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紫参薯的包埋玻璃化超低温保存



全 文 :第38卷第9期         西 南 大 学 学 报 (自然科学版)            2016年9月
Vol.38 No.9 Journal of Southwest University(Natural Science Edition) Sep. 2016
DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2016.09.010
紫参薯的包埋玻璃化超低温保存

蔡月琴, 王艳平, 庄君娥, 林燕茹,
柯美玉, 陆銮眉, 张泽宏
闽南师范大学 生物科学与技术学院,福建 漳州363000
摘要:以紫参薯带芽茎段为材料,采用2%海藻酸钠和0.1mol/L氯化钙凝胶系统制备包埋珠,液氮保存,以茎段
细胞活力和包埋珠成活率为指标筛选获得有关参数适宜水平,比较冻后再生苗与常温苗形态及生理指标.结果表
明:紫参薯试管苗经4℃锻炼6d后,无菌条件下制备其带芽茎段包埋珠,接种到 MS+2mg/L KT+0.2mg/L
NAA+0.5mol/L蔗糖液体培养基中预培养1d,转入 MS+2mol/L甘油+0.4mol/L蔗糖溶液中室温下装载
40min,在玻璃化保护剂PVS2中脱水40min,更新PVS2后迅即液氮保存,24h后置于37℃水浴中化冻5min,
用 MS+2mg/L KT+0.2mg/L NAA+0.8mol/L蔗糖溶液洗涤3次(每次10min),然后转入MS+2mg/L KT+
0.2mg/L NAA+30g/L蔗糖+1g/L活性炭固体培养基中,暗培养7d后转至光照下培养14d,该包埋珠成活率
可达60%.冻后再生苗诸多形态和生理指标与常温苗差异不具有统计学意义.
关 键 词:紫参薯;带芽茎段;包埋玻璃化;超低温保存
中图分类号:S632.1;Q945.79    文献标志码:A    文章编号:1673-9868(2016)09-0058-07
紫参薯是薯蓣科薯蓣属山药(Dioscorea alata L.)中的精品,为一年生或多年生缠绕性藤本植物,又名
紫山药、紫人参,在我国南方的浙江、江西、福建、台湾、广东等省区有广泛栽培[1],其块茎椭圆形至扁圆
形,表皮为紫褐色,肉质呈亮紫色,含有丰富的花青素、蛋白质、维生素和薯蓣皂苷等营养物质,具有滋肺
益肾、健脾止泻、降血脂血糖、调节人体免疫力等功效,药食兼用[2].目前国内有关紫参薯的研究主要集中
在引种[3]、栽培管理[4]、组织培养[5]、营养成分[6]等方面.紫参薯种质资源主要采用大田保存,费时费力,
且易受到各种自然灾害和病虫害的影响而造成种质丢失,且保存时间短、效果差.采用组培方法可长期离
体保存,但需定期继代培养[7-9],可能会发生污染及引起遗传变异[10].因此,探索适合紫参薯种质长期离
体保存方法有重要现实意义.
包埋玻璃化超低温保存是在玻璃化和包埋脱水超低温保存基础上发展起来的一种新的超低温保存技
术,兼具后两者优点,所需设备简单、易于操作、恢复生长快、成活率高[11],现已成功应用于苹果[12]、酸
橙[13]、高山红景天[14]、甘薯[15]和怀山药[16]等多种植物的种质保存.目前有关紫参薯的超低温保存国外已
有研究[17],但未见采用包埋玻璃化法超低温保存的相关报道.本研究采用包埋玻璃化法对紫参薯茎段超低
温保存技术进行探讨,旨在建立紫参薯茎段超低温保存体系,为其种质资源的长期保存提供技术支持.
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为继代培养40d的紫参薯(产自福建漳州云霄马铺乡)试管苗(无菌),由闽南师范大学园艺
① 收稿日期:2015-08-16
基金项目:福建省科技计划重点项目(2013N0037);漳州市科技计划项目(ZZ2013052);国家大学生创新训练项目(201410402007).
作者简介:蔡月琴(1980-),女,福建漳州人,硕士研究生,讲师,主要从事植物生物技术研究.
生物技术课题组提供.
1.2 试验方法
1.2.1 试管苗的低温锻炼及带芽茎段的包埋
将试管苗于0~8℃下暗处低温锻炼0~12d,研究低温锻炼对其超低温保存效果的影响.
在无菌条件(室温)下,切取经低温锻炼的试管苗的带芽茎段(长为2~5mm),转入 MS+2%海藻
酸钠+0.4mol/L蔗糖的包埋基质中,然后将裹有包埋基质的茎段逐个移入 MS+0.1mol/L氯化钙+
0.4mol/L蔗糖的液体培养基中,反应(固化)30min(使茎段表面的海藻酸钠溶胶形成具一定厚度和机
械强度的海藻酸钙凝胶),取出茎段包埋珠.
1.2.2 包埋珠的预培养及装载
在无菌条件下,将包埋珠用 MS+2mg/L KT+0.2mg/L NAA液体培养基洗涤和无菌滤纸吸干后,
分别接入含0~1mol/L蔗糖的 MS+2mg/L KT+0.2mg/L NAA液体培养基中,在36μmol/(m
2·s)
(14h/d)光照、(25±2)℃温度条件下预培养1d,研究预培养中蔗糖浓度对紫参薯超低温保存效果的影响.
在室温下,将经预培养的包埋珠转入 MS+2mol/L甘油+0.4mol/L蔗糖的装载液中处理0~
60min,研究装载时间对紫参薯超低温保存的效果.
1.2.3 包埋珠的玻璃化保护剂脱水
将装载40min的包埋珠分别转入以 MS液体培养基为基质的4种玻璃化保护剂中(pH=5.8).PVS1:
25%甘油+10%乙二醇+10%二甲基亚砜+15%聚乙二醇;PVS2[11]:30%甘油+15%乙二醇+15%二甲
基亚砜+0.4mol/L蔗糖;PVS3:40%甘油+10%乙二醇+5%二甲基亚砜+0.4mol/L蔗糖;PVS4:25%
甘油+20%乙二醇+15%二甲基亚砜+0.4mol/L蔗糖.然后分别在0℃下脱水处理40min,并对保护剂
PVS2 中的包埋珠脱水处理0~80min,研究不同玻璃化保护剂和在PVS2中的不同脱水时间对紫参薯茎段
超低温保存的效果.
1.2.4 包埋珠的冰冻保存、化冻及洗涤
将经脱水处理的材料换上新的PVS2 溶液后置于4mL冻存管中,迅速投入液氮(-196℃)中保存,
24h后在37℃水浴锅中分别化冻3~9min,研究化冻时间对紫参薯茎段超低温保存的效果.
在室温下,将化冻后的包埋珠,在含0~1.6mol/L蔗糖的MS+2mg/L KT+0.2mg/L NAA液体培
养基中洗涤2次,每次10min,研究洗涤液中不同蔗糖浓度对紫参薯茎段超低温保存效果的影响.
1.2.5 包埋珠的细胞活力及成活率测定
对经超低温保存、化冻和洗涤后的包埋珠进行茎段细胞活力和包埋珠成活率测定.茎段细胞活力
采用TTC法[18]测定,以相对活力表示.茎段细胞活力=超低温保存后包埋珠茎段 TTC值/未经超低
温保存茎段TTC值×100%.将茎段包埋珠接入 MS+2mg/LKT+0.2mg/L NAA+30g/L蔗糖+
1g/L活性炭的固体培养基中,暗培养7d后转光照培养(温光条件同预培养),3周后统计成活率.包
埋珠成活率=腋芽萌发包埋珠数/接种包埋珠总数×100%.培养50d后测定再生苗有关形态及生理
指标,并与常温苗比较.
1.2.6 数据处理
各试验不同因子每个水平处理20个茎段或包埋珠,重复3次.采用Excel 2003及SPSS 17.0软件处理
数据,Duncan法分析显著性差异.
2 结果与分析
2.1 低温锻炼对紫参薯包埋碧波玻璃化超低温保存的影响
低温锻炼对紫参薯茎段包埋珠超低温保存的效果有显著影响(表1).0~8℃下锻炼3d的结果表明,4℃
时,冻后茎段细胞活力和包埋珠成活率最高,细胞活力显著高于0℃和2℃,成活率显著高于0℃、2℃
和8℃.4℃锻炼0~12d的结果表明,低温锻炼后茎段细胞活力和包埋珠成活率显著提高,其中3~6d
效果最好.由此可见,紫参薯用于包埋玻璃化超低保存的带芽茎段,其试管苗低温锻炼的适宜温度为
4℃,适宜时间为3~6d.
95第9期           蔡月琴,等:紫参薯的包埋玻璃化超低温保存
表1 低温锻炼紫蔘薯包埋波玻璃化超低温保存的影响
3d低温锻
炼温度/℃
茎段细胞活力/

包埋珠成活率/

4℃锻
炼天/d
茎段细胞活力/

包埋珠成活率/

0  67.788±1.968cC  30.035±1.935bcC  0  20.903±1.285bB  11.295±0.040cC
2  75.476±2.304bB  35.917±1.778bB  3  88.493±1.253aA  50.275±1.014aA
4  87.903±1.585aA  51.331±4.060aA  6  91.177±0.837aA  53.272±4.812aA
8  84.741±0.584aA  40.722±4.200bB  12  87.512±1.380aA  47.907±3.072bB
  注:大写字母表示在1%水平差异具有统计学意义,小写字母表示在5%水平差异具有统计学意义.
2.2 预培养基中蔗糖浓度对紫参薯包埋玻璃化法超低温保存的影响
在预培养基中加入0.25~1.00mol/L蔗糖时,冻后茎段细胞活力和包埋珠成活率显著提高,且随蔗
糖浓度的增加先升高后下降(表2).其中,当蔗糖浓度为0.5mol/L时,细胞活力和成活率最高,且与其他
蔗糖浓度存在显著差异.因此,紫参薯茎段包埋珠预培养基的适宜蔗糖浓度为0.5mol/L(预培养1d).
表2 预培养基的蔗糖浓度对紫参薯包埋玻璃化超低温保存的影响
蔗糖浓度/(mol·L-1) 茎段细胞活力/% 包埋珠成活率/%
0  46.721±0.425cdD  10.810±1.461eE
0.25  52.795±0.739cC  32.097±0.762cC
0.50  91.557±2.102aA  53.001±1.362aA
0.75  67.045±0.034bB  39.808±0.720bB
1.00  65.029±1.227bB  28.721±1.167dD
  注:大写字母表示在1%水平差异具有统计学意义,小写字母表示在5%水平差异具有统计学意义.
2.3 装载时间对紫参薯包埋玻璃化超低温保存的影响
装载20~60min后,冻后茎段细胞活力和包埋珠成活率显著提高(表3),其中装载40min和60min
的效果最好,且二者细胞活力和成活率无显著差异.因此,紫参薯茎段包埋玻璃化超低温保存适宜的装载
时间为40~60min.
表3 装载时间对紫蔘薯包埋玻璃化超低温保存的影响
装载时间/min 茎段细胞活力/% 包埋珠成活率/%
0  19.761±0.811cC  5.880±1.083cC
20  63.381±0.412bB  20.102±0.482bB
40  89.252±1.353aA  52.931±2.439aA
60  85.246±0.562aA  49.182±0.392aA
  注:大写字母表示在1%水平差异具有统计学意义,小写字母表示在5%水平差异具有统计学意义.
2.4 不同保护剂和脱水时间对紫参薯包埋玻璃化超低温保存的影响
在组分不同的4种玻璃化保护剂中0℃脱水40min,冻后茎段细胞活力和包埋珠成活率差异具有统
计学意义(图1).其中保护剂PVS2效果最好,其细胞活力和成活率最高,且与其他3种保护剂差异具有
统计学意义.
不经保护剂脱水处理时,包埋珠冻后全部死亡(图2);经20~80min脱水时,随着时间的延长,茎段
细胞活力和包埋珠成活率先升高后降低.其中,脱水40min的细胞活力和成活率最高,且与其他脱水时间
差异具有统计学意义.由此可见,紫参薯茎段包埋珠超低温保存前适宜的脱水条件为:在保护剂PVS2中
于0℃下处理40min.
2.5 化冻时间对紫参薯包埋玻璃化超低温保存的影响
37℃水浴化冻3~9min时,茎段细胞活力和包埋珠成活率先升后降(图3),化冻5min时最高,
且与其他化冻时间差异具有统计学意义.因此,紫参薯茎段包埋珠超低温保存后适宜的化冻时间为
5min(37℃).
06 西南大学学报(自然科学版)     http://xbbjb.swu.edu.cn     第38卷
图1 不同保护剂对茎段细胞活力
和包埋珠成活率的影响
图2 保护剂脱水时间对茎段细胞活力
和包埋珠成活率的影响
2.6 冻后洗涤液蔗糖浓度对紫参薯包埋玻璃化超低温保存的影响
洗涤液蔗糖浓度对冻后茎段细胞活力和包埋珠成活率影响显著(图4),结果与包埋珠脱水时间(图2)
类似.结果表明,冻后洗涤液中适宜的蔗糖浓度为0.8mol/L.
图3 化冻时间对茎段细胞活力和
包埋珠成活率的影响
图4 洗涤液蔗糖浓度对茎段细胞活力和
包埋珠成活率的影响
2.7 冻后紫参薯再生植株的形成及其形态、生理指标测定
将化冻、洗涤后的包埋珠(图5(a))接入含2mg/L KT+0.2mg/L NAA+30g/L蔗糖+1g/L活性炭
的 MS固体培养基中,暗培养7d后转光照下,1周后逐渐恢复生长,部分包埋珠膨大且叶腋处腋芽萌动
(图5(b)),2~3周后芽苗伸长生长,高可达1cm(图5(c)),6周后分化成正常植株(图5(d)).
紫参薯茎段包埋珠超低温保存后再生苗的平均株高、茎节长和叶片数、叶绿素、类胡萝卜素和可溶性
糖含量、POD和SOD活性等形态及生理指标与常温苗无显著差异(表4),说明采用包埋玻璃化法超低温
保存紫参薯茎段是可行的.
3 讨 论
在植物种质包埋玻璃化超低温保存中,预培养时将试管苗置于零上低温条件下锻炼一定时间,可提高
植物体内脯氨酸、多胺含量及降低胞液的渗透势,从而增加植株耐冷冻能力.洪森荣等人[16]在怀山药茎段
超低温保存中发现低温锻炼可提高茎段冻后成活率,4℃锻炼7d成活率较高;陈加利等人[19]在扁桃茎尖
包埋玻璃化超低温保存研究中发现未经低温锻炼的茎尖冻后不能存活,4℃锻炼4周后成活率提高.在本
试验中,4℃锻炼6d能显著提高紫参薯冻后茎段的细胞活力和成活率.
预培养除了低温锻炼外,还有高渗培养.一般是在预培养基中加入高浓度的蔗糖[11],以降低植物细
胞内自由水含量,提高胞质浓度,降低原生质冰点,从而增强植物的抗冻性.李红民等人[18]在匍匐胚性
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愈伤组织的预培养基中加入0.3mol/L蔗糖,陈志林等人[20]在木薯茎尖预培养基中加入0.5mol/L蔗
糖都取得了较好的效果.本试验在预培养基中添加0.5mol/L蔗糖时,紫参薯茎段冻后的细胞活力和成
活率最高.
图5 紫参薯茎段包埋玻璃化超低温保存后植株的再生
表4 紫参薯包埋玻璃化超低温保存后再生苗与常温苗的形态、生理指标比较
形态指标及生理指标 常温苗 冻存后再生苗
平均株高/cm  7.877±0.116Aa  7.833±0.040Aa
平均叶片数/个 12.000±1.000Aa  12.333±0.524Aa
平均茎节长/cm  0.983±0.021Aa  0.982±0.025Aa
平均芽数/个 4.667±1.155Aa  5.333±0.577Aa
总叶绿素质量分数/(mg·g-1) 1.304±0.042Aa  1.298±0.027Aa
叶绿素a质量分数/(mg·g-1) 0.943±0.034Aa  0.941±0.040Aa
叶绿素b质量分数/(mg·g-1) 0.361±0.01Aa  0.357±0.006Aa
类胡萝卜素质量分数/(mg·g-1) 0.193±0.009Aa  0.201±0.007Aa
可溶性糖质量分数/(mg·g-1) 4.793±0.359Aa  4.787±0.241Aa
POD活性/[U·(g·min)-1] 100±5.307Aa  103.8±4.657Aa
SOD活性/(U·g-1) 1.743±0.190Aa  1.733±0.096Aa
  注:大写字母表示在1%水平差异具有统计学意义,小写字母表示在5%水平差异具有统计学意义.
预培养后,为减轻玻璃化过程中高浓度冰冻保护剂的毒害作用,常采用 MS添加低浓度蔗糖和甘油等混
合物作为转载液,不同植物装载液组成和装载时间不同.以 MS+2mol/L甘油+0.4mol/L蔗糖为装载液时,
适宜的装载时间树莓试管苗茎尖为90min[21],红芽芋胚性愈伤组织[22]和本试验紫参薯茎段均为40min.
玻璃化保护剂在植物种质的超低温保存中有重要作用.经玻璃化保护剂处理后,植物材料在液氮中
被迅速固化成玻璃态,可避免冰晶的形成和防止细胞因脱水瓦解和溶液电解质浓度过高带来的伤害[11].
菊花茎尖在上述玻璃化保护剂PVS2中0℃处理15min,成活率达85.7%[23],怀山药带芽茎段在PVS1
26 西南大学学报(自然科学版)     http://xbbjb.swu.edu.cn     第38卷
中,0℃处理60min,成活率达77.14%[24].脱水时间对超低温保存效果也有显著影响.怀地黄带芽茎段
在包埋玻璃化保存中脱水30min的再生率是脱水60min的8倍[25].在本试验中,紫参薯带芽茎段最佳
玻璃化保护剂为PVS2,0℃下适宜的脱水时间为40min.
化冻是超低温保存后的重要环节.植物材料液氮保存后,快速解冻可避免细胞再次结冰造成机械损伤
和渗透伤害[10].木薯茎尖的化冻条件为40℃化冻1.5min[20],红芽芋胚性愈伤组织为37℃化冻3min[22].
在本试验中,紫参薯茎段适宜的化冻条件为37℃化冻5min.
化冻后的植物材料用适宜浓度的蔗糖溶液洗涤,既可除去细胞内玻璃化液中的有毒成分,又能防止渗
透损伤.怀山药茎段化冻后用含7%蔗糖的MS溶液洗涤4次(每次10min),成活率显著提高[24].在本试验
中,紫参薯带芽茎段化冻后用含0.8mol/L蔗糖的 MS溶液洗涤,茎段细胞活力和成活率最高.
在本试验中,紫参薯带芽茎段包埋玻璃化超低温保存后再生苗的诸多形态和生理指标与常温苗无显著
差异,说明包埋玻璃化超低温保存技术可用于紫参薯的种质保存,所得各种参数可为其具体应用提供技术
参考.但有关参数水平还可优化,包埋珠超低温保存后再生苗的遗传稳定性还需深入研究.
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Cryopreservation of Purple Yam(Dioscorea alata)
by Encapsulation-vitrification
CAI Yue-qin, WANG Yan-ping, ZHUANG Jun-e, LIN Yan-ru,
KE Mei-yu, LU Luan-mei, ZHANG Ze-hong
Colege of Biological Sciences and Technology,Min Nan Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China
Abstract:The cryopreservation of purple yam(Dioscorea alata)by Encapsulation vitrification was studied.
Stems with axilary buds suspended in Murashige and Skoog(MS)medium supplemented with 2%sodium
alginate and 0.4mol/L sucrose were placed in liquid MS medium supplemented with 0.1mol/L calcium
chloride and 0.4mol/L sucrose,and the beads were preserved with liquid nitrogen(LN).The optimum
levels of related parameters were obtained with the stem cel vitality and embedding survival rate as inde-
xes and the comparison of morphological and physiological indexes of regenerated plantlets and normal pla-
ntlets was made.The results showed that the plantlets of purple yam were cold-hardened for 6dat 4℃,
then stems with axilary buds were excised and encapsulated into beads in sterile conditions and then pre-
cultured in liquid MS medium supplemented with 2mg/L KT,0.2mg/L NAA and 0.5mol/L sucrose for
1d.The encapsulated beads were loaded with MS medium plus with 2mol/L glycerol and 0.4mol/L su-
crose for 40min at room temperature and then dehydrated with PVS2for 40min at 0℃.The encapsulated
beads were plunged directly into LN for 1day after dehydration and then rapidly thawed in a water bath for
5min at 37℃.After warming,the encapsulated beads were rinsed three times with liquid MS medium
containing 2mg/L KT,0.2mg/L NAA and 0.8mol/L sucrose for 10min at 25℃,then transferred to
regeneration medium supplemented with 2mg/L KT,0.2mg/L NAA and 30g/L sucrose plus 0.1g/L
activated carbon in the dark for 7dbefore exposure to the light.The survival rate of beads reached to 60%
after two weeks of light culture.Plantlets regenerated from cryopreservation had no morphological and
physiological variation with the normal plantlets.
Key words:purple yam (Dioscorea alata);stem with buds;encapsulation vitrification;cryopreservation
责任编辑 潘春燕    
46 西南大学学报(自然科学版)     http://xbbjb.swu.edu.cn     第38卷