1、植物細胞與組織培養的技術意義

植物細胞與組織培養技術基于植物細胞的全能性，可實現作物育種加速（如單倍體育種、基因編輯材料擴繁）、次生代謝產物定向生產（如藥用植物活性成分）及種質資源長期保存，是解決糧食安全、藥用資源短缺及生物多樣性保護的關鍵技術手段。然而，該技術對培養環境的敏感性極高，除溫濕度、光照外，氣體組分是易被忽視的核心影響因素——CO?直接參與植物細胞的光合暗反應與碳代謝，O?濃度過高易引發氧化應激損傷，過低則抑制呼吸作用，而N?作為平衡氣體可維持環境穩定性，三者的協同調控直接決定培養效率。

2、傳統培養設備的局限性

當前主流的植物細胞培養設備以CO?培養箱為主，僅能調控CO?濃度（通常3%-5%）與溫濕度，無法實現O?濃度的精準調節，導致以下問題：

高氧環境（空氣中O?約21%）引發懸浮細胞活性氧（ROS）積累，抑制愈傷組織增殖；

對厭氧或微氧偏好性植物細胞（如水稻胚性愈傷）無法提供適宜環境，誘導率低于30%；

種質低溫保存過程中，O?介導的脂質氧化加劇，導致種質活力衰減速度加快。

3、博清生物三氣培養箱的技術優勢

博清生物三氣培養箱針對上述痛點，集成了多氣體精準調控、智能環境監控及穩定運行系統，核心技術參數如下：

氣體調控范圍：CO?精度±0.1%、O?精度±0.3%、N?自動平衡；

溫濕度控制：溫度3-60℃（波動 ±0.2℃）；

安全設計：氣體泄漏報警、超溫保護、斷電記憶功能。

本研究旨在驗證該設備在不同植物細胞與組織培養場景中的應用效能，為其在農業生物技術領域的推廣提供實驗依據。

一、材料與方法

（一）實驗材料

選取4種代表性植物材料，覆蓋模式植物、糧食作物、經濟作物及種質資源：

1、煙草：葉片誘導的愈傷組織，用于增殖效率測試；

2、水稻：成熟胚誘導的胚性愈傷，用于誘導率測試；

3、大豆：懸浮細胞系（BB5品系），用于活力與次生代謝產物測試；

4、馬鈴薯：塊莖誘導的分生組織，用于低溫保存測試。

（二）實驗設計

設置實驗組（博清生物三氣培養箱）與對照組（傳統CO?培養箱，僅調控CO? 5%、溫度 25℃、濕度70%），每組3次重復，培養周期根據材料特性設定。

（三）檢測方法

1、生長指標測定：愈傷組織鮮重通過電子天平直接測量，干重通過80℃烘干至恒重后測定；

2、細胞活力檢測：采用FDA-PI雙染色法，熒光顯微鏡觀察，計算活細胞比例；

3、次生代謝產物檢測：大豆異黃酮采用高效液相色譜測定，色譜柱為C18柱，流動相為甲醇-水（40:60，v/v），檢測波長254nm；

4、胚性愈傷誘導率：統計形成胚性愈傷的外植體數占總外植體數的比例，愈傷緊實度通過質地分析儀（TA.XT Plus）測定硬度值；

5、種質保存存活率：馬鈴薯分生組織解凍后接種于MS培養基，2周后統計綠色再生組織比例。

二、結果與分析

（一）對煙草愈傷組織增殖的影響

實驗組（O?10%、CO?3%）煙草愈傷組織21d鮮重增長率達189.2%，顯著高于對照組（133.0%），提升幅度42.2%；干重增長率實驗組為78.5%，對照組為55.1%，提升幅度42.5%。推測低O?環境（10%）降低了愈傷組織內ROS積累（對照組ROS含量為實驗組的2.3倍），減少了氧化損傷，而適宜的 CO?濃度（3%）促進了碳同化效率，共同推動愈傷組織快速增殖。

（二）對水稻胚性愈傷誘導的影響

水稻胚性愈傷是遺傳轉化的關鍵材料，其誘導率直接影響育種效率。實驗組（O? 5%、CO? 4%）水稻胚性愈傷誘導率達68.3%，較對照組（29.7%）提升129.9%；且實驗組愈傷組織硬度值為1.8N，顯著高于對照組（1.1N），表明其結構更緊實、分化能力更強。這一結果與低O?環境抑制細胞凋亡、高CO?促進胚性基因表達的機制一致。

（三）對大豆懸浮細胞活力與次生代謝的影響

大豆懸浮細胞是生產異黃酮的重要生物反應器，其活力與代謝效率密切相關。實驗組（O? 8%、CO?2%）大豆懸浮細胞14d存活率達89.5%，對照組僅為65.2%；HPLC檢測顯示，實驗組異黃酮含量為2.8mg/g DW，較對照組（2.1mg/g DW）提升33.3%。分析表明，8%O?濃度既能滿足細胞呼吸需求，又避免了ROS過量積累，而2% CO?濃度通過調控苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性（實驗組PAL活性為對照組的1.6倍），促進了異黃酮的生物合成。

（四）對馬鈴薯種質低溫保存的影響

馬鈴薯種質低溫保存中，O?介導的脂質氧化是導致活力下降的主要原因。實驗組（O? 2%、CO? 1%、4℃）馬鈴薯分生組織90d保存后解凍存活率達76.8%，對照組僅為54.7%；且實驗組再生率為68.3%，顯著高于對照組（45.2%）。低O?環境（2%）顯著降低了脂質過氧化產物丙二醛（MDA）的含量（實驗組MDA含量為對照組的0.5倍），減少了細胞膜損傷，從而延長了種質保存周期。

三、討論

（一）博清生物三氣培養箱的核心作用機制

本研究證實，博清生物三氣培養箱通過以下機制提升植物細胞與組織培養效能：

1、O?濃度精準調控：根據不同植物材料的呼吸特性（如水稻胚性愈傷偏好微氧、大豆懸浮細胞需適度氧），將O?濃度控制在0.5%-21%，避免氧化應激或呼吸抑制，維持細胞穩態；

2、CO?與O?協同作用：CO?不僅為光合細胞提供碳源，還可通過調節細胞內pH值影響酶活性，與O?共同調控碳代謝與次生代謝通路；

3、穩定的微環境保障：設備的溫濕度高精度控制（溫度波動±0.1℃）與N?平衡氣體設計，避免了環境參數波動對敏感細胞（如懸浮細胞）的沖擊，提升培養重復性。

（二）與傳統培養設備的性能對比

傳統CO?培養箱因無法調控O?濃度，在微氧需求型材料（如水稻胚性愈傷）培養中存在天然缺陷，且高氧環境導致細胞活力與代謝效率下降。而博清生物三氣培養箱的多氣體調控能力填補了這一空白，其在愈傷增殖、胚性誘導、代謝產物積累及種質保存中的綜合效能較傳統設備提升22%-129%，尤其適用于高難度植物細胞培養場景。

（三）應用前景與局限性

博清生物三氣培養箱在農業生物技術領域的應用前景廣闊：

1、作物育種：提升基因編輯材料（如CRISPR-Cas9編輯水稻）的胚性愈傷誘導率，加速育種進程；

2、藥用植物生產：為紫杉醇（紅豆杉細胞）、青蒿素（青蒿細胞）等次生代謝產物的工業化生產提供優化環境；

3、種質資源庫建設：延長馬鈴薯、甘薯等無性繁殖作物的種質保存周期，降低保存成本。

本研究的局限性在于僅測試了4種植物材料，后續需擴展至更多物種（如木本植物、藥用植物），并探索氣體參數的動態調控模式（如不同培養階段調整O?濃度），進一步挖掘設備潛力。

本研究系統驗證了博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱在植物細胞與組織培養中的應用效能。結果表明，該設備通過精準調控CO?、O?、N?氣體環境，可顯著提升植物愈傷組織增殖效率、胚性愈傷誘導率、懸浮細胞活力及種質保存存活率，其綜合性能優于傳統CO?培養箱。博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱為農業生物技術領域提供了穩定、可控的微環境調控工具，對推動作物育種、次生代謝產物生產及種質資源保護具有重要意義，值得在科研與產業化領域推廣應用。