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外源褪黑素对滇黄芩愈伤组织增殖和分化的影响



全 文 :·生物技术· 北方园艺2013(08):106~109
    
第一作者简介:张来军(1968-),女,甘肃庆阳人,博士,副教授,现
主要从事细胞生物学研究等工作。
责任作者:贾敬芬(1938-),女,硕士,教授,博士生导师,研究方向
为细胞生物学。E-mail:jiajf38@nwu.edu.cn.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31260139);陕西省教育厅
科学研究计划资助项目(11JS086);三亚市院地科技合作资助项目
(2012YD37);琼 州 学 院 博 士 科 研 启 动 基 金 资 助 项 目
(QYXB201203)。
收稿日期:2012-12-11
外源褪黑素对滇黄芩愈伤组织增殖和分化的影响
张 来 军1,2,贾 敬 芬2
(1.琼州学院 生命科学与技术学院,海南 三亚572022;2.西北大学 生命科学学院,陕西 西安710069)
  摘 要:以滇黄芩(Scutelaria amoena)为试材,研究了不同浓度外源褪黑素(MEL)对滇黄芩
愈伤组织增殖和不定芽分化的影响,并与相应浓度的IAA和NAA作了效果比较。结果表明:在
附加0.1、1.0、10.0和100.0μM MEL的MS培养基上,愈伤组织增殖率均显著高于对照,其作用
类似于IAA,而NAA无明显促进作用;低浓度的 MEL(0.1、1.0、10.0μM)有助于愈伤组织的
增殖,0.1μM MEL愈伤组织的增长率最高,达到171%。同时培养基中附加低浓度 MEL(0.1
或1.0μM)有助于不定芽分化,1.0μM的MEL作用下得到最高分化率为30.4%,而高浓度MEL
(100.0μM)则对不定芽分化有抑制作用,与IAA作用相似。
关键词:褪黑素;滇黄芩;愈伤组织;芽增殖
中图分类号:S 567.23+9 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2013)08-0106-04
  褪黑素(N-acetyl-5-methoxytryptamine;Melatonin;
MEL)是由松果腺合成的一种广泛存在于动物界的激
素,具有调节昼夜节律、促进睡眠、抗氧化、清除自由基
等作用。自从1995年发现 MEL广泛存在于植物中
后[1-2],对MEL在植物中功能的研究引起了学者们的广
泛关注。多数研究报道了对不同植物及植物的不同器
官MEL含量的测定结果[3-4]。也有报道提出,MEL可
能作为一种抗氧化剂广泛存在于细菌、真菌、植物[5-6]中。
王英利等[7]发现外源褪黑素对绿豆在增强UV-B辐射下
有防护作用。Lei等[8]以胡萝卜悬浮细胞为试材,研究
指出外源MEL的加入降低了低温胁迫下细胞的凋亡。
Zhao等[9]以大花红景天(Rhodiola crenulata)愈伤组织
   
为材料进行研究,表明 MEL提高了低温胁迫下愈伤组
织的存活率。这些离体培养试验揭示了外源MEL可能
对植物抗环境胁迫方面有防护作用。另外研究发现,
MEL对植物生长也有促进作用,用 MEL处理贯叶连
翘,促进了根的形成[10]。将不同浓度MEL与IAA分别
作用于羽扇豆(Lupinus albus L.)的下胚轴和子叶,可促
进下胚轴形成不定根[11],子叶也显著扩展[12],推测MEL
与IAA可能以相似的作用方式促进了植物的生长。近
年来植物中MEL的功能研究虽然取得了很大进展,但
多侧重于植物中MEL含量的测定;MEL对某些植物抗
逆性影响,或对植物生长、形态发生的研究所涉及到的
方面非常有限,报道极少,对于阐明植物MEL的功能还
是初步的,还需要提供更多的科学试验证据。
滇黄芩(Scutelaria amoena C.H.W right)属唇形科
黄芩属植物,分布于我国西南地区,主要含黄芩素
(Baicalein),汉黄芩素(Wogonin),黄芩苷(Baicalin),汉黄
芩苷(Wogono-side)等黄酮类化合物,是西南地区药用黄
芩的主流品种,药用历史悠久。主要用于治疗各种炎
症。滇黄芩的黄芩苷含量居同属药用植物之首,有很大
的药用价值及开发潜力[13]。该试验以滇黄芩的愈伤组
织为试材,在培养基中添加不同浓度 MEL,观察其对愈
   
RNA of Manihot esculenta Crantz can’t be extracted using the Thermal Borate method,and total cassava stems RNA can
be extracted efectively using the other three methods.The time(only 1.5h)and quality of RNA extracted by
Guanidinium isothiocyanate method were the best,which was a kind of simple and eficient method suitable for the
extraction of total RNA from the stems of Manihot esculenta Crantz.
Key words:Manihot esculenta Crantz;total of RNA;diferent extraction methods;extraction efect
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伤组织增殖与芽分化的影响,同时与生长素IAA和
NAA进行比较,以期为更好的开发这种中药资源和揭
示MEL在植物中的功能提供更多的试验依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试滇黄芩采自云南。选取春季新发出的植株叶
片为外植体。
1.2 试验方法
1.2.1 滇黄芩愈伤组织的诱导 将叶片外植体用清水
冲洗后,75%乙醇浸泡30s,后用0.1%HgCl2浸泡8min
灭菌,无菌水冲洗5次,置于无菌滤纸上吸干水分。将
叶片切成约0.5cm×0.5cm小块,接种于附加6-BA
(2.0mg/L),NAA(0.2mg/L),30g/L蔗糖和7.0g/
L琼脂的 MS培养基(pH 5.8~6.2)上,培养3周,形
成愈伤组织。并在相同培养基上继代培养,取旺盛增
殖愈伤组织用于以下试验。培养温度(25±2)℃,光照
强度40mol·m-2·s-1,16h/8h的光/暗培养。
1.2.2 3种外源生长调节物对愈伤组织增殖的影响 
将 MEL、IAA、NAA设为100.0、10.0、1.0及0.1μM
4个浓度梯度,分别加入附加30g/L蔗糖、7.0g/L琼脂
MS培养基中。MEL、IAA、NAA均过滤灭菌。接种前
对盛有培养基的培养瓶先称重,记录其重量。将愈伤组
织接种在附加有不同浓度NAA、IAA、MEL的 MS培养
基上,每个处理接种3瓶,每个瓶中接20块大小均一的
愈伤组织,称量接种后的瓶重,确定接种的愈伤组织的
重量。记录愈伤组织的生长状况,包括颜色,疏松程度
及芽分化情况;并称量培养3周后愈伤组织的鲜重;
105℃烘30min,60℃烘12h,至恒重即为干物重。培养
条件与上述条件相同。试验设3次重复。
1.3 项目测定
鲜重增长率=(培养后愈伤组织鲜重-接种愈伤组
织鲜重)/接种愈伤组织鲜重×100%;干重增长率=(培
养后愈伤组织干重-接种愈伤组织干重)/接种愈伤组
织干重×100%;折干率=∑培养后愈伤组织干重/∑培
养后愈伤组织鲜重×100%[14];愈伤组织分化率(%)=
分化的愈伤组织块数/接种愈伤组织块数×100%。
1.4 数据分析
采用Excel 2003对数据进行统计,并用邓肯氏新复
极差法检验其在0.05水平上的差异显著性,不同字母表
示差异显著。
2 结果与分析
2.1 3种外源生长调节物对滇黄芩愈伤组织增殖的
影响
NAA、IAA和MEL以不同的浓度分别加在 MS培
养基中。由表1可知,培养3周后,3种添加物对滇黄芩
愈伤组织的增殖表现出不同的效应。与对照组相比,附
加MEL和IAA的培养基上,施用的4种浓度均使愈伤
组织显著增殖,且浓度越低,愈伤组织增长率越高,附加
NAA的培养基上仅低浓度(0.1μM)时促进愈伤组织增
殖。0.1μM的浓度使得3种附加物对愈伤组织增殖的
促进作用分别达到最佳效果,附加MEL的培养基,愈伤
组织增殖为171%,附加IAA时为244%,而NAA条件
下仅为109%。随着浓度的提高,这种促进作用逐渐降
低。浓度为1.0和10.0μM时,附加 MEL和IAA的培
养基上,愈伤组织增殖率分别为146%和183%,149%和
175%,但仍高于对照,NAA则没有促进作用。浓度为
100.0μM时,愈伤组织鲜重增长率最小,分别为124%
(MEL)、171%(IAA),NAA则有抑制作用。除此以外,
  表1 MEL、NAA及IAA对滇黄芩愈伤组织生物量增长及芽分化的影响
  Table 1 Efects of MEL,NAA and IAA on calus proliferation and diferentiation
浓度
Concentration/μM
类型
Compound
接种愈伤组织鲜重
Calus weight inoculated/g
培养后愈伤组织鲜重
Calus weight after culture/g
平均愈伤组织增长率
Average of calus growth/%
鲜重Fresh weight 干重Dry weight
平均芽分化率
Diferentiation rate of
adventitious shoots/%
0 CK  1.60  2.91  84bc  85b 5.63c
MEL  1.60  4.19  171abc  172ab  19.40ab
0.1 IAA  1.92  5.39  244a 248a 19.10ab
NAA  1.96  3.64  109bc  99b 4.08c
MEL  1.89  4.77  146abc  149ab  30.40a
1.0 IAA  1.87  5.15  183ab  181ab  26.80a
NAA  1.81  3.32  80bc  78b 7.87bc
MEL  1.61  3.85  149abc  145ab  6.65c
10.0 IAA  1.90  5.09  175abc  177ab  0.88c
NAA  1.86  3.28  73c 74b 1.93c
MEL  1.93  4.30  124bc  124b 6.60c
100.0 IAA  1.71  5.87  171abc  167ab  0
NAA  1.63  2.81  74c 72b 0
  注:小写字母表示邓肯氏新复极差法检验在0.05水平上差异显著。
Note:Lowercase letters mean Duncan’s multiple range test in the 0.05level are significant.
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附加的生长调节物种类和浓度对愈伤组织的颜色和质
地也有影响,附加NAA的培养基上随浓度的逐级提高,
愈伤组织由浅褐变为深褐色,结构较为致密,培养3周
后愈伤组织严重褐化;附加IAA的培养基上,随浓度的
逐级提高,愈伤组织由淡绿变为灰白,褐化程度也愈严
重,MEL浓度的高低对愈伤组织的颜色和结构影响均
不大,几种浓度的培养基上均形成了淡绿、结构疏松的
愈伤组织。
2.2 3种外源生长调节物对不定芽和根分化的影响
不同浓度NAA、IAA和MEL诱导滇黄芩愈伤组织
分化芽的效果差异极显著。如表1和图1所示,IAA和
MEL显著促进不定芽的分化。浓度越低,分化率越高。
在1.0μM的浓度下,附加IAA,MEL和NAA培养基上
得到的愈伤组织分化率各自达到最高值,分别为
26.8%、30.4%和7.87%;且在此浓度下,仅有 MEL作
用的培养基上,愈伤组织分化出大量的丛生芽。然而
MEL浓度越高,不定芽分化愈受到抑制,附加10μM或
100μM MEL培养基,愈伤组织仅有少量的分化芽。相
同浓度NAA或IAA作用下,愈伤组织几乎没有不定芽
分化;然而在附加NAA的培养基上产生了大量的不定
根。附加MEL的培养基上培养3周后尚无明显的不定
根产生。
图1 MEL、NAA和IAA对滇黄芩愈伤组织生物量及分化的影响
注:A:0.1μΜ;B:1.0μM;C:10.0μM;D:100.0μM。
Fig.1 Efects of MEL,NAA and IAA on calus proliferation and diferentiation after 3weeks of culture
Note:A:0.1μΜ;B:1.0μM;C:10.0μM;D:100.0μM.
3 讨论
生长素的种类及浓度在植物组织培养中对细胞分
裂和器官再生起关键调节作用。在该试验中,相同浓度
MEL与IAA作用类似,均促进了滇黄芩愈伤组织的增
殖和芽的分化,且低浓度(0.1μM或1μM)的促进效果
更为明显。这一现象与外源MEL诱导羽扇豆下胚轴产
生不定根[11]以及外源 MEL促进芥菜(Brassica juncea)
根的生长得到的结果相似[15]。试验结果显示,单独使用
NAA对滇黄芩愈伤组织的增殖没有作用,且高浓度
(100μM)的NAA导致愈伤组织严重褐化;NAA诱导愈
伤组织不定芽分化的能力也显著低于相同浓度的IAA
和MEL。另外,附加 MEL的培养基中,各种浓度梯度
下均形成了结构疏松,淡绿颜色的愈伤组织,且相比相
同浓度的IAA高浓度的外源 MEL诱导生成的愈伤组
织褐化程度更低。
MEL是一种结构与IAA类似的吲哚类化合物,具
有高亲脂性和部分亲水性。动物体内的MEL具有广泛
的生理活性,参与中枢神经系统、生殖系统、免疫系统等
多种生理活动。近年来许多植物的根、茎、叶、果实及其
种子中都检测到了MEL的存在[16-18]。关于植物中MEL
的功能研究也引起了人们的广泛关注。Chen等[15]研究发
现较低浓度的外源MEL提高了芥菜(Brassica juncea)内
源IAA的含量,从而推测低浓度的 MEL促进根的生长
的原因是外源MEL激发内源IAA的合成;而高浓度时
对植物生长表现的抑制效果可能是由于IAA诱导乙烯
合成造成的[19];而且植物中IAA、5-羟色胺(Serotonin)和
MEL均由前体色氨酸合成,这一通路也可能涉及到器
官的形成[20]。MEL与Ca2+激活的钙调蛋白有极高的
亲和性[15];植物生长素在一些生理反应中具有Ca2+依
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赖活性,植物中 MEL与钙调蛋白的相互作用构成了信
号传导的可能机制之一[20]。此外,在植物组织培养过程
中,MEL可能平衡了外植体在移植(Explanting)或者由
于植物生长调节剂的处理而产生的氧化压力[20]。这或
许是在培养滇黄芩愈伤组织的过程中,与相同浓度的
IAA比较,高浓度的外源 MEL(100μM)产生更少褐化
程度的原因,这一现象的应用价值及其相关的生理机制
都值得更深入的研究探讨。
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Effect of Melatonin on the Proliferation and Differentiation of
Cali of Scutelaria amoena
ZHANG Lai-jun1,2,JIA Jing-fen2
(1.Colege of Biological Science and Technology,Qiongzhou University,Sanya,Hainan 572022;2.Colege of Life Science,Northwest
University,Xi’an,Shaanxi 710069)
Abstract:Taking Scutelaria amoena as material,the efects of diferent concentrations of exogenous melatonin on the
calus proliferation and the diferentiation of adventitious buds of Scutelaria amoena were studied.The results showed
that the supplement of melatonin at 0.1,1.0,10.0and 100.0μM in the MS medium remarkebly improved the frequency
of calus proliferation compared with the control(MS medium without melatonin).Same concentration of indole-3-acetic
acid(IAA)in the medium exhibited similar efects,but a-naphthalene acetic acid(NAA)did not promote calus growth.
Lower concentration(0.1or 1.0μM)of melatonin or IAA added in the medium could increase the diferentiation
frequency of adventitious buds from calus,however higher level of melatonin or IAA inhibited the bud diferentiation.
Key words:melatonin;Scutelaria amoena;calus proliferation;bud diferentiation
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