植物体细胞无性系变异的来源及特点
1.植物体细胞无性系变异的来源
植物体细胞无性系变异来源大体上有两种：一种来源于外植体本身而在再生植株中表达出来的变异，其中嵌合体是这类变异的一个重要来源，不定芽发生是导致嵌合体分离的最通常原因，通常认为不定芽是从单细胞或特定组织的少数细胞起源的；另一种变异来源是在进行植物组织和细胞培养过程中由于受到外界培养环境的影响而产生的变异。体细胞无性系变异频率远高于自然突变频率，在一个植物组织培养的周期内一般可产生1%～3%的无性系变异，其中大部分为可以稳定保持的可遗传变异。因而其为植物品种改良和新品种选育提供了新的途径（朱至清，2003；Mohan et al，2001；Legkobit et al，2004）。
2.植物体细胞无性系变异的特点
（1）普遍性和多样性
体细胞无性系变异是植物组织培养过程中出现的普遍现象，而且几乎可以在所有的植物类型上发生，广泛涉及植物的农艺性状、品质性状、抗病性及抗逆性等多个方面。
（2）稳定速度快
体细胞无性系变异一般在第二代就可稳定，而这时正是优良性状选择的关键时期，因此可以缩短育种年限；也有少数为杂合体，需要继续分离，但大多为简单分离。
（3）可基本保持原有材料的优良性状
无性系变异常出现1个或少数基因的突变，因此可在不改变品种原有优良特性的情况下对个别性状进行改良，如降低株高、增强抗病或抗逆性等。这就可以利用该方法，根据育种目标，对现有品种的个别表现较差的性状进行改良研究。尽管利用无性系变异在短时间内创造有很大突破的全新品种可能性较小，但可有针对性地对现有品种在株高、粒重、生育期、抗病性等单个性状进行改良。
3.植物体细胞无性系变异的筛选
植物体细胞无性系变异的类型众多，且变异方向不易受到人为控制，因此需要对变异性状进行有效筛选。目前常用的筛选方法主要有以下几种：
（1）在大田种植的再生植株中筛选有用突变体
这是最简单便捷的筛选方法，其结果可直观反映变异产生的性状变化，并对改良的性状直接做出判断，在实践中得到广泛应用，在一些较为直观的农艺性状（如株高、粒色、生育期、育性等）的筛选中较为有效。
（2）通过施加选择压力，进而进行体细胞无性系突变体的筛选
这种方法与微生物抗性突变体筛选的方法相似。首先在植物组织培养阶段，在培养基中加入一些物理或化学因子，以增加选择压力，然后筛选抗性细胞系，之后经过再生阶段获得抗性突变体植株。在植物组织培养阶段，由于可发生变异的细胞或细胞团高度集中，此时通过施加选择压力，可获得一定数量的具有抗性性状的细胞突变体，而后通过诱导分化出再生植株，得到部分无嵌合体的纯合性状的植株，再经过大田筛选，最终获得性状改良的植株。这比单纯采用大田筛选方法可节省大量的人力、物力。
目前在培养基中加入的物质有氨基酸和氨基酸类似物。在体细胞无性系变异的诱导培养过程中，在培养基中加入氨基酸或氨基酸类似物作为选择剂。这些物质在加入后首先可在氨基酸生物合成中起到反馈抑制的作用，其次可被组入蛋白质中然后使部分酶的作用失活，因此可筛选到对反馈抑制不敏感的突变体，同时一些突变体可超量表达某些类型的氨基酸。例如，赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸等的合成均以天冬氨酸为底物，受其末端产物的反馈抑制调控，其中赖氨酸与苏氨酸是天冬氨酸生物合成途径中的第一个调节酶（天冬氨酸激酶）的最有效的协同反馈抑制剂。因此，氨基酸或氨基酸类似物作为选择剂可筛选出对反馈不敏感而过量合成赖氨酸和苏氨酸等氨基酸的突变体。一些研究者利用这种方法来提高作物中相对较为缺乏的氨基酸含量，从而改善营养品质。如耿瑞双等利用这种方法，获得了积累游离苏氨酸和赖氨酸的突变体以及种子蛋白质组分发生改变的高蛋氨酸和高赖氨酸突变体，且该性状遗传稳定，育性正常。该方法目前主要存在以下问题：一是突变体的育性一般较差；二是突变体大多仅涉及部分游离氨基酸水平的变化，而对种子蛋白的影响甚微。
抗逆细胞突变体的筛选：在体细胞无性系变异的筛选中，可通过人为因素造成低温、干旱、盐碱、重金属、除草剂等作为选择压力，从而筛选到相应的抗逆细胞突变体。目前研究者已经利用这种方法，在小麦、水稻、高粱、番茄、柑橘、烟草、小黑麦等植物中得到一批稳定的抗逆细胞系和再生植株。
抗病细胞突变体的筛选：在植物体细胞无性系变异诱导中，也可在培养基中加入植物致病毒素作为筛选剂筛选抗病的无性系突变细胞，通过再生分化为植株，进一步筛选到抗病突变体。Calrson 曾于1973 年首次设计了这方面的一个经典试验。他用烟草野火病毒素的类似物甲硫氨酸磺（M50）作为筛选剂并获得了抗性突变体，该抗性能稳定遗传。陆维忠等则以小麦赤霉病毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）为筛选剂获得了一批稳定遗传的抗赤霉病小麦新品系。
4.植物体细胞无性系变异的鉴定(https://www.daowen.com)
对植物体细胞无性系变异的检测和鉴定，可从形态学、细胞学、生理生化以及分子生物学等多个方面及多个层次进行，从而使人们对其能够在植物个体、器官、组织、细胞、蛋白质及基因表达等不同水平上全面了解和分析植物体细胞无性系变异的遗传机制及其稳定性。
对于植物体细胞无性系变异的细胞遗传学方面的鉴定，目前主要是通过观察细胞有丝分裂和减数分裂过程中染色体的数目和行为，利用染色体核型和形态的配对分析对变异植株的染色体数目和结构变异进行鉴定。但由于不同特化组织类型组织内存在多倍性（endopolyploidy），因而有时检测到的染色体数目存在差异；此外，植物在离体培养中产生的染色体数目和结构变异又常与培养类型相关（刁现民和孙敬三，1999）。
对植物体细胞无性系变异进行生物化学鉴定，通常采用同工酶酶谱分析，如有酯酶、过氧化物酶、淀粉酶、多酚氧化酶以及其他一些可溶性蛋白等。但同工酶的改变只能解释其中很小一部分变异，同时同工酶的酶谱易受环境因素和植物个体发育程度的影响。
近年来，RAPD、RFLP、SSR 等分子标记技术在植物体细胞无性系变异的检测和鉴定中得到了广泛应用。RAPD 则是一种建立在PCR 基础上的分子生物学技术，因其快速、方便、经济等优点已成为目前应用最广泛的植物体细胞无性系变异鉴定方法；它可随寡聚核苷酸引物结合位点的变化而检测基因组中更大的部分。RFLP 技术在检测由于碱基插入或缺失而引起限制性内切酶识别位点发生变化的变异时发挥作用，是一种较早应用于植物体细胞无性系变异分析鉴定的分子标记技术；同时如果结合应用一些能特异性地识别甲基化碱基的限制性内切酶，RFLP 对检测因DNA 甲基化状态改变而引起的植物体细胞无性系变异将非常有效，但对引物和酶的筛选在一定程度上限制了该项技术的应用。AFLP 分子标记技术则结合了RFLP 和RAPD 的优点，具有方便快捷、信息量大及稳定性强等优点，已应用于多种植物体细胞无性系变异的分析和鉴定中，研究者已检测到了相对较多的多态性信息。目前，对于由于DNA 甲基化状态改变而导致的体细胞无性系变异，常采用成对的可以识别相同碱基的不同甲基化状态（甲基化/去甲基化）的限制性内切酶（同裂酶，isoschizomers），结合AFLP 标记技术，即MSAP 分子标记技术进行检测，可获得较多的表观遗传信息。这对于推动人们对植物体细胞无性系甲基化变异模式和机制的研究具有重要意义。虽然一些表型与DNA 水平变化并不一致，然而无论如何，分子标记技术仍然是目前多数研究者用于分析植物体细胞无性系变异的较为有效的工具。
5.植物体细胞无性系变异机理
（1）染色体畸变
染色体畸变主要指染色体数目和结构两方面的变异。染色体数目的变异又可分为倍性变异和非倍性变异。在染色体非整倍性变异中包含染色体数目的增加或减少，有时还存在混倍体。有人认为在植物体细胞无性系变异的诱导培养中所产生的染色体数目变异，主要是因为有丝分裂过程中纺锤体的异常所导致的。在细胞有丝分裂后期，纺锤体在不同程度上的缺失导致染色体的不分离、向多极移动、滞后或者不聚集，最终会产生变异细胞；此外，外植体脱分化的第一次细胞分裂的不规则的无丝分裂也是染色体数目变异的一个重要原因（Amato，1985）。染色体结构变异一般是指在染色体断裂后经修复并重新连接所导致的易位、倒位、重复或缺失等。目前已发现在小麦、小黑麦等植物的再生植株中均存在易位系。在大蒜、山杨等植物的组织培养过程中，也出现了诸如染色体加长、次缢痕延长、形成带有随体或长臂较长的大型染色体等所导致的染色体结构的变异。一些被子植物的部分体细胞在分化过程中会出现染色体的多倍化，其发生的程度因组织而异，对于一般的分生组织会一直保持较低的变异率，而对于分化水平较高的组织产生的变异则较多，而且即使是同一组织内的细胞之间其倍性也并不完全一致，存在四倍体、八倍体等不同倍性变异。由于在植物组织培养中采用存在这种变异的外植体，因而也会导致组织培养中出现一定程度的染色体畸变，这也就是外植体自身已有的变异。在水稻、小麦、大麦和玉米等作物的无性系再生植株中也已发现了染色体倍性变异、非倍性变异以及染色体结构方面的变异。在植物无性系再生植株中，染色体畸变发生越多，植株受损伤的程度也就越严重，生长势就越弱，在育种实践中的利用价值就越低。
（2）转座子的激活
转座子的激活可能是导致植物体细胞无性系变异的主要原因之一。一些研究者认为，在组织培养过程中，由于细胞处于高速分裂的状态，而染色质的复制往往发生滞后，其结果导致在细胞分裂后期形成染色体桥或染色体断裂；断裂部位的DNA 修复过程中属于异染色质的转座子去甲基化而被激活，从而引起一系列的结构基因的活化、失活以及位置变化，最终产生了植物体细胞无性系变异。研究结果表明，在植物组织培养过程中，很多低拷贝的反转录转座子均可被激活，同时一些高拷贝的反转录转座子也具有转录活性；但目前尚未发现高拷贝的反转录转座子发生转座的直接证据。虽然目前对于在植物组织培养中导致转座子激活所引起的遗传学效应能否稳定遗传至后代尚无定论，但愈来愈多的证据表明转座子的激活对于无性系变异具有重要作用。
用转座子激活的理论可以解释植物体细胞无性系变异中出现的诸多现象。首先，植物内多种转座子能够引起广泛的变异，这就可以解释体细胞无性系的高频变异的发生；其次，转座子可使得未活化的结构基因激活，这就解释了无性系变异中一些高频出现的显性突变；其三，转座子还可以使多拷贝基因中的一些不表达的拷贝激活，提高基因的表达强度，因此而导致表型的变异。植物体内的转座子包括玉米的Ac因子、Ds因子、Spm 因子、Mu 因子及金鱼草的Tam 因子。许多研究已经证明许多不稳定遗传现象就是这类转座子的作用引起的。
（3）DNA甲基化
近年来表观遗传学的兴起和发展使得人们对植物体细胞无性系变异机理的研究更加深入，其中DNA 甲基化（DNA methylation）表观遗传学是其研究的重要内容之一。DNA 甲基化表观遗传是指在DNA甲基化酶（DNA methyltrans-ferase，DNMTs）的催化作用下，将S-腺苷酰甲硫氨酸（SAM）上的甲基转移至DNA 分子的胞嘧啶碱基上的化学修饰过程。此外，DNA 甲基化还包括少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-m A）及7-甲基鸟嘌呤（7-m G），其中前者主要存在于原核生物中，而在真核生物中较少。通常情况下，植物甲基化修饰可以自己特有的方式遗传给后代，然而植物组织培养、转基因、种间杂交或者在逆境条件等多种方式或因素也可导致这种相对较为稳定的表观遗传状态发生变化，从而改变原有的甲基化水平和模式，进一步导致植物产生大量的表型变异，如植株外部形态、颜色等表型性状的改变。
在植物组织培养过程中其基因组可产生广泛的甲基化变异，不同植物DNA 甲基化变异的趋势和模式也具有明显的差异。在水稻、玉米、大豆、大麦、香蕉、玫瑰等植物的体细胞无性系再生植株中均发现了甲基化变异；多数植物的愈伤组织或再生植株出现DNA甲基化总体水平降低的趋势，然而在部分植物如番茄的愈伤组织以及豌豆的再生植株中则出现了DNA 甲基化程度增加的变异；而且不同植物体细胞无性系基因组的CCGG 位点的内外侧胞嘧啶残基出现去甲基化变异的频率也存在着明显差异。研究发现，水稻体细胞无性系的甲基化变异与包括管家基因在内的RFLP 多态性变化密切相关，油棕体细胞胚珠因甲基化的减少而导致雄蕊产生雌性化变异。这些研究进一步地说明了甲基化确实与DNA水平的变异有关。由于在植物组织培养过程中所产生的DNA 甲基化变异往往伴随着高频率的质量表型的变异、转座子的激活、染色体的断裂或者高频率的序列变异，因此有人认为DNA 甲基化的变异很可能是植物体细胞无性系变异的一个根本原因。然而，有研究表明，某些植物如马铃薯、亚麻等，DNA 甲基化状态的改变并未能导致无性系表型的改变。推测这种情况下产生甲基化状态的基因极有可能是隐性基因或是不足以导致表型有显著变化的性状控制基因，甚至是出现甲基化状态的位置处于不活跃区域，因此无论甲基化改变与否均不会导致表达活性的改变。其确切的机理尚需进一步研究。
（4）点突变
点突变指DNA 碱基序列中单个或多个碱基对产生变化，包括碱基序列插入、替换或缺失等。碱基序列替换的一个主要特点是其具有较高的恢复突变率，而碱基插入或缺失效率则较低。某些点突变可以导致蛋白质活性的部分丧失甚至完全失活，因而影响到植物表型的变化；某些突变中虽然碱基发生了变化，但却是同义变化，即所翻译的氨基酸序列并未发生变化；也有些突变并不会影响蛋白质的活性，因此性状上也不会产生明显的变化。点突变在植物体细胞无性系变异中广泛存在。如Noro 等（2007）对继代培养了20 年的水稻细胞进行检测时发现，两个与水稻直链淀粉合成相关的管家基因EPSPs-RPS20内出现高频率的由A/T 变为G/C。在对水稻、玉米和烟草等植物的体细胞无性系变异的研究表明，在单基因突变的再生植株后代中表现出了典型的孟德尔隐性遗传方式。目前点突变已被认为是导致水稻体细胞无性系变异的重要来源（高东迎等，2002）。点突变与其他几种变异方式相比较，对再生植株的损伤程度较低，且获得的变异在后代中能够较快稳定。此外，在正常的植物组织培养条件下，植物基因组还可能发生基因扩增、丢失或基因重排，这也是植物体细胞无性系变异的原因之一。
（5）外遗传变异
外遗传变异是由外部因素的影响而导致基因表达变化，最终产生表型上的变异。这种变异仅仅表现在当代植株或当代植株生长的某一阶段，不能遗传至下一代。最为常见的外遗传变异是植物组织培养中的复幼现象，即在离体培养中来源于成龄的外植体因其需要适应环境而逐渐朝幼龄化的方向发展；这种状态可在一段时间中出现，也可能在随后消失。Sikm等曾报道，桉属植物的再生植株有时会着生无柄叶片，这种典型的幼龄习性会随着时间的推移而消失。另外一种外遗传变异是指植物无性系组织或细胞的驯化作用，它们因失去对生长素、细胞分裂素或维生素的需求而转变为自养。此外，外遗传变异还包括移栽后的极强生长势即短暂的矮化等现象。
除上述几种体细胞无性系变异类型外，还有一类变异是植物细胞器DNA 所发生的变化，而细胞器DNA 是真核生物不可或缺的组成部分。众所周知，在高等植物中细胞质中的叶绿体与线粒体基因组是相对独立于核基因组的遗传物质，其在进化上相对保守，而在遗传行为上则表现为非孟德尔方式，主要为母性遗传及体细胞中的分离现象。在某些植物体细胞无性系中其再生植株有时会发生细胞器基因组DNA 的变异，进而导致再生植株的表型变异。在小麦花药培养中经常出现大量的白化苗，研究发现这种白化苗的叶绿体基因丢失可达80%；一些植物再生植株的线粒体DNA 也经常发生变异。因此无性系细胞器基因变异也需引起重视。