第一章绪论
生物技术（biotechnology）是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，利用生物（或生物组织、细胞、器官、染色体、基因、核酸片段等）的特性和功能，采用先进的科学技术手段，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，加工生产产品或提供服务的综合性技术。目前，生物技术已广泛应用于农林牧渔、医药食品、轻工业、化学工业和能源等领域，与人民生活息息相关。它是一门新兴的、综合性的学科，更是21世纪*重要、*活跃、*有生命力的一项高新技术。现代生物技术研究所涉及的方面非常广，其发展与创新也是日新月异的，它的研究综合了基因工程、分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、有机化学、无机化学、物理化学、物理学、信息学及计算机科学等多学科技术。随着社会的成熟与发展，生物技术的发展使人们的需求得到越来越多的满足，为很多与人们生活切实相关的问题找到解决的方法。生物技术的发展，意味着人类科学各领域技术水平的综合发展；生物技术的发达程度与安全程度，也意味着人类文明的发达程度。
生物技术包括传统生物技术与现代生物技术。传统生物技术是指通过微生物的初级发酵来生产产品，如酱油、醋、酒、面包、奶酪、酸奶等食品的制作技术。现代生物技术是指以现代生物学理论为基础，以细胞工程、基因工程和蛋白质工程为核心的一系列技术的总称。本书重点介绍园艺植物现代生物技术，包括植物组织培养的理论基础与基本技术、细胞工程、染色体工程、基因工程、基因编辑技术、分子标记、蛋白质工程、生物信息学等在园艺科学上应用的原理、方法与技术。园艺是社会进步与文明程度的标志之一。作为园艺学和生物技术交叉学科的园艺植物生物技术，将会全面提升园艺科技与产业发展。
第一节园艺植物生物技术的主要内容
园艺植物生物技术（biotechnology in horticultural plant）是以园艺植物为材料，利用生物技术创造或改良种质或生产生物制品的一门技术，它是园艺学和生物技术的交叉学科，是在植物组织培养、植物细胞工程、植物染色体工程、植物基因工程、植物基因编辑、植物分子标记、蛋白质工程和生物信息学等现代生物技术手段基础上产生和发展起来的。这些先进的现代生物技术手段构成了园艺植物生物技术的主要内容。
一、园艺植物组织培养
园艺植物组织培养（tissue culture in horticultural plant）是指在无菌和人工控制的环境条件下，利用人工培养基，对园艺植物的胚胎（成熟和未成熟的胚、胚乳、胚珠、子房等）、器官（根、茎、叶、花、果实、种子等）、组织（分生组织、形成层、韧皮部、表皮、皮层、薄壁组织、髓部等）、细胞（体细胞、生殖细胞等）、原生质体等进行离体培养，使其再生发育成完整植株的过程。用于培养的园艺植物胚胎、器官、组织、细胞和原生质体通常称为外植体（explant）。由于外植体已脱离母体，因此园艺植物组织培养又称为园艺植物离体培养（horticaltural plant culture in vitro）。
植物细胞全能性（cell totipotency）是植物组织培养的理论基础。它是指任何具有完整细胞核的植物细胞（性细胞或体细胞）都拥有形成一个完整植株所必需的全部遗传信息，在特定的环境下可表达该细胞的所有遗传信息，产生一个独立完整的个体。植物细胞能够分裂、增殖和分化出不同形态、执行不同功能的组织和器官，从而使种族不断繁衍。外植体经过脱分化和再分化过程才能发育成一个完整的植株。脱分化也称为去分化（dedifferentiation），是指离体培养条件下生长的细胞、组织或器官经过细胞分裂或不分裂，逐渐失去原来的结构和功能而恢复分生状态，形成无组织结构的细胞团或愈伤组织或成为未分化特性细胞的过程。
这些脱分化的细胞或细胞团在适宜的环境条件下可进行重新分化，形成另一种或几种类型的细胞、组织、器官，甚至形成完整植株，这个过程称为再分化（redifferentiation）。
园艺植物组织培养的基础与技术主要包括离体条件下园艺植物细胞、组织、器官的形态发生和代谢规律，园艺植物细胞、组织、器官培养所需的营养条件、环境条件及培养技术，园艺植物组织培养在园艺科学与技术上的应用等。
二、园艺植物细胞工程
园艺植物细胞工程（cell engineeringin horticultural plant）是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，以园艺植物细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、增殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良园艺植物品种或创造新品种，加速园艺植物繁殖或获得某种有用物质的过程。园艺植物细胞工程的目的在于改良园艺植物品种和创造新品种，以及加速园艺植物繁殖。其核心内容主要包括细胞培养、原生质体培养、细胞遗传操作（包括细胞融合）等技术。
细胞培养是进行遗传操作、细胞繁殖与保藏的基础。分离细胞是细胞培养的第一步，常用的方法有机械法和酶解法，也可由离体培养的愈伤组织分离单细胞。细胞培养可分为悬浮细胞培养、平板培养、看护培养和双层滤纸植板等方法，它们都是将选定的植物细胞置于适宜的条件下进行培养，以获得大量基本同步化的细胞。
原生质体培养是利用原生质体进行遗传操作、细胞融合及植物体细胞杂交的基础，它是将取得的植物细胞去除细胞壁形成原生质体后进行培养，其方法与细胞培养有一定的相似之处。作为后继操作的基础，培养技术的选择是非常重要的。采用适当的培养方法可以更好地进行遗传操作、细胞融合和保存细胞，而培养不当可能影响结果甚至导致试验和生产失败，造成时间和金钱的浪费。
遗传操作技术的内容十分广泛，包括运用各种手段对生物进行遗传干预的技术措施。遗传操作技术在群体、个体、器官、组织、细胞、染色体及分子水平等均可实施。但就细胞遗传操作技术而言，其主要是指转基因技术与细胞融合技术等。将外源DNA导入靶细胞，除了使用质粒载体、病毒载体、转座因子和APC（酵母人工染色体）等途径外，外源裸露DNA通过化学诱导转化法、电穿孔转化法、基因枪转化法、激光微束穿孔转化法、脂质体介导转化法、超声波转化法等非生物方式进行遗传转化被大量地成功应用。细胞融合（cell fusion）又称为体细胞杂交（somatic cell hybridization），是细胞工程的核心基础技术之一，在细胞遗传学、细胞核质关系、质核互作雄性不育及远缘杂交育种等方面的研究具有重要意义。随着细胞融合技术的不断改进，融合率增大，细胞融合展示出了良好的发展前景。此外，细胞诱变也取得了较大的进展，诱变方法与技术不断完善，体细胞诱变育种已受到高度关注与广泛应用。这些理论和技术的发展都为更好地改造细胞创造了条件。
三、园艺植物染色体工程
广义染色体工程（chromosomeengineering）包括染色体组工程和狭义染色体工程，前者的主要内容是增加或削减染色体组，以改造植物的遗传基础，达到人类利用的目的。增加染色体组（chromosome complement）使细胞中的染色体多倍化，即变成同源多倍体（autopolyploid）或异源多倍体（allopolyploid）。狭义染色体工程又称为个别染色体工程，是指按人们的需要来添加或削减一种植物的染色体，或用其他植物的染色体来替换。植物染色体工程技术目前主要是利用包括远缘杂交在内的一系列细胞遗传技术和分子标记技术，实现染色体的附加、易位、交换，将存在于野生近缘种中的大量有益基因转移到受体植物中，丰富其遗传基础，创造新物种、新种质，育成新品种。园艺植物染色体工程（chromosome engineering in horticultural plant）的主要内容包括：①培养获得单倍体，通过染色体加倍，迅速获得纯系，聚集有益园艺性状基因，加速亲本纯系的选育。园艺植物获得单倍体的主要途径有雄配子体途径（包括花药培养、花粉培养和小孢子培养）与雌配子体途径（包括未受精子房培养和未受精胚珠培养）。②诱导多倍体，通过选育直接获得多倍体品种，或与杂交及杂优利用相结合，培育多倍体品种。诱导获得园艺植物多倍体的有效方法是采用秋水仙素溶液处理单倍体、二倍体或其他倍性的植株、组织、器官或细胞。也可通过与多倍体杂交的方法获得多倍体。③通过染色体的交换、附加或易位，获得染色体代换系、附加系或易位系。这主要通过远缘杂交、细胞遗传技术及分子标记技术来实现。
四、园艺植物基因工程
园艺植物基因工程（genetic engineering of horticultural plant）是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因（或DNA分子），按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入园艺植物细胞，以改良园艺植物原有的遗传特性，获得新种质或新品种。其基本操作步骤及内容包括：①利用各种基因克隆技术，如转座子标签技术、图位克隆技术、文库筛选技术（基因组文库的构建与筛选、cDNA文库的构建与筛选）、基因差异表达技术［mRNA差异显示技术、抑制性减法杂交技术、代表性差异分析法、基因表达序列分析和cDNA-AFLP（扩增片段长度多态性）］、同源序列法及基因芯片技术等从植物、动物、微生物等生物中分离目的基因。②生物信息学研究与基因表达载体的构建。生物信息学是分子生物学与计算机科学的交叉学科，它借助于计算机及网络技术进行核酸序列分析、蛋白质序列分析、核酸序列的酶切位点分析、PCR反应中的引物设计、核酸和蛋白质序列的同源性分析、新基因的功能预测及分子进化分析等。基因表达载体的构建是进行基因表达与功能研究的前提，是基因工程的核心。它是将克隆获得的目的基因连接在能使其在植物细胞中表达的各种载体，构建成不同类型的遗传转化载体，如正义表达载体、反义表达载体、RNA干涉载体、基因打靶载体等，用于园艺植物的遗传转化研究。③园艺植物遗传转化方法的研究与目的基因的遗传转化。目前用于植物遗传转化的方法有多种，不同的园艺植物适宜的遗传转化方法可能不同。建立与优化具体园艺植物的遗传转化体系是园艺植物基因工程的重要内容。除了借鉴已有的植物遗传转化方法外，也可根据园艺植物的特点创建新的遗传转化体系，在此基础上将目的基因导入受体植物细胞。④目的基因导入受体植物细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能确定。转基因植株的检测与鉴定包括分子检测与遗传特性鉴定。分子检测主要包括PCR技术鉴定、Southern杂交技术鉴定、Northern杂交技术鉴定（包括点杂交）、RT-PCR技术鉴定、Westernblot技术鉴定、蛋白质免疫测定技术鉴定等；遗传特性鉴定主要研究外源目的基因的表达、表达水平、遗传稳定性，以及与其他重要园艺性状基因表达的关系等。
五、园艺植物基因编辑
植物基因编辑（gene editing），又称为植物基因组编辑（genome editing）或植物基因组工程（genome engineering），是一种较为精确的能对植物基因组特定目的基因进行修饰的基因工程技术。植物基因编辑技术主要有同源重组（homologous recombination）技术与核酸酶（nucleases）技术，前者是在DNA的两条相似（同源）链之间进行遗传信息的交换（重组），其主要缺点是效率极低，且出错率高；后者中已开发的核酸酶主要有巨型核酸酶（meganuclease）、锌指核酸酶（ZFN）、转录激活子样效应因子核酸酶（TALEN）和规律性重复短回文序列簇（CRISPR/Cas9）等。权衡这些核酸酶的精确度和效率，CRISPR有望获得广泛的研究和应用，尤其是科学家近年开发的与CRISPR相关的工具，如碱基编辑和prime编辑，极大地扩大了基因组编辑的范围，允许创建精确的核苷酸替换和有针对性的DNA删除和插入。
到目前为止，基因组编辑已被用于在植物中产生各种可遗传的基因组修饰，主要包括：①同源重组修复（homology-directed repair，HD
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