全 文 :收稿日期:2011 12 21
基金项目:国家自然科学基金项目(30900973)
作者简介:郭强梨(1987 ),女,河南滑县人,在读硕士研究生,研究方向:基因工程与细胞工程。E mail:578580087@qq.com
*通讯作者:王子成(1974 ),男,河南邓州人,副教授,博士,主要从事植物生物技术与表观遗传研究。E mail:wzc@henu.edu.cn
留兰香茎尖超低温保存及遗传变异分析
郭强梨,李忠爱,邵 丽,王子成*
(河南大学 生命科学学院,河南 开封475004)
摘要:为了长久保存留兰香种质资源,以留兰香(Menthae spicatae L.)茎尖为材料,对其玻璃化超
低温保存条件进行研究,并运用扩增片段长度多态性(AFLP)和甲基敏感扩增多态性(MSAP)对玻
璃化超低温保存再生材料(处理组)的遗传与表观遗传稳定性进行分析。结果表明:留兰香试管苗
于4℃低温锻炼28d,于添加2mol/L甘油的 MS培养基中预培养4d,0℃下于PVS2 中脱水
50min,液氮保存1h或者更长时间,成活率最高,可达60%左右,再生植株分化正常;超低温处理
后再生材料(处理组)与正常继代材料(对照组)之间未发现有DNA片段的差异;与对照相比,处理
组的材料均发生了甲基化状态与水平的变化,全基因组DNA胞嘧啶甲基化水平降低,另外,甲基
化与去甲基化位点比率分别为8.93%和12.3%,说明超低温处理能够引起DNA甲基化的变化。
由此推测,DNA甲基化可能是植物适应超低温保存的机制之一。
关键词:留兰香;超低温保存;AFLP;MSAP;DNA甲基化
中图分类号:S567.23 文献标志码:A 文章编号:1004 3268(2012)06 0128 05
Cryopreservation of Mentha spicata L.Germplasm and
Analysis of Genetic Variation
GUO Qiang-li,LI Zhong-ai,SHAO li,WANG Zi-cheng*
(Colege of Life Science,Henan University,Kaifeng 475004,China)
Abstract:In order to conservation of spearmint(Mentha spicata L.)for a long time,the shoot-
tips of spearmint were treated by vitification method of cryopreservation.The technologies of
methyl-sensitive amplified polymorphism (MSAP)and amplified fragment length polymorphism
(AFLP)were used to analyze the genetic and epigenetic stability of regenerated plants.The re-
sults demonstrated that the shoot tips were cryoacclimatized at a low temperature(4℃)for 28
days,pre-cultured in the MS medium with addition of 2mol/L glycerol after 4days,dehydrated in
PVS2at 0℃for 50min,and then liquid nitrogen preserved for 1hours or longer,the survival rate
was highest up to 60%.No variation band was found between the treatment and the control.The
DNA methylation level was reduced in recycled materials treated by cryopreservation.Methyla-
tion and demethylation of DNA were 8.93%and 12.3%,respectively.It suggests that DNA meth-
ylation might be one of the mechanisms used by plants to combat cryopreservation.
Key words:Mentha spicata L.;cryopreservation;AFLP;MSAP;DNA methylation
留兰香(Mentha spicata L.)又名绿薄荷、花香
菜,为唇形科薄荷属多年生草本植物,在民间被广泛
药用和食用[1-3],也可用作香皂之香精。另外,留兰
香可用作地被植物,在水土流失严重的坡地种植可
有效减轻和控制水土流失,起到良好的生态保护作
用[4-6]。我国关于留兰香种质资源保存的研究目前
河南农业科学,2012,41(6):128-132
Journal of Henan Agricultural Sciences
DOI:10.15933/j.cnki.1004-3268.2012.06.027
尚鲜见报道。作为多年生草本植物,留兰香在长期
种植过程中,易感染各种病害,造成病毒的积累,使
产量下降。建立离体保存技术,对于种质保存和病
毒脱除都具有重要的意义[7-8]。鉴于此,采用玻璃化
法对留兰香离体茎尖的超低温保存技术进行了初步
研究,并对超低温保存后留兰香叶片DNA甲基化
状态和水平进行了检测,以期为该物种种质的长期
保存提供技术手段。
1 材料和方法
1.1 材料
以河南大学生命科学学院植物种质资源与遗传
工程实验室所提供的留兰香幼苗为试验材料,选用
继代培养基 MS+0.2mg/L 6 BA+0.02mg/L
NAA进行增殖培养,pH值5.8,培养温度(25±2)℃,
光照时间12h/d。
1.2 方法
1.2.1 超低温保存过程 参照王子成等[9]的方法,
具体操作步骤如下。
①低温锻炼:将继代培养20d的留兰香试管苗
置于4℃冰箱中进行低温锻炼,并设置时间梯度,分
别为0、7、14、21、28、35、42d。
②预培养:取低温锻炼后的试管苗,在无菌条件
下切取1~2mm长的茎尖,置于固体预培养培养基
中,分别预培养1、2、3、4、5、6d,然后转入加有液体
预处理培养基的无菌冷冻管中,每管10个茎尖,
20℃下处理20min。固体预培养培养基为 MS+
2mol/L甘油+0.4mol/L蔗糖+7g/L琼脂,pH
值5.8;液体预处理培养基为 MS+2mol/L甘油+
0.4mol/L蔗糖,pH值5.8。
③玻璃化保护剂(PVS2)处理:用无菌胶头滴管
吸出液体预处理培养基,加入玻璃化溶液PVS2 并
置于0℃冰水混合物中处理不同时间,分别为20、
30、40、50、60、70、80min。PVS2 溶液为 MS+30%
甘油+15%乙二醇+15% 二甲基亚砜+0.4mol/L
蔗糖,pH值5.8。
④液氮保存:将冷冻管放入纱布袋,迅速投入液
氮中保存,液氮保存时间设为1、24、48、72、96h
5个梯度。将在液氮中保存不同时间的材料快速取
出,40℃水浴中化冻2~3min,在超净工作台下吸去
冷冻保护液,然后在20℃下用添加有1.2mol/L蔗
糖的 MS洗涤液将茎尖洗涤3次,每次10min。将茎
尖取出并置于无菌滤纸上吸去残留在其表面上的洗
涤液成分后,接种到恢复培养基上。恢复培养基为
MS+1.0mg/L GA3+1.0mg/L 6 BA+3%蔗糖+
0.7%琼脂,pH值5.8。暗培养3d后转移到正常光
照条件下进行恢复培养,7d后统计成活率。
成活率=超低温保存后成活的茎尖数/保存的
总茎尖数×100%。
1.2.2 DNA提取 取超低温保存处理组和对照组
(正常继代)的留兰香叶片,使用Universal Genomic
DNA Extraction Kit Ver.3.0进行DNA提取。
1.2.3 DNA检测 取DNA原液8.0μL,稀释至
3.0mL,用紫外分光光度计测定260nm和280nm
波长下的吸光值,计算DNA纯度和原液DNA质量
浓度。DNA 纯度=OD260/OD280,DNA 质量浓度
(ng/mL)=50×OD260×稀释倍数。取 DNA原液
2μL,1%琼脂糖凝胶上稳压(5V/cm)电泳30min,
检测 DNA 的质量,若主条带明亮,并且无拖尾现
象,则DNA可用于后续试验。
1.2.4 AFLP分析 AFLP分析参照 Hao等的方
法[10],略作改动:①选用 DNA双酶切体系:20μL
体系含200ng DNA、3UEcoRⅠ和3U MseⅠ,
37℃酶切3h,然后65℃保温2.5h;②连接:EcoR
Ⅰ 接头,MseⅠ接头,T4连接酶,25℃连接2.5h;
③预扩:引物为E A、M C;④选扩。⑤选扩产物
94℃变性5min后上样于6%PAGE,恒功率55W电
泳2.5h,固定、银染漂洗与显色后拍照并分析结果。
1.2.5 MSAP分析 基因组的DNA甲基化变化
采用 MSAP方法分析,参照Cervera等[11]和李雪林
等[12]的方法,并略作改动。与上述AFLP方法类似,
其中内切酶组合为EcoRⅠ/HapⅡ和EcoRⅠ/MspⅠ。
接头为EcoRⅠ接头和H M接头,预扩引物为E A
和HapⅡ MspⅠ。
2 结果与分析
2.1 不同处理对超低温保存留兰香茎尖存活率的
影响
2.1.1 低温锻炼时间 如图1所示,低温锻炼
28d,留兰香茎尖存活率高达59.2%,然后随着锻
炼时间的延长,成活率出现下降趋势。且叶片逐渐
枯黄、淡褐色的茎尖增多,低温锻炼42d时存活率
降到最低4.0%。
2.1.2 预培养时间 将低温锻炼28d的留兰香茎
尖转入固体预培养培养基中,结果如图2所示,茎尖
成活率随预培养时间的延长呈现先升高后降低的趋
势,预培养3d时,超低温保存效果最好,成活率达
到62.5%。
2.1.3 PVS2 处理时间 PVS2 处理是超低温保存
过程中极为关键的一步。结果表明(图3):PVS2 处
921 第6期 郭强梨等:留兰香茎尖超低温保存及遗传变异分析
理50min时的茎尖成活率最高,时间过短或更长都
不利于茎尖的成活和再生。可能是由于时间过短导
致玻璃化不完全,冻存过程中植物茎尖受到损伤;时
间过长,PVS2 的毒害作用导致茎尖存活率下降。
2.1.4 液氮保存时间 由图4可知,液氮保存时间
对植物茎尖的成活率影响不大,可能是由于在超低
温状态下细胞生理代谢水平几乎降为零,处于一种
“生机停顿”状态,时间梯度对试验结果已经没有意
义(图4)。这也可以说明液氮保存可以作为植物种
质资源长期保存的一种有效方法。
图1 低温锻炼时间对超低温保存后留兰香
茎尖存活率的影响
图2 预培养时间对超低温保存后留兰香
茎尖存活率的影响
图3 PVS2 处理时间对超低温保存后留兰香
茎尖存活率的影响
图4 液氮处理时间对超低温保存后留兰香
茎尖存活率的影响
2.2 应用AFLP分子标记检测留兰香基因组稳定
性结果
应用AFLP技术对处理组和对照组的材料进
行检测分析,6对引物共扩增出可统计条带365条。
如图5所示,2组材料之间没有出现多态性位点。
说明对照与处理样品之间基因组序列保持一致,没
有发生该方法可以检测到的遗传变异。
H1,H2为EcoRⅠ/MseⅠ酶切;H1、H2泳道分别为
对照组和处理组的AFLP带型
图5 超低温处理与对照之间基因组的AFLP扩增结果
2.3 应用 MSAP分子标记检测留兰香基因组DNA
甲基化结果
2.3.1 甲基化水平 HpaⅡ和MspⅠ是一组同裂
酶,二者均识别并切割5′CCGG3′序列,但是对胞嘧啶
的甲基化敏感性不同。HpaⅡ对胞嘧啶的甲基化极
其敏感,能识别并切割非甲基化和半甲基化位点,而
不能切割全甲基化位点。而MspⅠ能识别并切割非
甲基化和全甲基化位点而不能切割半甲基化位点。
处理组和对照组的 DNA 经 HpaⅡ/EcoRⅠ
(H)和MspⅠ/EcoRⅠ(M)酶切后的产物有4种类
型,但是,在聚丙烯酰胺凝胶电泳分析胶上只能检测
出3种类型。其中,类型Ⅰ表明CCGG位点没有发
生甲基化变化(如图6中a所示),类型Ⅱ表明
CCGG位点发生了半甲基化(如图6中b所示),类
031 河南农业科学 第41卷
型Ⅲ表明CCGG位点发生了全甲基化(如图6中c
所示)。由表1可知,经超低温处理后留兰香全基因
组DNA胞嘧啶甲基化水平降低,并且全甲基化率
高于半甲基化率。
H1,H2为HpaⅡ/EcoRⅠ酶切,M1,M2为MspⅠ/EcoRⅠ
酶切;H1和 M1泳道为对照组的 MSAP带型;H2和 M2
泳道为处理组的 MSAP带型
图6 超低温处理与对照之间基因组
的甲基化敏感性扩增结果
2.3.2 甲基化状态 利用12对不同引物组合对处
理组和对照组的DNA双酶切产物进行扩增,共出
现12种带型(表2),甲基化带型主要有多态性和单
态性2种。多态性即对照与处理组之间有不同的带
型〔甲基化(A型)、去甲基化(B型)和不定类型(C
型)〕,表明CCGG位点甲基化状态在超低温处理之
后发生改变。单态性即对照组与处理组之间有相同
的带型 (D型),表明低温处理后CCGG位点的甲基
化状态没发生变化。
由表3可知,处理组的DNA甲基化(A型)位
点数为45个,占总甲基化多态性扩增位点数的
8.93%;去 甲 基 化 (B 型)位 点 数 为 62 个,占
12.3%;总甲基化多态性为23.02%;甲基化状态未
发生变化(D型)的比率为76.98%。
由此,处理组与对照组相比,总甲基化比率降
低;在扩增的甲基化位点中,去甲基化的位点数高于
发生甲基化的位点数,同时基因组DNA甲基化多
态性也随之增加。
表1 超低温保存对留兰香基因组DNA甲基化水平的影响
样本 未甲基化带数/个 完全甲基化带数/个 半甲基化带数/个 总扩增带数/个 总甲基化带数/个 总甲基化比率/%
对照组 263(54.45%) 189(39.13%) 31(6.42%) 483 220 45.55
处理组 304(63.87%) 144(30.25%) 28(5.88%) 476 172 36.10
注:括号中数据为占扩增总数的比例。
表2 处理组与对照组材料的甲基化带型
酶切方式
H M H M
甲基化状态变化
处理前 处理后
变异位
点数/个
带型
0 0 0 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
4 B3
0 0 1 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
7 B4
0 1 1 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
31 B1
1 0 1 1
CCGG
GGCC
CCGG CCGG
GGCC GGCC
20 B2
1 1 1 0
CCGG
GGCC
CCGG CCGG
GGCC GGCC
8 A2
1 1 0 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
9 A1
0 1 0 0
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
18 A3
1 0 0 0
CCGG CCGG
GGCC GGCC
CCGG
GGCC
10 A4
0 1 1 0
CCGG
GGCC
CCGG CCGG
GGCC GGCC
9 C
1 1 1 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
246 D1
1 0 1 0
CCGG CCGG
GGCC CCGG
CCGG CCGG
GGCC GGCC
11 D2
0 1 0 1
CCGG
GGCC
CCGG
GGCC
131 D3
注:C和CC表示甲基化的胞嘧啶;1:有带,0:无带。
131 第6期 郭强梨等:留兰香茎尖超低温保存及遗传变异分析
表3 超低温保存对留兰香基因组DNA甲基化状态的影响
样本
甲基化
带数/个
总甲基化多态性带型
A型 B型 C型 多态性
单态性带型
(D型)
处理组 504 45(8.93%) 62(12.3%) 9(1.8%) 116(23.02%) 388(76.98%)
注:甲基化带数=A+B+C+D;括号中数据为占甲基化带数的比率。
3 讨论
本研究对留兰香的超低温保存技术进行了初步
研究,发现采用低温锻炼和预培养可以大大提高留
兰香超低温保存成活率,而PVS2 处理时间也对超
低温保存成活有重要影响,这与其他植物超低温保
存的结果相似[9,13]。从形态以及分子方面对超低温
保存后再生留兰香材料进行了遗传稳定性检测。就
形态上,处理组与对照组相比没有明显的变化;
AFLP分析表明,处理组与对照组之间未发现差异
条带,说明留兰香材料在DNA水平上没有发生遗
传变异,这与Kaity等、Peredo等在木果上的研究结
果一致[14-15];MSAP分析表明,处理组的DNA胞嘧
啶甲基化水平降低,并且全甲基化率高于半甲基化
率,另 外 甲 基 化 与 去 甲 基 化 分 别 为 8.93% 和
12.3%,这说明了超低温处理能够引起DNA甲基
化的变化。在经超低温处理的再生材料表观遗传变
异方面有也有报道,如 Kaity等[14]、Peredo等[15]与
何艳霞等[16]的研究结果表明,经过超低温处理的材
料与对照组相比均发生了甲基化变化。应该指出的
是,超低温保存后再生的材料中留兰香油含量等与
对照有无区别,还需要进行研究,另超低温保存后再
生材料的病毒脱除情况也需要进一步分析。
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