林業研究專訊 Vol.18 No.6 201142

專題論述

植物組織培養在林業之應用

⊙林業試驗所育林組•張淑華 (shchang@tfri.gov.tw)

植物組織培養

植物組織培養為利用植物體各部分組織

與細胞，如根、莖、葉、花、果、種子、胚、

生長點、原生質體等，經消毒後在無菌狀態

下，置於人工培養基，在適當的溫度與光照

的環境控制下培養稱之。早在1902年，德國

科學家G. Harberlandt嘗試取高等植物之葉片

培養開始啟發了組織培養概念，隨後發表活

細胞具有細胞全能性(totipotency)的假說。

1930~1950年代植物賀爾蒙中的生長素與細胞

分裂素相繼被分離出來，並用於組織培養，

加速了組織培養的進展。到1958年Steward由

胡蘿蔔韌皮部組織誘導出癒合組織，再分化

出小苗，證實了細胞具有分化全能性，也就

是植物體內任一細胞能夠獨立發育，並分化

成完整的植株，而奠定了組織培養根基。

植物組織培養在林業之應用

現今植物組織培養技術已經非常成熟，

且廣泛應用於各種農業生產，本文主要以林

試所應用成果為例作為論述。

一、傳統方法難以繁殖或菁英樹與數量

少樹種之繁殖

(一) 具休眠性種子或雜交種子之胚培養

許多樹種之種子，因內在因子(如胚發

育不完全、具有抑制物質)或外在因子(種皮

太厚)等而有休眠性不易發芽，利用組織培養

的胚培養可克服此一問題。如臺灣紅豆杉的

種子一般需暖低溫處理與低溫處理9個月後才

會發芽，利用胚培養可使得胚很快的在10天

內發芽，主要胚培養是去除堅硬的種殼與含

有抑制物的胚乳，且培養基可提供營養，幫

助胚發育，因而同時克服了內在與外在抑制

因子。除此胚培養已用於臺東蘇鐵、臺灣粗

榧、臺灣油杉、降真香等苗木。

在進行傳統雜交育種時，遠緣雜交的種子

常無法發育完全而早期落果，利用胚培養可挽

救這些胚，使胚可以繼續發育成小苗，再利用

微體繁殖技術大量繁殖雜交小苗。如麻瘋樹雜

交育種，可由授粉13天的琴葉麻瘋樹(♀)與麻

瘋樹(♂)的胚培養產生體胚，並發育出小苗。

(二) 菁英樹、數量少之瀕危樹或引種樹之微

體繁殖

選拔具有優良性狀，如生長快、樹勢通

直、抗病蟲害、含有用成分等菁英樹，或數

量稀少的瀕危樹或引進樹種，需進行營養系

繁殖大量育苗，然而有些品系扦插困難或數

量太少，則可利用組織培養之微體繁殖取芽

體來培養，藉由植物賀爾蒙培養基的調控，

由單芽長多芽，再經抽長、發根成新植株，

此方式不經過癒合組織，可保存與母樹相同

的基因(即優良性狀)。

微體繁殖除了可以克服扦插不易發根問

題外，經由組織培養還可使培育出來的小苗有

「返幼年化」與「惰性恢復」等優點，即原本

20年生的老樹，其扦插小苗生理年齡仍為20年

生，但經過組織培養出來的小苗，會變年輕，

具有幼年苗木才有的性狀，如桉樹成熟葉與幼

年葉不同，成熟桉樹組培小苗會具有幼年性狀

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葉片，同時原本不易發根的品系變成容易發

根。有些樹木的扦插苗具有「生長惰性」，取

側枝扦插，培育出之苗木不會有直立生長的主

幹，而是維持原來側枝的水平或傾斜生長，利

用組織培養則可使側枝恢復直立生長，如臺灣

紅豆杉、南洋杉等。由於微體繁殖具有快速生

產苗木、提供年輕化小苗等優點，已用於許多

樹種之商業化種苗生產，如桉樹、牛樟。

二、利用植物組織/細胞培養方法生產有

用之二次代謝物

植物二次代謝物是植物主要生化代謝

路徑中所沒出現的化合物，如生物鹼、配醣

體、酚、單寧、固醇等，種類相當繁多。其

產生和分布通常有種屬、器官、組織及生長

發育時期的特異性。二次代謝物之產生一般

認為是植物在長期進化中對生態環境適應的

結果，它在處理植物與生態環境的關係中充

當著重要的角色。許多植物在受到病原微生

物的侵染後，會產生並大量積累次生代謝產

物，以增強自身的免疫力和抵抗力。以往二

次代謝物被認為是一種對人類無用的產物，

然而經過越來越多的研究及試驗，發現它在

醫藥、香料、色素食品、化粧品及抗蟲殺菌

應用上有其特殊的用途，才漸漸受到人類的

重視。目前已知的三萬多種天然化合物中，

80%以上是來自於植物，全球市場超過百億美

元。由於這些二次代謝物不易以化學方法合

瓶苗培養芽體與抽長數之最大化：＞20個/瓶 50個/培養皿

苗木清洗分級與分工 移苗系統化 直接移植軟缽在溫室

牛樟組織培養量產流程(張淑華攝)

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成，因此目前仍以植物萃取為主。組織/細胞

培養技術用於二次代謝物主要有：(一)微體繁

殖—對於繁殖困難的藥用植物可以此方式大

量培育優良種苗出栽培育；(二)細胞培養—誘

導癒合組織進一步進行細胞培養生產二次代

謝物；(三)毛狀根培養—將野生型農桿菌基因

轉入植物組織中，使得植物體不需生長賀爾

蒙誘導即可產生根，可避免植物體長期培養

於生長激素中，容易產生突變的問題。經由

毛狀根誘導及癒合組織建立細胞懸浮培養技

術的開發，配合生物反應器的大量培養，以

及測定植物細胞生產二次代謝物的產量，以

達到商業化生產規模。

目前用於生產二次代謝產物的植物種

類，已從草本植物逐漸轉向木本植物，木本植

物中尤其以生長在高緯度及高山的植物，因生

長緩慢且其二次代謝物構造比較複雜，不容易

人工合成，因此以植物細胞培養方式生產才符

合經濟效應。林試所針對臺灣紅豆杉、青脆

枝、喜樹、粗榧與扁柏進行細胞生產二次代謝

物試驗，從高含量母樹篩選、癒合組織誘導培

養、建立細胞培養與毛狀根群培養、篩選優良

細胞系、再經誘導劑添加試驗及生物反應器作

放大試驗，尤其在臺灣紅豆杉與青脆枝已建立

一系列生產二次代謝物之研究。

三、種質保存與人工種子

人工種子是將體胚或芽體等包埋於膠

體，可直接用於田間播種，具有保存優良母

樹特性、繁殖速度快、減少苗木出栽馴化問

題及有效降低成本等優點。人工種子的製作

流程如下圖，目前可成功製作人工種子的木

本植物有放射松、雲杉、北美黃杉、德達

松、蘭考泡桐、檀香、可可、重賀伯木等

等。人工種子除了用於直接播種外，也可用

於超低溫保存。

種原的保存一般以種子最為簡單方便且

經濟，但對無法以種子繁殖或種子無法長期保

存的植物，組織培養為很好保存種原的方法。

組織培養比起傳統將苗木保存於林地或溫室，

可在較小的空間保存較大數目的植株，且可避

免外界氣候因子及病蟲害侵襲，但須耗費較多

人力及財力，且若繼代培養次數頻繁，會降低

基因穩定性。利用組織培養配合降低生長保存

法或超低溫保存方法，可以改善組織培養的缺

點，降低繼代培養成本，避免污染風險。其中

降低生長保存法主用於中短期保存，超低溫保

存法用於長期保存種原。

抑制生長保存法，比起超低溫保存法，

簡單且經濟，方法有改變培養基組成，如加

入生長抑制劑或培養於低溫或控制氣體的進

出，或組合上述條件以降低植物生長，但最

常用的為改變陪養基組成並配合低溫，此方

法已成功的用於保存許多樹種的芽體與細胞

系，如放射松、李、栓木櫟的芽體、臺灣紅

豆杉的癒合組織與毛狀根，且低溫貯存不會

影響紅豆杉的二次代謝物生產。

超低溫保存法近年來已成為種質長期

保存之重要工具，除了傳統的簡單冷凍法以

外，最近更發展出兩種新方法，玻璃質化法

及藻膠包埋法(即人工種子)。 簡單冷凍法為

將材料經護凍劑處理後，直接置於液態氮中

保存，已成功的用於保存許多針葉樹種，主

要為雲杉及松屬植物的體胚。玻璃質化法是

將植物體經藥劑處理後，放入液態氮保存，

此法可將高濃縮的細胞液凝固成非冰晶的透

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專題論述

明狀構造，可避免冰凍保存冰晶對細胞的傷

害，目前用此方法來保存的多為芽體，如白

楊。藻膠包埋法，為將材料包於藻膠中，進

行脫水處理後放入液態氮保存。此方法已用

於保存木本植物之分生組織，如桉樹、薄

荷、刺槐的芽體，以及殼斗科植物的體胚。

四、基因轉殖

近年來生物技術發展迅速，理論上，可

將外來基因轉移到任何目標物種。因為基因無

法單獨進入植物體，所以要先將基因透過各種

基因操作技術，將特定基因經選殖、構築，

細胞培養生產二次代謝物流程(張淑華攝)

氣舉式攪拌式

毛狀根誘導

優良品系篩選

癒合組織誘導

三角瓶培養

生物反應器培養

波浪式

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再利用基因槍、農桿菌中介法、電穿孔法、花

粉管導入法、細胞融合、PEG等等方法轉殖到

植物體。帶有外來基因之轉殖細胞需利用組織

培養技術如癒合組織誘導、器官分化或體胚再

生等才能夠順利獲得完整的基因轉殖植株。組

織培養的再生體系常為基因轉殖成功的重要關

鍵，白楊類植物由於具有完整的基因轉殖體

系，因此可成功的轉殖外來基因，建立各種轉

基因苗木作為遺傳工程研究與造林。

基因轉殖在林業上已有許多成功的例子，

如抗殺草劑基因轉殖已轉殖到雜交白楊等、控

制開花基因轉殖可使需時幾年才開花的白楊

樹，縮短到六個月就開花。在林試所目前完成

與進行中的基因轉殖相關工作有：(一)木質素

合成基因轉殖的桉樹、甜楓；(二)二次代謝物

合成相關基因轉殖的臺灣紅豆杉、臺灣杉、土

肉桂；(三)植物賀爾蒙基因(毛狀根)轉殖的臺

灣紅豆杉、喜樹、青脆枝、臺灣杉、土肉桂；

(四)抗蟲、抗病、抗寒等抗逆境基因轉殖的桉

樹(抗病、蟲)與麻瘋樹(耐低溫)。

結語

植物組織培養可以一年四季不斷進行，

不受地區、氣候和季節限制，節約土地在小

空間完成。其應用範圍廣，除了可提供在細

胞學、植物生理、形態、遺傳學等研究外，

在苗木生產、人工種子、基因轉殖、二次代

謝物生產方面，已有許多達到實用或商業性

生產，相信在各國學者的努力下，未來會有

更多成功的例子產生。

人工種子研發(張淑華攝)