无性系变异的发生有其遗传学基础，可从形态学、细胞学、生物化学和分子生物学等多个方面对其进行综合检测和鉴定。组织培养产生的体细胞无性系变异，为植物品种改良和新品种的选育提供了新的选择材料。这类变异能遗传到下一代，已成为细胞工程育种的方法。

最初认为，植物组织培养是无性繁殖的过程，由母体得到的再生植株与母体植株应该完全一样。但事实上，从20世纪60年代开始，在细胞全能性学说的指导下，人们通过数以千计的植物离体培养形成植株的实验验证：植物离体培养会产生变异植株。1981年首次提出将所有形式的细胞培养物产生的植株统称为体细胞无性系（somaclone），这类再生植株表现的变异为体细胞无性系变异。体细胞无性系变异的概念只涉及再生植株的变异，而事实上离体培养的细胞和愈伤组织发生变异的频率更高。普遍认为在植物组织培养中所有的变异都是体细胞无性系变异。较系统的无性系变异研究始于甘蔗再生植株中存在广泛的形态学、细胞遗传学和同工酶谱变化。已证实无性系变异可以传递到子代，这种变异在无性繁殖和有性繁殖的植物中普遍存在。

无性系变异的遗传学基础具体体现在显微水平的染色体数目和结构变异与分子水平的基因突变、碱基修饰、基因扩增或丢失、基因重排以及转座子原件的激活，从而影响细胞核或细胞质基因的表达等：①染色体数目变异。又可分为倍性变异和非整倍体变异。在水稻、小麦、大麦、玉米和大蒜等植物的愈伤组织或再生植株中均发现了较高频率的单倍体、三倍体、四倍体和八倍体等染色体倍数变异现象。此外，小麦、大蒜和芦笋等物种在组织培养过程中还发生了染色体非整倍性变异，其中既有染色体数目的增加，也有染色体数目的减少，甚至还存在混倍体个体。②点突变、基因重排及基因的扩增和丢失。点突变在植物组织培养过程中可高频发生，引起无性系变异。1983年在番茄无性系的230个再生植株中发现13个突变是由于单基因的点突变造成的，突变频率高达5.7%。点突变也被认为是引起水稻无性系变异的重要来源。点突变相比其他几种变异方式，对再生植株的损伤小，且得到的变异能够较快地稳定遗传。此外，基因组的扩增、丢失和基因重排也是植物无性系变异的原因之一。③转座子的激活。最初的证据来源于在玉米组织培养和再生过程中分别检测到活性Ac和Spm两个转座子系统。后发现Mu因子在组织培养过程中也可保持活性。烟草叶片原生质体的培养诱导了反转录转座子的活性。水稻中的3个反转座子家族（Tos10，TOS17和TOS19）在组织培养过程中均被激活。④DNA甲基化变异。植物基因组在组织培养过程中可产生广泛的甲基化变异，这一现象已在玉米、大麦、水稻和油棕中证实，表现为基因组甲基化程度的降低或提高。

具有如下特点：①变异广泛。变异涉及农艺性状、抗性、产品品质等多种性状，包括质量、数量性状、抗病性、染色体数目和结构的变化，DNA的扩增和减少，生理生化特性变化及形态特征的变异。②后代稳定，速度快。一般在无性系第二代就可获得稳定株系，从而大大缩短育种年限。也有少部分无性系是杂合体，须继续分离。③能基本保持原品种的优良特征。无性系变异多数是单一性状变异，变异后代能基本保持供体植株的特性，因此可根据育种目标，针对现有品种的个别缺点进行选育，以期在短期（2～3年）内筛选出所需的性状。④取材方便。植物未成熟的胚、幼穗、下胚轴、子叶、嫩芽等都可以作为外植体，为品种改良提供丰富材料。⑤起点和效率高。由于无性系变异是选择现行最好的品种（系）作为起始材料，所以一旦育成，就能超过现行的推广品种，无须经过多年的适应性试验，从而大大提高品种改良的成效。

无性系变异的发生是许多因素影响的结果，变异频率难以确定，影响无性系变异的主要因素有：①供体植物的基因型。不同植物的无性系变异频率差别很大，且同一物种的不同品种无性系变异频率也不同，这是由于不同基因型对外界诱导因素敏感程度的差异造成的。②外植体的来源。一般来说，取腋芽、茎尖和分生组织进行培养比从无分生组织功能的叶、根、细胞和原生质体培养产生的变异少。③植株再生方式。在组织培养过程中，外植体通常有3种方式实现植株再生，即愈伤组织分化不定芽的方式、通过分化胚状体再生和通过茎尖或分生组织培养增殖侧芽再生。一般认为通过愈伤组织分化不定芽方式再生的植株变异较多，通过分化胚状体途径再生的植株变异较少，通过茎尖或分生组织培养增殖侧芽方式再生的植株可以保持基因型基本不变。④愈伤组织继代培养次数及培养时间。继代培养时间延长会使培养细胞中染色体数目变异范围增加。这是培养时间延长，突变连续积累的结果。⑤培养基成分。培养基的基本成分和添加的植物生长调节剂（如生长素、细胞分裂素等）都会引起无性系变异。2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）和6-苄氨基嘌呤（6-BA）最容易诱导变异。有机成分蔗糖、无机成分硝酸根离子等都对无性系变异有影响。⑥无性系变异的人工诱导。离体培养技术结合人工诱变给突变体育种带来了新的育种途径。

离体培养细胞的诱变方法主要包括物理诱变和化学诱变：①物理诱变。通过射线、磁场、温度的调控对培养物进行一定处理，然后筛选。②化学诱变。在培养基中添加化学试剂引起变异。常用的化学诱变药剂有硫酸二乙酯（DES）、乙基磺酸乙酯（EES）等。

无性系变异育种的优势在于：①无性系变异频率较高，其中单基因的变异可改变作物的个别性状，而不使其他优良性状发生重组及分离，使育种周期大为缩短。②无性系变异涉及众多经济性状，如抗病、矮化、抗逆和丰产性等。利用无性系变异可以创制更多遗传变异及扩大可利用的种质资源的范围。③无须对目的性状的遗传基础进行详细了解，就可以改进个别农艺性状。④离体培养和离体选择无性系变异所使用的繁殖体小，增殖速度快，因此，可以在有限的空间内大规模地进行检测和选择，同时便于与其他诱变处理协同作用和定向选择。⑤因其存在细胞质突变，从而有可能选择到胞质雄性不育系等新变异。在世界范围内，通过筛选组织培养过程中产生的无性系变异再生植株已成功选育了大量新品种，如荷兰每年有千余种观赏植物新品种来源于组织培养技术。1992年，高明尉以小麦幼胚为外植体，育成了高产、早熟、抗病、耐湿和优质的小麦新品种核组8号。利用无性系变异已培育出抗白叶枯病、抗稻瘟病的水稻新品种。在植物抗性育种中应用无性系变异最为成功的是抗病性育种，其次是抗旱、抗盐和抗除草剂方面的育种。无性系变异在育种上应用的局限性主要表现在变异类型复杂、变异方向难以控制、负向变异较多和变异选择并非对所有作物都有效。为了更有效地利用这项技术，应致力于以下几个方面的研究：①提高目标性状和其他有益农艺性状的变异频率，减少非目的性状变异的产生。②广泛建立多种高效稳定的植株再生体系，以创造更多的变异类型及得到新的种质资源。③对变异体的生物化学、遗传学和分子生物学基础进行深入研究，以便针对特定性状确定有效的选择指标，提高育种效率。