第一章 绪论
　　生物技术（biotechnology）是以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，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，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21世纪最重要、最活跃、最有生命力的一项高新技术。生物技术产业将是21世纪的支柱产业，在迈进21世纪以来，世界各国纷纷出台重大举措，力图抢占未来生物经济的制高点，国际范围内的生物技术及产业的竞争更加激烈。毫无疑问，生物技术是落实科学发展观，增强我国国力和经济实力的关键性技术之一。
　　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，以基因工程为核心的一系列技术的总称。本书重点介绍现代生物技术，包括植物组织培养、植物细胞工程、植物染色体工程、植物基因工程、植物分子标记和生物信息学等在园艺科学上的研究与应用概况。
　　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技术学科，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、植物分子标记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在园艺科学上的应用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 horticulture 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）。由于外植体已脱离了母体，因此，园艺植物组织培养又称园艺植物离体培养（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（不管性细胞还是体细胞），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出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。外植体需要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细胞特性的细胞的过程。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（现象）称为再分化（redifferentiation）。
　　园艺植物组织培养的主要内容包括：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和环境条件以及培养技术；园艺植物幼胚、远缘杂种胚、子房、胚珠、胚乳培养的方法与技术；园艺植物脱毒的方法与技术；珍贵园艺植物特别是一些繁殖系数低的植物大量快速繁殖的方法与技术；园艺植物人工种子制备的方法与技术；园艺植物再生植株的遗传和变异；园艺植物种质资源的离体保存技术；园艺植物体细胞变异的获得与筛选，以及遗传转化细胞、组织的再生与培养等。
　　二、园艺植物细胞工程
　　植物细胞工程（plant cell engineering）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，从而达到改良植物品种和创造新品种，加速植物繁殖或获得某种有用物质的过程。园艺植物细胞工程（cell engineering in horticultural plant）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）、细胞保藏等技术。
　　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。
　　原生质体的培养是利用原生质体进行遗传操作、细胞融合以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、染色体以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，除了使用的质粒载体、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、质核互作雄性不育以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。
　　培养或经改造的细胞是进行研究和生产的基本材料，为了使其不致死亡并尽量保持优良的特性，需要进行适当的保藏。一般是根据细胞的特点，人工创造条件使其生长代谢活动尽量降低，处于休眠状态，以抑制增殖和减少变异。由于植物细胞有其自身的特点，因而其保藏方法不可能与微生物完全相同。通常采用的方法是液氮超低温保藏方法。此外还有低温冻藏法及其他一些保藏方法，但多用于短期保藏。
　　三、园艺植物染色体工程
　　广义染色体工程（chromosome engineering）包括染色体组工程和个别染色体工程，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（genome chromosome complement）是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）。个别染色体工程又称狭义染色体工程，是指按人们需要来添加或削减一种植物的染色体，或用别的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辅助育种技术，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、细胞遗传技术以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 in horticulture 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cDNAGAFLP）、同源序列法以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、新基因的功能预测以及分子进化分析等。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的鉴定。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）、RTGPCR 技术鉴定、Western杂交技术鉴定、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、园艺植物分子标记
　　植物分子标记（molecular marker of plant）的概念有广义与狭义之分。广义的分子标记是指可遗传的并可检测的DNA 序列或蛋白质。蛋白质标记包括种子储藏蛋白和同工酶（指由不同基因位点编码的酶的不同分子形式）及等位酶（指由同一基因位点的不同等位基因编码的酶的不同分子形式）标记。狭义的分子标记是指能反映园艺植物个体或种群间基因组中某种差异特征的DNA片段，它直接反映基因组DNA 间的差异。与其他遗传标记，如形态标记（morphological marker）、细胞学标记（cytological marker）和生化标记（biochemical marker）等相比较，分子标记的优越性突出、种类多、用途广。