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短芒大麦草组织培养体系的建立



全 文 :收稿日期:2014-04-18;修回日期:2014-08-10
基金项目:吉林省科技厅项目(201115155)
作者简介:李晓玲(1971- ),女,吉林舒兰人,副教授,博士,主要
从事植物生物技术与分子生物学研究,已发表论文近20篇,E-mail:
lixiaoling@mail.ccut.edu.cn.
文章编号:1673-5021(2015)01-0111-05
短芒大麦草组织培养体系的建立
李晓玲1,*,张金龙1,房 强1,张春艳2
(1.长春工业大学化学与生命科学学院,吉林 长春 130012;2.吉林省生物研究所,吉林 长春 130012)
摘要:以短芒大麦草幼穗为外植体,建立了比较稳定高效的组织培养体系。研究结果表明,在含有3.0~
4.0mg/L 2,4-D的 MS+300mg/L CH+3%蔗糖+0.7%琼脂(pH5.8)培养基上,短芒大麦草幼穗切段愈伤组织诱
导率可达到80.0%以上;经 MS+300mg/LCH+0.5mg/L 2,4-D +3%蔗糖+0.7%琼脂(pH5.8)培养基上继代培
养后,其胚性愈伤组织在 MS+300mg/LCH+0.5mg/L 2,4-D+0.1mg/L 6-BA +3%蔗糖+0.7%琼脂(pH5.8)
分化培养基上的分化率为62.9%;短芒大麦草组培苗在1/2MS+ NAA0.1mg/L+蔗糖1% +琼脂0.7%(pH5.8)
培养基上生根后,移栽成活率可达到98.0%以上。
关键词:短芒大麦草;幼穗;组织培养
中图分类号:Q943.1   文献标识码:A
  随着生物技术和分子生物学研究的不断发展,
植物体细胞无性系变异、基因工程和分子标记辅助
育种等植物生物技术在作物品种改良方面的优势也
越来越受到牧草育种研究者的青睐。目前,应用植
物体细胞无性系变异或转基因等植物生物技术培育
抗逆性优质牧草新品种,正逐渐成为牧草品质改良
和选育研究领域中一个新的研究热点[1~3]。其中,
建立成熟、稳定高效的组织培养体系和遗传转化体
系,是牧草生物技术育种研究的前提和基础。
短芒大麦草[Hordeum brevisubulatum (Ttin.)
Link]又名野大麦,从土耳其西部到中国的东北部均
有分布,为禾本科大麦属直刺颖组多年生牧草。该
牧草产量高、品质好,具有耐盐碱、耐贫瘠、耐践踏和
抗寒耐旱等优良性状,具有良好的生产性能和较高
的经济价值[4],常成为建植人工草地和天然低湿盐
碱化草地改良过程中比较理想的优良牧草品种。同
时,短芒大麦草也是耐盐碱牧草品质改良和选育工
作中常用的牧草材料[5]。本研究旨在通过对短芒大
麦草幼穗切段愈伤组织诱导及分化条件的研究,建
立比较成熟、稳定的短芒大麦草组织培养和植株再
生体系,为进一步探索该牧草生物技术育种及其相
关机理研究提供一定的参考依据和技术支撑。
1 材料和方法
1.1 实验材料
短芒大麦草幼穗采自于吉林省前郭县境内松嫩
草地盐生草甸。
1.2 实验方法
1.2.1 愈伤组织诱导
在 MS培养基中加入300mg/L CH、3%蔗糖和
0.7%琼脂作为基本培养基,再分别添加1.0mg/L、
2.0mg/L 、3.0mg/L 、4.0mg/L 、5.0mg/L 和
6.0mg/L 2,4-D配制成各种待筛选愈伤组织诱导
培养基(pH5.8)。
选择打包尚未抽出的短芒大麦草幼穗,连同其
旗叶一块儿取下冷藏备用。然后在超净工作台上,
将所取外植体用70%酒精棉球仔细擦洗3次,于无
菌条件下用镊子取出幼穗。选取其中长度约为1.5
cm左右的幼穗,用剪刀将其剪成小段,分别接种于
上述待筛选的愈伤组织诱导培养基上。于25±1℃
条件下进行暗培养,4周后统计幼穗切段出愈率。
1.2.2 继代培养
各继代培养基均以 MS培养基中加入300mg/L
CH、3%蔗糖和0.7%琼脂作为基本培养基,分别将
其中2,4-D的含量调整为0mg/L、0.5mg/L、1.0
mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L和3.0mg/L。
将短芒大麦草幼穗切段在诱导培养基上长出的
愈伤组织,转接到上述各种继代培养基上,置于25
±1℃、黑暗条件下继代培养3~6个月(继代周期为
每隔四周继代转接一次)。在继代培养及转接过程
中,定期观察并及时弃掉颜色、状态或质地不正常的
非胚性愈伤组织,挑选较干燥、长势较旺盛的嫩黄色
颗粒状胚性愈伤组织进行继代转接和培养。
—111—
第37卷 第1期
Vol.37 No.1
         
中 国 草 地 学 报
Chinese Journal of Grassland
         
2015年1月
Jan.2015
1.2.3 愈伤组织分化及植株再生
根据继代培养过程中短芒大麦草胚性愈伤组织
生长状态与分化能力,筛选出合适的继代培养基组
成后,分别添加0~1.0mg/L 6-BA用于诱导其愈
伤组织分化(见表1)。
无菌条件下将胚性愈伤组织夹成小块,分别接
种于上述各种待筛选分化培养基上,置于25±1℃、
80μmol/(m
2·s)光照强度、14h/d光周期条件下培
养。随时观察培养瓶内愈伤组织分化状况,并于
30d后统计分化率。
表1 短芒大麦草愈伤组织分化结果
Table 1 Differentiation of calus from young inflorescence
explants of Hordeum brevisubulatum (Trin.)
Link on media for differentiation
培养基编号
Number
of medium
2,4-D含量
(mg/L)
Concentration
of 2,4-D
6-BA含量
(mg/L)
Concentration
of 6-BA
愈伤组织
分化率(%)
Differentiation
rate of calus
D1  0.5  0  10.3cC
D2  0.5  0.1  62.9aA
D3  0.5  0.3  33.3bB
D4  0.5  0.5  6.7cCdD
D5  0.5  0.7  0dD
D6  0.5  1.0  0dD
  注:小写字母表示0.05水平下显著性分析,大写字母表示0.01
水平下显著性分析;下表同。
Note:The lowercase letters indicate the significant analysis un-
der 0.05level,the uppercase letters indicate significant analysis un-
der 0.01level;the same as below.
1.2.4 生根壮苗与移栽驯化
将高至3.0~4.0cm的短芒大麦草再生苗转接
到含有 NAA0.1mg/L、蔗糖1% 和琼脂0.7%的
1/2MS(pH5.8)培养基上,在相同光照培养条件下
进行生根壮苗培养,待再生苗长出3~5条根后,将
根系发达、长势旺盛的小苗置于温室(温度25±
3℃)中敞开培养瓶炼苗3~5d。然后用自来水流水
冲洗,彻底洗掉小苗根部残留的琼脂培养基;最后将
小苗移栽至混匀的花土和蛭石(2∶1)无菌混合基质
中,在温室中保湿培养3周后统计成活率。
2 结果与分析
2.1 愈伤组织诱导
在所有添加2,4-D的待筛选愈伤组织诱导培养
基上,短芒大麦草幼穗小切段均能长出愈伤组织。
在诱导培养4~5d后,幼穗小切段开始逐渐膨大。
在培养至第8d时,在有些幼穗小切段的切口处可见
少量较透明的愈伤组织,在随后的约20d培养期内
愈伤组织陆续出现并逐渐增多、颜色逐渐转变为浅
黄色。当培养基中2,4-D浓度增至3.0~4.0mg/L
时,对短芒大麦草幼穗切段愈伤组织诱导效果及状
态维持均比较适宜,愈伤组织诱导率可达到80%以
上(见表2),且绝大多数愈伤组织状态正常、长势良
好,外观上呈现出比较湿润的嫩黄色颗粒状构造。
进一步增加培养基中2,4-D含量,虽然幼穗小切段
出愈率也很理想,但其中多数愈伤组织颜色或外观
不正常,呈现灰白色或白色半透明状、透明状或水浸
状。这样的愈伤组织在培养基上生长非常缓慢,经
多次继代培养后也很难转化为具有分化潜能的胚性
愈伤组织。
表2 短芒大麦草幼穗切段愈伤组织诱导结果
Table 2 Calus induction rates resulted from the
young inflorescence explants of Hordeum
brevisubulatum (Trin.)Link
培养基编号
Number of
medium
2,4-D含量
(mg/L)
Concentration
of 2,4-D
外植体出愈率(%)
Calus induction
percent of explants
C1  1.0  26.7eE
C2  2.0  46.7dD
C3  3.0  83.3bB
C4  4.0  90.0aA
C5  5.0  86.7abAB
C6  6.0  70.0cC
2.2 愈伤组织继代培养
将诱导出的短芒大麦草愈伤组织转接到不含
2,4-D的继代培养基上培养,愈伤组织生长很缓慢。
即使在黑暗培养条件下,该种培养基上也有少数愈
伤组织小块在培养初期就开始出现分化迹象。因
此,不含2,4-D的继代培养基,不适合用于短芒大麦
草愈伤组织的继代培养和保存。在2,4-D含量为
0.5mg/L的继代培养基上,愈伤组织生长比较迅
速,多呈现较湿润的淡黄色颗粒状,即多为胚性愈伤
组织,表明在培养基中添加少量的2,4-D有利于短
芒大麦草愈伤组织的继代培养;随着继代培养基中
2,4-D浓度的进一步升高,愈伤组织生长速度明显
加快,部分愈伤组织呈现徒长状态,个别愈伤组织小
块在很短时间内就能迅速长满培养瓶,其颜色也逐
渐变白变褐。与此同时,愈伤组织结构也逐渐变得
松散,呈现一触即碎的状态。随着继代培养时间的
延长,这些生长状态不正常的愈伤组织比例逐渐增
多。其中有些愈伤组织逐渐变成透明或半透明的胶
冻状、粉末状或褐色老化状态,另有少部分愈伤组织
呈现坚硬的一整块,表面布满密集的白色毛状根。
后续实验结果表明,这些愈伤组织已经完全丧失分
—211—
中国草地学报 2015年 第37卷 第1期
化潜能,因而短芒大麦草愈伤组织继代培养选用含
0.5mg/L 2,4-D的继代培养基比较合适。
2.3 愈伤组织分化及植株再生
在适宜的分化培养基上,一般要经过半个月左
右的培养,短芒大麦草胚性愈伤组织表面开始出现
少量浅绿色的芽点。继而芽点颜色变深、面积逐渐
增大,深绿色芽点逐渐转变为叶片卷曲的成簇小芽
(见图1-A、图1-B)。随后簇生芽卷曲叶片迅速伸
长、伸展,长成植株。研究结果表明,短芒大麦草愈
伤组织对培养基中的6-BA反应敏感,微量的6-BA
(0.1mg/L)即可明显提高其分化率(见表2)。进一
步提高培养基中6-BA含量,短芒大麦草愈伤组织
分化率反而有所下降。如将培养基中6-BA含量增
加至0.7mg/L时,愈伤组织表面仅出现大量分布
较均匀的嫩绿色小点,此类绿色小点在分化培养过
程中没有不定芽产生。培养约一个月后,整个培养
瓶内愈伤组织都变成嫩绿色或暗绿色,一部分愈伤
组织表面还出现了零星的小黑点,另有极少数愈伤
组织表面会分化出绿色较透明的不定根。
2.4 再生苗生根培养和移栽驯化
短芒大麦草再生苗极易生根,部分再生苗在分
化培养基上即可生出少数几条根,但整个根系相对
比较细弱。研究结果表明,短芒大麦草所有再生苗
在生根培养基上都能长出发达健壮的根系,且小苗
长势旺盛(见图1-C)。经温室炼苗后,将再生植株
移栽到混匀的花土和蛭石(2∶1)无菌基质中培养,
其成活率可达到98.0%以上(见图1-D)。
A、B:短芒大麦草愈伤组织开始分化;C:短芒大麦草再生苗生根与壮苗;D:移栽成活的短芒大麦草再生植株
A and B:Differentiating calus from Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link;C:Regenerants which are rooting and
growing strong;D:A acclimatized plantlet growing in a pot
图1 短芒大麦草愈伤组织分化、再生苗生根和移栽成活
Fig.1 Differentiating calus from Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link,root development and acclimation of regenerants
3 讨论
植物生长调节剂种类、含量及其浓度配比对植
物愈伤组织的诱导及分化具有重要影响。其中,
2,4-D对禾本科植物愈伤组织诱导效果最明显,通
常培养基中含有1.0~3.0mg/L 2,4-D对植物胚性
愈伤组织的诱导效果比较好。在大麦、朝鲜碱茅和
星星草等多种禾本科作物组织培养体系研究中,均
得到了相类似的结果[6~7]。短芒大麦草组织培养研
究结果也表明,培养基中2,4-D含量对其胚性愈伤
组织的诱导、保存及其分化潜能的保持均具有重要
的作用。较高浓度的2,4-D(3.0~4.0mg/L)对短
芒大麦草幼穗切段愈伤组织诱导效果较明显,而适
当降低培养基中2,4-D含量(0.5mg/L)则有利于
—311—
李晓玲 张金龙 房 强等    短芒大麦草组织培养体系的建立
其愈伤组织的继代保存或诱导分化;短芒大麦草幼
穗切段愈伤组织对6-BA的反应敏感,在培养基中
添加0.1mg/L 6-BA即可明显促进其愈伤组织的分
化,这与张亚兰[8]和程肖蕊[9]等人对短芒大麦草组
培体系的研究结果相类似。随着培养基中6-BA含
量的进一步增加,短芒大麦草愈伤组织分化率反而
呈现出下降趋势。在较高含量6-BA的分化培养基
上,其愈伤组织只变绿,很难分化出再生植株。
建立多种牧草组织培养体系,加强牧草生物技
术的基础研究和应用研究,对进一步推动生物技术
在牧草育种工作中的应用具有重要意义。短芒大麦
草是一种耐盐碱的优质牧草,可用于人工栽培草地
或盐碱化草地的改良,因而其组织培养和品种选育
研究工作受到了较多的重视,并取得了一定的进
展[8~10]。相比较而言,选取幼穗或幼胚作为植物组
织培养的外植体,其表面灭菌操作简单易行。且幼
穗或幼胚分化程度低,因而愈伤组织诱导及植株再
生均相对比较容易。因此,本研究以短芒大麦草幼
穗为外植体,建立了比较成熟、稳定的组织培养体
系。该体系操作简单,愈伤组织分化率及再生苗移
栽成活率均比较理想,可为进一步探索短芒大麦草
体细胞无性系遗传变异机理及其基因工程等生物技
术育种研究工作提供一定的参考。
4 结论
以短芒大麦草幼穗为外植体,成功筛选出各培
养阶段适宜培养基组成:愈伤组织诱导培养基的
MS+300mg/L CH+3%蔗糖+0.7%琼脂+3.0~
4.0mg/L 2,4-D(pH5.8)、继 代 培 养 基 MS+
300mg/LCH+0.5mg/L 2,4-D +3%蔗糖+0.7%
琼脂(pH5.8)、分化培养基 MS+300mg/LCH+
0.5mg/L 2,4-D +0.1mg/L 6-BA +3%蔗糖+
0.7%琼脂(pH5.8)、生根培养基1/2MS+ NAA
0.1mg/L+蔗糖1% +琼脂0.7%(pH5.8)。该组
培体系操作相对简单,愈伤组织分化率可达到60%
以上,再生苗移栽成活率可达到98.0%以上,能够
满足生物技术育种研究需要。
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中国草地学报 2015年 第37卷 第1期
Establishment of Tissue Culture System for
Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link.
LI Xiao-ling1,ZHANG Jin-long1,FANG Qiang1,ZHANG Chun-yan2
(School of Chemistry and Life Science,Changchun University of Technology,Changchun130012,
China;2.Jilin Institute of Biology,Changchun130012,China)
Abstract:A stable tissue culture protocol was presented for efficient plant regeneration from calus in-
duction of young inflorescence of Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link.The result showed that the in-
duction rate of primary calus from young inflorescence sections of Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link
could be above 80.0% on the calus induction medium contained MS basal salts and vitamins,3.0or
4.0mg/L 2,4-D,300mg/L CH and 3%sucrose and solidified with 0.7%agar(pH5.8).After the calus
was subcultured on the subculture medium contained MS basal salts and vitamins,300mg/L CH,0.5mg/L 2,4-
D and 3%sucrose and solidified with 0.7%agar(pH5.8),the diferentiation rates of embryogenic calus were
62.9%on the diferentiation medium contained MS basal salts and vitamins,300mg/L CH,0.5mg/L 2,4-D,
0.1mg/L 6-BA and 3%sucrose and solidified with 0.7%agar(pH5.8).The regenerants developed many
strong roots readily on rooting medium contained 1/2MS,0.1mg/L NAA and 1%sucrose and solidified
with 0.7%agar(pH5.8),and the survival rate of regenerants were more than 98.0%after they were
transplanted to soil.
Key words:Hordeum brevisubulatum (Trin.)Link;Young inflorescence;Tissue culture
—511—
李晓玲 张金龙 房 强等    短芒大麦草组织培养体系的建立