人们早就认识到有必要将具有多种多样遗传变异的栽培作物保存在“基因中心”里。但现在经过选种得到清一色高产作物品种的做法，将使这种基因库受到损害，并导致栽培作物的遗传基础越来越窄。实际上，我们已失去了许多具潜在抗病害及适应气候环境能力的基因。
为保存植物遗传性状，现已建立了一些国家的和国际的种子或基因公司，但对那些高度杂合性的或其种子难以常规贮藏保存的种类来说，还存在一些问题。
保存植物遗传性状的历史
早在三十年代就有人提出，要防止“基因中心”中的一些原始变种逐渐消失。但当时很少注意到有必要建立保存这些遗传性变异的贮藏库或所谓的“自然基因库”。直到六十年代中期，连续不断的敦促警告指出，原始的作物品种正在以越来越快的速度被那些大量推广的新栽培品种所代替。而那些原始的种系，包括各种不同的种群，长期受到环境的塑造和时间的考验，且受到各种有关的作物、野生物种及杂草的竞争和相互渗透，形成了复杂的基因，为发展现代的高产栽培品种提供了物质基础。
然而，这种从原始向所谓高级栽培品种的过渡，带来的结果是使遗传基础越来越窄。表现有二：其一，选择具有相对一致性的品种来得到“纯”种系、多种系、单杂交种或双杂交种等；其二，为特定的目的进行的选择。这两种做法都导致了遗传性变异的显著减少。可以从中得到亲本物质的基因库有受到限制。
随着农业的发展如机械化程度的提高、化肥、除草剂、杀菌剂和农药的推广应用，少数经选择的高产品种被种植于地球上的广大地区，进一步使作物遗传性变异程度更低。这种现象在所有国家，无论发达国家还是发展中国家都有。
1964年国际生物计划署（IBP）建立。该机构对于许多遗传性变异中心中正受到农业发展威胁的植物遗传资源专门设立了下属委员会，以研究收集、保存这些资源的途径和方法。1967年IBP和联合国粮食组织（FAO）召开联席会议，列出了五类需加以保存的种质材料：（1）正在使用的栽培品种；（2）已淘汰的栽培品种；（3）特殊的基因块如抗病害块；（4）原始的变种；（5）与栽培种有关的野生种。大会建议建立所谓自然群体库将完整的野生群落保存下来或建立“作物贮藏所”将地区性的原始栽培品种在原始生态环境下加以保存。大会还建议建立地区性或世界上有代表性的基因型的基因库和特定作物的种子贮藏库。此次大会首次对利用组织培养技术保存这种资源的可能性及前景进行了探讨。
此后，1909，1970，1972，1973年召开的国际会议，均支持建立一个由遗传资源中心组成的全球性网络，1974年在FAO/IBP工作会议上，对植物遗传性保存的许多问题进行了讨论，这包括研究估价、保存贮藏、文件资料及遗传资源中心的技术等方面。注意力集中在保存和贮藏方法上。一些作者阐明了应用组织培养技术，有解决一定种类种质资源贮藏问题的潜力，并着重强调了近年来组织培养技术的进展。这次成功的大会后，许多国家里及国际上都建立了种子银行和遗传资源中心。
组织培养技术在遗传资源贮存上的应用
近年来，人们的兴趣多集中于以离体组织培养技术应用于保存植物遗传性状。许多重要作物种子天生地难以对付如油棕搁、橡胶树、橙和咖啡属的许多植物。另外营养繁殖的植物具有很高的杂合性，甚至不生成种子，而必须以营养体形式加以贮藏，如块茎、根、插条等。这样繁殖通常生长周期较长、占地较多且需要短期贮存繁殖体，可能因为遭受虫、病侵害，气候失常等造成灾难性的损失。此类作物如薯蓣、香蕉、马铃薯、木薯、芋和甘薯等。而许多棕榈类植物，包括椰子、油棕榈和枣椰树，目前尚无有效的营养繁殖方法，而用适当的组织培养系统进行繁殖和保存却具有明显的好处。另外，许多长寿树种，只有到了一定年龄才长出种子，在需要再生其亲本的基因型时，只能采取营养繁殖方法，目前正在研究使用组织培养技术对果树进行快速无性繁殖。这种技术特别适合于那些用常规方法繁殖花费昂贵或根本不能常规繁殖的果树品种如苹果。组织培养技术既可用于快速的离体增殖又可促进根状茎的发根。
最近有人研究了土耳其温带果树遗传性变异区的大量果树，发现了一大批遗传性变异品种，包括苹果的抗严寒品种、甜樱的无病害种群，杏子开花时期的变异，洋李中的矮化变异、高钙质土的适应型等。
作者着重指出这些果树正受到灭绝的威胁，这主要是因为推行了果树生产的现代化。如过去用种子栽培的李属果树，现在无一例外地用嫁接进行栽培。另外，引进的桃树品种十分成功，几乎完全取代了当地品种。苹果、梨和樱桃的引种也有类似的情况。用常规的果园方法进行果树保存，因需要尽可能多地对每一种群所具有的所有遗传性变异进行取样，因此占地极大，如对土耳其三百万株杏子树中的千分之一进行取样，亦需3000株树，占地15公顷。最近有人指出，如将果树修剪成垂直的单干型，间隔0.5×2米，那么1000个品种，每品种2株，只需约0.2公顷土地，但这样的收藏，对于病害的侵袭和遗传性侵蚀相当敏感。因此有必要尽快发展一种合适的组织培养贮藏系统，作为果树种质贮藏所。
植物的试管培养
单个细胞具有全能性，能再生出一棵植株的论点，最早由德国植物学家哈伯兰特（Haberlandt）于1902年提出，直至五十年代才得以证实。三十年来，植物组织、细胞和器官培养有了很大发展并具有不可估量的前景。
试管组织培养，其范围很广，大致可分为（1）器官培养；（2）愈伤组织培养；（3）悬浮体培养；（4）单细胞及原生质体的分离和培养；（5）花药和花粉的培养。
组织培养系统应用于遗传性保存，其最终目的是要保存一些特殊的基因组。一个完善的组织培养系统，应具如下特点：无论是愈伤组织还是悬浮体培养，都可以从少量愈伤组织或悬浮液中产生无数的细胞，而且只要改变培养条件就可诱导体细胞胚胎发生或不定芽形成，以得到所需数量的再生完整植株，从而较理想地以单细胞或愈伤组织形式保存某些特定的基因组。当一个栽培学家需要这种基因组时，能够方便地再生出所需数量的植株。虽然这种理想的方法，目前只有少数几种模式系统，尚缺乏应用性，但经验说明将这种完善的培育系统广泛地用于重要作物，已为期不远。
将组织培养应用于遗传性保存的困难，是有些种类出现了遗传性不稳定现象。另外，某些组织培养在离体条件下生长，超过一定时间后，形态发生的潜能下降。Chandler指出，条裂茄的这种情况可能与细胞中倍性水平的增长有关。如果初期培养使用了倍性不正常的植物，即有可能导致遗传不稳定。
尽管有上述限制，应用组织培养系统仍然受益匪浅。
试管保存的方法
具有很高增殖速率的离体培养系统，对于无性系的繁殖是很理想的，但却不适于作为一种保存种质的方法。该系统中基因突变率与细胞分裂速率成正相关。而一个理想的种质贮藏系统，要求将材料在细胞分裂完全中止的条件下加以保存。这可用在液氮温度（-196 °C）下贮藏的方法来达到。
种质保存技术的基本原理是要在使培养中的茎尖或由分生组织得到的小植株生长速率达到最小的条件下保存。这种方法的优点在于贮存的材料随时可用，易于保管而且需要时，易于补充。
极缓慢生长状态下的保存。
对组织培养中的植株生长进行抑制方面的工作有三种。
（1）改变培养时容器中的物理条件，包括温度、气体条件等。
（2）改变培养基中的基本物质，使营养物供给低于或超过正常情况，将一些正常生长所必需的物质含量减少，以至完全不同。
（3）加入生长抑制剂，如脱落酸（ABA）或像甘露糖醇、山梨糖一类具渗透效应的化合物。
降低温度将组织培养物加以贮存的方法是有效的。如葡萄、马铃薯、甜菜、甘薯、苹果、草莓、木薯和一些饲料草本（黑麦草属、羊茅属、鸭茅属和梯牧草属）都可使用低温保存，要求温度依作物种类不同而异。一般说来，马铃薯、草莓、苹果等温带作物贮藏温度为0 ~ 6 ℃，而木薯、甘薯等热带作物贮藏温度在15 ~ 20 ℃之间。降温贮藏对某些种类是十分成功的，如草莓分生组织得来的小植株，可冷藏六年以上。目前在两个国际遗传资源中心，这种技术已成为常规方法。
哥伦比亚的国际热带农业中心（CIAT），正在发展一套木薯种质长期贮存的标准程序。这套程序包括将生长时的温度降至20 ~ 22 °C，配制含高浓度细胞分裂素、赤霉素、低浓度糖的培养基。一般在3×4×2.5立方米的空间容纳14000支含培养基的试管。一些品种已贮藏两年以上。此方法使国际间能方便地交换无病害种质的培养块，而不会有病害传播的危险，也免去了检疫的问题。
秘鲁的CIP国际中心，每年要将12000多棵无性系植株种到田里，以保持种质原种。这个中心收集培养品有：a. 中、南美洲，美国，欧洲栽培品种；b. 实生苗染病害的100个无性系；c. 三倍和五倍体品种。其保存方法有三种：（1）通常繁殖材料，25 ℃下，每两月转接一次。（2）保持在10 ℃下，在含1.25 ppm脱落酸和6%糖的培养基上，每年转接。（3）保持在25 ℃下，在含4%甘露糖醇和0.5%糖的培养基上，六个月转接一次。
维茨考特（Westcott）证明，对于茄属的13个基因型，采用密封的容器，18个月后，平均成活率显著提高。若提高糖含量，也可提高存活率。而卡尔沙（Kartha）则报道在降低糖含量的培养基中成功地贮藏了咖啡的幼苗。
有人建议，用降低大气压和氧分压的方法阻滞生长或在培养基中加入生长抑制剂如脱落酸、甘露糖醇、山梨糖醇、磷酸D、马来酰肼、B995和矮壮素等抑制生长。Westcott指出马铃薯在加入不同的生长抑制剂12个月后的存活率与降低温度并提高养料的有效成分所得的结果相当。
温带果树可用几种不同方法贮藏许多个月。常温下樱桃、苹果、李、梨树苗，在液体培养基中能存活几个月。另外，还可用几种方法。a. 使用大幅度降低生长调节剂的固体培养基，在常温下贮存；b. 使用含快速生长所需的正常浓度生长调节剂的固体培养基，降低温度贮藏；c. 将发根植物在液体培养基中贮存，以滤纸支持。a系统在一定阶段后，需将贮存幼苗转移到发根培养基中，以得到小植株，或转到快速繁殖培养基中，以得到进一步生长的苗；b系统只需将贮存幼苗转到正常条件下，即可得到更多的苗；c系统则只需将小植株转到温室即可。
植物组织培养的冷冻保存。
原理：冷冻时可能会在细胞中形成冰晶，而对细胞造成损害。为消除或降低这种损害，可采取超速冷冻或慢速分步冷冻的方法。快速冷冻能使细胞内形成的冰晶极小，不足以损害细胞器或细胞膜。然而，融化速度也须足够快，以防重结晶。用这种方法成功地保存了马铃薯茎尖。慢速分步冷冻法能在细胞外进行冷冻而对细胞提供防护。当降温时，细胞周围液体，由于冰的成核作用，最终都被冷冻，而细胞内流体则可能尚未冰冻。由于气压降低，可导致细胞失水，细胞内浓度增高，又进一步促进细胞内容物冰点下降。这种细胞的“保护性失水”有效地防止了细胞质或液泡形成冰冻。当然过分失水也可毁坏细胞。
冷冻保存的方法。
预处理：将复冷冻的培养细胞在生长周期中，应处于临界状态。悬浮体培养应处于生长后期，即指数生长期。而胚体应在发育期，这是因为这两个时期细胞体积小又高度细胞质化，对冷冻伤害最具有抵抗力。
冷冻预防：防冷冻剂包括二甲亚砜（DMSO）、甘油、脯氨酸、聚乙二醇和糖。防冻剂减少冷冻伤害的机理，包括降低冰晶大小及生长速率、降低细胞内容物的冰点，从而促进冷冻期的保护性脱水，稳定细胞中的大分子及膜结构，产生一种固着性运动，使细胞内外冰平衡中有效溶液浓度降低，或者将其归结为细胞冷冻前渗透性脱水的缘故。
冷冻：冷冻的过程通常需借助于某些设备，以便当样品在液氮或其蒸汽中冷冻时进行控制。最简单的是仅用一个将样品悬挂于液氮表面之上预定高度的装置。
贮藏：冷冻后，通常将样品贮存在装在不锈钢容器里的2毫升的聚丙烯小瓶里，再置于液氮冰箱中（盛有大量液氮的绝热容器）的敞口钢罐中。标准液氮冰箱可容4000个2毫升的小瓶。
融化：要将小瓶放到约37°C温水中迅速解冻，因为细胞中可能残留一些未结冰的水。若解冻速度不够快，则可能发生重结晶，损伤细胞和膜结构，最终导致细胞死亡。
冷冻的伤害及存活能力。
虽然培养物能否恢复生长是检验其存活力的有力证据，但并不能定量反映细胞损伤及存活程度。可以采用紫外线显微镜检法，存活细胞能吸收染色剂，并显出明亮的荧光。也可以采用Evans蓝染色法，将染色液滴入已解冻的细胞悬浮液中，然后用钨灯照明，在光学显微镜下观察，存活细胞不会被染色。电镜观察则能从超微角度显示出植物组织由于冷冻和解冻而造成的细胞器及膜的损伤程度。
冷冻保存技术的应用现状及展望。
各种冷冻保存方案在各类型培养系统，如细胞悬浮体、愈伤组织、单倍体花粉胚、原生质体、体细胞胚、幼苗及茎尖分生组织等系统上都有成功的应用，如胡萝卜和假挪威槭的细胞悬浮体培养的冷冻保存。最近则侧重于具有遗传稳定性的培养系统，即茎尖分生组织的冷冻保存可望不久可得到重大应用。
结论
本文意在对遗传性保存的历史及原理作一概述，并说明组织培养技术如何应用于某些植物的繁殖和保存。当然组织培养系统的建立仅仅是开始，其局限性和不足刚刚发现，至于冷冻保存的许多方面尚缺乏研究，诸如冷冻及解冻后复杂的结构和生理变化，样品解冻后敏感期的护理技术等均需探讨，以期发展出一种可行、有效的方法，保护目前大量处于灭绝危险之中的基因组。
[Science Progress，1983年68期]