本階段是組織培養中最重要的一環。在培養基中植物激素的作用下，外植體通過三條途徑迅速增殖，這就是側芽增殖、誘導不定芽的形成和誘導胚狀體的形成。

側芽增殖

　　種子植物的每個葉腋中通常都存在著腋芽，在一定條件下可以使它生長。現在知道頂端優勢抑制側芽生長，可被外源的細胞分裂素打破，所以在利用側芽增殖這條途徑時，培養基中幾乎都要加入細胞分裂素（有時也加入少量生長素）。由于細胞分裂素的持續作用，側芽不斷分化和生長，逐漸形成芽叢。如果反復切割和轉移到新的培養基上繼代培養，就可在短期內得到大量的芽。

　　側芽增殖的主要優點是能保持遺傳的穩定性，因為莖尖的細胞常是均一的二倍體細胞，它不易受培養條件的影響而發生變異，也易于保持嵌合體的性狀。目前已有近百種植物可以用這種方法進行繁殖，如草毒（Fragaria ananassa Duch.）、蘋果、葡萄（Vitis vinifera L.）、唐菖蒲（Gladiolus gandavensis Houtt.）、非洲菊、月季（Rosa chinensis Jacq.）、甜菜（Beta vulgaris L.）和鳳梨[Ananas comosus(L.) Merr.]等。

　　關于培養基中加入細胞分裂素的濃度，是0.1～10.0毫克/升，一般為1.0～2.0毫克/升。在幾種細胞分裂素中用的最多的是6-芐基嘌呤，其次是激動素和異戎基腺苷，玉米素用的很少。

　　除了細胞分裂素之外，在培養基中還經常加入低濃度的生長素以促進腋芽的生長。常用的生長素是萘乙酸、吲哚丁酸和吲哚乙酸（濃度為0.1～1.0毫克/升）。

不定芽的誘導形成

　　在自然條件下，很多種植物的器官可以產生不定芽。在培養條件下，由于所需要的外植體很小又加上激素的作用，可以使這種產生不定芽的能力得到極好的發揮，如秋海棠或非洲紫羅蘭（Saintpaulia ionantha Wendl.）用常規的葉插法繁殖時，每片葉只能產生幾個到十幾個芽，但用葉切段在培養基中可產生成千上萬個芽。在培養條件下，還能使自然條件下不產生不定芽的器官形成不定芽，如卷心菜（Brassica oleracea L.var.capi-tata L.）和番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）的葉、菊花[Dendranthema morifolium（Ram.） Tzvel.]的花和葉片、百合（Lilium brownii F.E.Br.var.viridulum Baker）和水仙的鱗片以及萱草（Hemerocallis fulva L.）的花莖等。

　　在誘導外植體形成不定芽時，一般使用細胞分裂素高于生長素比值的激素配比，少數情況下也采用二者比值接近1的配比。常用的細胞分裂素是6-芐基嘌呤，激動素和玉米素，濃度范圍一般在0.1～10.0毫克/升。生長素是萘乙酸、吲哚乙酸和吲哚丁酸，其濃度范圍與細胞分裂素相同。為了使外植體形成不定芽，外源激素的供應只是一個方面，器官分化的性質還要決定于內源激素的狀況。因此，對于不同的植物，使用的激素種類和濃度常有較大的變化。在具體操作時，應參考已有資料或相近種類的已有結果，以確定適當的濃度和配比。

胚狀體的誘導形成

　　在自然界只有少數植物可以由珠心產生胚狀體。在培養條件下，現在已有30多個科的150多種植物可以產生胚狀體。在誘導胚狀體的形成時，其外植體一般取自胚、分生組織或生殖器官。為了獲得胚狀體，在培養過程中，培養基中應含有豐富的還原氮，并加入生長素（主要是2，4-D）誘導胚狀體的發生。待胚狀體發生后，要轉移到降低濃度或沒有生長素的培養基上進行培養，使胚狀體成熟和生長。

　　胚狀體途徑的優點是增殖率高，而且胚狀體既具胚芽又具胚根。因此，可免去生根這一步驟。但目前很多重要作物還不能形成胚狀體，或產生的胚狀體難以形成植株，另外胚狀體遺傳性也容易發生變異，所以目前除柑桔（Citrus）、油棕（Elaeis guine-ensis Jacq.）和咖啡（Coffea）等少作物外，都不采用這一途徑。