生物技术对于茶叶生产发展的意义
一、生物技术对于茶叶生产发展的意义
优良品种是现代农业生存与发展的根本基础
20世纪即将过去，新的一个世纪正在向我们招手。在这世纪之交的时刻，回顾本世纪全球农业的发展过历程，可以看到，自二次大战以来，农业经历了机械化、化学化和良种化三次发展浪潮，使得在许多国家，农业已经由低生产力、低科技水平、低产出的的传统农业迈入了以生产技术科学化、生产工具机械化和生产组织社会化为特征的现代化农业。因此，在即将到来的新世纪中，摆在中国及至全球茶叶持业面前的艰巨任务就是奋起直追，使茶叶生产能够尽快迈入现代化行列。
全世界目前约有58个产茶国家，但其中只有十几个国家的茶园年产量能超过1500公斤/公顷。在约2，500，000公顷的茶园中，许多是生产力较低的老茶园，不仅产量低，品质也较差。例如中国拥有大约110万公顷茶园，约占全世界茶园总数的40%，但其中可能只有不到25%的茶园栽种的是经过改良的无性系品种，其它多数茶园种植的仍是参差不齐的群体种，其生产力均在不断地下降。因此中国茶园的平均产量只有大约500~600公斤/公顷，比世界平均低很多。茶叶生产的这种低产率低品质使生产成本增加，经济效益降低，阻碍了茶叶生产的继续发展。除此之外，大量使用化学农药抵御病虫害不仅污染环境，也增加了生产的成本。如每年因虫害造成的损失可能达到总产出的10%~30%，也就是说，虫害有可能使每亩茶园每年减少30~90元的净利润。而进行虫害防治，每亩茶园每年又投入60~90元的农药与劳力。如果培育出抗虫品种来更新茶园，则这些损失与投入都可能转化为利润，使收入提高90~180元/亩/年。在产量方面也是如此，每增加10%的产量就有可能使每亩茶园的净利润至少提高30~5元。至于优质品种对于生产效益的促进更是有目共睹。所有这些都说明，用更好的品种有更高的产量、更好的品质、更强的抗病虫性能和抗逆性能的品种来更新茶园，是使茶叶生产摆脱低迷、获得长足发展的事半功倍听根本方法。
生物技术是使茶树育种摆脱困境的一条新途径
然而，茶树育种研究的现状却不能令人十分满意，常规育种方法在茶树上应用赶来存在困难，不仅费时费力，而且效率很低。这主要是由于茶树的特殊情况所导致的。首先，茶树是多年生植物，生育周期太长。比如对于水稻来说，一年可以繁育两至三季，而茶树却需要4~5年来让一株扦插苗长大。因而在育种过程中，水稻育种研究半年就可以完成的工作在茶树上就可能需要4~5年。其次，茶树的结实率太低，只有3~15%，茶树又自交不结实，得不到纯系，使其它植物中常用的杂交育种方法在茶树上几乎失去用武之地，这些都使常规育种方法不能很好地用于茶树育种研究。亿以茶树育种至今仍以单株选育为主，阻碍了茶树育种研究进展。
植物生物技术的发展为茶树育种摆脱困境提供了另一种解决途径。生物技术是新近发展起来的生命科学，包括了许多的他支。从之义上说，生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程和生物化学工程等分支学科。而狭义的植物生物技术可以从其研究对象上分为三个层次，即分子水平上的植物基因工程技术，包括基因的克隆和基因的转移；细胞及亚细胞水平上的植物细胞工程技术，包括突变细胞系的筛选、原生质体融合与体细胞杂交、植物细胞有大量培养与次生代谢物的生产等等；以及器官水平上的植物组织培养技术，包括花药培养与单倍育种、胚培养与胚挽救、快束繁殖与人工种子技术和室内种质保存等等。
植物生物技术可以创造具有新性状的茶树新品种，也可以用于设法将两个品种的优良特性结合在一起，或将其它来源的新遗传特性导入茶树。例如，我们可以运用基因工程技术将抗虫基因转入茶树之中，使茶树自身具有抵抗虫害的能力，以减少每年因虫害造成的损失和施用农药的巨大开支。在棉花等作物中，已经通过生物技术方法育成了巨大开支。在棉花等作物中，已经通过生物技术方法育成了这类抗虫品种，妈得了很好的效益。又如，在深入了解了茶树次生代谢机制的基础上，可以用基因工和工程技术对茶树进行遗传操作，针对不同茶类部育出不同的适制品种。采用生物技术，可以在大缩短育种的周期，因为生物技术与常规技术的不同之处在于操作象的不同，生物技术面对的是单个细胞，而常规技术的实施要在整株的水平上进行曲。细胞可以在几周、几个月内繁殖多代，而茶树却却需几的睥时间来长大。细胞培养没有季节的限制，不会场因等待开花等待发芽而耗费几个月的时间，同时，它们对空间的要求也有很大差异一毫升的培养液就可以培养几万个细胞，而种植必万株茶树就可能需要一公顷的土地，其次，对大批量的细胞进行筛选、诱变等处理也比对大片的茶树进行处理容易得多。如果茶树生物技术研究妈取得突破，并与常规育种技术相结合，互相取长补短，可使茶树育种研究效率更快，取得真正突破性的进展，培育出新一代的茶树品种。
二、生物技术可以为茶叶生产的了展带来什么
加速茶树新品种的培育与推广
培育与推广茶树新品种的困难之一就是速度太慢。一个茶树新品种的培育可能会耗时二三十年或更久，这就使得用培育新品种的方法来解决生产成为一种难题。这一困难可以采用一种称为快速无性繁殖，或微繁殖的技术来加以克服。这种微繁殖技术实际情况际就是在人工无菌条件下的微型扦插技术。这种方法的最大特点，就是可以用尽可能少的植物材料，在有限的时间内获得大量的植株。比如说，用一个插穗或芽头，在一年或两年的时间内，繁殖出成千上万株茶苗来。
与常规扦插繁殖方法不同的是，微繁殖不是将插穗扦插在泥土中，而是插在培养材料上进行培养。培养基中含有各种各样的矿质元素和有机添加物以满足生长的营养需要，并添加了各种激素来调节培养物的生长。在培养基上，最初的芽会先萌发成一个枝条，然后在其基部又会不断有新的芽形成。这样大约经过1~2月，从一个芽头上会形成有十多个芽头的丛生芽。然后再将它们分离开来，每一个芽头都可用作新的培养起始物，来诱导新一轮的芽增殖。这样不断重复的培养，可以在一年内用20平方米的培养室生产出上百万的小植株来。
微繁殖技术的一个培养周期只需1~2个月，且每个培养体在一个周期都能繁殖几倍至几十倍，所以它的繁殖效率大大高于一般的常规繁殖方法。但它因为需耗用大量的培养基并且是在人工条件下，所以微繁殖的成本比起常规扦插方法来要高一些。目前主要用于繁殖一些经济价值较高的观赏植物和园艺作物，以及一些难以繁殖或繁殖速度极低的植物，比如兰花。
在茶叶生产上，虽然目前常用的扦插繁殖方法要占用大量的土地为母本园和苗辅，但扦插繁殖的成本仍然较低，因此微繁殖技术替代生产上的常规繁殖方法在经济上可能仍然不很合算。但扦插繁殖方法的繁殖率较低，因此如果需要繁殖的材料其母本很少，就会需要很长的时间才能繁殖到一定的规模，常规方法的缺眯就暴露出来了。
在某些情况下，植物的原始材料可能是非常非常之少的。比如，刚用某种育种方法得到了一个具有新的遗传性状的植株，如果是单株选育，可能得到的材料只有一株茶树；如果是基因工程，得到的可能只是一株试管苗，这时急需的是迅速扩大群体以便进一步深入研究，使其能发展成为一个新的品种。又如，一个新的品种刚育成，这时需要快速繁殖至一定的规模，以便于早日应用于生产实践。在这些情况下，微繁殖技术就可以大显身手了。
为便于分析，假设在极端情况下可用于繁殖的起始材料只是一个插穗。在这种情况下，用常规方法进行繁殖需要1~2年使其长成一株小茶树，再茶3左右的时培育成为母本茶树。这时从这株茶树大约可以得到60~70个扦穗用于扦插。经过又一年扦穗萌发成小苗，移栽后又需3~4年长成茶树以便进一步扦插。然后从这些茶树上，大约可以得到4000~5000个插穗用于又一轮的扦插。为得到4000~5000株苗，可能需要8~10年的时间。
但如果采用微繁殖技术，1~2个月的时间就能形成一株无菌苗，再用1~2月的时间就能得到一瓶丛生苗。经过不断的继代培养，只需2年左右的时间就能得到4000~5000株植株。因此使用微繁殖技术可以加速育种研究中珍稀材料的增殖过程，使改良品种可以提早6~7年投入生产，加速优良无性系的推广进程。
任何一项技术的成本都取决于它能否实用。在通过情况下，可用于繁殖的茶树枝条几乎没有限制，而一株插穗繁殖的小苗的价格可能只有0.1元左右，因此采用微繁殖方法来繁殖茶要也许并不经济。但在类似上述的特殊情况下，由于可用于繁殖的起始材料太少而使繁殖一定规模种群的时间过长，采用微繁殖技术就可以节省下宝贵的数年时间。那么微繁殖所带来的成本升高可能只需1~2年的生产利润就可补偿。
微繁殖是茶树生物技术中吸引了最多的注意力。起步最早，取得的成就也最大的一个方面。根椐我们已有的知识，对一优异的茶树无性系利用微繁殖技术进行快速繁殖已经成为可能。虽然在茶叶生产中，由于成本较高，目前微繁殖技技术尚未成为茶树繁殖的主要方法。但这一技术具有的高增殖率和无性系快速克性隆能力仍使它对茶叶生产的发展会有很大的意义。
彻底改变茶树的繁殖与播种方式
扦插繁殖是茶树栽培史上一项极为重要的技术进步，它使得茶树的良种化成为现实，整齐一致的无性系茶园极大地提高了茶叶生产的产量与品质。但扦插繁殖方法仍有其不可克服的缺点。它不仅需要大片土地作为母本园和苗圃，而且在苗木的贮存与运输方面困难较多，尤其在苗木繁育地和种植地相距较远时，增加了茶苗工厂化生产和运输的困难，加大了茶苗的生产成本。
人工种子技术是有望解决这一问题的新途径，它是建立在体细胞胚胎技术和微繁殖技术基础上的一项新技术。体细胞胚胎就是人工诱导出来的类似胚胎的结构体。在通常的种子胚形成过程中，卵细胞先由花粉受精，受精卵再通过心形胚、鱼雷形胚等一系列过程发育成为一颗成熟的种子。但在体细胞胚胎发生过程图中，却没有这样的受精过程，一个来自茎或叶等类似组织器官的体细胞能被直接诱导成胚一样的结构。然后它能和受精卵一样通过心形胚、鱼雷形胚等发育阶段形成一个成熟的胚，并最终成为一株完整的植株，使茶树能以比克隆羊高出成千上百倍的效率进行无性繁殖。
人工种子就是将体细胞胚或微繁殖得到地试管苗用含各种营养成分和农药等化学成分的胶囊包裹起来，形成一种类似种子的结构，然后再用外皮将它包起来以防止机械损伤，用于包裹胚的胶囊就起了类似于天然种子中胚乳的作用。
人工种子技术有许多突出的优点。首先，它的效率和繁殖率大大高于通常的扦插方法。采用扦插方法时，从一株茶树上可能可以得到60~70个插穗从而繁殖出60~70株植株。而采用人工种子技术，理论上每个培养细胞都可诱导出一个体细胞胚，进而形成一颗人工种子，而1ml培养基中就可能有10，000~100，000个细胞，所以体细胞胚胎技术的增殖率是非常非常高的。例如，胡萝卜人工种子的生产中，20天内能生产出1千万个体细胞胚并进一步被包裹成人工种子。
其次，人工种子既象扦插苗一样能保持原有品种的优良特性，又和种子一样能很方便地贮存与运输，并且它可以用生物反应器进行工业化的生产，并进一步可以采用机械化播种。
茶树上目前已有一些人工种子生产方面的研究，但总的来说这项技术还远未成熟，在能够投入生产实践之前仍有大量的工作待做。
在室内保存各种各样的茶树品种资源
前面提到的微繁殖技术的另一项可能用途就是建立一个室内的茶树基因库。茶树的遗传资源是非常丰富的，在每个不同的原始种内甚至单个植株间都可能存在遗传上的差异，都会有其不同的特点或长处。这些差异对于育种工作者来说是非常珍贵的。但随着持续不断的茶园良种化改造，它们逐渐被整齐划一的无性系所替代。中国还有许多树龄几百年的野生大茶树，它们对于茶树的育种与遗传研究也非常的重要。一旦遭受自然灾害，这些珍贵资源的损失将是不可挽回的。建立一个室内基因库就是在人工条件下培养这些茶树的试管苗，使其尽可能缓慢地生长，以达到保存资源的目的。室内基因库与室外的资源圃相比具有以下优点：1）节省土地，10平方米培养室即可保存约750个不同材料，相当于15亩资源圃的保存量；2）避免自然灾害造成的损失；3）最便利的是它可以保存当地生长的材料；4）省却肥料，灌溉，农药等开支；此外它还便于种质的异地交流，方便在生物技术等各种研究中对这些遗传资源的分析利用。
将两个品种的优良特性组合在一起
杂交育种是将两个品种各自的优良特性组合在一起的常用育种方法，如将一个品种的高产性状与另一个品种的抗病特性结合起来，创造一个既高产又抗病的新品种。但茶树因为结实率太低，常常得不到杂交种子，给茶树的育种研究带来很大困难，这也是为什么茶树育种至今仍停留在单株选育水平上的原因。胚培养就是生物技术各种中用来解决这一问题的一个方法。胚培养就是将杂交后尚未成熟的胚从种皮中取出，将其置于培养基上，为其提供各种必要的营养与其它需求，在人工条件下加以精心培育，使其避免夭折，促进其萌发成正常植株。茶树的胚培养已经获得成功，要解决的问题是尽量提早培养的时间，如能将越冬前的幼胚培养成功，则用于实践才更为现实。
生物技术中用来替代杂交育种方法，即是不同品种各自的优异状结合在一起的体细胞杂交。体细胞杂交就是将两个不同品种来源的细胞设法融合在一起，再通过人工的培养促使这一融合后的细胞发育成为一株完整的植株，进而成为一个具有两品种各自优良性状的新品种。因为这一方法利用的是茎、叶等营养体组织来源的细胞，而不是生殖细胞，因此称它为体细胞杂交。
但植物细胞与动物细胞不同的是，在植物细胞周围有一层坚硬的细胞壁包裹着，这种天然的壁垒阻碍了细胞间的相互融合。解决这一问题的方法是用酶处理等手段去除细胞的细胞壁，用这种方法大量获得的没有细胞壁的裸露细胞称为原生质体，它们是真正分离的单个细胞，更易于对其进行各种生物工程操作。
体细胞杂交技术在茶树上有其独特的意义，如果茶树的体细胞杂交研究能够成功，就可以大规模地将现有的茶树品种进行相互杂交试验，培育出综合各品种优良性状的新一代茶树品种。
创造从未有过的茶树新特性
如上所述，当两个品种各自有一个我们所希望的优良性状时，可以用杂交的方法将其组合在一起。但如果所有的品种中都找不到我们所希望的性状时怎么办？这时就要用诱变的方法来获得突变体。诱变就是用辐射等物理方法或者用施用化学药品的化学方法来诱导植物在基因水平上产生变化，从而获得具有新的性状的突变体。并不是所有这样的突变体都是有益的，有些突变体会死去，有些反而产生一些不良的影响，但它们之中确实有可能产生一些我们所需要的变化，比如产量更高、某一品质更好或对于某种病害有更佳的抗性。我们的任务就是从大批的植株中找出这些有用的突变体并加以繁殖、评估和利用。
发生这种有用的突变的概率是很低的，会迫使你使用一个很大的群体来进行这种诱变与筛选。这样大量的土地和劳力就被浪费在种植这些被诱变的待筛选植株上，如果正在进行研究的是一个象茶树一样的多年生植物，困难就会更多一些，因为这种植物生长得实在太慢了。
如果采用培养的细胞来代替完整的植株进行这种诱变试验，工作强度就会减轻许多，因为处理大批的细胞应该比处理大批田间种植的植株容易得多。因此，生物工程方法的突变体诱导、筛选与常规方法非常相象，只是处理对象是细胞而不是植株。当诱变处理后，部分细胞因为致死突变而不能存活，另一部分细胞则会存活下来，下一步的工作就是从这些细胞中选出我们所希望的突变，设法使突变的细胞重新成为完整植株并加以繁殖，以创造一个新的优良品种。这种突变细胞系的筛选研究在别的一些作物上经常可见，但在茶树上至今仍未有报道，主要的原因就是大茶树上使细胞重新成为植株的技术仍不过关，因而无法使诱变的细胞重新生成植株，使这一技术的应用受到了限制。
以前所未有的效率创造抗虫、抗病或高产优质的新品种
随着世界对农产品产量和品质需求的大幅度提高，农业生产上迫切需要大批高产、优质、抗逆性强的作物新品种。常规育种虽然在农作物产量提高和品质改良方面取得了很大成绩，但它存在两个难以克服的难题：其一是遗传物质的转移难以突破物种隔离，使优良种质资源的利用受到限制。比如你没法用常规的方法将一条鱼的抗寒特性转移到茶树之中。其二是由于基因的连锁难以打破，育种效率不易提高。而在七十年代中后期诞生并迅速发展的植物基因工程，已在植物抗病、抗虫、抗除草剂和作物品质改良等几个方面取得了很大的成就，获得了一大批基因工程植物（又叫转基因植物）。这些植物有的已进入了大田试验，有的已经逐渐投产，使得按人们的愿望定向地改造农作物成为了现实。
基因工程是在分子水平上对植物进行的完全定向的改造。在这种改造中，能够使植物具有我们希望的某种性状的基因，比如抗虫基因，一般有两个来源：或者是从其它的植物，甚至动物、微生物中找到后将其分离出来，或者是通过人工合成方法得到。然后通过采用基因枪或质体介导的方法将其导入希望改良的植物体内，并使其在植物体内得到表达，使该植物获得我们所希望的一种新的性状，比如抗虫性或抗旱性等等。因此基因工程的一大特点是需要多学科、多层次的交叉合作，比如抗虫或抗病基因工程需要植物保护专家、植物病理专家先研究虫害或病害的机理，分子生物学家找到能够拮抗害虫或病害的基因，然后才可能分离出该种基因进行基因的转移；而作物品质基因工程则需要植物生物化学家和植物生理学家先研究提高作物品质的生化和生理机制，然后才能有的放矢地进行基因的分离与转移研究。植物基因工程是高效率地创造崭新的生物物种新技术，在农作物改良上的潜力非常巨大，使植物育种研究进入了一个崭新的阶段。
植物基因工程在茶树上应用将使茶树的育种研究发生飞跃，进入一个崭新的时期。但茶树上的基因工程研究工作至今极为罕见，只有屈指可数的几篇报道表达了非常粗浅的探索。其主要原因仍是在使基因转移后的茶树细胞重新形成植株方面未能取得实用性的突破，被导入了基因的材料不能够恢复成完整的植株，同时，茶树的分子遗传学与分子生物学研究也十分薄弱，基因转移研究缺乏足够的知识基础。
用细胞培养方法生产有用的天然产物
高等植株大多含有许多有用的天然产物，可以作为药物原料，食品添加剂或化妆品原料等等。目前日见匮乏的植株资源，不断上涨的劳动力价格和其它的一些因素使直接从植株中提取这些天然产物的困难越来越大，促进了利用植物培养细胞来生产天然产物的研究。相比较而言，植物细胞培养可以不受气候、自然灾害等环境因素的影响，也不受地域条件的限制，可以在任何季节、任何地点进行生产。五十年代以来，这方面的研究日益丰富，取得的进展也越来越大。
茶树是一种富含多种次生代谢产物的植物。茶氨酸、茶多酚等物质的形成与积累是茶树细胞的重要特征，它们之中的许多成分在食品与医药行业中会有很重要的应用。在茶树培养细胞中，已经证实有多种次生代谢产物存在，如咖啡碱，茶碱，茶氨酸，儿茶素等。儿茶素是茶树中一类较重要的次生代谢产物，目前的研究表明，虽然培养细胞中的儿茶素组成与茶树植株中有所不同，但通过培养条件的改进，其含量可有较大的提高。考虑到成本与价格的因素，如果茶树培养细胞能够产生一些较为稀有的黄酮类物质，可能会是较易实现商品化的产品。
总的来说，大部分的植物生物技术都是为育种服务的。如果能将其应用于茶树育种，可以极大地提高茶树育种研究的效率，更快地培育出有革命性改良的茶树新品种。但遗憾的是，由于投入不够，茶树生物技术的许多研究目前都止步不前，远远落在了其它许多作物的后面。因此在目前这种状态下，一方面，茶树的育种研究工作者应该设法将常规的育种方法与某些生物技术方法结合起来，尽力缩短茶树育种的周期，另一方面，应该加强茶树生物技术的研究，使其能够早日在育种研究上实用化。但是，生物技术是建立在其它学科的知识基础上，只有在深入进行了茶树的生化学、生理学、发育学等科学的研究基础上，在对各品种茶树特性有深入了解的基础上，茶树生物技术的研究才有可能有明确的目标方向；只有对茶树进行了深入的遗传学、分子生物学研究的基础上，茶树生物技术研究也才有可能有的放矢地进行。生物技术研究是一个牵涉多学科的工程，需有大批有各学科精深知识的研究人员的合作努力，有浑厚的物质力量的支持，才有可能取得突破性的进展。
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