尽管所有的植物细胞均来自于授精的卵细胞并且含有完全相同的信息，但来源于不同体细胞的愈伤组织在表达全能性的能力上却各不相同，禾谷类细胞培养尤其如此。在单子叶植物中，含有未成熟分生细胞的外植体发育成具有表达全能性能力的愈伤组织，禾谷类植物的茎尖分生组织、幼叶基部、未成熟花序、未成熟胚、节间组织、花药以及少数根尖组织能产生可以再生长成植株。
尽管禾谷类组织培养研究有大量的文献报道，但从外植体到获得理想的结果仍有极大的困难。在培养过程中，基因型间有很大差异，愈伤组织诱导及其植株再生所需的生长调节剂会产生不同的结果。对大多数系统来说，被诱导为胚状体发生或器官发生的细胞的一致性仍然是个令人费解的问题。对促发诱导这一过程的生化过程也知之甚少。激素参与植物的生长和发育很复杂，对它们在组织培养的胚胎发生和器官发生过程中真正作用的了解少得可怜。
本文重点探讨由愈伤组织培养经形态发生获得的主要一些禾谷类作物的研究。近期关于禾谷类细胞培养的报道大多集中于原生质体技术，这些技术立足于用电击法或PEG吸收法将外源基因导入原生质体获得转基因植株，困难的是很难从分离的原生质体中获得具再生能力的禾谷类细胞培养物。最近，已得到玉米和水稻的原生质体培养再生植株。不久前有报道，成功地用基因枪轰击禾谷类悬浮细胞获得转基因植株，这一进展似乎依赖于悬浮细胞培养可以再生的特点。
植物生长调节剂
禾谷类组织培养中最常用的生长调节剂是2，4-D，许多禾谷类外植体在2，4-D存在下表现出胚胎发生的能力，一些其它生长素的使用也具有相同或更大的效用。麦草畏和4－氯苯氧乙酸（CPA）诱导玉米培养物的胚胎发生。克劳斯和盖勒格－鲁德曼的实验表明一定浓度的2-，3-，4-CPA能诱导95~100%的玉米自交系的体细胞胚胎发生。海塞等也报道，采用2，4-D和2，4，5－三氯苯氧乙酸使水稻培养物产生了不同的胚胎发生能力。最近马吉尼等发现2，4-D能诱导胚性的愈伤组织，然而其它生长素如对氯苯氧乙酸的使用均无效。麦草畏和激动素能增加小麦愈伤组织的再生能力。在指黍中，毒莠定和低浓度的激动素能诱导愈伤组织产生体细胞胚。
细胞分裂素对禾谷类产生再生能力的作用还不清楚，不主张在芦粟愈伤组织培养中使用细胞分裂素，因为有人报道它对愈伤组织的生长有负作用，但是低浓度的细胞分裂素在芦粟培养中能提高出芽率。一些科学工作者也用低浓度的细胞分裂素诱导培养芦粟愈伤组织。芦粟茎尖分生组织的胚性愈伤组织的诱导需要2，4-D和低水平的激动素，在另一芦粟栽培种中单独使用2，4-D能产生胚性愈伤组织，在含2，4-0和细胞分裂素的培养基上获得了芦粟其它栽培种的胚胎发生，器官发生或两者混合型的培养物，这些可由盾片、叶基或节间区域诱导发生。在芦粟中，带有苞节的茎尖分生组织通过改变培养基中生长素/细胞分裂素比例来诱导分化成根、胚性愈伤组织或芽。
其它植物生长调节剂对禾谷类也有类似的效果。在几种水稻栽培种中；生长素和细胞分裂素混合使用有利于胚性愈伤组织的诱导。单独使用2，4-D在某些栽培中能使其诱导的愈伤组织再生成苗，而在某些栽培品种中，诱导培养基中需有细胞分裂素。在一些栽培种中，2，4-D诱导的愈伤组织当转到无激素培养基上能再生成苗，而另一些栽培品种的再生培养基需要细胞分裂素才能成苗。激动素在某些水稻培养中有抑制作用。
玉米胚性愈伤组织的形成和植株再生都不需要细胞分裂素，单独使用2，4-D或结合使用细胞分裂素可诱导小麦愈伤组织。许多小麦栽培品种在2，4-D存在下产生具再生能力的愈伤组织，当这种愈伤组织转到含细胞分裂素的培养基上时，苗的形成得以改善。在许多情况下，2，4-D浓度的降低或加入细胞分裂素能提高芽的分化。激动素对小麦愈伤组织的扩增有抑制作用，大麦的胚性愈伤组织形成也需使用2，4-D。伦格尔和杰拉斯卡观察到，在培养基中加6－苄基腺嘌呤能增加大麦胚性愈伤组织的形成。诺斯道格报道了动态浓度和胚状体形成间呈正相关。有一种果树园的草，其非胚性基因型中发现有高水平的内源细胞分裂素、而寓胚胎发生能力的基因型中由于加入了外源的玉米素而抑制了胚胎发生，这些与需要加细胞分裂素才能产生再生性培养物完全相反的报道，可以用不同基因型具有不同水平的内源细胞分裂素来解释。
内源脱落酸（ABA）的浓度也对一些单子叶植物诱导胚性培养基具有明显的作用。拉加塞卡的实验表明，用低浓度的ABA处理也会抑制体细胞胚胎发生，这种抑制作用可被培养基中的外源ABA所解除，在水稻愈伤组织培养中，ABA能增加所有试验品种的植株再生频率，伊诺欧和迈伊达还报道了在诱导培养基中加入ABA能促进刺激水稻的再生能力。低浓度的ABA能增加小麦愈伤组织培养中的胚胎发生。
总之，尽管大多数单子叶植物细胞培养早期的研究都集中于培养基的调控，但是植物生长调节剂和其它有机及无机成分的广泛培养基的调控仍不能像双子叶植物细胞培养中那样诱导产生如此丰富的再生性培养物。
基因型作用
禾谷类组织培养中反复强调的一个主题是培养中的基因型的变异，同一个种中的某个栽培品种最适合的植株再生条件对另一些不同的栽培品种可能就不起作用，这是禾谷类组织培养中经常出现的问题，并且许多有关的文献也试图针对某个栽培品种选择最佳条件。
据报道玉米组织培养中的再生受核基因遗传控制的，威尔曼近期的研究也表明至少一个或一组基因控制了玉米组织培养中胚胎发生的表达。彭和霍吉斯也提供了证据，证明水稻培养的再生能力是由核和质基因共同控制的。在芦粟中，马等发现形成具有再生能力的愈伤组织能力因不同的基因型而不同，并且是可遗传的，表现为显性特征，至少有两个基因对与此有关，然而，克劳斯和盖勒吉－鲁德曼发现玉米再生性愈伤组织的诱导可以独立于外植体的遗传背景，由植物生长调节剂的类型和浓度控制，主要是一种生理学现象，后来，他们又指出了核基因参与调控了植物生长调节剂类型和浓度的反应。
基因型的差异可能与内源激素水平有关。甚至来自于单一基因型的外植体在培养中的反应也可能不一致，很可能是由于内源激素变化的梯度所致。来自于同一朵花的未成熟胚在培养基中也表现不同，这决定于花的大小和取材的花的部位，取营养丰富的植株外植体就不同于营养缺陷的植株，取夏季的植株培养就不同于生长于凉爽季节的植株，这种效应可能与内源激素水平相关，即使在单一实验中，相似的外植体培养物在绝大多数实验中也不是完全相似的。
这些例子均表明外植体的行为中的某些问题与基因型一样关键，许多遗传学上的差异可以通过某些手段避开，这些手段包括取最适条件下的植物材料或通过变化培养基中的营养成分和激素水平，禾谷类组织培养中培养基和激素浓度的变化为外植物和基因型不同的遗传性提供了保证。
外植体
不同的外植体用于诱导再生性的培养物，而许多禾谷类作物中使用最广的外植体是未成熟胚，这些禾谷类材料包括水稻、小麦、芦粟、玉米、燕麦、黑麦和大麦。
成熟的种子、幼苗或其一部分和胚已成功地用作水稻、小麦、芦粟、燕麦、玉米、大麦及指黍的外植体。
叶鞘作为外植体已在水稻、小麦、芦粟、黑麦等中使用。
茎尖分生组织和幼叶基部或带有分生组织的茎段也可作为小麦外植体。芦粟、黑麦等的幼叶组织能产生再生性的愈伤组织，芦粟和大麦的茎尖也获得了胚性愈伤组织。
芦粟、大麦等的未成熟花是产生再生性愈伤组织很好的材料来源，其它使用的外植体还有水稻的根尖，水稻、小麦、玉米、大麦的花药或花粉。
沃尼克和米尔库维奇曾作过一些有趣的实验，观察小麦外植体与建立再生性培养物的关系。他们使用2 mg/L，2，4-D作为唯一的植物生长调节剂，培养物选择直径为1~2 mm茎尖的幼苗，其中这一外植体包括茎尖分生组织、叶基部、腋芽等几个部分，不同的愈伤组织类型会导致根、幼芽和一些体细胞胚的形成，长根类型的培养物长势好于长芽类型的培养物，在21种随机选择的小麦基因型中均成功地获得了再生，之所以获得成功是由于使用了含茎尖的外植体。
外植体内源激素环境也是很关键的。在芦粟中，来自于同一种基因型的茎尖分生组织通过改变培养基中生长素，细胞分裂素比例能被诱导具有长根，发芽以及胚性愈伤组织能力的培养物。细胞分裂素在最初的愈伤绖织诱导培养基上对形成根，芽或胚性愈伤组织类型具有重要的作用，这与斯库和米勒尔观察到的生长素/细胞分裂素比例控制根和芽的形成相类似。含2.5 mg/L，2，4-D和0.5 mg/L激动素的培养基能诱导芦粟的一个栽培品种产生胚性的愈伤组织，但只能使另一个栽培品种产生根原基。然而，增加激动素浓度至2.5 mg/L或更高，能使后者产生长芽的愈伤组织，对第三个栽培品种，只有降低2，4-D浓度至0.1 mg/L而维持激动素在2.5 mg/L或更高水平才能诱导长芽的愈伤组织。
对激素的敏感性和靶细胞的特性可能取决于细胞中内源激素水平，在某些水稻培养物中诱导愈伤组织不需要细胞激动素是因为外植体内含足够的细胞激动素浓度，因此组织培养中不同基因型的不同应答能力和形态发生都是由于组织中激素代谢的不同造成的。诺斯伯格1970年就指出不同基型因表现可能是由于水稻中内源细胞激动素的不同造成的，所以组织培养过程中的反应和形态发生的不同遗传基础很有可能是由于外植体激素代谢的不同而产生的，而这一外植体又是由基因型控制着基因所表达的单个激素水平，因此可以推知所有的基因型均能产生胚性培养物，而合适的分生组织外植体以及最初接触的最适合的植物生长调节剂才是关键所在。
形态发生途径
植物再生有器官分化，体细胞胚胎发生和两者兼而有之的几种途径。形成根的器官发生很少能产生植株，而形成芽再长根可产生植株。通过体细胞胚胎发生的植株再生要优于器官发生，因为胚起源于单个细胞，这种遗传机制能通过继代延续下去，然而沃克尼等提出了体细胞胚起源于多细胞的证据。令人感兴趣的是，许多组织培养系统中，相同的培养物既能产生胚性愈伤组织又能产生芽。类似于芽的一些结构认为可能是早熟性发芽的胚状体。
同一个外植体既可以向产生器官发生途径又可以向体细胞胚胎发生途径发生便引起了一个问题，即两者的关系如何，这很可能是最初细胞中关键的不同代谢物的比例使得细胞向着某一个途径发育，而不是另一个途径。在未成熟玉米胚的培养过程中，胚轴节间的细胞在高浓度蔗糖下增殖产生致密的愈伤组织，低浓度蔗糖下产生叶的结构。弗盖逊等用喷洒带有未成熟胚的小麦小花，获得了胚胎发育的新的中心，这些中心从仅分化芽或根的地方延伸到分化好的芽处。小麦茎尖分生组织正常的形态发生为2，4-D所抑制，而2，4-D却启动被抑制的原基状态组织的增加。这一过程与芦粟中所观察到的微分蘖极其相似。
芦粟细胞培养中，有些外植体可能产生分化芽，体细胞胚或根的组织。芦粟一些栽培品种节间愈伤组合产生的芽能长成植株，而在另一些栽培品种中，体细胞胚胎发生和器官分化启动于叶的组织培养。另一个芦粟栽培品种的茎尖诱导了体细胞胚胎发生。将成熟的芦粟栽培品种BTX3197种子置于含2，4-D和高浓度细胞分裂素的培养基上培养后，等一茎节区长出了腋芽，如果细胞分裂素浓度降低，该区域却长出了根，然而有些在低浓度的细胞分裂素下培养，会产生胚性愈伤组织。继续这一实验，取带有茎尖分生组织的茎节区，低浓度细胞分裂素使相同外植体分化出胚性愈伤组织，而高浓度时则产生绿色的类似芽的结构，后者明显与瓦西尔描述的早熟萌发的胚状体相似。
以上实例均说明了这些复杂的现象，即外植体可被诱导成不同的形态发生途径，其中关键因素是什么？禾谷类细胞培养中，基因型、植物生长调节剂、外植体和全能性表达间的关系怎样？假如一旦了解了这些关系，那么是否又能采取一些措施使之实验用于所有禾谷类从而建立形态遗传性能的细胞培养呢？
无论带有茎尖分生组织和幼叶基部的第一茎节区是来自于成熟胚还是萌发的成熟种子，在不同条件下，均能产生明显的胚状体，芽或两者兼而有之的细胞。2，4-D或其它生长素类似物诱导愈伤组织似乎对诱导过程来说是关键的 · 不是所有情况下都需要外源细胞分裂素，可能是因为一些组织中本身含有足够水平的含量，然而那些本身浓度不够的，则需要外源的细胞分裂素处理，已知细胞分裂素在芦粟中能增加分蘖，这也表明在组织培养过程中具有促使发芽的相似作用。
细胞类型
禾谷类作物胚性细胞培养的明显特征是它们的颜色和表面形态学。绝大多数禾谷类胚性愈伤组织发育过程中，首先可见奶白色至黄色的，表面致密的，带小节的愈伤组织。非胚性愈伤组织则疏松，水晶状，颜色由黄色到棕色不等，海塞等能够通过来自非胚性愈伤组织类型的低分化频率芽来区分胚性和非胚性的水稻愈伤组织。斯 · 雷尼斯和麦克库伊描述燕麦愈伤组织的胚性细胞类型为器官化的圆锥顶尖分生组织分散于致密、黄白色，高分裂片的愈伤组织中，海塞和拿保斯也描述了燕麦的愈伤组织，它们是粗糙、黄色、透明的非胚性愈伤组织与不透明、白色而经常是旋转性生长分布的胚性愈伤组织混在一起。此外，玉米中有两种不同的胚性细胞类型。阿姆斯特朗和格林以及瓦西尔描述了玉米一种柔软、易脆，快速生长的胚性细胞类型，阿姆斯特朗和格林指示培养基中加L－脯氨酸能增加这类细胞的形成，然而，瓦西尔却没有观察到这一现象，这种细胞类型是分离原生质体的理想材料。增加渗透压，提高蔗糖浓度或脱落酸、处理能形成白色光滑、多节的玉米胚性愈伤组织。脱落酸是通过促进玉米对蔗糖的吸收促进生长，高浓度的蔗糖能提高玉米胚性愈伤组织形成。
蔗糖促进胚性愈伤组织的生长或植物生长调节剂刺激蔗糖的吸收是极为重要的。胚性愈伤组织含有丰富的淀粉，故显示出白色组织，芦粟的胚性愈伤组织中也有类似的报道，瓦西尔指出，狼尾草培养中淀粉颗粒的缺乏会导致不可逆的分化或使胚性的变为非胚性细胞。
组织再生植株的潜在能力的研究面变得越来越窄，这些相同的细胞可能是发育成体细胞胚或芽的一类。尽管现在还不能确定，但可以假定这些是激素作用的靶细胞，培养过程中外源植物生长调节剂的使用，可能会改变体内激素平衡从而促进器官或胚胎发生来替代它们正常的发育方式，这种情况在花药培养：中的花粉胚胎发生时也会产生。
外源植物生长调节剂可能在质体水平上与生理过程发生相互作用，沃尼克和布雷太尔通过电子显微镜分析，指出了外植体作用能力的丧失和叶绿体分化之间的关系，虽然关于禾谷类组织培养的文献很多，但是尚没有在亚细胞水平上较深的研究，特别是激素对细胞器分化的作用，在禾谷类细胞培养的茎尖分生组织外植体中，质体通常处于未分化的前质体状态。
当芦粟分生组织细胞在仅含2，4-D的培养基上培养，发育的愈伤组织中没有叶绿素的发育。最初的愈伤组织是白色、透明或黄色的。低水平的细胞分裂素作用下，有典型的结节胚性愈伤组织分化，相同的组织如果培养在含高浓度的细胞分裂素的培养基上会产生绿色愈伤组织和叶盾片状绿色的胚状体或绿芽。既然绿色素与叶绿体有关，就表明在形态发生中质体是激素作用的靶细胞器，这与爱克斯断言淀粉累积是否会导致胚性愈伤组织的发生或在体细胞胚胎发育中它起着诱导作用使之胚胎发育均为时过早。值片组织和茎尖分生组织是强代谢活性特别是碳水化合物代谢旺盛区域。茎尖分生组织中活性细胞分裂需高的代谢，而淀粉的累积反过来也促进了这一活性，淀粉累积和白色愈伤组织的出现均伴随着胚胎发育或禾谷类细胞培养中器官化结构的出现。植物生长调节剂对茎尖分生组织靶细胞起作用从而改变碳水化合物的代谢和质体发育。在某些情况下，正常的叶绿体发育和随后的器官性芽发育均会由于与细胞分裂素浓度的相互作用而得以改善，在别的细胞或相同细胞类型中，质体会发育成淀粉体，然后再进行体细胞胚胎发育，当外源激素改变它们正常发育时，这些细胞在培养中的不同表现可能并不是巧合。
体细胞胚胎发生或器官发生再生的植株外植体是内源激素活跃的场所。茎尖分生组织，茎节区域，以及不成熟花具有另一个共同的特点，即具有分化成整株植株潜在能力的原基细胞，不成熟花已从基分化成花原基并且含有胚珠和花粉的前体，假设这些细胞在体外培养过程中启动了胚胎发育，同样地，茎尖分生组织，盾片和茎节区均含有在正常生长情况下发育成芽原基或花分生组织的细胞。劳斯等的实验结果一致，即烟草细胞培养中，细胞分裂素启动了叶绿体的分化，禾谷类中还需要更多这方面的工作证实这一结论。芦粟可以作为一个模式系统，因具相同的外植体可诱发胚胎发生途径或器官发生途径。而变绿过程中叶绿体的发育和正常叶的发育正在进行分子水平上广泛研究，实验室诱导培养条件下的形态发生可认为是一个阶段的结束以后的工作，该移交给组织培养学家进行植株再生。激素诱导的形态发生过程中质体分化的检测可能为激素在分子水平上对分化作用的研究指明方向。
结束语
对单子叶植物再生的研究早就着眼于营养培养基成分的变化从而建立一个最适再生培养基，这一策略在双子叶植物上颇为成功，而在单子叶植物上却不尽然。60年代和70年代后期曾有单子叶植物再生性培养的报道，它是在仅加2，4-D的简单培养基土培养的。80年代有了许多重要禾谷类的再生报道，一部分是因为具有再生潜能的基因型，另一部分是因为发育状态的未成熟胚作为合适的外植体。一些研究者提出，同一属中的一些特定基因型或栽培种有显性基因使其产生再生性的愈伤组织，值得注意的是一些实验室不能再生的栽培种而另一些实验室却能获得成功，这表明不能随便下结论说这个栽培种不能再生，所有的栽培种均具相同的遗传潜能，遗传上的区别是内源激素水平和培养基中外源植物生长调节剂共用作用产生的特殊反应。
许多报道均认为多数禾谷类作物的成熟茎段和叶组织不是诱导愈伤组织的理想材料，禾谷类外植体组织必须含有根、茎尖或嵌合有分生组织的叶基部和茎节组织的分生组织细胞，瓦西尔指出仅仅培养在特殊发育阶段的外植体才能产生再生性培养物。这些分生细胞能产生非胚性或胚性愈伤组织，这就使得许多实验室通过显微镜来辨认和分离出小的、白色的，不透明的胚性细胞类型。近期，库克因实验室水稻原生质体再生的成功对于进行广泛的鉴定和建立产生原生质体的正确细胞类型以及今后的进展和原生质体再生最初建立这些胚性细胞系是至关重要的，这主要还是由肉眼进行筛选。
未成熟胚用作外植体的研究，时间长而且材料生命力强，植物一般生长在温室或培养箱中，培养的是未成熟胚的给定发育阶段。一些基因型也是培养和筛选的，最初是由成熟的种芋开始，无菌条件下萌发，然后分离含高度分生性的分生细胞的茎尖区。巴斯卡里恩和史密斯分别发现芦粟、大麦、小麦的再生愈伤组织增加。沃克尼和米尔库维茨等还发现，采用茎尖分生组织作为外植体建立具有再生潜能的培养物不同基因型之间的区别极其微小。他们总结在许多基因型中，离茎尖分生组织在1 mm以内的组织块中，组织再生能力会损失。
总之，80年代以来，具表达胚胎发育的禾谷类细胞培养的建立已越来越平常。含有绝对优势的分生细胞的外植体培养在含2，4-D和低浓度的细胞分裂素和/或ABA培养基上，通常会产生白色多节的愈伤组织。肉眼挑选和分离这些愈伤组织是维持胚性潜能的重要步骤。使用由种子萌发的幼苗茎尖分生组织为外植体，可以减少基因型反应不同造成的差异。
[Crop Science，1990年11~12月]