试验以5个不同基因型羽衣甘蓝品种为试材进行游离小孢子培养,研究基因型及振荡培养对小孢子胚发生和发育的影响,并对小孢子再生植株染色体倍性进行鉴定,以期创制多样性的观赏羽衣甘蓝DH系,为选育优异羽衣甘蓝品种奠定材料基础。结果表明:基因型影响羽衣甘蓝供试材料小孢子胚状体发生,供试材料中只有4个品种Y007、Y008、Y009和Y010诱导出了胚状体,平均出胚率分别为0.80、1.03、1.97和1.40胚/蕾,不同基因型间的小孢子胚诱导率差异显著,Y014多次重复培养均不能获得胚状体;60 r·min-1的低速振荡培养能够促进羽衣甘蓝胚状体的发生,加快胚诱导的速度,有利于提高子叶形胚发生的比例;染色体倍性鉴定结果表明:羽衣甘蓝小孢子植株中单倍体、二倍体和四倍体同时存在,不同基因型的倍性变异具有多样性,染色体自然加倍率为3.2%~92.0%。
全 文 :!核 农 学 报!"##,+ (#),
!"#,-.*#/#&0*.+%*+1
收稿日期!"#)*#A*#!接受日期!"#)∗"*"基金项目!国家自然科学基金",)#&#A# ! 齐齐哈尔大学青年教师科研启动支持计划项目""#)N*Z"# 作者简介!王玉书!女!讲师!主要从事观赏植物遗传育种和分子生物学研究% 0*1234\289<@#&;">:71通讯作者!冯辉!男!教授!主要从事蔬菜遗传育种和分子生物学研究 [X896=3222;",>8XT
文章编号!###*A%%""##,+*#+
观赏羽衣甘蓝小孢子培养及再生植株倍性变异
王玉书!王!欢"!范震宇!冯!辉,
" 齐齐哈尔大学生命科学与农林学院!黑龙江齐齐哈尔!##&" 齐齐哈尔大学化学 与化学工程学院!黑龙江 齐齐哈尔!##& ,沈阳农业大学园艺学院!辽宁 沈阳!##> 摘!要!试验以 % 个不同基因型羽衣甘蓝品种为试材进行游离小孢子培养!研究基因型及振荡培养对小 孢子胚发生和发育的影响!并对小孢子再生植株染色体倍性进行鉴定!以期创制多样性的观赏羽衣甘蓝 /Y系!为选育优异羽衣甘蓝品种奠定材料基础# 结果表明%基因型影响羽衣甘蓝供试材料小孢子胚状 体发生!供试材料中只有 ) 个品种 b##+"b##A"b##& 和 b## 诱导出了胚状体!平均出胚率分别为
#GA#"G#,"G&+ 和 G)# 胚H蕾!不同基因型间的小孢子胚诱导率差异显著!b#) 多次重复培养均不能
获得胚状体# ?&138 B的低速振荡培养能够促进羽衣甘蓝胚状体的发生!加快胚诱导的速度!有利于
提高子叶形胚发生的比例染色体倍性鉴定结果表明 小孢子培养胚胎发生植株再生倍性鉴定/EF#GA&H5>3@@8>##*A%%G"#%G#>#,+ !!羽衣甘蓝"6&11.*& "+&*+& a2?>&*+>5&&#是十字 花科芸薹属甘蓝种的一个变种!" 年生草本植物!原产 地中海至小亚西亚一带!是一种最接近甘蓝野生种的 植物% 观赏羽衣甘蓝叶片形态美观多变!株型紧凑)心 叶绚丽如花!整个植株形如牡丹!被形象地称为-叶牡 丹.% 由于其具有极强的耐寒性!且栽培容易!覆盖地 面的观赏期长达 ) 个多月!在我国观赏植物生产中占 有着重要的地位( %
我国使用的观赏羽衣甘蓝品种目前主要依赖进
口!大多数为 D杂种 个生活周期!
从一个杂合基因型材料起步!培育一个可用于商业制
种的纯合自交系需要 (A 年% 通过培养游离小孢子
进行单倍体育种!可以快速纯化育种材料!加快育种进
程!是一种较为成熟的生物技术育种方法 "( %
羽衣甘蓝游离小孢子培养最早见于 3`:6TX?,(的
报道!随后!U2N262T2等 )( )姜凤英等 %( )冯辉等 ( )
_289等 +(和张振超等 A(对羽衣甘蓝小孢子培养体系
进行了改进和优化!但关于小孢子培养过程中胚胎发
生与再生植株倍性方面的研究较少!这极大程度限制
了小孢子培养技术在实践中的应用% 本文以 % 个不同
基因型羽衣甘蓝品种为试材进行游离小孢子培养!研
究基因型及振荡培养对小孢子胚发生和发育的影响!
并对小孢子再生植株染色体倍性进行鉴定!以期创制
多样性的观赏羽衣甘蓝 /Y系!为选育优异羽衣甘蓝
品种奠定材料基础%
!"材料与方法
!#!"材料
% 个引自日本的羽衣甘蓝 D杂交种b##+ "波浪
叶红心#)b##A"波浪叶白心#)b##&"皱叶红心#)b## "皱叶白色#和 b#)"雪球 号#% !#"方法
G"G!试材种植 !试材于 A 月穴盘育苗!# 月移栽 至花盆!月份移到温室中进行6 长日照处理!翌
+,#核!农!学!报 "& 卷 年 " 月份开花取样进行小孢子培养% 常规管理%G"G"!取材和消毒!在羽衣甘蓝开花期!于晴天上
午 A## (### 时取供试材料植株主花序及一级侧 枝花序上的饱满花蕾% 用蒸馏水冲洗花蕾 , 次!控 干水分!经 +#Q乙醇表面消毒 ,# @!然后用 #GQ
Y9K4" 溶液消毒 A 138!最后用无菌水洗涤 , 次!每次
%138%
G"G,!小孢子的分离纯化和悬浮培养!小孢子分离 纯化方法参照姜凤英 &(的方法% 消毒完成的花蕾放 入无菌小烧杯中!加入少量 -% 液体培养基!用无菌玻 璃棒挤压花蕾!挤出小孢子% 小孢子悬浮液经孔径 )# "1的尼龙网过滤到刻度离心管中! ### ?*138 B下离心,138下离心 , 138!重复 " 次% 弃
上清!所得沉淀物即为纯净的小孢子%
将纯化的小孢子加入到 M` MB,培养基中"蔗糖浓度为,Q!SY值 %GA#!调整小孢子悬浮液密度到
C#% (" C#% 个*14B!分装于直径 # 11的培养
皿中!每皿 % 14!J2?2[341膜封口% 经 ,,O高温热激
")6 后!转至 "%O条件下继续暗培养!用倒置显微镜观
察离体小孢子的发育状况%
G"G)!振荡培养!以 b##& 和 b## 为试材!进行振
荡培养!振荡培养频率 # ?*138 B!以静止培养作为对照G"G%!胚培养和植株再生!将生长健壮的子叶形胚
状体转接到 -% 固体分化培养基",G#Q蔗糖!G#Q琼 脂!SY值 %GA#上!置于 "% jO)光照长度为 )6环境下培养!诱导胚状体发育形成再生植株H" ZI 生根培养基",Q蔗糖 h#G+Q琼脂 h
#G19∗‘BM..! SY值 %GA#诱导生根%
G"G!再生植株倍性鉴定!采用流式细胞仪"美国 -/公司! D.KIK.43]=?型#测定小孢子再生植株 /M. 含量% 取小孢子植株 :1" 左右新生叶片置于 # 11
培养皿中!加入 1‘K67SS389]=[X?% 1174*`BU?3@∗YK" SY 值 +G%#!A# 117∗‘B iK!"# 117*`BM2K!"# 117∗‘B 0/U.*M2"!*` B巯基乙醇 和 #G#%Q "aHa# U?3T78cB##(!然后用剪刀快速剪碎
叶片组织! ,## 目的筛网过滤至离心管中!# ### ?*138 B离心 #138!滤液备用% 取##1` 滤液中加
入 1` JF染液 "#G#Z的 J-I 缓冲液!%# "9*14BL.2@X! JF# !避光染色 "结果与分析
#!"小孢子胚发生的细胞学观察 供试材料分离的小孢子在 M` MB, 培养基中
,,O高温热激 ")6!之后转入 "%O培养!,P 后在倒置
显微镜下可发现部分小孢子开始膨大!直径增至原来
的 " 倍 (, 倍!膨大的小孢子多数呈圆形!也有少数呈
椭圆形% "%O条件下继续暗培养!一些小孢子停止发
育!一些小孢子膨大至细胞壁破裂!一部分小孢子会开
始第一次均等或不均等分裂!+ P 左右细胞经多次分
裂形成多细胞团!大约 "% P 左右可以看到球形胚
"图 B.#)心形胚"图 B-#)鱼雷形胚"图 BK#) 子叶形胚"图 B/#及一小部分畸形发育的胚% 在小
孢子培养过程中!存在胚胎发育不同步的情况!因此!
在同一培养皿中同时存在不同时期的胚状体%
注.球形胚! -心形胚!K鱼雷形胚! /子叶形胚.R47]=42?X1]?<7!−YX2?T*@62SXP X1]?<7!
KU7?SXP7∗@62SXPX1]?<7!/K7T<4XP78*@62SXP X1]?<7>
图 !"羽衣甘蓝小孢子胚状体
/*01!"P*I5-:+-54(845*3484A)57- -;Q6,4
#"不同基因型羽衣甘蓝的出胚率
本试验在不添加任何激素的 M` MB,培养基中!经,,O热激处理")6后!)个品种的出胚率存在明显差异 可知 b##& 出胚率最高!为 G&+ 胚H蕾! 其次为 b##!出胚率为 G)# 个H蕾& b##+ 和 b##A 小 孢子出胚情况较差!分别为 #GA# 胚H蕾和G#, 胚H蕾&
而 b#)没有出胚!多次重复培养均不能获得胚状体
! 期 观赏羽衣甘蓝小孢子培养及再生植株倍性变异
型对小孢子胚状体发生有一定的影响%
表 !"基因型对羽衣甘蓝小孢子胚发生率的影响
L6),4!";;4I.-;049-.7+4:-9;54RG49I7
-;A*I5-:+-54(845*3484A)57-:*9Q6,4
品种名
K=4T3a2?
花蕾数
M7>7[]=P@
总胚数
M7>7[T7T24X1]?<7@
胚诱导率
M7>7[X1]?<7@SX?]=PH
"胚H蕾#
b##+ ,# ") #GA# P/
b##A ,# ,G#, :K
b##& ,# %& G&+ 2. b## ,# )" G)# ]- b#) ,# # #G## X0
!!注表中同列数据后不同小写字母表示差异显著":p#G#%# !不同 大写字母表示差异极显著":p#G## %
M7TXU6X P3[X?X8T@124 4XTX?@38 T6X @21X :74=18 38P3:2TXP @3983[3:28:X2178912TX?324@2T#G#% 4XaX4& T6XP3[X?X8T:2S3T244XTX?@ 38P3:2TXP @3983[3:28:X2178912TX?324@2T#G# 4XaX4>
表 "振荡培养对羽衣甘蓝胚诱导率的影响L6),4";;4I.-;:M6Q*90 IG,.G54-9.M4;54RG49I7 -;4A)57-:*9Q6,4
品种
K=4T3a2?
处理
U?X2T1X8T
花蕾数
M7>7[-=P@
诱导胚数
M7>7[T7T2401]?<7@
胚诱导率
M7>7[X1]?<7@SX?]=PH"胚H蕾#
出胚时间
U31X7[X1]?<7@[7?12T378HP
b##& 振荡 ,# ) ">,">&# ",
b## 振荡 ,# )+>%+ "&
对照 ,# )# >,,">&# >"%
静置 %+ "# & ,%>#& # 振荡 )+ , , +># >,A
静置 )# +A)">#%"振荡培养对小孢子胚发生发育的影响 以 b##& 和 b## 为试材!比较 " 种培养方式对小
孢子胚发生的影响"表 "#% " 个材料经过振荡培养后
小孢子胚诱导率都有一定幅度的提高!b##& 振荡培养
时胚诱导率为 "G,胚H蕾!比静置培养时"G&# 胚H
蕾#提高了 #G", 胚H蕾!诱导率提高了 "GQ!b##
每花蕾诱导胚数从 G,,个提高到G%+ 个!诱导率提
高了 AG#%Q% 此外!" 个材料振荡较静置培养诱导形 成小孢子胚的时间缩短 " () P% 这说明一定的低速振 荡培养能够促进胚状体的发生!加快胚诱导的速度% !!本试验还研究了振荡培养对小孢子胚状体发育的 影响"表 ,#% 摇床低速振荡培养能够明显增加子叶形 胚的发生比例!畸形胚发生率减少% " 个供试品种经 振荡培养后!子叶形胚比率分别由 ,%G#&Q和 )"G%#Q 提高 到 +G&#Q 和 +G#Q! 畸 形 胚 比 率 分 别 由
#<"小孢子胚状体植株再生继代生根及移栽将" 次% 继代 ) 次后!将幼苗接种到生根培养
基中! 约 (
&,#$
! 期 观赏羽衣甘蓝小孢子培养及再生植株倍性变异
!!!! 表 <"羽衣甘蓝不同倍性小孢子植株所占比
L6),4<"S45I49.604:-;8*;;4549.+,-*87 +,69.:;5-A.M4A*I5-:+-54-;Q6,4
品种名
K=4T3a2?
植株数量
M7>7[3PX8T3[3XP
S428T@
单倍体
Y2S473P
二倍体
/3S473P
四倍体
UXT?2S473P
株数
M7>7[S428T
所占比例
U6X[?Xg=X8:
M7>7[S428T
所占比例
U6X[?Xg=X8:
M7>7[S428T
所占比例
U6X[?Xg=X8:
b##A A# %%> ,,>, " >$ b##& ,$ ,# &>A $ ,>" # #G# b#$# "% " A># ", &"># # #G# 比例高达 &GAQ!是 ) 种基因型中单倍体比例最高 的&b##+ 和 b##A 的再生群体中 , 种倍性植株同时存 在!二倍体比例分别为 %G#Q和 ,,G,Q% 由此可知! 不同基因型材料间再生植株的自然加倍率差别很大% %"讨论 小孢子的发育主要通过胚状体或愈伤组织 " 条途 径得到再生植株% 一种是小孢子经历胚发生的各个阶 段!最后子叶展开!形成小孢子植株&另一种是经脱分 化先形成愈伤组织!再分化成植株 $# B( % 无论是小孢
子途径还是愈伤组织途径!在离体培养条件下要使花
粉改变其正常发育方向形成单倍体植株!均需要多种
因素来共同调节和控制!供试材料的基因型既影响小
孢子胚发生又影响胚产率% 本试验采用 % 个不同基因
型的羽衣甘蓝品种进行游离小孢子培养!有 ) 个成功
获得了小孢子胚!而品种 b#) 没有得到小孢子胚!诱 导成功率为 A#Q!这说明在羽衣甘蓝小孢子培养中存 在着基因型依赖性问题!这与前人在花椰菜"( )芥
蓝 ,(和青花菜)(等甘蓝类作物游离小孢子培养中得
到的结论是一致的&另外!在获得胚状体的基因型中!
胚发生率存在着明显差异!且试验发现羽衣甘蓝胚发
生率明显低于甘蓝型油菜 ( )大白菜 +()结球甘蓝A(等作物!这可能是由于羽衣甘蓝花粉发育不一
致!同一花药的花粉发育阶段不统一造成的%
采用振荡培养代替静置培养有利于小孢子胚的发
生和发育!这与蒋武生等 &(和杨红丽等 "#(在大白菜 和甘蓝小孢子培养中所得的试验结果相一致% 一方面 由于振荡培养改善了培养基的通气状况!促进了小孢 子的呼吸作用&另一方面振荡培养可以把小孢子发育 过程中产生的不利于自身生长的物质快速稀释% 然 而!振荡频率不易过高!以免强烈的旋转将幼小的胚状 体溅到培养皿边缘和顶部阻碍其继续发育 "( % 本研
究采用 # ?*138 B的转速对 b##& 和 b## " 个品种进
行振荡培养也获得了相同的试验效果!振荡培养的小
孢子胚诱导率分别提高了 "GQ和AG#%Q!胚形成
时间缩短了 " () P!并提高了子叶形胚比例% 除上述
作用外!b289等 ""(在青梗菜小孢子培养中还发现!振
荡培养形成的胚能得到高的植株再生频率%
通过游离小孢子培养获得的植株倍性组成复杂!
往往是双单倍体)单倍体)多倍体以及嵌合体组成的混
合群体!因此有必要对其进行倍性鉴定% 不同作物小
孢子胚发生过程中!染色体自然加倍频率不同% 在白
菜类蔬菜作物的小孢子胚胎发生过程中!染色体自然
加倍率通常在 %#Q (+#Q ", B"( &青花菜小孢子植株
的二倍体率达到 G+Q (++GAQ "+( &而甘蓝型油菜
小孢子植株平均自然加倍率则仅有 "#Q "A( % 本研究
对供试观赏羽衣甘蓝材料小孢子植株的染色体倍性进
行鉴定!结果发现不同基因型材料小孢子植株的自然
加倍率差异较大!其中 b## 二倍体率最高达到 &"G#Q&b##& 二倍体率最低!仅有 ,G"Q&b##+ 和 b##A 的再生群体中二倍体比例分别为 %G#Q和 ,,G,Q% 这种自然加倍所得的 /Y植株!省去了用秋 水仙素等方法进行人工加倍的步骤!对于游离小孢子 技术的直接应用十分有利% 而单倍体植株长势弱)存 活率低!对于这些自然加倍率低的基因型有必要在适 宜的时期采用一定浓度的秋水仙素处理!可以起到较 好的加倍效果!从而满足育种工作的需要% <"结论 在供试的 % 份羽衣甘蓝材料中!有 ) 个形成了胚! 分别为 b##+)b##A)b##& 和 b##!平均出胚率分别为
#GA#)G#,)G&+ 和 G)# 胚H蕾! b#) 多次重复培养
均不能获得胚状体% # ?*138 B的振荡培养能够促进羽衣甘蓝胚状体的发生!加快胚诱导的速度!有利于提)#核!农!学!报 "& 卷 高子叶形胚发生的比例% 小孢子再生植株中单倍体) 二倍体和四倍体同时存在!不同基因型的倍性变异具 有多样性!染色体自然加倍率为 ,G"Q (&"G#Q之间% 参考文献! (!王怀名! 杜广岑! 贾翠莹! 谭学文!王贤>羽衣甘蓝的离体繁殖
V(>华北农学报!&&%!#"# ) B&
" (!史庆馨>芸薹属作物小孢子技术的发展与应用V(>北方园艺!
"##%! ")# )B$& B",
) (!U2N262T2b!iX4X?_ .>Y396 [?Xg=X8:
V(>J428TI:3X8:X!&&!+)""# ", "# +" #& B#"" + (!_289bI! U789b! 3`bD! e6289b! e6289V! DX89Vb! DX89 Y>Y396 [?Xg=X8:< S428T?X9X8X?2T378 [?71 13:?7@S7?X*PX?3aXP X1]?<7@7[7?821X8T24N24X"6&11.*& "+&*+& >`a2?>&*+>5&2# V(>I:3X8T32Y7?T3:=4T=?2X!"#!,#"#"& B,#"
A (!张振超! 耿鑫鑫! 戴忠良! 潘跃平! 王兵! 许玲! 颜志明! 周伟
军>甘蓝类植物小孢子培养及植株再生研究 V(>核农学报!
"#,! "+"+# &"& B&,+
& (!姜凤英>羽衣甘蓝游离小孢子培养体系的构建及应用 /(>沈
阳沈阳农业大学!"##"+
#(!付文婷>大白菜游离小孢子胚诱导及植株再生技术研究 /(> 杨凌西北农林科技大学! "##(!郑祖玲!张承妹!李树林!封莉霞!章振华>甘蓝型油菜"6&11.*&
%&>#1` >#花粉培养及植株再生 V(>上海农业学报!&A! " ",#& B"(!顾宏辉!唐桂香!张国庆!周伟军>冬性花椰菜的小孢子胚诱导
和植株再生研究V(>浙江大学学报农业与生命科学版!"##)! ,#"# ,)B,A,(!何杭军!王晓武!王炳良G芥蓝游离小孢子培养初报V(>园艺学
报!"##)!,""#",& B")#
)(!曾爱松!华秀红!张云霞!宋立晓!高兵!严继勇>四倍体青花菜小 孢子培养及胚胎发育途径研究 V(>核农学报!"#)!"A " A # ,%A B,)%(!介智靖>甘蓝型油菜小孢子培养及倍性鉴定/(>郑州郑州大 学! "##, B$ $(!朱彦涛!李殿荣!杨淑慎>低温预处理和基因型对甘蓝小孢子胚 胎发生的影响V(>西北农林科技大学学报$自然科学版!"##%! ,,"%# $AA B&, $+(!刘凡!李岩!曹鸣庆>培养基水分状况对大白菜小孢子胚成苗的 影响V(>农业生物技术学报!$&&+! %""#,B,
A(!王五宏!叶国锐!李必元!岳智臣!钟新民>结球甘蓝小孢子胚诱 导与植株再生V(>核农学报!"#,!"+"# +% B+""
&(!蒋武生!姚秋菊!张晓伟!原玉香!耿建峰>活性炭和振荡培养对 提高大白菜胚诱导率的影响V(>中国瓜菜!"##A!")#B, "#(!杨红丽!胡靖锋!徐学忠!和江明!宋爽>影响甘蓝小孢子胚状体 发生的因素研究V(>山东农业科学!"#%!)+""# " B")
"(!付颖! 杨硕!包美丽!刘雪利!冯辉>小菘菜游离小孢子培养技术 研究V(>中国蔬菜!"#!)"A#%B&11.*& &>& >`@@S>*5.%+%1.@# V(> I:3X8T32Y7?T3:=4T=?2X! "#,! +# B+,
",(!方淑桂!陈文辉!曾小玲!朱朝辉>不同熟性大白菜小孢子植株
倍性变异及倍性鉴定方法 V(>福建农业学报!"##&!") " ) # ,#) B,#+ ")(!高素燕!侯喜林!李英!单晓政!马成英>不结球白菜小孢子胚植 株再生及倍性研究 V(>西北植物学报! "##&! "& " ##& B
#& "%(!张凤兰! 钉贯!靖久>大白菜小孢子再生植株自然加倍率的探讨 V(>农业新技术!&&,! ""# $ ", B"% "(!马丽华! 沈火林! 王娟娟! 郭爽! 谭芳>不结球白菜小孢子胚成 苗及倍性变异研究V(>华北农学报!"##+!"""增刊# $ "## B"#, "+(!张振超!戴忠良!秦文斌!姚悦梅!潘永飞!肖燕!潘跃平>青花菜 小孢子再生植株加倍及倍性鉴定V(>蔬菜!"#$)!"$#% BA "A(!周伟军!毛碧增!唐桂香!Y2@]X?9J>甘蓝型油菜小孢子再生植 株染色体倍数检测研究V(>中国农业科学!"##"!,% "#+") B
+"+
")#!"#%&"()#*+&,−.*#/#&0*.+%*+1 "#%!"&"# #,+ ($#), O:-,6.48P*I5-:+-54NG,.G54698S,-*87 E65*6.*-9-; T4049456.48S,69.:*9U596A49.6,K6,4 _.MRb=@6=$!_.MRY=28"! D.Me6X8<=$!D0MRY=3, " $C+>&$/8+%/"(D.(+0*.+%*+1! ,-$.*#/#$+&%3 E"$+1/$9! F.G.5&+$A%.B+$1./9! F.G.5&$!4+."%-7.&%-!##& "<"+-+"(<5+8.1/9&%3 <5+8.*&H%-.%++.A%.B+1./9! F.G.5&!4+."%-7.&%-!$##& ,<"+-+"(4"$/.*#/#$+! 05+%9&%- ,-$.*#/#$&A%.B+$1./9! 05+%9&%-!D.&"%.%-!#$$#
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T6XX1]?<79X8X@3@! 28P 38:?X2@XT6XS?7S7?T378 7[:7T<4XP78*@62SXP X1]?<7@>U6X?X@=4T@7[S473P<2824<@3@@67\XP T62T
62S473P! P3S473P 28P TXT?2S473P :28 PX?3aXP @31=4T28X7=@4<[?7113:?7@S7?X! T6XS473P
K47C-58:7?821X8T24N24X! 13:?7@S7?X:=4T=?X! X1]?<79X8X@3@! S428T?X9X8X?2T378! S473P<3PX8T3[3:2T378 ,)#