红掌组培过程中外植体褐化问题的解决措施

2019年第12期作者简介：薛棪（1996-），女，湖北恩施人，本科学历，研究方向：专业植物科学与技术。

收稿日期：2019年11月7日。

试验研究引言褐变现象对植物的生长具有极大危害，是植物组织培养实践中的重难点问题。

据此，为了提升植物组织培养的顺利运行，降低植物体因褐变现象而衰弱或死亡的情况发生，我们有必要对植物组织培养中褐变现象的产生机理与客服方法进行讨论解析。

1植物组织培养中褐变现象的产生机理植物组织的褐变现象可由产生机制的差异分为非酶促褐变与酶促褐变两种。

其中，所谓“非酶促褐变”，即没有酚类底物的干预，植物体本身由于缺水、衰老、寒冷等原因而发生的细胞死亡，如苹果因过度成熟而形成褐变、荔枝因失水pH 值持续上升而形成的褐变等。

所谓“酶促褐变”，即在酚类底物的干预之下，经过酶催化而引发的褐变，此类褐变现象在植物组织培养中出现的几率较高。

从产生机理来看，酶促褐变的出现与酶、酚类底物、氧气三个要素息息相关。

经业内长期的研究与实践发现，引起植物组织褐变现象的酶主要有多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶以及过氧化物酶三种，其中尤以多酚氧化酶最为常见。

引起植物组织褐变现象的酚类底物主要有苯基羧酸、苯丙烷衍生物以及黄烷衍生物三种。

若植物组织处在健康的生长状态时，即便其体内同时存在酶、酚类底物与氧气，通常也不会出现褐变现象。

究其原因，主要是酶与酚类底物分布区域不同，前者多处在细胞的液泡中，而酚类底物则处在细胞质及细胞间质中。

但植物组织健康的细胞结构被打破、细胞膜出现破损时，酶与酚类底物便保有了接触的条件，进而在氧气的催化作用下形成醌，导致细胞出现脱水、聚合等异常反应，最终生成黑褐色的病变物质，引发植物组织的褐变现象。

此外，经相关学者对金花梨、苍溪梨等植物的研究发现，褐变现象的出现几率、发生程度存在一定规律性，与酶的活性和酚类底物的含量相关[2]。

2植物组织培养中褐变现象产生的影响因素2.1植物本身的影响第一，植物的类别及品种的影响。

褐化原因及防止措施褐变是指外植体在培养过程中体内的多酚氧化酶被激活，使细胞里的酚类物质氧化成棕褐色的醌类物质，这种致死性的褐化物不但向外扩散致使培养基逐渐变成褐色，而且还会抑制其他酶的活性，严重影响外植体的脱分化和器官分化，最后变褐而死亡的现象。

在组织培养中，褐变是普遍存在的，这种现象与菌类污染和玻璃化并称为植物组织培养的三大难题。

而控制褐变比控制污染和玻璃化更加困难。

因此，能否有效地控制褐变是某些植物能否组培成功的关键。

(一)褐变的原因影响褐变的因素极其复杂，随着植物种类、基因型、外植体的部位及生理状况等的不同，褐变的程度也有所不同。

1.与基因型有关不同植物与品种之间褐变现象是不同的，有人把此归结为基因型的不同。

一般来说植物材料中单宁类和多种羟酚类化合物的含量高，易引起外植体材料的严重褐化。

多数木本植物比草本植物易引起褐化，多年生草本植物比一年生草本植物易引起褐化。

2.与取样外植体的年龄有关通常幼龄部位产生褐化较轻，随着组织的老龄化含醌类物质增多而褐化加重。

因此，在外植体接种时常需要剥去鳞片和大叶片，尤其是以切取幼嫩的芽尖或切取顶芽分生组织(或带少量叶原基)接种更为理想。

3.与外植体取材时间有关一般在春夏季，尤其是春季采取生长旺盛的外植体产生褐化较轻，已木栓化或木质化的枝条和处于休眠状态的芽作为外植体时褐化严重。

即分生部位接种后形成醌类物质少，而分化的部位则形成醌类物质较多。

4.与培养基有关过高的无机盐浓度会引起棕榈科植物外植体酚的氧化，低盐培养基，尤其是Mn2+和 Cu2+离子浓度较低时，外植体的褐化程度较轻。

例如油棕用MS无机盐培养容易引起外植体的褐变，而用降低了无机盐浓度的改良MS培养基时则可减轻褐变，而且获得愈伤组织和胚状体。

植物生长调节物质使用不当时，材料也容易褐变，细胞分裂素BA有刺激多酚氧化酶活性提高的作用，这一现象在甘蔗的组织培养中十分明显。

培养基的PH值较低时常有利于减轻外植体的褐化。

褐化原因及防止措施褐变是指外植体在培养过程中体内的多酚氧化酶被激活，使细胞里的酚类物质氧化成棕褐色的醌类物质，这种致死性的褐化物不但向外扩散致使培养基逐渐变成褐色，而且还会抑制其他酶的活性，严重影响外植体的脱分化和器官分化，最后变褐而死亡的现象。

在组织培养中，褐变是普遍存在的，这种现象与菌类污染和玻璃化并称为植物组织培养的三大难题。

而控制褐变比控制污染和玻璃化更加困难。

因此，能否有效地控制褐变是某些植物能否组培成功的关键。

(一)褐变的原因影响褐变的因素极其复杂，随着植物种类、基因型、外植体的部位及生理状况等的不同，褐变的程度也有所不同。

1.与基因型有关不同植物与品种之间褐变现象是不同的，有人把此归结为基因型的不同。

一般来说植物材料中单宁类和多种羟酚类化合物的含量高，易引起外植体材料的严重褐化。

多数木本植物比草本植物易引起褐化，多年生草本植物比一年生草本植物易引起褐化。

2.与取样外植体的年龄有关通常幼龄部位产生褐化较轻，随着组织的老龄化含醌类物质增多而褐化加重。

因此，在外植体接种时常需要剥去鳞片和大叶片，尤其是以切取幼嫩的芽尖或切取顶芽分生组织(或带少量叶原基)接种更为理想。

3.与外植体取材时间有关一般在春夏季，尤其是春季采取生长旺盛的外植体产生褐化较轻，已木栓化或木质化的枝条和处于休眠状态的芽作为外植体时褐化严重。

即分生部位接种后形成醌类物质少，而分化的部位则形成醌类物质较多。

4.与培养基有关过高的无机盐浓度会引起棕榈科植物外植体酚的氧化，低盐培养基，尤其是Mn2+和 Cu2+离子浓度较低时，外植体的褐化程度较轻。

例如油棕用MS无机盐培养容易引起外植体的褐变，而用降低了无机盐浓度的改良MS培养基时则可减轻褐变，而且获得愈伤组织和胚状体。

植物生长调节物质使用不当时，材料也容易褐变，细胞分裂素BA有刺激多酚氧化酶活性提高的作用，这一现象在甘蔗的组织培养中十分明显。

培养基的PH值较低时常有利于减轻外植体的褐化。

植物组织培养中褐变机理和防治措施摘要：褐变现象是指组织培养诱导脱分化或再分化的过程中，外植体组织从表面向培养基释放褐色物质而使得培养基逐渐变成褐色，外植体随之褐变死亡的现象，褐变现象又称酚污染，在植物组织培养过程中经常出现。

对诱导外植体的脱分化和培再分化过程的影响非常大，甚至是影响某些植物组织培养成功与否的关键。

褐变主要发生在外植体、愈伤组织的继代、悬浮细胞培养、原生质体的分离与培养等。

褐变产物不仅使外植体、细胞、培养基等变褐，而且对许多酶有抑制作用，从而影响培养材料的生长与分化，严重时甚至导致死亡。

本文对褐变的影响因素和对策进行了研究。

关键词：组织培养，褐变，影响因素1. 影响褐变的因素因子是复杂的，随植物的种类、基因型、外植体部位及生理状态等的不同，褐变的程度也有所不同。

1.1褐变类型及基因型物种及其基因型对褐化的影响。

植物组织培养过程中外植体的褐化主要由多酚氧化酶作用于酚类物质而引起的。

不同植物品种、同种植物的不同类型因为外植体材料的基因型不同，在组织培养中褐化发生的频率和程度都存在着较大的差异[4]。

由于酚类的糖苷化合物是木质素、单宁和色素的合成前体，木本植物、单宁含量或色素含量高的植物酚类物质含量也很高，木质素、单宁或色素形成多，其组织培养就容易发生褐变。

因此，组织培养过程中，木本植物一般比草本植物易发生褐变。

目前报道发生褐变的植物中多数是木本植物[5]。

在木本植物中，核桃、板栗由于单宁含量很高，进行组织培养难度很大，不仅在接种后的初代培养期容易发生褐变，而且在形成愈伤组织以后也会因为褐变而引起死亡。

红豆杉愈伤组织的诱导及继代培养过程中，常常发生培养细胞褐变现象，轻者影响细胞生长和繁殖，重者导致细胞死亡。

豆科植物和芸苔属植物原生质体培养中容易褐化也是一个普遍的问题，橡胶的花药培养中，海垦2号花药的褐变较少，因而愈伤组织的诱导容易；而有些品系花药容易褐变，因而愈伤组织的诱导困难。

在组织培养中，有些品种、品系难以成功，而有些则容易成功。

植物组织培养中的褐变现象及其防止措施摘要：细胞受损后，由于细胞区隔作用被破坏，毒性酚类或其氧化物醌类物质毒害细胞，导致组织褐变，植物组织培养过程中培养低效或失败。

目前认为组织培养中褐变程度主要受外植体材料的基因型、生理状态、种类、大小、预处理、培养条件、培养基及培养方式的影响。

在目前的研究中控制褐变的有效方法主要有低温培养、暗培养、勤转种、添加抗氧化剂、增效剂或吸附剂于培养基中等。

关键词:植物;组织培养;褐变;防治方法褐变是植物组织培养中一种普遍存在的现象，是由于组织中多酚氧化酶被激活，使细胞酚类物质被氧化而产生棕褐色醌类物质，这种褐变现象又被称为酚污染。

多酚类物质及其氧化物醌类物质会抑制其它酶的活性，从而毒害整个外植体，严重影响外植体的脱分化、再分化和生长。

褐变这种现象与菌类污染和过度含水化(即玻璃化)并称植物组织培养的3大难题。

目前褐变已成为植物组织培养发展的一大障碍[1]。

1褐变现象的原因1.1 非酶促褐变非酶促褐变是由于细胞受胁迫或其他不利条件影响所造成的细胞程序化死亡或自然发生的细胞死亡，即坏死形成的褐变现象，并不涉及酚类物质的产生。

诸多不利条件都可以造成细胞的程序化死亡，但这种褐变若采取适当措施或者愈伤组织适应了胁迫环境就不再发生。

1.2 酶促褐变多数认为，植物组织培养中的褐化现象主要是由酶促褐变引起的，即由多酚氧化酶( P PO，Polyphenol Oxidase)作用于天然底物酚类物质而引起的。

在正常条件下,细胞中的酚和醌之间保持一种动态平衡,醌类物质水平较低;而酚氧化酶及其底物分布在正常组织的不同部位，酚类物质分布在细胞的液泡内，酶则分布在各种质体或细胞质内，这种区域性分布致使底物与酶被质膜分隔开来；但当外植体或培养材料处于机械损伤等逆境，或细胞受伤或衰老时，细胞膜结构或细胞中物质区域化分布的破坏会导致酚氧化酶释放或合成，如果此时在合适的pH和温度等条件下，酚氧化酶、酚类(底物)和氧发生酶促氧化反应，形成有毒的棕褐色醌类物质,从而使组织发生褐变。

组培苗褐化现象最有可能的原因和防止措施褐变又称褐化，是指培养材料向培养基释放褐色物质，致使培养基逐渐褐变，培养材料也随之变褐甚至死亡的现象。

其机理是由于植物组织中的多酚氧化酶被激活，而使细胞内的酚类化合物聚合成暗黑色的大分子物质。

培养材料褐化所产生的醌类物质当扩散到培养基后，会抑制其他酶的活性，导致代谢功能紊乱，从而影响离体材料的培养。

引起褐变的条件是：O2、酶、底物，缺一不可。

酶主要是多酚氧化酶，底物主要是醌类化合物.1 引起褐变的原因1。

1 植物的种类和基因型不同植物、同种的不同类型、同种的不同品种的植物发生褐变的程度,都具有很大的差异,这取决于植物体内含有的酚类物质多少以及酚氧化酶活性的强弱.1。

2 外植体的类型和生理状态由于植物体内酚类化合物含量和多酚氧化酶活性在不同季节不相同，一般在生长季节含有较多的酚类化合物，所以一般在早春或秋季取材.通俗的说长的久又老的部位含酚类物质要多，所以一般选取幼龄嫩茎部位作为外植体。

1.3 外植体的大小和消毒时间部分实验证明,外植体材料越小越容易发生褐变，同样各种化学消毒剂消毒时间过长也会加重褐变现象，特别是酒精，时间不宜过长。

还有外植体的切口大小也会影响褐变,切口宜小不宜大。

1.4 光照和温度光照会提高多酚氧化酶的活性,从而促使培养物的褐变.故在初代培养中，对外植体进行暗光培养，对抑制褐变发生有一定的效果。

同时，高温能促进酚类物质的氧化；低温能抑制酚类物质的合成，降低多酚氧化酶的活性，从而减轻褐变。

所以，如有褐变情况的发生，可适当降低培养温度，以及遮光或暗光培养一段时间。

1.5 培养基成分无机盐以及细胞分裂素浓度过高也会影响褐变。

2 克服褐变现象的措施2。

1有产生褐变的原因可知，选择适宜的外植体以及最佳培养条件,可从根本上减少褐变的概率。

2。

2连续转移。

对于容易褐变的材料可间隔2—24小时培养后，再转瓶，这样联系处理7-10天后,褐变现象会得到控制或大为减轻。

论植物组织培养褐变产生的因素及对策植物组织培养是指将植物体中的一种或几种组织或细胞分离和培养在含有适宜营养成分和生长调节剂的培养基中，使其继续生长、分化和增殖的技术。

这种技术广泛应用于植物育种、植物生产、植物品种改良等方面。

然而，在植物组织培养过程中，褐变现象是一种常见的问题，严重影响了培养细胞的生长表现和生产效率。

因此，本文对植物组织培养褐变产生的因素及对策进行了详细的探讨。

一、植物组织培养褐变产生的因素1. 细胞或组织质损伤：在分离组织和细胞时，过度的力量和操作方法可能会导致组织褐变，这是由于细胞膜、内膜或细胞壁的破裂，导致物质泄漏进入外部环境所致。

2. 呼吸引起的氧化：在植物组织培养过程中，呼吸是组织代谢的基本现象，它产生的能量用于细胞代谢和细胞分裂。

然而，呼吸不充分或呼吸能力不足可能会导致氧化酶的活性增强，导致产生了过多的氧自由基，导致组织褐变。

3. 培养基中的不完整培养物质：培养基的配方以及培养过程中不完整培养物质可能会导致褐变。

例如，培养基中的钾离子过多可能导致组织和细胞质产生褐变。

4. 微生物或污染：组织培养广泛应用于微生物的细胞生长和变异。

然而，过量的细菌孳生或微生物污染可能会使组织发生内部腐败或污染。

5. 外部环境：在植物组织培养中，外部环境可能导致褐变的发生。

例如，高温、高湿度或光照强度过高等因素都可能对组织产生不利影响，导致组织褐变。

二、植物组织培养褐变的对策1. 准确按照操作方法进行：在分离和转移细胞或组织时，必须遵循操作规程。

任何超过细胞或组织能力的力量，都可能导致它们破裂和损伤，从而导致细胞褐变。

2. 控制培养物质：应对植物组织培养液内成分进行判断，控制氮、钾等营养物质的浓度，并定期植物异质接种和营养料补充来促进组织生长和分化。

3. 保护组织环境：采取洁净措施，保持培养环境无微生物侵入，减少细菌数量。

避免热、湿、光照强度过高的环境，加强组织生长环境的把控。

4. 装置保持：“装置”保持在可靠性、稳定性和实用性等方面总体考虑下选择合适的装置设备，减少操作过程带来的不良影响，通过装置控制，避免过度呼吸和氧化酶的活性增强等情况，道避免组织褐变。

植物组织培养褐变产生的因素及对策褐变在许多植物组织培养过程中，常遇到褐变问题。

褐变主要发生在外植体，在植物愈伤组织的继代、悬浮细胞培养以及原生质体的分离与培养中也经常发生。

褐变产物不仅使外植体、细胞、培养基等变褐，而且对许多酶有抑制作用，从而影响培养材料的生长与分化，严重时甚至导致死亡。

本文探讨植物组织培养中褐变现象的影响因素、机理及防范措施，对我们进行科学研究或工厂生产，包括植物组织的培养原生质体、悬浮细胞和植物器官的培养都有着十分重要的现实意义。

1、褐变的危害褐变是指外植体在培养过程中，自身组织从表面培养基释放褐色物质，以致培养基逐渐变成褐色，外植体也随之进一步变褐而死亡的现象。

褐变的发生与外植体组织中所含的酚类化合物数量多少及多酚氧化酶活性有直接关系。

很多植物，尤其是木本植物都含有较高的酚类化合物，这些酚类化合物在完整的组织和细胞中与多酚氧化酶分隔存在，因而比较稳定。

在切割外植体时，切口附近的细胞受到伤害，其分割状态被打破，酚类化合物外溢。

对于外植体本身来讲，酚类物质从外植体切口向外溢出是一种自我保护性反应，可诱导植保素或无物理屏障的形成，以防止微生物浸染组织。

但酚类很不稳定，在溢出过程中与多酚氧化酶接触，在多酚氧化酶的催化下，迅速氧化成褐色的醌类物质和水，醌类物质又会在酪氨酸酶等的作用下，与外植体组织中的蛋白质发生聚合，进一步引起其他酶系统失活。

从而导致组织代谢活动紊乱，生长停滞，最终衰老死亡。

此外，由于组织的老化病变也会使多酚氧化酶激活而引起褐变。

2、褐变产生的机理2.1 非酶促褐变非酶促褐变是由于细胞受胁迫或其他不利条件影响所造成的细胞程序化死亡或自然发生的细胞死亡，即坏死形成的褐变现象，并不涉及酚类物质的产生。

将生长正常的愈伤组织转移到含NaCl 的培养基中，组织周围尤其是接触培养基部分发生褐变，但培养基中没有看到扩散的褐化物质。

当温度升高时继代保存时间过长，也会发生此类现象但这种褐变若采取适当措施或者愈伤组织适应了胁迫环境就不再发生了2.2 酶促褐变目前认为植物组织培养中的褐变主要是由酶促褐变引起的，培养材料变褐主要是由伤口处分泌的酚类化合物引起的。

外植体褐变及解决措施外植体褐变及其解决措施褐变是植物组织培养过程中常见的问题。

它与真菌污染和玻璃化冷冻一起被称为植物组织培养的三大难题。

本文针对褐变问题，结合相关数据，对影响褐变的因素进行了综合分析，并针对这些因素提出了相应的解决方案。

褐变是指外植体在培养过程中，自身组织向表面培养基释放褐色物质，以致培养基逐渐变成褐色，外植体也随之进一步变褐而死亡的现象。

一、褐变机理1非酶褐变非酶促褐变是由于细胞受胁迫或其他不利条件影响所造成的细胞程序化死亡或自然发生的细胞死亡，即坏死形成的褐变现象，并不涉及酚类物质的产生。

徐振彪等将生长正常的愈伤组织转移到含nacl的培养基中，组织周围尤其是接触培养基部分发生褐变，但培养基中没有看到扩散的褐化物质。

当温度升高时继代保存时间过长，也会发生此类现象。

但这种褐变若采取适当措施或者愈伤组织适应了胁迫环境就不再发生了。

2.酶促褐变目前认为植物组织培养中的褐变主要是由酶促褐变引起的，培养材料变褐主要是由伤口处分泌的酚类化合物引起的。

酶促褐变如同一般的酶促反应，其发生必须具备三个条件，即酶、底物和氧。

引起褐变的酶有多酚氧化酶(ppo)、过氧化物酶(pod)、苯丙氨酸解氨酶等。

从初次培养和继代培养过程中试管苗的褐变程度和ppo的活性来看，表明ppo活性的高低是引起培养材料褐变的关键。

引起褐变的酶的底物主要是酚类化合物，按其组成可分成3类:苯基羧酸（包括邻羟基苯酚、儿茶酚、没食子酸、莽草酸等），苯丙烷衍生物（包括绿原酸、肉桂酸、香豆酸、咖啡酸、单宁、木质素等），第三类是黄烷衍生物（包括花青素、黄酮、芸香苷等），但并非所有的酚类物质都是ppo的底物。

在正常植物组织中，底物、氧和PPO同时存在而不褐变，因为在正常组织细胞中，多酚分布在液泡中，而PPO分布在各种质体或细胞质中。

这种区域分布使基质和PPO无法接触。

当细胞膜结构发生变化和破坏时，它为酶与PPO接触创造了条件。

在氧气存在下，苯酚被氧化成醌，并进行一系列脱水和聚合反应。