1、植物细胞与组织培养的技术意义
植物细胞与组织培养技术基于植物细胞的全能性，可实现作物育种加速（如单倍体育种、基因编辑材料扩繁）、次生代谢产物定向生产（如药用植物活性成分）及种质资源长期保存，是解决粮食安全、药用资源短缺及生物多样性保护的关键技术手段。然而，该技术对培养环境的敏感性极高，除温湿度、光照外，气体组分是易被忽视的核心影响因素——CO₂直接参与植物细胞的光合暗反应与碳代谢，O₂浓度过高易引发氧化应激损伤，过低则抑制呼吸作用，而N₂作为平衡气体可维持环境稳定性，三者的协同调控直接决定培养效率。
2、传统培养设备的局限性
当前主流的植物细胞培养设备以CO₂培养箱为主，仅能调控CO₂浓度（通常3%-5%）与温湿度，无法实现O₂浓度的精准调节，导致以下问题：
高氧环境（空气中O₂约21%）引发悬浮细胞活性氧（ROS）积累，抑制愈伤组织增殖；
对厌氧或微氧偏好性植物细胞（如水稻胚性愈伤）无法提供适宜环境，诱导率低于30%；
种质低温保存过程中，O₂介导的脂质氧化加剧，导致种质活力衰减速度加快。
3、博清生物三气培养箱的技术优势
博清生物三气培养箱针对上述痛点，集成了多气体精准调控、智能环境监控及稳定运行系统，核心技术参数如下：
气体调控范围：CO₂精度±0.1%、O₂精度±0.3%、N₂自动平衡；
温湿度控制：温度3-60℃（波动 ±0.2℃）；
安全设计：气体泄漏报警、超温保护、断电记忆功能。
本研究旨在验证该设备在不同植物细胞与组织培养场景中的应用效能，为其在农业生物技术领域的推广提供实验依据。
一、材料与方法
（一）实验材料
选取4种代表性植物材料，覆盖模式植物、粮食作物、经济作物及种质资源：
1、烟草：叶片诱导的愈伤组织，用于增殖效率测试；
2、水稻：成熟胚诱导的胚性愈伤，用于诱导率测试；
3、大豆：悬浮细胞系（BB5品系），用于活力与次生代谢产物测试；
4、马铃薯：块茎诱导的分生组织，用于低温保存测试。
（二）实验设计
设置实验组（博清生物三气培养箱）与对照组（传统CO₂培养箱，仅调控CO₂ 5%、温度 25℃、湿度70%），每组3次重复，培养周期根据材料特性设定。
（三）检测方法
1、生长指标测定：愈伤组织鲜重通过电子天平直接测量，干重通过80℃烘干至恒重后测定；
2、细胞活力检测：采用FDA-PI双染色法，荧光显微镜观察，计算活细胞比例；
3、次生代谢产物检测：大豆异黄酮采用高效液相色谱测定，色谱柱为C18柱，流动相为甲醇-水（40:60，v/v），检测波长254nm；
4、胚性愈伤诱导率：统计形成胚性愈伤的外植体数占总外植体数的比例，愈伤紧实度通过质地分析仪（TA.XT Plus）测定硬度值；
5、种质保存存活率：马铃薯分生组织解冻后接种于MS培养基，2周后统计绿色再生组织比例。
二、结果与分析
（一）对烟草愈伤组织增殖的影响
实验组（O₂10%、CO₂3%）烟草愈伤组织21d鲜重增长率达189.2%，显著高于对照组（133.0%），提升幅度42.2%；干重增长率实验组为78.5%，对照组为55.1%，提升幅度42.5%。推测低O₂环境（10%）降低了愈伤组织内ROS积累（对照组ROS含量为实验组的2.3倍），减少了氧化损伤，而适宜的 CO₂浓度（3%）促进了碳同化效率，共同推动愈伤组织快速增殖。
（二）对水稻胚性愈伤诱导的影响
水稻胚性愈伤是遗传转化的关键材料，其诱导率直接影响育种效率。实验组（O₂ 5%、CO₂ 4%）水稻胚性愈伤诱导率达68.3%，较对照组（29.7%）提升129.9%；且实验组愈伤组织硬度值为1.8N，显著高于对照组（1.1N），表明其结构更紧实、分化能力更强。这一结果与低O₂环境抑制细胞凋亡、高CO₂促进胚性基因表达的机制一致。
（三）对大豆悬浮细胞活力与次生代谢的影响
大豆悬浮细胞是生产异黄酮的重要生物反应器，其活力与代谢效率密切相关。实验组（O₂ 8%、CO₂2%）大豆悬浮细胞14d存活率达89.5%，对照组仅为65.2%；HPLC检测显示，实验组异黄酮含量为2.8mg/g DW，较对照组（2.1mg/g DW）提升33.3%。分析表明，8%O₂浓度既能满足细胞呼吸需求，又避免了ROS过量积累，而2% CO₂浓度通过调控苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性（实验组PAL活性为对照组的1.6倍），促进了异黄酮的生物合成。
（四）对马铃薯种质低温保存的影响
马铃薯种质低温保存中，O₂介导的脂质氧化是导致活力下降的主要原因。实验组（O₂ 2%、CO₂ 1%、4℃）马铃薯分生组织90d保存后解冻存活率达76.8%，对照组仅为54.7%；且实验组再生率为68.3%，显著高于对照组（45.2%）。低O₂环境（2%）显著降低了脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的含量（实验组MDA含量为对照组的0.5倍），减少了细胞膜损伤，从而延长了种质保存周期。
三、讨论
（一）博清生物三气培养箱的核心作用机制
本研究证实，博清生物三气培养箱通过以下机制提升植物细胞与组织培养效能：
1、O₂浓度精准调控：根据不同植物材料的呼吸特性（如水稻胚性愈伤偏好微氧、大豆悬浮细胞需适度氧），将O₂浓度控制在0.5%-21%，避免氧化应激或呼吸抑制，维持细胞稳态；
2、CO₂与O₂协同作用：CO₂不仅为光合细胞提供碳源，还可通过调节细胞内pH值影响酶活性，与O₂共同调控碳代谢与次生代谢通路；
3、稳定的微环境保障：设备的温湿度高精度控制（温度波动±0.1℃）与N₂平衡气体设计，避免了环境参数波动对敏感细胞（如悬浮细胞）的冲击，提升培养重复性。
（二）与传统培养设备的性能对比
传统CO₂培养箱因无法调控O₂浓度，在微氧需求型材料（如水稻胚性愈伤）培养中存在天然缺陷，且高氧环境导致细胞活力与代谢效率下降。而博清生物三气培养箱的多气体调控能力填补了这一空白，其在愈伤增殖、胚性诱导、代谢产物积累及种质保存中的综合效能较传统设备提升22%-129%，尤其适用于高难度植物细胞培养场景。
（三）应用前景与局限性
博清生物三气培养箱在农业生物技术领域的应用前景广阔：
1、作物育种：提升基因编辑材料（如CRISPR-Cas9编辑水稻）的胚性愈伤诱导率，加速育种进程；
2、药用植物生产：为紫杉醇（红豆杉细胞）、青蒿素（青蒿细胞）等次生代谢产物的工业化生产提供优化环境；
3、种质资源库建设：延长马铃薯、甘薯等无性繁殖作物的种质保存周期，降低保存成本。
本研究的局限性在于仅测试了4种植物材料，后续需扩展至更多物种（如木本植物、药用植物），并探索气体参数的动态调控模式（如不同培养阶段调整O₂浓度），进一步挖掘设备潜力。
本研究系统验证了博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱在植物细胞与组织培养中的应用效能。结果表明，该设备通过精准调控CO₂、O₂、N₂气体环境，可显著提升植物愈伤组织增殖效率、胚性愈伤诱导率、悬浮细胞活力及种质保存存活率，其综合性能优于传统CO₂培养箱。博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱为农业生物技术领域提供了稳定、可控的微环境调控工具，对推动作物育种、次生代谢产物生产及种质资源保护具有重要意义，值得在科研与产业化领域推广应用。
