表示忧虑，他们认为将来这些抗除草剂作物的推广应用可能会导致除草剂的过量使用，而抗害虫和抗病毒植物问世后，由于突变又会有新的或危害更重的病毒和害虫进化出现。

自从1983年首次报道转基因作物后，这方面的研究进展非常迅速，各种转基因作物不断出现，现在获得这类植物已比较容易，这是因为现在对一些特定植物来说，已经建立了有效的转化和植株再生方法，不过目前要获得一些重要植物品种，如谷类和豆科作物的转基因植物还比较困难，因为这些作物的转化与植株再生技术还很不成熟，含有卡那霉素抗性基因的转基因玉米、水稻和大豆植株已经再生成功，预计在不久的将来可以将具有农用价值的基因转入这些植物，当前，这项技术还有必要扩展到其它重要植物如小麦、甘蔗、甜菜和木薯中，同时对一些重要经济作物来说，要提高培养细胞的再生能力和遗传转化效率，还需要作坚持不懈的努力。

三、前景

只有当我们对植物生长发育的机制以及一些具有农业价值的植物基因的结构、功能和调节表达方式有了—个更加深入而完整的了解后，我们才能建立起一种全新的植物转化方法以使人类从植物生物技术中最大限度地受益，目前有几个明显的困难影响着这些技术的发展。其一，大多数对农业重要的基因尚未在分子水平上得到确定或尚未得到克隆；其二，大多数农业上重要的性状是受多基因控制的；其三，目前的转化技术只能允许少数几个（一般不超过1或2个）外源基因同时整合到基因组中；其四，导入的外源基因常以多拷贝形式整合到宿主基因组中，而且整合往往是随机和多位点的。尽管对目前研究最多的除草剂抗性基因和抗害虫、抗病毒基因（它们均受单基因控制）来说，尚无迹象表明这样的整合方式带来任何不良后果，但毫无疑问，如果几个基因同时以多拷贝、多位点整合到基因组中必将破坏或影响其它重要基因的活性，而且，对多基因性状的基因来说，位置效应和其它因素还要求外源基因应当整合到特定位点上。（外源基因位点专一性整合——基因靶击方面的研究还刚刚起步。）

近来许多研究者应用限制性片段长度多态性RELP）技术来制作一些重要作物基因组的遗传图谱，并采用聚合酶链式反应（PCR）方法来扩增小的DNA片段，已经取得了相当的进展。这些令人可喜的进展必将推动植物生物技术逐步现实化。从这些研究中获得的结果不仅对传统的育种工作非常有用，而且对各种重要基因的定位与克隆以及研究这些基因在分子水平上的相互关系也是至关重要的对在植物发育过程中起调节作用的基因进行研究是最近几年刚刚开始的。研究种子、果实发育成熟过程中的一些基因，包括那些对蛋白质、淀粉、脂肪的合成与贮存有调节作用的基因对于人工调控孖花和果实种子的形成极为重要。要想控制种子贮藏产物，包括淀粉、蛋白质、脂肪、油脂的品质（即组成）和数量，就必须首先阐明上述这些基因时空上的调控机制。最近出现的反义RNA技术，将使我们能按自己的要求延迟或减少某一特定基因的表达，从而可在时相上调节其他基因的表达，另外核糖核酸性酶（Ribozyme）技术（即基因剪刀“geueshears”）应用于转基因植物中基因表达的调控也引起了很大的重视。

许多栽培和野生植物对害虫、真菌、细菌、病毒和环境压力表现出天然的抵抗力。要建立对自然界中害虫等农业不利因素有效的生物控制技术，有必要集中精力来研究鉴定这些天然的抗性基因。阐明植物致病的分子机制也可能有助于使植物病原体灭活（disarmng）以减少它们带来的农业损失。通过分子操作稍加修饰，现在已经研究出了一种防冻细菌，它能避免或减少霜冻对植物的伤害，这项成果可以作为将来这方面工作的一个很好的范例。尽管目前这种细菌的推广应用受到了阻力，但从长远观点看，这种工程化的生物体不仅农业上非常有用，而且将来也一定能为社会和生态环境所接受。

将来，转基因植物也可以应用成为一种“天然的生物反应器”。在转基因植物中，可以以嵌合种子蛋白的形式来生产大量的生物活性肽，包括神经肤、血液因子和生长激素等。

总之，未来的植物生物技术必将会在植物改良工作中与传统育种技术互相补充，成为又一项重要技术。尽管在有些人看来，育种学家是植物生物技术研究者的对立者或竞争对手，但事实上，研究植物生物技术的学者应当与育种学家建立密切的相互协作关系，只有这样，才能将许多实验室中有意义的成果迅速推广到大田栽培中去。虽然植物生物技术的一些只要应用将在10年之间成为现实，但从长远的角度客观地评价，它对大自然的贡献将仍然是“改良性的”，而不是“革命性的”。

[Bio/Technology 1990年第8卷第1期］