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大叶藻原生质体的分离和培养



全 文 :第33卷第8期
2014年8月
水 产 科 学
FISHERIES SCIENCE
Vol.33No.8
Aug.2014
大叶藻原生质体的分离和培养
崔翠菊,刘延岭,王 娜,张立楠,田萍萍,李晓捷,罗世菊,李 言
(山东东方海洋科技股份有限公司,国家海藻工程技术研究中心,
山东省海藻遗传育种与栽培技术重点实验室,山东烟台 264003)
摘 要:研究了水解酶的组合、酶液pH值和酶解时间等因素对大叶藻原生质体分离制备的影响,确定
了适合无菌大叶藻原生质体分离的最佳试验条件。试验结果显示,1.0g生长状态良好的大叶藻无菌
幼苗叶片,在5mL含2.0%纤维素酶、0.5%果胶酶和0.5mol/L山梨醇混合酶液的灭菌海水中,pH
4.0,17℃黑暗条件下轻摇酶解16h,可获得较多的大叶藻原生质体,产量达3.90×106个/g。用中性
红染色鉴定表明,原生质体存活率为85.0%。
关键词:大叶藻;无菌苗;原生质体;分离和培养
中图分类号:S968.4 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2014)08-0508-04
收稿日期:2013-09-25; 修回日期:2014-03-10.
基金项目:山东省科技发展计划项目(2010GSF10612);国家工程技术研究中心再建项目(2011FU125Z11).
作者简介:崔翠菊(1984-),女,工程师;研究方向:藻类遗传育种.E-mail:cuicuiju@163.com.
  原生质体为除去细胞壁、由细胞膜包围的裸露
细胞。自Takebe等[1]首次利用烟草叶片分离原生
质体并获得再生植株以来,原生质体的分离和培养
迅速发展。原生质体在物理、化学或自发性作用
下,可进行细胞的融合而获得体细胞杂种。体细胞
杂交技术给不同种、属乃至科间植物的遗传物质交
流提供了可行的途径和方法,克服了杂交不亲和导
致的生殖屏障。这项技术可以获得传统育种方法
无法培育出的杂种新植株[2]。目前,原生质体的分
离培养研究已不再局限于陆生植物,一些海草和藻
类如大洋聚伞藻(Posidonia oceanica)、海神草(Cy-
modocea nodosa)、海带(Saccharina japonica)、长
心卡帕藻(Kappaphycus alvarezi)和角叉菜(Chon-
drus ocellatu)等的原生质体分离和培养取得了一定
的进展[3-7]。大叶藻(Zostera marina)营沉水生活,
能在海洋中完成开花、结果和萌发等整个生活史,
广泛分布于近海生态系统中,在海洋生态环境保护
中起重要作用[8-9]。近年来对大叶藻的生物特性,
种子萌发等的研究也逐渐成为热点之一,但未见大
叶藻原生质体分离培养的报道。笔者分离得到了
大叶藻原生质体,探索了大叶藻原生质体的培养方
法,为研究大叶藻耐盐机制、生物技术育种、体细胞
遗传学等提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
大叶藻种子于2012年7—8月采自山东烟台雨
岱山海区,保存于本实验室,于10℃海水中充气
保存。
1.2 方法
1.2.1 无菌苗培养体系的建立
先将大叶藻种子用75%的乙醇溶液处理10
min,再用1.5% KI溶液消毒10min[10]。将消毒后
的种子分别接种于盐度为5的无菌抽滤海水中,放
入恒温光照培养箱内,促进种子的萌发,箱内温度
15℃,湿度60%,光照度3000lx(L∶D=12∶12)。
种子萌发后,转接到正常盐度的灭菌海水中,15℃、
湿度60%、光照度3000lx(L∶D=12∶12)条件下
培养至成苗。
1.2.2 原生质体的分离和纯化
待大叶藻无菌苗叶长至2~4cm时,取大叶藻
无菌新鲜嫩绿的幼叶,在培养皿中剪成0.2cm2的块。
置于酶解液中,材料∶酶解液为1∶5(m/V),酶解液
与材料混匀后置于10mL的细胞培养瓶中,17℃、
120r/min,黑暗下酶解。酶解液为不同质量浓度的
纤维素酶+不同质量浓度的果胶酶+0.5mol/L山
梨醇,用无菌海水配制。酶解后的混合液用300目
DOI:10.16378/j.cnki.1003-1111.2014.08.002
的筛绢过滤,收集的滤液以800r/min离心10min,
收集原生质体沉淀并用洗液(细胞—原生质体清洗
溶液+0.5mol/L甘露醇)进行悬浮,再用纯化液
(细胞—原生质体清洗溶液+25%蔗糖)进行悬浮
离心,1000r/min离心10min。将界面处的原生质体
层转移至新的离心管中,再用洗液洗涤一次,获得纯
化后的原生质体。每个处理设3个重复。
1.2.3 原生质体产量和活力测定
原生质体产量用血球计数板记数。原生质体
活力用1g/L的中性红染色检测,活的原生质体被
染成粉红色,失去活性的原生质体不能染色。以染色
的原生质体占观察的原生质体总数的百分数表示。
1.2.4 原生质体的培养
将原生质体稀释到1.0×105个/mL,以改良的
MS培养基[MS+2,4-D(2mg/L)]在96孔板中浅
层培养,水温15℃,8h光照,16h黑暗,每3d换液
一次,每日观察原生质体的分裂和生长状况。
1.2.5 数据处理
试验数据用SPSS软件进行统计分析,用Dun-
can’s法作差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 大叶藻无菌苗培养
无菌处理的大叶藻种子经3~5d培养即完全
萌发。种子萌发7d后,转接到正常盐度的无菌抽
滤海水中培养,7~14d后子叶长度可长至2~
3cm。本试验能够快速打破大叶藻种子的休眠,快
速萌发,低盐促萌发耗时短,效率高。培养过程只需
用正常的灭菌海水即可,不需用额外的培养基和生长
调节剂,节约成本,操作简便。培养的大叶藻幼苗可
直接用于原生质体的分离,勿需再进行消毒处理,避
免了消毒对试验材料的伤害和后续试验的影响。
2.2 不同质量浓度的酶组合对原生质体分离的
影响
通过预试验,最终选择纤维素酶和果胶酶的组
合,并设置了几种酶组合,试验结果见表1。
表1 不同质量浓度的酶组合对大叶藻无菌苗原生质体分离的影响
试验
编号
纤维素酶质
量浓度/g·L-1
果胶酶质量
浓度/g·L-1
产量
×106个/g
活力

A1 10  5  2.93±0.05a 75.03±0.25a
A2 10  10  2.55±0.07b 65.57±0.71b
A3 20  5  3.96±0.04c 86.43±0.78c
A4 20  10  3.41±0.02d 79.67±0.85d
A5 30  5  3.57±0.07e 80.50±0.72d
A6 30  10  3.45±0.03de 75.50±0.61a
  注:标有不同小写字母的平均值间差异显著(P<0.05).表2、
表3同.
由表1可知,在果胶酶质量浓度不变的条件
下,随着纤维素酶质量浓度的增加,原生质体产量
和活力有较大变化,果胶酶质量浓度为5g/L、纤维
素酶质量浓度为20g/L时,原生质体的产量和活力
最大,与其他组差异显著。当纤维素酶质量浓度不
变时,随着果胶酶质量浓度的升高,原生质体的产
量减少,活力降低,除纤维素酶质量浓度为30g/L
时,产量差异不显著(A5,A6),与其他试验组差异显
著。综合考虑酶的比例与原生质体的产量、活力关
系,最终选择纤维素酶质量浓度为20g/L、果胶酶
质量浓度为5g/L为最佳酶组合。后续试验均以此
酶组合为基础进行试验条件的优化。
2.3酶解时间对原生质体分离的影响
在纤维素酶质量浓度为20g/L和果胶酶质量
浓度为5g/L的酶解液中,大叶藻叶片经8、12、16、
24、30、48h的酶解处理,观察原生质体,计数并测
定原生质体的活力,结果见表2。
表2 不同酶解时间对大叶藻无菌苗原生质体分离的影响
试验组
酶解时间

产量
×106个/g
活力

B1 8  2.91±0.03a 85.91±0.46a
B2 12  3.30±0.08b 83.31±0.72b
B3 16  3.84±0.07c 85.65±0.53a
B4 24  3.72±0.04c 84.76±0.33ab
B5 30  3.32±0.04b 80.16±0.87c
B6 48  3.08±0.03d 76.59±0.63d
由表2可知,随着酶解时间的延长,大叶藻原
生质体的产量逐渐增加,当酶解时间超过16h后,
产量又缓慢下降。虽然16h的产量最高,但16h
和24h的产量差异不显著(B3 和B4),其他各组间
差异显著。8、16、24h检测原生质体的活力,均差
异不显著,随着酶解时间的延长,活力率也逐渐下
降。结合原生质体产量和活力,确定16h为最适酶
解时间。
2.4 酶解液pH值对原生质体分离的影响
在纤维素酶质量浓度为20g/L、果胶酶质量浓
度为5g/L的酶解液中,酶解液的pH 为3、4、5、6
时,酶解大叶藻叶片16h,观察原生质体,计数和测
定其活力,结果见表3。
905第8期 崔翠菊等:大叶藻原生质体的分离和培养
表3 不同的酶解液pH值对大叶藻无菌苗原生质体分离的影响
试验组 pH
产量
×106个/g
活力

C1 3  2.91±0.03a 82.50±0.70a
C2 4  3.90±0.02b 85.04±0.37b
C3 5  3.60±0.02c 83.30±0.53a
C4 6  3.28±0.07d 81.07±0.89c
表3显示,不同pH值的酶解液对大叶藻原生
质体的产量影响较大,在4种条件下,原生质体产
量均有显著差异。pH 4~5时,原生质体的产量和
活力均较高,其中pH为4时,原生质体产量最高,
当pH>4时,原生质体产量下降。
2.5 原生质体的培养
添加了2,4-D 的 MS液体培养基可有效地诱
导大叶藻原生质体分裂。培养3d后,部分原生质
体体积变大;培养5~6d原生质体中间出现凹陷
(图1a);8~10d时可见2~3次分裂(图1b);11~
15d时出现多细胞团(图1c)。但继续培养时,细胞
团越来越松散,部分细胞破裂,未观察到愈伤组织
的出现(图1d)。
图1 大叶藻原生质体的培养
A:培养5d的原生质体(×400);b:培养8d的原生质体(×
400);C:培养12d的原生质体细胞团(×400);d:培养25d变松
散的原生质体细胞团 (×400).
3 讨论
影响原生质体分离和培养的因素很多,如试验
材料的状态、裂解酶的种类及质量浓度组合、酶解
时间与pH、酶解温度与渗透压、培养基类型等[11]。
在制备原生质体前,对试验材料的无菌预处理非常
重要。大洋聚伞藻原生质体制备前先用70%酒精
浸洗,再用1.5%的次氯酸钠表面消毒15min,最后
用含抗生素的无菌海水浸洗才能得到无菌的材料,
在其他材料的消毒处理中也通常使用70%酒精、抗
生素和次氯酸钠等进行预处理[3-5]。本试验建立了
一种简便快速培养大叶藻无菌苗的体系,对种子进
行表面消毒后,在低盐海水中进行促萌发,之后转
至正常盐度海水进行培养,比低温打破种子休眠的
方法更快速,效率高,勿需用MS等液体培养基或添
加植物生长素等,节约了成本,简化了操作步骤,能
在短时间内可培养大量的无菌苗[12-13]。利用无菌
苗制备原生质体在烟草[14]、棉花[15]、草木樨状黄
芪[16]等陆生植物已取得较好的效果,但在海草和海
洋藻类中还未见用无菌苗进行原生质体分离的相
关报道。本试验利用培养得到的大叶藻无菌苗成功
分离到原生质体,避免了试验材料前期的消毒处理过
程,不伤害组织,保证叶片内细胞处于最佳状态。
由预试验得知,在制备大叶藻原生质体过程
中,裂解酶的种类和质量浓度组合、酶解时间和pH
对原生质体的产量和活力影响较大,所以本研究着
重对这三个因素进行了梯度试验并得到了最优分
离条件。其中裂解酶质量浓度对原生质体的产量
影响较大,酶解液质量浓度增大时,产量和活力均
增加,但当酶质量浓度过高时,原生质体产量和活
力反而降低(表1);酶解时间越长,产量虽然也先升
后降,但活力一直呈下降趋势,说明酶解时间长使
游离出来的原生质体细胞破裂而死亡;酶解液pH
值过高或过低原生质体的产量都下降,但对活力的
影响差异不显著(表3)。本试验的结果与海带、海
神草和小麦等原生质体分离条件优化试验中的结
论一致[4-5,17]。
Masayoshi等[18]研究表 明,红 纤 维 虾 海 藻
(Phyllospadix iwatensis)与大叶藻同属于眼子菜
科,但从其叶片中分离得到的原生质体并非全是球
形,从成熟叶片中分离到的原生质体非球形且细胞
膜凹陷,而由幼嫩的材料中分离到的原生质体具有
圆滑细胞膜的球形体。Kuo等[19]认为,这种细胞膜
的凹陷是一些海草和盐土植物细胞适应高盐环境
的一种复杂结构,随着植株的发育,这种细胞膜结
构越来越明显,这也释明了在幼嫩的材料中分离的
原生质体呈球形的结果。本试验制备得到的原生
质体均为球形,未见非球形的细胞,可能与本试验
选用的无菌苗为幼嫩的材料有关。大叶藻成熟叶
片制备的原生质体是否也会出现非球形有待进一
步试验。
大叶藻原生质体在后期培养过程中分裂率极
015 水 产 科 学 第33卷
低,只有极少数原生质体出现凹陷并分裂出少量细
胞团,这可能与海草的特殊细胞结构有关[3-4]。目
前尚未有海草原生质体培养成功的相关报道。试
验得到的无菌大叶藻幼苗原生质体,为大叶藻的原
生质体融合、植株再生、遗传转化和新品种培育等
奠定了基础,有关大叶藻原生质体培养条件还需更
深入的研究。
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Isolation and Culture of Protoplasts in Eelgrass Zostera marina
CUI Cui-ju,LIU Yan-ling,WANG Na,ZHANG Li-nan,TIAN Ping-ping,LI Xiao-jie,LUO Shi-ju,LI Yan
(Key Laboratory of Alga Genetic Breeding and Cultivation Technology in Shandong Province,National Alage Project
Technology Research Centre,Shandong Oriental Ocean Sci-tech Co.Ltd,Yantai 264003,China)
Abstract:The influences of hydrolase combination,solution pH,and enzymolysis time on isolation and
preparation of protoplast in eelgrass Zostera marina were studied,and the conditions for separation of pro-
toplasts were optimized from the eelgrass aseptic seedlings.It was found that high protoplast at a rate of
3.90×106 individuals/g eelgrass was obtained in 1.0g aseptic seedling leaves which were digested in 5ml
enzyme solution containing 2%celulase,0.5%pectinase and 0.5mol/L sorbitol under dark conditions of
pH 4.0for 16hours at 17℃.Neutral red staining revealed that these protoplasts had viability of 85.0%,
and the conditions of the protoplast culture were also discussed in the eelgrass.
Key words:eelgrass Zostera marina;aseptic seedling;protoplast;isolation and culture
115第8期 崔翠菊等:大叶藻原生质体的分离和培养