胚胎培养(embryo culture)是植物组织培养的一个重要领域。植物胚胎培养是指对植物的胚(种胚)及胚器官(如子房、胚珠)进行人工离体无菌培养，使其发育成幼苗的技术。广义的胚胎培养还包含胚乳培养和离体授粉。本章介绍的主要内容包括：胚培养、胚珠和子房培养、胚乳培养、离体授粉。

胚培养

被子植物的受精过程是双受精(double fertilization)，这与其他的植物不同。被子植物的雄配子体形成的两个精子，一个与卵融合形成二倍体的合子，另一个与中央细胞的两个极核融合形成初生胚乳核。双受精后合子发育成胚，而初生胚乳核发育成胚乳，为胚胎发育提供营养，最终逐渐解体和消亡。

有些植物的胚在幼胚发育时期败育或者种子中成熟的胚不易萌发，只有采用胚培养技术才能获得下一代种苗。因此，早在20世纪初就进行过这方面的研究。1904年，Hanning最早进行了无菌条件下的离体胚培养实验，他将萝卜属(Raphanus)和辣根菜属(Cochlearis)植物的未成熟胚放在含有糖、无机盐、氨基酸和植物提取物的培养基上培养，并成功地获得了这两种十字花科植物的成熟胚。随后很多研究者都由成熟胚的离体培养获得了植株。在某些不易成功的远缘杂交中，胚培养是获得杂交植株的一种很有价值的技术。Laibach(1925)首次将离体胚培养技术用于种间杂交研究，在无菌条件下对从亚麻属种间杂交形成的不能正常发育的种子中剥离出未成熟的杂种胚进行培养，并成功获得了亚麻种间杂种，证实了这种方法在植物育种中的实用价值。自此以后，离体胚培养技术被广泛用于远缘杂交研究。胚培养在植物育种中的应用已有半个多世纪的历史。此外，离体条件下的植物胚培养技术为研究胚在各个发育时期的营养需求、生理代谢过程和基因表达提供了一个很好的技术平台。

一、胚培养的应用和意义

(一)克服杂种胚的败育，获得稀有杂种

植物胚培养的最大用途是获得种间或属间杂种。在很多种间和属间杂交中，受精作用能正常完成，胚也能进行早期的发育。但是，由于两套基因组的表达不协调，导致杂种胚和胚乳发育不正常，因而不能形成有发芽能力的种子。Laibach (1925)证实，在此类难以成功的杂交中，杂种胚乳往往最先败育，而杂种胚常常具有正常生长的潜力，若将杂种胚在夭折以前置于适宜的培养基上培养，则能获得杂种植株。

Brink等在1944年首次采用胚培养的方法获得了大麦和黑麦的属间杂种。1960年，Davies为培育耐寒和抗白粉病的大麦品种，曾试图用大麦(Hordeum vulgare)和球茎大麦(H.bulbosum)杂交，但颖果缺乏胚乳，胚在种子成熟之前死亡，最后通过将授粉后14～28d的杂种胚取出培养，获得了幼苗。Iyer和Govilla在1964年采用一种含有10％完全培养基(CM)和0.1％麦芽浸出物的琼脂培养基对10～25d的水稻(Oryza sativa)种间杂种胚进行培养，并最终获得了成熟植株。胚培养技术也在其他作物的杂交育种上得到广泛应用。Webster (1955)和Schloser Szigate (1962)通过胚培养的方法获得了豆科植物黄香草木(Melilotus of ficinalis)和白香木樨(M.alba)的杂种植株。在棉花育种中，常用陆地棉(Gossypium hirsutum)与亚洲棉(G.arboreum)进行种间杂交，目的是使亚洲棉的早熟、抗性等优良性状转移到陆地棉中，以培育早熟、丰产、优质、抗逆的品种。但在杂交后，由于胚乳发育不正常，仅形成少量的胚乳，并提前解体，以致幼胚不能获得足够营养而死亡。Lofland (1950)和Mauney(1961)建立了成熟的棉花幼胚培养技术体系。1940年，Bleasley从授粉后20d至成熟期间的不同成熟度棉铃中取出幼胚进行离体培养，结果从30d的胚珠中取出的胚能顺利生长，并形成幼苗。在果树育种中，许多落叶果树的种子早熟，生活力极低，胚培养是一种有效的补救措施。Tukey (1944)曾经对苹果(Malus pumilia)等多种果树的胚在败育前进行培养，均取得较大进展。对于珠心胚的柑橘类植物，离体培养杂种胚更显示出特殊的意义。由于珠心胚和杂种的合子胚同时生长，而杂种胚往往生长能力较弱，还受到珠心胚的干扰，难于进一步发育，应用离体培养方法可使杂种胚正常发育，并长成幼苗。

(二)获得单倍体

单倍体已在植物遗传与育种研究中得到广泛应用，特别是在作物自交系选育研究方面。常规育种方法选育自交系需要的时间周期较长，而单倍体育种直接利用配子体进行选择，提高有利基因型的入选频率，甚至一季就可能获得新的自交系，极大地缩短了自交系选育年限，所以单倍体育种是一种快捷而有效的育种方法。但是获得单倍体的途径有限，效率也亟待提高。通过远缘杂交，结合胚培养技术是获得单倍体的有效方法之一。栽培大麦x球茎大麦和小麦x玉米进行的杂交中，受精作用几乎完全正常，但由于父母本的细胞分裂周期不同，合子胚在经过几次有丝分裂以后，父本的染色体被淘汰，子细胞中留下母本的染色体，为单倍体。然而，由于这种单倍体胚生长非常缓慢，且受精后不久胚乳逐渐解体，自然条件下难以获得单倍体。因此，为了得到大麦或小麦的单倍体植株，必须把幼胚剥离出来进行培养。

(三)打破种子休眠，促进胚萌发和缩短育种周期

种子的休眠期因植物的种类而异，种子长时间休眠会拖延育种研究工作。很多园艺植物的种子都具有休眠特性，甚至过了休眠期的种子在合适的温度、氧气和湿度条件下也不能萌发。而胚培养技术常常可以克服这一类种子发育上的障碍，促进胚的生长发育，可不经休眠而长成发育良好的幼苗。苹果属的一些品种，种子播种后在土壤中需几个月才能萌发，离体培养的胚却能在48h后萌发。红豆杉(Taxus chinensis var.mairei)和短叶红豆杉的种子在自然条件下需要几年才能萌发，且种子的萌发率和出苗率很低，采用胚培养技术获得了较高的萌发率和出苗率。

在育种实践中，有的品种需要较长的育种周期，为加快育种进程，可采用离体胚培养的方法缩短育种周期。蔷薇属植物的栽培品种常需1年才能进入花期，从培养幼胚获得的幼苗只需2～3个月即可开花，而利用这种花作父本，1年内可产生2个世代，大大加快了育种进程。碧玉兰与虎头兰杂交的蒴果完全成熟需1年左右，但杂交胚发育3个月即具有良好的发芽能力，采用胚培养技术从授粉到出苗仅需11个月，缩短育种周期近1年。

(四)种子活力的快速测定

应用一般的萌发试验测定休眠种子的生活力所需时间很长，有的还必须预先进行后熟处理。但木本植物种子后熟期长，打破休眠常常需要较长时间的层积处理。1977年，Rahavan通过研究发现，一些木本植物的种子，在经过层积处理和没有经过层积处理的情况下，其种胚在离体培养时，萌发速率基本一致。因此，取胚进行萌发实验，被认为是快速检测种子，尤其是检测休眠期种子活力的有效方法。目前，这种方法已被广泛应用于种子活力测定，与染色法相比，离体胚培养技术对种子生活力的检测更可靠、更精确。

(五)快速繁育特殊植物

果实成熟初期，由于胚仍然未发育成熟，种子不能萌发。利用胚培养也可以对这些植物的不育种子进行培养。椰子(Cocos nuci fera)的胚乳是液体型胚乳。有一种椰子的变异类型不能形成液体胚乳，取而代之的是软质胚乳(椰肉)，这一特性深受消费者喜爱。这些果实被称为“Makapuno”，但其种子在自然条件下不能发芽，因而十分稀罕。De Guzman等(1971)应用离体胚培养技术，成功获得了“Makapuno”植株。一种著名的龙眼(DiMo-carpus longan)—焦核龙眼，其果实在胚胎发育过程中受阻，果实成熟时，因种子皱缩、肉厚、含糖量高而表现出较好的品质。胚胎学研究发现，这种龙眼的胚胎发育初期正常，但授粉后40d左右开始败育，种子的胚干涸，胚胎逐渐坏死，种皮皱缩，果实成熟前种胚坏死，种子丧失生活力。若在开花后60～70d剥离胚进行离体胚培养，20d左右就可获得焦核龙眼的幼苗。

(六)诱导胚性愈伤组织

转基因技术在基础研究和育种中的应用越来越广泛，植物的转化再生体系是基因遗传转化的一个关键环节。胚性愈伤组织的获得极大地影响了遗传转化规模。而胚是人工诱导胚性愈伤组织的优良外植体。在主要农作物中，通过成熟胚培养获得胚性愈伤组织在水稻上已建立完整的体系，通过幼胚培养获得胚性愈伤组织在玉米和小麦上也建立了成熟的技术体系。

二、胚培养的类型及发育途径

根据胚的不同发育时期，离体胚培养又可分为成熟胚培养和未成熟胚培养。成熟胚培养是指对子叶期以后的胚进行离体培养，在此时期的胚不仅储备了能够满足自身萌发和生长的养料，还能从培养基中吸收无机盐和糖，并通过自身的生理代谢合成其生长所需的一些物质，因而培养起来较为容易，所需培养基成分相对简单，这段时期又称为自养期。未成熟胚培养是指对子叶期以前具有胚结构的胚进行离体培养，远缘杂交所采用的离体胚培养主要是指幼胚培养。这时的幼胚主要依赖于吸收周围组织的有机营养物质。进行幼胚培养时，必须通过培养基向其提供足够的营养物质，并提供适宜的培养条件，因此心形期前的幼胚培养难度大，这段时期又称为异养期。

离体胚培养时，胚的发育有以下几种常见的途径：①胚胎发育途径，幼胚经过心形期，再发育到鱼雷形期，然后进入子叶期，最后萌发成苗(图2-1) ;②胚性发育途径，在胚培养时幼胚增大到正常胚的大小，甚至超过正常胚，但是不能萌发成幼苗，这时可通过调节渗透压或生长素等成分使胚正常生长；③早熟萌发途径，幼胚在培养过程中越过正常胚发育阶段，萌发生长成幼苗，由于未达到生理和形态成熟，这样的幼苗往往很弱小，组织不健全，难以成活；④产生愈伤组织途径，幼胚培养过程中细胞脱分化产生愈伤组织，经植株再生同样可得到远缘杂种。据报道，由胚培养产生的愈伤组织较其他外植体容易得到再生植株。

图2-1细胞原胚发育成幼胚(苗)模式图

A. 2细胞原胚；B.八分体原胚；C.球胚期；D.心形胚期；E.幼苗(胚)