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稀土元素作为猪饲料添加剂的应用
重庆市畜牧科学院 景绍红 402460
摘要：稀土元素由17种元素组成，稀土元素及其化合物具有特殊的物理化学性质。在我国，一些稀土元素中的盐份和镧系元素（如其中的镧和铈等）被作为饲料添加剂应用于畜禽生产已经有四十多年的历史，有大量文献表明添加微量稀土元素混合物的饲料不仅能提高猪、牛、羊、鸡等的体重，而且还能增加奶类和蛋类的产量。近五年，很多西方国家从我国进口稀土元素作为饲料添加剂应用于猪的研究。结果表明：稀土元素可增加猪的日增重和提高饲料转化率，是一种新型、安全并且实惠的新型促生长剂。本文综述了稀土元素主要是镧系元素在国内外农业特别是养猪业的应用研究成果并解释了其潜在机理，为以后相关研究提供参考依据。
关键词：稀土元素，镧系元素，猪，体增重，饲料转化率
1． 前言
50多年来，抗生素作为饲料添加剂有效地预防和控制了畜禽疾病的发生和流行，但同时也带来了诸多不良后果：如肉类的药物残留；粪便给环境造成的污染；过度使用使动物产生对抗生素的依赖性甚至抗药性等。从2005年底开始，抗生素作为饲料添加剂在欧盟已经被全面禁止。目前全球人口不断增加，动物蛋白需求量不断增加，唯一的方法是增加肉类生产。而全面禁止抗生素会严重影响动物断奶后的健康和产量。这样一来，建立动物卫生保健战略和发展新型饲料已迫在眉睫，人们需要新的促生长素替代品作为饲料添加剂，这些添加剂必须有效、安全并且有助于环境保护。比如说益生菌、益生素、酶类、有机酸还有中草药提取物等。
目前引起人们注意的是一种新型的稀土元素或稀土元素混合物添加剂，包括钪、钇和镧系中从镧到镥等元素。稀土元素在地壳中并不是非常罕见，但数量有限。特别是镧（La，57号元素）、铈（Ce，58号元素）、还有镨（Pr，59号元素）。镧和铈主要存在于地质浓度类似于重要微量元素钴的地质区，因而不算太稀有。由于世界上80%的稀土元素存在于我国，我国成为了这些元素的主要供应方，它们主要以浓缩品、氧化物、合金的形式出口给其他国家。稀土元素主要应用于冶金、化工、电子工业和农业。其中，大约25%的镧矿石被用来制作碳弧灯；25%被用于镧、铈合金的生产，这些合金可以用在火石打火机、镁合金和某些合金铁生产；25%用于玻璃工业：如钕镨混合物、铈盐和其他的镧系元素在玻璃上色和脱色工艺上有重要用途。最后还有25%的镧产品被应用于其他行业，比如电视器件、催化剂、激光器和饲料添加剂。
2．稀土元素在国内农业的应用
2．1．在种植业的应用
在我国，稀土元素，通常是铈、镧和镨的混合物，在农业种植中作为肥料增强剂已经被应用了40余年，并且卓有成效。促进生长和增产的原因至今不清楚，但据推测可能是由于稀土元素与钙元素的相互作用对细胞质膜的结构和功能产生的影响增强了光合作用和酶的活性。
这些效果已被其他国家所证实。在澳大利亚和英国，科学家发现施有稀土元素的土壤可以提高15%的农作物产量 ，而且不会残留于农产品。在水溶性的研究中，Tucher等证明了培养基中的镧系元素对植物中的矿物质产生强烈影响，但由于稀土元素的盐是水溶性的，土壤浓度不会有大幅度增加。
2．2．在养殖业的应用
国内还进行了许多养殖业研究，诸多结果被报道。这些报道指出，添加少量稀土元素的饲料不仅能增加牛、猪、鸡、鱼和兔的体重，还能增加牛奶和鸡蛋的产量。此外，饲料转化率在以上物种都有提高。
稀土元素可加强猪生长性能。何若钢等（1998）发现，饲喂补充了稀土元素日粮的平均体重为7千克（5-9千克）组小猪，体重可增加5%到23%[1]；饲料转化率可提高4%到19%。在体重13-17千克组，体重可增加11%到20%，饲料转化率提高5%到9% [2]。陈樵等（1994）研究发现，生长肥育猪（30—50千克），稀土元素添加剂可使体重增加9%--13%，饲料转化率提高6%--8%[3]。王和许（2003）发表的最新文章，提出体重可增加13%，饲料转化率提高7%。
总的来说，并不是某些特定的稀土元素添加到饲料中，而是以铈 、镧、镨 为主和其他一些镧系元素中某些成分组成的混合物。早期的研究主要采用添加这些稀土元素的硝酸盐和氯化物，而最近的研究主要采用添加有机盐类象柠檬酸和葡萄糖之类，有时再辅以氨基酸的蛋氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺之类。
不同研究采用不同浓度。在国内，猪饲料一般采用100 -600毫克/千克浓度。较大的浓度差异导致研究数据缺乏可比性，从而使对稀土元素的作用机制的理解更困难。
3．稀土元素在国外饲养研究应用
欧美国家的饲养条件明显不同于国内，他们更注重家畜品种的选育和饲料的优化，家畜对生长促进剂和增强剂易感性较低。
1999年，Rambeck 等首先进行了一系列猪的饲养试验。用稀土元素盐饲养72只德意志和皮特兰仔猪，平均体重7千克，分为两组，对照组饲喂纯氯化镧（99.7% LaCl3.6H2O），试验组38.0% LaCl3.6H2O + 52.1% CeCl3.6H2O + 3%C rCl3.6H2O，以75毫克/千克和150毫克/千克添加到全价日粮（能量：13兆焦耳/千克；52.7% 大麦,20% 小麦,18.8% 豆类）饲喂五周。结果表明，饲喂了稀土元素混合物的试验组效果最好。体重增加了5%，饲料转化率提高了7%（P〈0.05〉[4]。在He（2001）等进行的另一个试验中，体重17.5千克的杂交仔猪饲喂 300毫克/千克含稀土元素配方。一个月以后，试验组体重明显增加了19%，饲料转化率提高了11%。继续添加一个月后，体重比对照组高了12%，饲料转化率高3%。在瑞士进行的猪场实验把猪分为两组，一组97头仔猪 （初始重11.2千克）,一组176头仔猪(初始重8.3千克)(Schweizer Edelschwein，2003)。分别饲喂16天和30天，与对照组比较，添加了200毫克/千克稀土元素混合物的实验组体重增加3%-10%，饲料转化率提高2%-9%。这是第一次猪场实验证明稀土元素作为添加剂是有效的。
由于负离子的存在，稀土元素盐的生物利用率会受到影响，稀土元素中柠檬酸盐的影响也被考虑。Halle等（2003）发现，柠檬酸盐可以显著提高鸡的体重达7%。但Schuller等（2002）发现，在同样条件下，氯化盐既不能提高体重也不能提高饲料转化率，因此柠檬酸盐被广泛应用于仔猪饲养试验。另外因为柠檬酸盐比氯化盐的吸湿度要小，作为饲料添加剂比较容易置放。在一项持续了六周的饲养试验中，50、100和200毫克的柠檬酸盐添加给28只仔猪（每组7只，体重8.6千克）。按照剂量比例计算，体重增加高达22%，饲料转化率达19%。2004年，Kessler研究发现，柠檬酸盐对整个育肥期有显著的促进作用，以250毫克/千克的浓度添加到饲料中，对照组达104千克需102天；而实验组只需93天；日增重分别是782克/天VS.851克/天；饲料转化率分别为2.5 VS 2.4；差异特别显著。
稀土元素对家畜的健康和肉产品的质量和安全性没有影响。对胴体和肉的质量检测数据显示，所有被测家畜肉是E或U级（两个最高等级，EUROP等级制）。其他有关肉质参数也没有受到稀土元素的影响，例如，PH1和PH24，肉色和瘦肉率均很正常。从试验猪采取的肌肉、肝脏和肾脏样品中，实验组和对照组的稀土元素含量都很低。尽管实验组镧的含量比对照组高，但所有试验猪的镧沉积速度都很低，接近检测极限。
也有研究发现稀土元素添加剂对体重和饲料转化率没有影响。例如，Halle(2003)等做的一项有关猪的肥育试验，在饲料中添加不同稀土元素负离子氧化物，浓度为100毫克/千克，却没有表现出促生长效应，也许是本试验的浓度太低所致。在另一个实验中，稀土元素氯化物（300毫克/千克饲料）几乎对体增重（-4.7% 对比对照组）和饲料转化率(+1.3%对比对照组) 没有作用。
4．结论
稀土元素对猪生产性能产生显著影响的机理目前尚不十分清楚。据分析，虽然胃肠道对稀土元素的吸收很少，但可影响胃肠道微生物的组成，从而促进日粮中营养成分的消化和利用。高浓度的镧系元素通常可以抑制细菌的生长，低浓度的镧系元素可能促进细菌生长。
稀土元素既有微量元素的特征，可划为营养类添加剂；又可以增加胃肠道消化率和稳定有益菌丛，可被视为益生类添加剂。从目前在国内外养猪业的应用效果来看，稀土元素是一种高效、低价、安全的新型饲料添加剂。
参考文献
1．何若钢，夏中生，《稀土对生长肥育猪生产性能的影响》，广西农业科学
1998年（5）-243-245
2．李德发，余伟民，《添加稀土对生长猪生长性能及氮平衡的影响》，饲料博览
1992年（4）-3-4
3． 陈樵，高家骅，《稀土的表观消化率及添加稀土对日粮粗蛋白粗脂肪表观消化率的影响》，江苏农业科学1994年（1）-59-61
4． Rambeck W.A., He, M.L., Chang, J., Arnold, R., Henkelmann, R. & SuB, A Possible role of rare earth elements as growth promoters. In: Vitamine undZusatzstoffe in der Ernahrung von Mensch und Tier. Symposium, 22-23 September 1999, Jena/Thuringen, Germany, pp.311-317 (1999).
一、生物技术给农业带来的益处
广义上讲，生物技术是利用有机体、死细胞、活细胞以及细胞内含物，采用特殊的过程生产出特殊的产品应作到农业、医药以及环境修复治理中，尤其是70年代基因工程的出现，它能改变、取代物种的基因。
生物技术在农作物中已有广泛的应用。最初通过遗传工程获得而进入市场的作物是：玉米、大豆和棉花。它们经转基因后具有抗除草剂和棉铃虫的能力。这种玉米、大豆和棉花从Bt细菌获得基因，经遗传改良后具有防虫害的能力。利用Bt细菌获得经遗传改良的作物的潜力是相当大的。例如：美国有200万hm2的Bt棉花，澳大利亚有40万hm2，两者各相当于2.5亿美元价值。如果将Bt玉米引种在美国1000万hm2的土地上，只要增产5%，就意味着能增加3.5亿美元收入。这项技术进一步促进了Bt制剂控制虫害在商业上的应用。除此之外，还有许多经转入特定基因的玉米品种，这些品种能同时抗除草剂和一些虫害。
生物技术在畜牧业上应用所获得的益处与在农作物上相似。一方面，生物技术有助于提高畜禽的生命力以及消灭竞争者。促进畜禽生长的物质有生长激素以及促进其生长的调节剂，这些物质可由基因工程而获得。如利用鼠类基因（该基因能促进角蛋白的形成）能获得了经遗传改良的绵羊，这种绵羊比普通棉羊产毛量能提高6%左右。另一方面，生物技术在提高农作物产量、质量的同时，有助于提高畜牧业的生产力发展水平。例如，通过控制饲料作物体内碳水化合物含量可提高畜牧业生产力；利用基因调控技术可以提高包括豆科作物在内一些作物的蛋白质含量，减少饲料作物中难消化的木质素含量等。达比等人已生产出一种转基因三叶草，可应用于澳大利亚绵羊牧场。该基因来自向日葵，经转基因的三叶草能制造富含氨基酸的蛋白质，该蛋白质经食物链进入绵羊体内，进而能提高产毛量。
生物技术给人类带来的益处也包括在生态和环境两个方面。利用生物技术提高现有农业生态系统的生产力可以减低农业向原始的、自然、半自然生态系统扩张的要求，因此，它有助于有人类保存、保护地球上仅有的自然生态系统及其资源，有助于人们未来再利用其中的基因资源开发新的产品。
生物技术已用于生产抗虫害、抗除草剂作物。正如前面所述，一些转基因棉花、玉米、大豆等具有抗虫害、抗除草剂的能力。1995年人们可以在市场上购买到转基因马铃薯，这种马铃薯能产生水晶蛋白，而水晶蛋白对科伦那多马铃薯甲虫有毒害作用。这些转基因作物能减少杀虫剂的用量，降低杀虫剂及其残留物对食物链、水体造成污染，从而有利于保护生态环境。
在许多农业生产区，土壤氮素可利用量是制约农业生产力提高的一个重要因子。而一高科技农业生产区使用人造氮肥是以牺牲生态环境为代价的。制造氮肥要利用大量能源，据统计，英联邦农场平均投入的能源大约有50%来自肥料。由施用肥料而产生的温度气体（二氧气化碳、氮氧化合物等）不可避免地促进地球气候变暖。除此之外，农业土壤的氮素流失是水体富营养化的主要原因。
生物技术的利用能为这些问题的解决提供潜在的、真正有价值的帮助。
同样，人们可以利用真菌来提高土壤养分的有效性。温莱指出：特定的真菌类能促进土壤养分的释放，从而促进作物生长；真菌也能通过分解有机物质（例如纤维素等）释放出糖类，促进固氮菌的生长。进一步提高土壤养分有效性的可能，包括获得转基因细菌和真菌，以进一步增强它们制造养分和释放土壤养分的能力。转基因作物的最终目标是使作物本身能够自行固氮，避免、减少使用人造肥料，从而减少对生态环境的破坏。这在目前尚不可能，但在将来却有望实现这个目标。
二、生物技术带来的不利
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植物组织培养及其应用研究概况
在世界各国科学家的不断努力下，近几十年来，植物组织培养技术迅速发展。利用组织培养，不仅可以大量生产优良无性系，获得人类需要的多种代
谢物质，还可获得单倍体、三倍体、多倍体及非整倍体。通过细胞融合可以打破种属间的界限，克服远缘杂交不亲合性，在植物新品种的培育和种性的改良中发挥了巨大作用。组织培养的植物细胞是在细胞水平上分析研究的理想材料，从植物快繁、花药培养发展到细胞器培养、原生质融合以及DNA重组技术等，植物组织培养技术广泛应用于植物科学的各个领域及农业、林业、工业、医药等多种行业，已经成为当代生物科学中最有生命力的一门学科。
1 植物组织培养的基本概念、原理和试验步骤
1．1概念
植物组织培养是在无菌条件下，将离体的植物器官(根尖、茎尖等)、组织(形成层、花药组织等)、细胞(体细胞、生殖细胞等)、胚胎(成熟或未成熟的胚)、原生质体等在人工配制的培养基上培养，给予适宜的培养条件，诱发其产生愈伤组织或潜伏芽或长成完整的植株的技术。
1．2原理
植物组织培养的依据是植物细胞的“全能性”及植物的“再生作用”。1902年，德国著名植物学家 G．Haberlandt根据细胞学理论提出了一个观点，“高等植物的器官和组织可以不断分割，直至单个细胞，即植物体细胞，体细胞在适当的条件下具有不断分裂、繁殖并发育成完整植株的潜力”。1943年，美国人White在烟草愈伤组织中偶然发现形成一个芽，证实了G．Haberlandt的论点。
不同植物所需要的生长条件不同，所用的培养基也有所不同。较常用的基础培养基有MT、MS、 SH、N6、White等。在组织培养中，愈伤组织和胚状体能否形成是培育出新植株的关键。通过在基础培养基里添加一定浓度的外源激素，可以诱导出愈伤组织、胚状体、不定芽、根等器官，最终获得再生植株或次生物质。
用于植物组织培养的材料称为外植体，其主要形式有器官、胚胎、单细胞、原生质体等。根据外植体的不同，所需要的培养基种类、培养条件、外源激素的种类及比例等均不同。植物组织培养中，影响培养力的因素是多方面的，诱导愈伤组织成败的关键在于培养条件，植物激素是诱导愈伤组织和绿苗分化的关键因素。
最常用的诱导愈伤组织的生长素是IAA、NAA和2，4一D，所需浓度为O．01～10 mg／L。最常用的细胞分裂素是KT和ABA，使用浓度为O．1～10 mg／L。KT的主要作用是促进细胞分裂和愈伤组织分化。ABA对植物体细胞胚的发生与发育具有重要作用。各类植物激素的生理作用虽有相对专一性，但是植物的各种生理效应是不同种类激素之间相互作用的综合表现。
1．3试验步骤
1．3．1选择和配制培养基 培养基是植物组织培养中的“血液”，血液的成分及其供应状况直接关系到培养物的生长与分化，因此了解培养基的成分、特点及其配制至关重要。
1．3．2灭茵灭菌是组织培养中的重要工作之一，通常采用物理的或化学的灭菌方法。培养基用常压或高压蒸煮等湿热灭菌、器械采用灼烧灭菌、玻璃器皿及耐热用具采用干热灭菌、不耐热的物质采用过滤灭菌、植物材料表面用消毒剂灭菌、物体表面用药剂喷雾灭菌、接种室等空间采用紫外线或熏蒸灭菌。
1．3．3接种将已消毒好的根、茎、叶等离体器官，经切割或剪裁成小段或小块放入培养基，整个接种过程要在无菌条件下进行。
l.3．4培养把培养材料放在有一定光照和温度等条件的培养室里，使之生长、分裂和分化，形成愈伤组织或进一步分化成再生植株。
1．3．5试管苗驯化移栽 试管苗是在特殊环境条件下生长的幼苗，与自然生长的幼苗有很大差异，只有通过驯化，使之适应自然环境后才能移栽。
2 植物组织培养的应用
2．1植物快速繁殖和无病毒种苗生产
植物快速繁殖技术始于20世纪60年代，法国的Morel用茎尖培养的方法大量繁殖兰花获得成功，从此揭开了植物快速繁殖技术研究和应用的序幕。目前，通过离体培养获得小植株并且具有快速繁殖潜力的植物已有100多科1 000种以上，有的已经发展成为工业化生产的商品。世界上80％～85％的兰花是通过组织培养进行脱毒和快速繁殖的。培养的植物种类也由观赏植物逐渐发展到园艺植物、大田作物、经济植物和药用植物等。在我国，同类的研究始于20世纪70年代。马铃薯无毒种薯和甘蔗种苗已在生产上大面积种植，30余种植物已进行规模化生产或中间试验。利用组织培养进行植物快速繁殖及无病毒种苗生产，不仅能够挽救珍惜濒危物种，而且能够解决植物野生资源缺乏的问题。
2．2植物花药培养和单倍体育种
将植物花药培养成单倍体植株，再经过染色体加倍，能很快得到纯合的二倍体，这样将大大缩短育种年限。到目前为止，世界上通过花粉和花药培养已获得了几百种植物的单倍体植株。印度科学家应用这种方法培育的水稻品系，比对照产量提高15％～49％。韩国先后育成了5个优质、抗病、抗倒伏的水稻品种。我国自20世纪70年代开始该领域的研究，已经培育了40余种由花粉或花药发育成的单倍体植株，其中有10余种为我国首创。玉米获得了100多个纯合的自交系；橡胶获得了二倍体和三倍体植株。仅“九五”期间就育成高产、优质、抗逆、抗病的农作物新品种44个，种植面积超过660万 hm2。
2．3植物胚胎培养
杂交育种中，杂种胚常常败育，因此将早期生长的胚取出，应用组织培养方法，就有可能培育出杂交植物。已经有100篇以上幼胚培养成为植株的报道。国内外科学家应用植物胚胎培养技术获得了多种远缘杂交的重组体、栽培种和杂交品种。
2．4植物愈伤组织或细胞悬浮培养
利用植物愈伤组织或细胞悬浮培养可以生产用于预防和治疗疾病的植物次生代谢产物。近年来，这一领域的发展极为迅速，已经研究了400多种植物，从培养细胞中分离到600多种次级代谢产物，其中60多种在含量上超过或等于原植物，20种以上干重超过原植物的1 9，6。例如，从薯芋愈伤组织和悬浮细胞生产的diosgenin用于合成甾体药物。最近抗癌药物紫杉醇一红豆杉细胞培养物，可用75t发酵罐培养，已达到商业化生产水平。另外，达到商品化水平的还有紫草、人参、黄连、老鹳草等；长春花、毛地黄、烟草等已实现工业化生产；牙签草、红花等20多种植物正在向商品化过渡。
2．5细胞融合与原生质体培养
自1960年英国学者Cocking首次利用纤维素酶从番茄幼苗的根分离原生质体获得成功以来，到1990年已有100种以上植物的原生质体能再生植株。我国获得了30余个品种的原生质体再生植株，其中包括难度较大的重要粮食作物和经济作物，如大豆、水稻、玉米、小麦、谷子、高梁、棉花等。在木本植物、药用植物、蔬菜和真菌原生质体培养方面的进展也十分迅速。国外已先后获得了种内及种间的体细胞杂种植株。植物原生质体培养还可应用于外源基因转移、无性系变异及突变体筛选等研究，因而越来越受到人们的重视。
2．6植物细胞突变体筛选
植物细胞突变体的筛选最早始于1959年，G． Melchers在金鱼草悬浮细胞培养中获得了温度突变体。1970年，P．S．Carlson，H．Binding和Y．M． Heimer等分别分离出烟草营养缺陷型细胞、矮牵牛抗链霉素细胞系及烟草抗苏氨酸细胞系。迄今为止，已经在不少于15个科45个种的植物细胞培养中筛选出100个以上的植物细胞突变体或变异体。其中包括抗病细胞突变体，如玉米抗小斑病突变体和小麦抗赤霉病、根腐病突变体；抗氨基酸及其类似物细胞突变体，如甘蓝型油菜抗HYP突变体[263；抗逆境胁迫细胞突变体，如水稻耐盐突变体和小麦抗盐突变体；抗除草剂细胞突变体及营养缺陷型细胞突变体，如玉米抗除草剂变异体；株高突变体的筛选，如水稻矮秆变异体。
2．7植物体细胞胚胎和人工种子
1958年，Reinert在胡萝卜的组织培养中最先发现了体细胞胚胎(胚状体)。据不完全统计，能大量产生胚状体的植物有43科92属100多种。一些重要作物如水稻、小麦、玉米、珍珠谷等，也能通过离体培养产生胚状体。这些胚状体用褐藻酸钠等包埋，再加上人工种皮，就形成了人工种子。人工种子的优点是：繁殖快速，成苗率极高；不受气候影响，四季皆可工厂化生产。上世纪80年代初，美、日、法等国家相继开展了人工种子的研究，我国也于“七五”期间开展了此项研究，并于1987年列入了国家“863”高技术研究发展计划。
2．8 植物组织细胞培养物的超低温保存与种质库建立
植物细胞全能性的发现和证实，为植物种质资源的长期保存开辟了一条新途径。采用液氮超低温保存技术，能保持很高的存活率，并且能再生出新植株和保持原来的遗传特性。如建立茎尖分生组织培养物的超低温保存种质库，不仅可以防止种质的遗传变异和退化，而且可以长期保存无病毒的原种。
2．9 植物组织培养与转基因技术的应用
我国第一个T—DNA插入突变体库的构建和研究为我国水稻功能基因组学研究奠定了良好的技术和材料基础，为确保我国拥有一批有自主知识产权的基因资源做出了积极贡献。由中国水稻研究所农业部水稻生物学重点开放实验室和中科院上海植物生理研究所合作，通过建立大规模、高效的农杆菌介导的转基因技术体系，将玉米转座子Ac—Ds等外源基因导入水稻未成熟胚和种子诱导的愈伤组织，获得了1．2万个独立的T—DNA插入株系，并构建了水稻突变体的数据库。
3 展望
植物组织培养研究与应用是20世纪科技进步的重大成果之一，为研究植物生长发育、抗性生理、激素及器官发生与胚胎发生等提供了许多良好的实验材料和有效途径。植物组织培养方法不断提高的同时，也相应拓宽了其应用范围。由于组织培养在人工控制的条件下进行，容易掌握花芽分化和开花成因；通过胚胎培养，能够得到杂种或自交种；通过分离单倍体细胞，能培育纯合的二倍体优良品系；提高育种多样性的同时缩短了育种时间；通过突变体筛选，提高植物的品质，增强抗逆境胁迫能力，扩大植物的生长范围；将体细胞冷藏在低温下，建立基因库，达到保存物种的目的；获得药用价值高和工业生产所需要的次生产物，加快药物生产的时间并且减少了单纯依靠天然植物的被动性。植物组织培养技术已经渗透到科研、生产和生活各个领域，必将日臻完善。
黑龙江农业科学2006，(3)
