全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 042566206
秋水仙素诱导党参四倍体
乔永刚1 　马璐琳2 　赵晓明2 　吴玉香2 　宋　芸1
(11 山西农业大学生命科学学院 ,山西 太谷　030801 ; 21 山西农业大学农学院 ,山西 太谷　030801)
摘　要 :以党参 ( Codonopsis pilosula (Franch. ) Nannf . ) 为诱变材料 ,用改良秋水仙素涂抹法进行多倍体诱
变 ,以获取四倍体 ,研究了秋水仙素对党参的诱导效果以及变异株的形态学与细胞学变化。本试验利用
012 %秋水仙素琼脂凝胶处理党参幼苗获得了四倍体材料 ,结果表明党参经秋水仙素诱导后 ,以处理 24h
加倍率最高 ,为 34114 %。四倍体植株形态学变异表现为苗期生长受阻 ,叶片变大变厚 ,叶形指数变小 ;
花器变大 ,茎杆加粗 ,茎节变短 ;结实率下降而千粒重增加等。党参四倍体植株的细胞学表现为叶下表
皮气孔器变大 ,气孔密度下降 ,保卫细胞内叶绿体的含量增加 ;花粉粒变大而花粉育性降低 ;根尖细胞有
丝分裂染色体数目为 2n = 4x = 32 ,其对照为 2n = 2x = 16。四倍体党参减数分裂染色体行为复杂 ,同源染
色体出现了多种联会方式。
关键词 :党参 ;秋水仙素 ;四倍体
TETRAPLOIDY INDUCEMENT OF Codonopsis pilosula ( Franch. ) Nannf . BY COLCHICINE
QIAO Yong2gang1 　MA Lu2ling2 　ZHAO Xiao2ming2 　WU Yu2xiang2 　SONG Yun1
(11 College of life Sciences , Shanxi Agricultural University , Taigu , Shanxi 　030801 ;
21 College of Agriculture , Shanxi Agricultural University , Taigu , Shanxi 　030801)
Abstract :In order to obtain the tetraploid , Codonopsis pilosula (Franch. ) Nannf . was induced by 012 % colchicine solution
with 24 , 48 and 72h. Results showed that 24h was the most effective treating time for obtain tetraploid plants , and the
efficiency was up to 34114 %. The morphology and cytology of mutation plants were surveyed. In comparison with normal
plants , mutation plants expressed the following features :the seedling growth retarded , the leaves became bigger and thicker
than that of diploid , the leaf shape index became smaller ; the flowers became larger , the diameter of stem became widening ,
the internode of the main stem became shorter ;seed setting rate was decreased and the 10002grain weight of mutants was higher
than that of the control . The cytology variation of the tetraploid plants expressed the following features :the stomatal cell was
larger and stomatal frequency was reduced , the number of chloroplast in stomata was increased ; the diameter of pollen became
larger and the pollen viability was increased ; microscopic examination of root tips showed that the chromosome number of
tetraploid was 2n = 4x = 32 , while that of diploid was 2n = 2x = 161We noticed many forms of homologous chromosomes
synapsis in meiosis of tetraploid plants.
Key words : Codonopsis pilosula (Franch. ) Nannf . ;colchicine ;tetraploidy
收稿日期 :2009201221 　接受日期 :2009203208
基金项目 :山西省科技攻关项目 (051057 - 2) ,山西省高校高科技开发项目 (20081010) ,山西农业大学育种基金 (2004087)
作者简介 :乔永刚 (19792) ,男 ,山西榆社人 ,硕士 ,讲师 ,研究方向为药用植物染色体工程。Tel :035426185195 ; E2mail :qyg53128 @1261com　　党参 ( Codonopsis pilosula (Franch. ) Nannf . ) 为桔梗科植物 ,以根入药 ,主要化学成分是甾醇类、糖类、生物碱、挥发性酸、三萜、氨基酸和无机元素等[1 ] 。党参味 甘性平 ,归脾、肺经 ,主要用于补中益气 ,健脾益肺 ,是我国重要的药用植物。全世界有党参属植物 40 余种 ,我国有 39 种之多 ,是世界党参的主产区和分布中心 ,
665　 核 农 学 报　2009 ,23 (4) :566～571Journal of Nuclear Agricultural Sciences
党参在我国主要分布于华北、东北、西北部分地区 ,全
国多数地区引种。在山西 ,党参主要分布于平顺、陵
川、屯留、长子、武乡、壶关及黎城等地 ,商品称“潞党”,
为著名道地药材[2 ] 。党参在国内市场消费量较大 ,同
时也是我国大宗出口药材之一 ,年消费量在 112 ×
107 kg 左右 ,野生资源蕴藏量为 1158 ×107 kg ,但资源分
散 ,且逐年减少。栽培党参是商品党参的主要来源 ,但
多年来只种不选 ,或只选不育 ,致使党参品种退化 ,抗
性降低 ,产量和品质下降。因此党参育种是目前党参
生产的主要问题。
植物多倍体表现出营养体的巨大性、强抗逆性等
优点 ,在自然界中比二倍体植物具有更大优势。多倍
体育种在药用植物中开展也较为广泛 ,如同源四倍体
南丹参普遍比原二倍体丹参生长势旺 ,茎杆粗壮、植株
高 ,根部药材比原植物粗大[3 ] 。秋水仙素诱变的长春
花细胞中长春碱的含量较普通细胞有显著提高 ,多倍
体植株根内游离氨基酸含量也有显著提高[4 ] 。丹参同
源四倍体中隐丹参酮、丹参酮 ⅠA、丹参酮 ⅡA 分别比
原植物高 203126 %、70148 %和 53116 %[5 ] 。四倍体白
芷药材中欧前胡素含量达0146 % ,二倍体对照药材仅
为 01225 % ,含量增加了10414 %[6 ] 。白术同源四倍体
株系过氧化物酶谱带比二倍体多出 1 条 ,且总过氧化
物酶比活力有很大改变[7 ] 。党参多倍体育种未见报
道。本试验旨在将党参加倍为多倍体并研究其形态学
与细胞学的变化 ,从中选择具有优良性状和高有效成
分含量的材料 ,或直接选育优良新品种 ,也可作为进一
步选育的原始材料 ,以为党参育种提供丰富的选择 ,提
高党参的产量与品质。
1 　材料与方法
111 　试验材料
桔梗科植物党参 ( Condonopsis pilosula ( Franch. )
Nannf . )采自山西陵川 ,由山西农业大学赵晓明教授鉴
定。
112 　试验时间及地点
田间试验于 2001 年到 2006 年在山西农业大学药
用植物育种基地进行 ,室内试验在山西农业大学生命
科学学院实验室进行。
113 　试验方法
11311 　诱变处理　2001 年春 ,利用涂抹法将 012 %秋
水仙素与 1 %琼脂溶液对党参幼苗生长点进行诱变处
理 ,诱变时间为 24、48 和 72h ,以不进行任何处理的材
料为对照。党参子叶刚刚展平并露出生长点时为适宜
处理时间 ,处理时将配制好的秋水仙琼脂凝胶加热溶
解 ,等温度降到 30 ℃至 35 ℃时将溶胶涂抹于生长点
上 ,24h 处理为 24h 后将凝胶去掉 ,48h 处理为在 24h
将凝胶去掉后再重复涂抹 1 次 ,72h 处理则相应需重
复涂抹 2 次。
11312 　植株的形态学观察 　诱变 7d 后 ,选对照与诱
变株各 10 株定期测量株高 ,作为植株生长速度的指
标 ; 2003 年 6 月各选取对照与变异株第 3 节到第 5 节
相同节位的叶片 20 片 ,利用显微测微尺在显微镜下测
量叶片厚度 ,同时测量叶片的长与宽并计算叶形指数 ;
2003 年 9 月选取对照与诱变株各 10 株测量主茎第三
节到第五节平均节间长度与主茎直径 ; 2003 年 7 - 8
月党参盛花期间 ,在诱变株和对照中随机采取当天开
放花冠充分展开的花 10 朵 ,测量党参花器完全展开时
的直径和高度 ; 2003 年 9 - 10 月随机选取党参诱变株
和对照各 10 株 ,从每株上各取成熟但没有开裂的蒴果
5 个 ,剥取种子 ,记数比较 ,并用游标卡尺测量其长宽
大小和千粒重。
11313 　细胞学观察　2003 年 6 月 ,选对照与诱变株相
同节位的叶片 ,用 1 %I2KI 染色制作叶片下表皮气孔
装片 ,用 OLYMPUS BX51 显微镜观察并摄影 ,测量气孔
器大小 ,统计气孔内叶绿体数量并统计气孔频度 ,每项
取 30 个数据求平均值。2003 年 7 - 8 月党参盛花期
间 ,选取对照与诱变株即将开放的花的雄蕊。干燥散
粉后混合每一处理的花粉 ,用 1 % I - KI 染色 , 用
OLYMPUS BX51 显微镜观察并摄影。随机测量各处理
30 个花粉粒的直径 ,并根据着色情况统计花粉生活
力 ,以圆形且染色后为棕红色的花粉粒为有生活力的
花粉粒 ,畸形、空洞或染色较浅的则为无活力花粉粒。
2003 年党参蕾期 ,选取对照与诱变株直径为 012～
015cm 花蕾 ,在卡诺固定液中于 4 ℃下固定 24h ,用卡宝
品红染色进行常规制片[8 ] ,用 OLYMPUS BX51 显微镜
观察并摄影 ,观察党参减数分裂。2003 年秋收获种子
后分别选用对照与诱变株种子进行根尖有丝分裂制
片 ,党参根尖制片采用常规压片法[8 ] 。经镜检选择染
色体分散良好的片子用光学树胶封片 ,于 OLYMPUS
BX51 显微镜下观察并摄影。
2 　结果与分析
211 　秋水仙素对党参形态学指标的影响
21111 　生长速度　对党参诱变株和对照的苗期生长速
度进行定期测量 ,结果发现 ,党参变异株在各个时期的
生长速度都慢于对照 ,各个时期的株高都显著低于对
765　4 期 秋水仙素诱导党参四倍体
照 ,到生长后期株高差别更加明显。另外变异株的生长
速度还表现出不整齐性 ,即变异株各株之间高度差异较
大 ,而对照则表现为生长势旺盛 ,植株间整齐度高。
21112 　叶形态变异　由表 1 可以看出 ,经秋水仙素诱
变后党参变异株叶片厚度增加显著 :对照的叶片厚度
为 0113mm ,而变异株的叶片厚度为 0121mm ,增加了
6115 %。与对照叶片相比 ,变异株叶宽增加 2112cm ,叶
长增加 1105mm ;叶形指数 (即叶片的长宽比) 为 1105 ,
对照的为 1146 ,变化的结果是变异株的叶片呈卵圆形
或圆形 ,而其对照的叶片呈狭长形或长圆形 (图 1) 。
图 1 　二倍体和四倍体党参叶片比较
Fig. 1 　The leaf comparison of diploid (L) and
tetraploid (R) radix codonopsis
21113 　茎形态变异 　变异株的生长速度虽然较对照
缓慢 ,株高较低 ,但其主茎粗壮 ,主茎直径为 0151cm ,
较对照的 0137cm 增加幅度达 3718 % ,差异极显著。另
外主茎的节间长度也有明显变化 ,变异株主茎节间长
度平均为 3124cm ,对照平均为 4166cm ,变化幅度为
3015 %(图 2) 。
图 2 　二倍体和四倍体党参茎粗与节间长度比较
Fig. 2 　The diameter and inter node of stem comparison
of disploid (L) and tetraploid (R) Radix condonopsis
21114 　花形态变异　经秋水仙素诱变处理后 ,变异株
花器的形态变化主要表现为其大小的变化 ,如花萼花
冠变大、子房膨大、柱头和花药变粗增大等。
表 1 　经秋水仙素诱变后党参的叶及茎形态变化
Table 1 　The comparison of leaf and stem variation of radix codonopsis treatd with colchicines
样本
sample
叶片厚度
leaf thickness(mm)
叶片大小 leaf size
长
length (cm)
宽
width (cm)
叶形指数
leaf index
主茎直径
stem diameter (cm)
节间长度
internode (cm)
对照 CK 0113 ±0107 4120 ±0103 2187 ±0102 1146 0137 ±0101 4166 ±0112
变异株 mutant plant 0121 ±010333 5125 ±010233 4199 ±010433 110533 0151 ±010233 3124 ±010833
注 : 3 表示在 0105 水平上差异显著 , 3 3 表示在 0101 水平上差异显著。下表同。
Note : 3 significance at 0105 level , 3 3 significance at 0101 level . The same as following tables.
　　由表 2 和图 3 可知 ,党参变异株的花器直径为
3122cm ,高为 2174cm ,而对照则为 2143 cm 和 1197cm ,
差异极显著。
图 3 　二倍体和四倍体党参花器比较
Fig. 3 　The flower organ comparison of diploid (L)
and tetraploid (R) radix codonopsis
21115 　种子与结实率变异 　变异株每个蒴果中的种
子数平均为 51 粒 ,对照单果种子数为 435 粒 ,变异株
的结实率仅为对照的 1113 %。虽然每单果结实率很
低 ,但变异株种子大、饱满、圆润、色泽较深、光泽度好。
千粒重的测定结果为变异株种子千粒重为 0141g ,而其
对照种子千粒重为 0125g ,变异株种子的千粒重显著高
于对照。
212 　秋水仙素对党参细胞学指标的影响
21211 　气孔性状变异　经秋水仙素诱变后 ,叶片气孔
的变化是植物多倍化的一个很重要的细胞学现象 ,一
般表现为气孔器大小增大和气孔频度减少。气孔器大
小指的是单个气孔器的长与宽或面积大小。气孔频度
(stomatal frenquency)是指每平方厘米叶面积里所包含
865 核　农　学　报 23 卷
表 2 　秋水仙素诱变后党参花与种子形态变化
Table 2 　The comparison of flower and seed variation of radix codonopsis treated with colchicines
样本
sample
花冠 corolla (cm) 种子大小 seed size (mm)
直径
diameter
高
high
长
length
宽
width
单果种子数
seeds of single
fruit (ind)
千粒重
10002grain
weight (g)
对照 CK 2143 ±0104 1197 ±0104 1132 ±0102 0155 ±0102 435 0125
变异株 mutant plant 3122 ±010633 2174 ±010733 1170 ±010433 0184 ±010633 5133 014133
表 3 　经秋水仙素处理后党参植株细胞学变化
Table 3 　The cytology variation of radix codonopsis treated with colchicines
样本
sample
气孔保卫细胞 stomatal guard cells
长
length (μm)
宽
width (μm)
保卫细胞内叶绿体数
No. of chloroplasts
气孔频度
stomatal frenquency
(indΠcm2) 花粉粒直径diameter ofpollen (μm)
对照 CK 15175 ±1125 13150 ±0171 13 ±210 4480 4715 ±0163
变异株 mutant plant 28190 ±117033 23125 ±110033 21 ±11133 192033 6816 ±211933
的气孔数目。对党参变异株及其对照叶片下表皮的气
孔器大小及气孔频度的测量结果如表 3 所示。
由表 3 可以看出 ,党参变异株的气孔长、宽较其对
照均显著增加 ,增加率分别达 8315 %和 7212 % ;气孔
频度则极显著降低 , 仅为其对照 4480 个Πcm2 的
4219 % ,为 1920 个Πcm2 ;叶片下表皮气孔器保卫细胞中
的叶绿体的数目变异株为 21 个 ,而对照的数目只有 13
个 ,为对照的 16115 %。 21212 　花粉粒性状变异 　花粉粒的变化不仅有其大小的变化 ,也表现有畸形、皱缩和空洞等。对党参变异株及其对照花粉粒的观察和测量结果表明 :变异株花粉粒的直径极显著大于对照 (图 4 - a、4 - b) 。另外变异株花粉粒中干瘪、皱缩、空洞等畸形的花粉粒含量较多 ,最高甚至达到 90 %以上 ,而对照几乎没有畸形花粉粒 ,因此变异株花粉育性较低。
图 4 　二倍体 (a)和四倍体 (b)党参花粉粒比较
Fig. 4 　The pollen comparison of diploid (a) and tetraploid (b) radix codonopsis
21213 　花粉母细胞减数分裂观察 　观察花粉母细胞
减数分裂发现 ,所有二倍体党参的减数分裂正常 ,如图
5 - a 所示。而变异株花粉母细胞减数分裂则表现不
同 :大部分变异株花粉母细胞内染色体数目为其对照
二倍体的 2 倍 ,即 2n = 4x = 32。说明这部分植株已加
倍为四倍体 ,也有个别变异株倍性恢复为 2n = 2x = 16 ;
对三年生党参变异株的花粉母细胞减数分裂前期 I 终
变期的观察发现 ,同源染色体联会出现了 Ⅳ、Ⅲ+ Ⅰ、
Ⅱ+ Ⅱ和 Ⅱ+ Ⅰ+ Ⅰ四种联会方式 ,即在此阶段可同
时观察到 Ⅳ价体、Ⅲ价体、Ⅱ价体和 Ⅰ价体 ,如图 5 - b
所示 ,四价体的存在也说明这部分植株已加倍为四倍
体 ;不同变异株间减数分裂后期 I 和末期 I 染色体的
分离情况不同 ,有的表现为均衡分离 ,32 条染色体均
衡地分配到两个子细胞中 ,每个子细胞中的染色体数
目为 16 条 ,也有的则为不均衡分离 ,其两个子细胞中
的染色体数目不相同。
21214 　根尖细胞有丝分裂观察 　对于有性繁殖植物
来说 ,能不能得到多倍体种子是加倍成功与否的标准。
965　4 期 秋水仙素诱导党参四倍体
经过根尖染色体制片发现 ,所有二倍体党参根尖染色
体数目均为 2n = 2x = 16 (图 6 - a) 。对变异株进行制
片发现 ,大部分变异株染色体数目为 2n = 4x = 32 ,如图
6 - b 所示。另外还发现有少部分染色体数目大于或
小于 32 的细胞与个别 2n = 8x = 64 的八倍体细胞。
图 5 　二倍体 (a)和四倍体 (b)党参减数分裂
Fig. 5 　The meiosis comparison of diploid (a) and tetraploid (b) radix codonopsis
图 6 　二倍体 (a)和四倍体 (b)党参有丝分裂
Fig. 6 　The mitosis comparison of diploid (a) and tetraploid (b) radix codonopsis
213 　不同处理时间对党参幼苗的诱变效果
本试验用 012 %浓度秋水仙素琼脂凝胶处理党参
幼苗生长点 ,处理时间为 24、48 和 72h ,不同时间的处
理均引起了党参植株的变异 ,通过形态学鉴定与细胞
学鉴定后统计加倍成功率 ,详见表 4。
表 4 　012 %秋水仙素不同处理时间对党参幼苗的加倍率
Table 4 　The induced effects by 012 % colchicine solution
with 24 ,48 and 72h
处理时间
treated
time (h)
处理株数
No. of
treat
死亡株数
No. of
death
加倍株数
No. of
doubling
加倍率
doubling
efficiency( %)
CK 50 0 0 0
24 41 27 14 34114
48 47 37 10 21130
72 110 86 24 20191
试验于 2001 年共诱变党参 198 株 ,经鉴定成功加
倍的为 48 株 ,不同处理时间的加倍率不同 (表 4) ,24h
处理的加倍率最高 ,为 34114 % ,72h 处理的加倍率最
低 ,为 20191 % , 48h 处理的加倍率居于二者之间为
21130 %。植株的死亡率是影响加倍成功率的重要因
素 ,由于党参植株细弱 ,操作略有不慎就会对幼苗造成
损伤 ,这是死亡率较高的原因之一 ,另外秋水仙素对植
株的抑制和毒害作用也是造成死亡率较高的原因 ,秋
水仙素的抑制作用在其他作物的诱变中也被发
现[9 ,10 ] 。同时由表 4 可见 ,处理 24、48 和 72h 的所有成
活植株均加倍 ,也说明党参植株对秋水仙素敏感度高 ,
因此党参适宜低浓度短时间处理。
3 　讨论
改良秋水仙素涂抹法是利用琼脂凝胶涂抹幼苗生
长点 ,操作简单 ,处理时期集中 ,秋水仙素浓度与处理
075 核　农　学　报 23 卷
时间可以精确控制 ,药剂用量少。对材料而言 ,幼苗生
长点分裂旺盛 ,处理部位易于掌握 ,药剂不会毒害根尖
和子叶 ,因此根部吸收养分与子叶光合作用不受影响。
该方法经过多年试验[11～13 ] ,无论对于双子叶植物还是
单子叶植物都找到了针对性的处理方法 ,诱导效果较
好。
党参经秋水仙素诱变后植株所表现出的形态变
异 ,如节增粗、节间变短、叶片变圆阔、花变大和气孔性
状变化等在其他植物[11～15 ] 诱导加倍时也都发生过。
任何一种形态学的变化都是有着生理生化基础的 ,不
同的植物经多倍体诱导后发生相似的变化 ,则说明这
些变化是规律性的而且是和多倍体加倍相关的 ,因此
这些规律性的形态学变化可以作为鉴定植物染色体组
是否加倍成功的初步标准。形态学变化更易观察 ,易
于掌握。
部分植株在生长早期形态学变化明显 ,但后期由
于多倍体细胞生长速度较慢 ,尤其是对于有性繁殖植
物还会发生倍性恢复 ,只有生殖器官染色体组加倍成
功才能保证将倍性传递给子代 ,得到纯合的多倍体。
而同源多倍体在减数分裂过程联会时会发生不联会或
提早解离 ,联会的形式也是多种多样的 ,有 Ⅱ价体 ,还
有 Ⅲ价体 , Ⅳ价体和 Ⅰ价体等各种形式 ,这样如果分离
时不均衡则不能产生正常的加倍配子 ,这是同源多倍
体植物结实率降低的原因之一 ,同时由于产生了染色
体数目不等的配子 ,后代也会产生染色体数目不等的
合子 ,甚至还会有二倍体出现。由此可见由于嵌合
体[9～11 ]和同源多倍体染色体组联会分离的问题[11 ] 导
致同源多倍体表现出倍性不稳定的现象 ,这是制约多
倍体育种的重要因素。
本试验利用 012 %秋水仙素琼脂凝胶处理党参幼
苗获得了四倍体材料 ,以处理 24h 诱变率最高 ,为
34114 %。四倍体党参 M1 代表现出苗期生长缓慢 ,叶
变大变厚 ,叶形指数变小 ,茎变粗 ,节间变短 ,花萼花冠
变大、子房膨大、柱头和花药变粗增大 ,结实率降低 ,种
子千粒重增加 ,气孔器增大和气孔频度减少 ,气孔内叶
绿体数目增加 ,花粉变大 ,育性降低等特征。
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