植物细胞主要由细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核组成。原生质体(protoplast)指采用机械或酶解法去掉了细胞壁的裸露细胞。由于去掉了细胞壁，就使得细胞膜成为细胞活物质与外界环境的唯一屏障。自1971年植物原生质体培养成功以来，对原生质体的研究在植物中不断增多，研究的结果也逐渐显示出它在作物遗传改良中具有较大的应用潜力。

一、原生质体研究的发展

Klercker首先采用机械法分离植物的原生质体，他于1892年用利刃切割发生质壁分离的细胞，获得了少量的原生质体。应用此法还得到了甜菜、洋葱、萝卜和黄瓜的原生质体，但通过此法分离的原生质体数量极为有限，因而其培养也就较难，很少有成功的例子。只在葫芦藓(Funaria hygrometrica)中获得了由机械法分离的原生质体经培养再生的植株。

1960年英国诺丁汉大学的植物生理学家Cocking教授将一种由疣孢漆斑菌(Myrotheci-um verrucaria)培养物制备的高浓度纤维素酶处理番茄幼根，成功制备出大量具有高度活性且可以再生的原生质体，第一次证实了采用酶解法可以获得大量的原生质体，为以后原生质体的研究奠定了坚实的基础。原生质体研究发展快并取得很大进展是从1968年开始的，这是因为当时已经可以生产商品纤维素酶和离析酶并投放市场的缘故。

1968年Takebe等第一个采用商品酶分离得到烟草叶肉原生质体，他们采用两步法(two step method或sequential method)，先用离析酶或果胶酶处理组织使细胞彼此分开，然后加入纤维素酶得到原生质体。翌年Power等采用一步法(one step method)直接用酶的混合液处理组织也得到了原生质体。1971年Takebe等培养叶肉原生质体，成功地再生了植株。之后，植物原生质体的研究取得了很快的发展。原生质体培养研究的主要进展表现为，原生质体培养成功的作物不断增多、培养的方法不断改进。尽管烟草等作物的原生质体很容易培养再生植株，但禾谷类作物的原生质体培养在很长时间都未能取得突破，直到1985年才有较大的突破，日本学者Fujimura等率先从水稻原生质体培养获得再生植株，之后玉米、小麦等相继取得突破。1986年，单个原生质体培养获得成功，为在单细胞水平上研究单个原生质体的生理特性、细胞间相互作用以及在单细胞水平进行遗传操作提供了条件。迄今为止，大部分粮食作物(水稻、小麦、玉米、马铃薯等)、油料作物(油菜)、经济作物(烟草、棉花、林木)、园艺作物(柑橘、马铃薯、矮牵牛等)和一些药用作物(绞股蓝、毛曼陀罗等)的原生质体培养均已获得了成功。

以上简述了原生质体研究进展的主要大事件。原生质体进展中的一些里程碑事件归纳于表6-1。

表6-1原生质体研究进展的年代记事

二、原生质体的应用

由于没有细胞壁，原生质体为作物遗传改良和植物学研究提供了极为有利的试验材料。原生质体可以用于下面几种研究。

(一)种质资源保存

作为种质资源保存的原生质体主要用于超低温保存，植物原生质体超低温保存开始于20世纪70年代。目前，原生质体已应用于胡萝卜、烟草、毛曼陀罗、颠茄、玉米、杏、大豆、小麦、大麦、燕麦和柑橘等作物的超低温保存。提高原生质体活力及培养后的再生能力是今后原生质体超低温保存的重点研究目标。

(二)原生质体融合

原生质体培养成功为开展体细胞杂交奠定了基础，可以通过不同类型的原生质体融合克服传统育种方法所面临的生殖障碍(reproductive barrier)，创造新的种质材料，并且可以实现不同材料的核质基因重组。此外，与有性杂交相比，它可以实现两种材料的胞质重组。从1972年首次获得植物体细胞杂种以来，原生质体融合发展较快，并获得了大量的新种质，从中可筛选出优良新品种。

(三)筛选突变体

由于原生质体在培养过程中能够产生体细胞无性系变异，可以从中选出具有优良性状的变异体，因此可成为农作物改良的重要遗传资源。在马铃薯、苜蓿、水稻、猕猴桃、柑橘和烟草原生质体再生植株中均存在体细胞无性系变异。采用原生质体培养结合离体诱变还可以加速突变体的获得。例如，采用UV照射单倍体烟草叶肉原生质体，用缬氨酸选择得到了抗缬氨酸的烟草突变体。

(四)遗传转化

Krens等(1982)最早在烟草上开展原生质体吸取外源DNA的工作，并取得了成功。原生质体作为遗传转化的受体系统具有以下几个优点：第一，同一组织可以产生大量遗传上基本一致的原生质体；第二，如果原生质体具有再生能力，容易获得转化植株；第三，由于去掉了细胞壁，使原生质体容易摄取外源遗传物质，如细胞器、细胞核、细菌、病毒、质粒和各种DNA分子等；第四，原生质体转化后采用固体包埋培养，可以避免转化嵌合体(chimera)的发生。目前，原生质体转化研究获得了大豆、柑橘、小麦、水稻、诸葛菜、玉米、结缕草、甘薯和牛尾草的转基因植株。此外，原生质体是基因瞬时表达分析的理想材料，已广泛用于蛋白质亚细胞定位、启动子活性和蛋白质相互作用等研究。

(五)基础研究

原生质体为细胞生物学、发育生物学、细胞生理学、病毒学等学科的基础理论研究提供了理想的实验体系，可以用于研究细胞壁再生、膜结构、细胞膜的离子转运及细胞器的动态表现、光合作用、呼吸作用、物质跨膜运输等。此外，还可以采用原生质体研究气孔开关机理、物质储运、细胞膜的作用和病毒浸染机理及复制动力学等。原生质体还被用做进行抗寒性、抗热性测定的材料，并且认为在原生质体水平上的抗性与在植株水平上的抗性一致，从而为早期筛选抗性植株提供了材料。