全 文 :第35卷第7期 西 南 大 学 学 报 (自然科学版) 2013年7月
Vol.35 No.7 Journal of Southwest University(Natural Science Edition) Jul. 2013
文章编号:1673-9868(2013)07-0045-07
秋水仙素间断式诱导植物多倍体研究
①
敬成俊1, 李昌庭1,2, 邓亚平1, 丁 兰2
1.西南大学 生物技术学院,重庆400716;2.西北师范大学 生命科学学院,兰州730070
摘要:以大蒜根尖为材料,首创秋水仙素间断式诱导植物多倍体方法,即将材料在秋水仙素中处理一段时间,再放
入自来水中处理一段时间,如此重复循环至根尖膨大.该研究通过秋水仙素7个质量分数(0.05%,0.08%,0.10%,
0.20%,0.40%,0.60%,0.80%)和4个间隔时间(3h,6h,12h,24h)的正交组合分别处理大蒜根尖,同时以无间断
处理为对照组进行研究分析.研究表明:间断式处理不仅能减弱秋水仙素对大蒜根尖的毒害和生长抑制作用,还能
提高根尖诱导加倍率,且低质量分数、间隔时间短的诱导组加倍率显著提高.秋水仙素质量分数为0.08%、间断式
处理3h为最佳诱导组合,诱导加倍率高达95.35%.
关 键 词:间断式诱导方法;秋水仙素;大蒜根尖;多倍体;抑制生长
中图分类号:Q946 文献标志码:A
植物多倍体往往表现出部分器官增大,营养成分丰富,产量高,次生代谢成分增加以及抗逆性强等优
点[1-2].诱导植物多倍体主要有物理法和化学法[3-4],物理法主要包括各种射线、温度异常、高速离心等,
方法简便但成功率较低且不稳定;化学法主要有秋水仙素、二苯基胺、富民隆等.目前应用最为广泛的是
秋水仙素[5],它通过介导细胞有丝分裂中期,阻止构成纺锤体微管的α、β二聚体的组装,导致微管一端α、
β二聚体的分解速度高于另一端的组装速度,使得微管解聚
[1-2],进而阻止细胞分裂后期的染色体向两级
移动,最终导致细胞不能分裂,形成染色体数目加倍的细胞.秋水仙素诱导植物根尖多倍体常用的方法是
浸渍法,即把研究对象直接浸渍在一定质量分数的秋水仙素液体中至根尖膨大[6].虽然此法步骤具有简
单、便于操作等优点,但诱导加倍率不高,毒害作用也最为直接,植物常因此而死亡[7].
大蒜为须根系,材料多而易得,尤其重要的是大蒜染色体数目(2n=16)较少,便于统计分析.本研究
以大蒜根尖为研究材料,设计了秋水仙素间断式处理植物分生组织的诱导方法,也就是将材料在秋水仙素
中处理一段时间,再放入自来水中处理一段时间,如此重复循环直至分生组织膨大,以此诱导细胞染色体
数目加倍.该方法避免了传统诱导法对植物体毒害大、诱导加倍率不高的缺点,为诱导产生植物多倍体,
培育新品种提供新方法.
1 材料与方法
1.1 材 料
研究用大蒜购于超市.
1.2 方 法
1.2.1 材料预培养
挑取100瓣大小相似的大蒜,统一将大蒜基部浸于自来水中,待大蒜根长至2~4cm时选出根尖长度
相近的大蒜72瓣剪根,每瓣剩5~7条根待用,以保证秋水仙素质量分数不受根多少的影响.
1.2.2 秋水仙素处理
在中午12:00,将 A,B,C,D,E,F,G大组分别滴加等量0.05%,0.08%,0.10%,0.20%,0.40%,
① 收稿日期:2013-01-04
基金项目:西南大学中央高校基本科研业务费专项资助项目(XDJK2011C037);西南大学2010年本科实验教学改革行动计划资助项目.
作者简介:敬成俊(1971-),男,四川遂宁人,硕士,实验师,主要从事桑树遗传育种研究.
DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2013.07.009
图1 各组大蒜根尖膨大图
0.60%,0.80% 质量分数的秋水仙素溶液.A1,
B1…G1间断式处理3h,A2,B2…G2间断式处
理6h,A3,B3…G3间断式处理12h,A4,B4…
G4间断式处理24h,A5,B5…G5无间断式处理
48h(对照组),期间各组均遮光处理.
1.2.3 材料固定
12:00-13:00将膨大的根尖从母体上剪下,
分别转入固定液(无水酒精∶冰醋酸=3∶1)中固
定24h,取出根尖用不同体积分数酒精清洗直至
无醋酸味,对应转入70%酒精中,放入-4℃冰箱
密封保存.
1.2.4 测量根尖膨大长度
转入70%酒精前,各组取6条根尖摆放整齐
(图1),测量根尖膨大长度(根尖膨大长度为根尖
到膨大末的距离),计算其平均值.
1.2.5 制片及镜检
制片时从保存液中取出根尖,用蒸馏水清洗5
次,然后用1mol/L HCl解离6~8min,再用蒸
馏水彻底清洗,最后一次在蒸馏水中保存20min,
用单面刀片切下根尖于盖玻片上捣碎,滴加1滴
改良苯酚品红染色2~3min,盖片并用大拇指轻
轻挤压使染色体分开,镜检、拍照.
1.2.6 数据统计
数据统计分析参照《田间试验与统计分析》[8].
每组做5~10个装片,选取其中效果较好的2~3个装片进行观察,共计20~120个分裂中期细胞.采用如
下公式进行统计分析:
多倍体诱导效率(诱导加倍率)=加倍细胞数/中期细胞数×100%
加倍细胞数=四倍体细胞数+高倍体细胞数
大蒜染色体数目虽少(2n=16),但制片时染色体仍有混在一起、缺失或断裂的可能,难以获得准确的
染色体数,因此须用染色体数区域进行统计.本研究参考了常青云等[9]在统计刺槐种子染色体时的方法,
即将8~24条记作二倍体,将25~41条记作四倍体,41条以上记作高倍体(图2).
图2 大蒜根尖染色体
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2 结果与分析
2.1 不同处理条件对大蒜根尖膨大长度的影响
有研究表明,秋水仙素对根尖有促膨大作用,而膨大效果受秋水仙素质量分数和处理时间变化的影
响[10-11].根尖膨大长度反映了根尖生长速度,根尖生长速度快的细胞活性高,更利于诱导多倍体植物存
活,为此本研究对根尖膨大长度进行了测量分析.
2.1.1 无间断处理对大蒜根尖膨大长度的影响
无间断式处理时,根尖膨大长度随秋水仙素质量分数增大有下降的趋势,秋水仙素质量分数为0.08%
时,大蒜根尖膨大长度达到最大值(图3).本研究还发现未被秋水仙素处理的大蒜根尖,其生长速度要比
处理过的快,这与郑何等[12]诱导蔓花生和李政等[13]诱导绿玉树时其茎端生长明显下降相符,说明秋水仙
素能抑制处理过的组织生长、降低细胞活性,并且抑制作用随秋水仙素质量分数升高而增强(表1).
2.1.2 间断式处理对大蒜根尖膨大长度的影响
时间间隔一定时,根尖膨大长度随秋水仙素质量分数增大有下降的趋势,这与无间断式处理相同.除
秋水仙素质量分数为0.05%、间断式处理3h组和秋水仙素质量分数为0.08%、间隔式处理3h,6h组,
其他间断式处理组根尖膨大长度均在无间断式处理组之上(图3),说明间断处理能减弱秋水仙素对大蒜生
长的抑制,提高根尖细胞的活性.根尖膨大长度随处理时间间隔延长呈现出先升后降的趋势,间断式处理
3h,12h,24h时根尖膨大均能得到较好效果,其中间断式处理12h时效果最好(图4),说明这种减弱作用
随间隔时间延长呈现出先增大后减小的趋势.通过正交对比得出,当秋水仙素质量分数为0.05%、间断式
处理12h时,大蒜膨大长度最长,为5.50mm,即此时减弱抑制效果最好,细胞活性最大,大蒜生长速率
亦最大(表1).
表1 不同处理条件下大蒜根尖膨大长度
时间间隔/h 3 6 12 24 对照
质量分数为0.05%时根尖膨大长度/mm 2.95 3.70 5.50 4.03 3.10
质量分数为0.08%时根尖膨大长度/mm 3.28 3.43 4.50 4.38 3.65
质量分数为0.10%时根尖膨大长度/mm 3.33 4.05 4.83 3.45 3.08
质量分数为0.20%时根尖膨大长度/mm 3.68 3.80 4.08 3.73 2.98
质量分数为0.40%时根尖膨大长度/mm 3.03 3.08 3.75 3.53 2.65
质量分数为0.60%时根尖膨大长度/mm 3.28 2.98 3.00 3.30 2.13
质量分数为0.80%时根尖膨大长度/mm 2.25 2.15 1.95 1.38 1.13
图3 大蒜根尖膨大长度随秋水仙素质量分数的变化
74第7期 敬成俊,等:秋水仙素间断式诱导植物多倍体研究
图4 大蒜根尖膨大长度随时间间隔的变化
2.2 秋水仙素不同处理条件对大蒜诱导加倍率的影响
有研究表明诱导剂质量分数与处理时间有明显的互作效应[14-15].刘仁祥等[16]诱导烟草单倍体幼苗
加倍及成苗效应研究发现,不同秋水仙素质量分数和不同处理时间对植物组织诱导加倍率有影响.闫秋
洁等[17]诱导蚕豆根尖研究发现,相同的秋水仙素质量分数不同的诱导方式,诱导加倍率表现也不一样.
诱导加倍率越高,得到纯倍体的可能性就越大.因此,有必要分析各质量分数、不同间断式处理时间的
诱导加倍率.
2.2.1 无间断式处理对大蒜加倍率的影响
无间断式处理时,诱导加倍率随秋水仙素质量分数增大先升后降(图5),与石佳等[18]用秋水仙素浸渍
法诱导越橘四倍体结果相符.诱导加倍率变化范围大,当秋水仙素质量分数小于0.20%时,加倍率均在
60%左右;当质量分数大于0.20%时,加倍率急剧下降10%左右.秋水仙素质量分数为0.10%时,加倍率
达到最大值68.63%;秋水仙素质量分数为0.60%时,加倍率达到最小值9.38%(表2).
2.2.2 间断式处理对大蒜加倍率的影响
与无间断式处理相比,间断式处理时其诱导加倍率同样随秋水仙素质量分数的增大先升后降,但其变
化平稳(图6),说明间断式处理的诱导加倍率稳定性要比无间断式处理稳定性好.间断式处理3h和6h组
中,除秋水仙素质量分数为0.08%外,诱导加倍率均大于无间隔式处理组,且加倍率均在60%以上.间断
式处理3h,质量分数为0.05%,0.08%,0.10%,0.20%时的诱导加倍率均在80%以上,其中当质量分数为
0.08%时达到最大值95.35%;间断式处理12h组诱导加倍率在40%左右;间断式处理24h组诱导加倍率
在20%左右(图5、图6).本试验说明间断式处理间隔时间短的小组能显著提高诱导加倍率;间断式处理时
间间隔长的小组,秋水仙素质量分数较低时诱导效果不如无间断式处理,秋水仙素质量分数较高时则能显
著提高加倍率(表2).
表2 不同处理条件下大蒜加倍率
时间间隔/h 3 6 12 24 对照
质量分数为0.05%时加倍率/% 93.94 66.67 31.82 35.00 54.17
质量分数为0.08%时加倍率/% 95.35 60.53 48.65 37.04 67.80
质量分数为0.10%时加倍率/% 85.87 73.17 39.29 20.00 68.63
质量分数为0.20%时加倍率/% 86.36 89.19 33.33 21.57 68.06
质量分数为0.40%时加倍率/% 69.12 77.45 45.95 13.04 15.15
质量分数为0.60%时加倍率/% 63.16 68.69 40.74 21.62 4.35
质量分数为0.80%时加倍率/% 60.00 61.90 36.54 18.60 9.38
84 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第35卷
图5 大蒜根尖诱导加倍率随秋水仙素质量分数的变化
图6 大蒜根尖加倍率随间断式处理时间间隔的变化
秋水仙素质量分数为0.05%,0.08%,0.10%,0.20%组,间断式处理3h,12h,24h时根尖膨大长
度效果较好,质量分数为0.05%、间断式处理12h时膨大长度效果最好;秋水仙素质量分数为0.08%,
0.10%,0.20%组,间断式处理3h,6h时诱导加倍率效果较好,且质量分数为0.08%间断式处理3h时
诱导加倍率效果(95.35%)最好.综合考虑根尖膨大长度、诱导加倍率及药品成本,并以诱导最终效果
好坏、诱导加倍率高低作为最终标准,得出本次研究诱导的最佳组合是秋水仙素质量分数为0.08%、间
断式处理3h组.
3 讨 论
本研究设计了7个秋水仙素质量分数梯度和4个间断式处理时间对大蒜根尖进行诱导,结果表明低质
量分数秋水仙素且间断式处理间隔时间短的组合诱导效果显著,该方法克服了传统浸渍法诱导加倍率不高
的缺点.间断式处理3h,秋水仙素质量分数为0.08%时,诱导加倍率最高,达95.35%.
研究过程中出现嵌合体现象,即有的细胞为二倍体,四倍体甚至高倍体.王长泉等[19]、郑思乡等[20]分
析这可能是由于处理时间过长、细胞分裂不同步所致,当秋水仙素处理时间延长时,二倍体细胞到了中期,
由于秋水仙素的继续作用,二倍体加倍成四倍体,四倍体加倍成高倍体.
秋水仙素对植物组织有一定的毒害和抑制作用,降低了细胞的活性,影响植物的正常生长.闫秋洁
等[17]分析可能是经秋水仙素处理后,保卫细胞数量减少,直接影响植物的光合作用以及胚根对矿质元素的
吸收,从而影响植物的生长发育.本研究表明间断式处理不仅能减弱秋水仙素对大蒜根尖的毒害作用和根
94第7期 敬成俊,等:秋水仙素间断式诱导植物多倍体研究
尖生长的抑制作用,还有利于提高根尖诱导加倍率.分析其原因如下:① 秋水仙素对植物有毒害作用,使
得细胞活性降低、分裂速度减慢,短时间后去掉秋水仙素,解除了秋水仙素对细胞分裂的抑制作用,细胞
分裂速度加快,使处于分裂期的细胞数增多,秋水仙素作用于纺锤体的机率变大.② 短时间去掉秋水仙
素,大蒜通过自身激素调节、运输功能、胞饮和外排等方式降低了根尖细胞内秋水仙素的质量分数,从而
减弱了秋水仙素的毒害作用或使胞内秋水仙素质量分数成曲线变化,这种变化有助于多倍体的形成.③ 孙
天国等[21]认为这种变化可能是植物对环境的一种应激性.根尖膨大长度与诱导加倍率有一定联系,但根尖
膨大程度能否影响细胞加倍率,有待于进一步研究.
随着组织培养技术的日益成熟,组织培养结合秋水仙素诱导多倍体的研究也相应出炉[22-23],但由于离
体组织抵抗性弱,秋水仙素往往会对其造成致命的伤害,导致植物存活率很低,植物组织培养诱导多倍体
技术不能得到很好的应用.本研究表明秋水仙素间断式诱导方法能克服传统诱导法对植物体毒害大、诱导
加倍率不理想的缺点,在减弱秋水仙素对植物毒害作用的同时,诱导加倍率也得到很大的提高.如果能把
秋水仙素间断式诱导方法与植物组织培养技术相结合,更多有价值的多倍体植物将会随之诞生.本研究只
采用了质量分数间断式诱导法,但其他间断式诱导因子,如温度、光照时间、射线、电磁波等是否有更好的
诱导效果,仍需进一步探讨.
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A Study of Intermittently Induced Polyploidy
by Colchicine in Plants
JING Cheng-jun1, LI Chang-ting1,2, DENG Ya-ping1, DING Lan2
1.School of Biotechnology,Southwest University,Chongqing 400716,China;
2.Colege of Life Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China
Abstract:A novel procedure for polyploidy induction,i.e.intermittent polyploidy induction,was devel-
oped in this study with garlic root tips as the experiment material.The garlic root tips were soaked alter-
nately in colchicine solutions and tap water until the apex enlarged.Seven colchicine concentrations
(0.05%,0.08%,0.10%,0.20%,0.40%,0.60%and 0.80%)were combined with four intervals(3h,
6h,12hand 24h)to form 28orthogonal combinations and the colchicine treatment without interruption
was used as the control.The results showed that intermittent treatment not only aleviated the poisoning
and growth-inhibition effects of colchicine to garlic root tips,but also increased the rate of chromosome
doubling of the treated apices and that the combinations of low concentrations and short intervals signifi-
cantly increased the doubling rate.The optimum combination was 0.08%colchicine solution and 3hinter-
val,which gave a chromosome doubling rate of 95.35%.
Key words:intermittent induction;colchicine;garlic root tip;polyploid;inhibition of growth
责任编辑 夏 娟
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