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大薯类原球茎的离体诱导及再生体系的建立



全 文 :植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (7): 1027~1032  doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0191 1027
收稿 2014-04-16  修定 2014-05-20
资助 海南省重大科技项目(ZDZX2013023)、高等学校博士学
科点专项科研基金(20114601110001)和海南大学地方服务
项目(HDSF201304)。
* 通讯作者(E-mail: dioscorea@163.com; Tel: 0898-66279037)。
大薯类原球茎的离体诱导及再生体系的建立
许云, 高艳强, 高洪昌, 夏赟, 吴文嫱, 黄东益*
海南大学农学院, 海口570228
摘要: 采用正交试验设计方法, 以大薯带节茎段为外植体, 离体诱导类原球茎并建立大薯类原球茎的再生体系, 以解决愈伤
组织分化成苗和试管苗移栽成活率低的难题。结果表明: 以带节茎段为外植体诱导类原球茎的最适培养基为MS (含
3×Ca2+)+1.0 mg·L-1 6-BA+0.2 mg·L-1 NAA+0.1% PVP+3%蔗糖, 诱导率高达93.33%; 类原球茎增殖的最适培养基为MS+4
mg·L-1 6-BA+80 mg·L-1 Ad+0.1% PVP+3%蔗糖; 类原球茎生根的最适培养基: 1/2MS+0.10 mg·L-1 NAA+0.1% PVP+3%蔗
糖。将诱导得到的生根类原球茎植株进行炼苗, 移栽基质珍珠岩:蛭石=2:1, 移栽成活率可达到95%。
关键词: 大薯; 正交试验设计; 类原球茎
In Vitro Induction and Regeneration of Protocorm-Like Bodies of Dioscorea alata
XU Yun, GAO Yan-Qiang, GAO Hong-Chang, XIA Yun, WU Wen-Qiang, HUANG Dong-Yi*
College of Agronomy, Hainan University, Haikou 570228, China
Abstract: To resolve problem of low survival rate of Dioscorea alata cultured in vitro, orthogonal experimental
design method was employed to induce protocorm-like body (PLB) by stem segments with axillary bud of D.
alata, and establish regeneration system of PLBs. Results showed: the suitable medium for PLB induction was
MS (with 3×Ca2+)+1.0 mg·L-1 6-BA+0.2 mg·L-1 NAA+0.1% PVP+3% sucrose, induction rate was 93.33%; the
optimum medium for PLB multiplication was MS+4 mg·L-1 6-BA+80 mg·L-1 Ad+0.1% PVP+3% sucrose; the
optimum medium for PLB roots differentiation was 1/2MS+0.10 mg·L-1 NAA+0.1% PVP+3% sucrose. Accli-
matized with the ratio of perlite and vermiculite is 2:1, and after transplantation, the survival rate of rooted
PLBs plantlets could reach over 95%.
Key words: Dioscorea alata; orthogonal experimental design; PLB (protocorm-like body)
大薯(Dioscorea alata)又名参薯, 为薯蓣科薯
蓣属藤本植物, 是一种药、食、饲兼用的高产高
效经济作物; 其产量潜力高, 亩产块茎产量达5吨
以上, 淀粉含量高达28% (Onyeka等2006), 成为能
源植物的新选择。但是由于大薯的生物学特性,
如很少开花或根本不开花、结实率和种子萌发率
低、休眠时间长等原因, 造成种质资源的退化, 产
量降低, 不利于大薯的商业化种植。目前, 国内外
关于大薯细胞培养(Twyford和Mantell 1996; Tor等
1998)和组织培养(Mantell和Hugo 1989; Belarmino
和del Rosario 1991; Borges等2004; Belarmino和
Gonzales 2008; Shah和Lele 2012)的研究不断增多,
对其微型块茎的诱导(Jean和Cappadocia 1992; Ba-
zabakana等1999; 林红等2011)也进行了探讨和研
究, 以期用繁殖体的离体培养来实现快繁, 但愈伤
组织分化成苗和试管苗移栽成活率低的问题依然
难以解决(Belarmino和Gonzales 2008)。类原球茎
(protocorm-like body, PLB)最早是由Morel在1960
年用来描述兰科植物的组织培养中产生的类似于
原球茎的结构, 与单纯的体细胞胚胎相比, 植物类
原球茎是植物在组培条件下诱导产生的兼备胚胎
发生和器官发育两个过程的整合体, 可成功应用
于植株再生、种质资源保存、基因工程育种等领
域。目前, 国内外关于类原球茎的诱导及相关研
究多集中在兰科植物上, 薯蓣属植物仅有彭晓英
等(2010a, b)建立了盾叶薯蓣类原球茎离体诱导的
快繁体系, 并对其进行了形态解剖学观察、细胞
结构等方面的研究, 尚未见大薯类原球茎的相关
报道。本研究采用正交试验设计方法, 以大薯带
腋芽的茎段为外植体离体诱导类原球茎, 从而建
立类原球茎的再生体系, 为大薯试管种苗的工厂
植物生理学报1028
化生产开创一种新模式, 并为类原球茎的遗传转
化和诱变育种提供实验基础。
材料与方法
1 材料
以海南大学薯蓣种质资源圃的大薯 (Dio-
scorea alata Linn.)植株为材料, 选取带节茎段作为
外植体。
2 外植体的接种及无菌苗的获得
以带节茎段为外植体, 75%乙醇表面消毒30 s,
无菌水冲洗2次, 滴加2滴吐温20的0.1%升汞浸泡8
min后, 无菌水冲洗5次, 接种在添加80 mg·L-1 Ad
(腺嘌呤)、0.1% PVP (聚乙烯吡咯烷酮)、0.7%琼
脂、3%蔗糖和pH 5.8的MS培养基上, 28 ℃, 50
µmol·m-2·s-1光照14 h·d-1, 通过腋芽诱导和增殖培养
获得无菌苗。
3 类原球茎的诱导
将无菌苗切成1 cm左右的带腋芽茎段, 接种
到添加不同6-BA (6-苄氨基腺嘌呤)、NAA (α-萘
乙酸)和2,4-D (2,4-二氯苯氧乙酸)浓度配比的MS
基本培养基上进行培养, 每个处理接种20个茎段,
重复3次, 采用三因素四水平L16(4
3)的正交试验设
计, 观察不同植物生长物质组合和浓度对诱导PLB
的影响。培养基中添加0.1% PVP, 0.7%琼脂, 3%蔗
糖, 3×CaCl2, pH 5.8, 121 ℃灭菌20 min。培养条件
为: 温度28 ℃, 暗培养。诱导率为培养25~30 d后诱
导出类原球茎的外植体数与接种外植体数之比。
4 类原球茎的增殖
类原球茎的增殖也采用三因素四水平L16(4
3)
的正交试验设计。将诱导形成的类原球茎接种于
附加不同浓度配比的6-BA、NAA、Ad的MS培养
基上进行培养, 每个处理接种20个愈伤组织切块,
重复3次, 基本培养基成分同上, 培养条件为28 ℃,
光照强度50 µmol·m-2·s-1, 光照时间14 h·d-1。增殖
系数为培养10~15 d产生直径大于1 mm的PLB突起
数与接种类原球茎的数量之比(彭晓英等2010b)。
将增殖的类原球茎切分后转接到增殖培养基上,
以相同的条件培养, 每2周继代1次, 形成类原球茎
的增殖体系。
5 类原球茎的生长与生根
增殖形成的类原球茎在原来或新的分化增殖
培养基上继续培养, 观察PLB的生长状况。根据夏
赟(2012)、夏赟等(2012)的研究结果, 单独使用
NAA诱导生根, 挑选顶芽长度为2 cm左右的PLB,
转入含有不同NAA浓度的不同倍数的MS培养基
上, 培养观察类原球茎的生根情况, 生根率以生根
的植株数占接种植株数的百分数来表示。
6 类原球茎植株的炼苗与移栽
选择根系较发达的植株, 打开培养瓶盖, 将培
养瓶移至自然光下炼苗3~5 d。移栽时将根部的培
养基洗净, 去除褐化的老根, 分株移栽至装有珍珠
岩:蛭石为2:1的混合培养基质中, 每天定时喷壶喷
水60次, 待小苗生长健壮后, 定植于土壤中, 统计
移栽成活率。
实验结果
1 不同生长物质组合培养基对类原球茎诱导的影响
带节茎段为外植体时PLB诱导实验结果见表
1, 表中K值和SNK法的结果均显示最优水平组合
为6-BA 1.0 mg·L-1+NAA 0.2 mg·L-1+2,4-D 0 mg·L-1,
该组合出现在表内的16个试验方案中, 即第11号处
理组合愈伤组织诱导率为最高值93.33%, 可见正
交表中列出的组合能反映到本试验中所有具代表
性的设计方案。F值结果显示, 6-BA和NAA因素的
变化与PLB的诱导率呈显著差异, 而与C因素的差
异不显著, 影响因素顺序为6-BA>NAA>2,4-D。同
时, K值表明6-BA和NAA两个因素分别在0~1.0
mg·L-1和0~0.2 mg·L-1范围内, PLB的诱导率随其浓
度的增加呈上升趋势; 继续增加浓度, 诱导率有所
下降。带节茎段在添加1.0 mg·L-1 6-BA与0.2
mg·L-1 NAA的诱导培养基上培养30 d左右, 大部分
在叶腋处直接膨大成几个类原球茎(图1-A), 少部
分形成致密或疏松的愈伤组织(图1-B、C)。根据
比较结果 , 最适PLB诱导培养基配方为MS (含
3×Ca2+)+6-BA 1.0 mg·L-1+NAA 0.2 mg·L-1。
2 不同生长物质组合培养基对类原球茎增殖的影响
将类原球茎转入供试PLB增殖培养基上培养
8~10 d后, 膨大的PLB上出现多个白色或淡黄绿色
的鳞片叶突起(图1-D), 其数量随添加物浓度配比
不同而不同。表2中F值结果显示: 6-BA和Ad因素
对增值率的影响显著, NAA因素不显著。K值显
示, 随6-BA和Ad浓度的增大, PLB的增殖率有所增
许云等: 大薯类原球茎的离体诱导及再生体系的建立 1029
表1 正交设计和类原球茎诱导的实验结果
Table 1 The orthogonal table design and the experiment results of PLB induction rate
处理编号
生长物质浓度/mg·L-1
诱导率/% 生长状况
6-BA NAA 2,4-D
1 0 0 0 0 直接分化成芽
2 0 0.1 0.5 0 直接分化成芽
3 0 0.2 1.0 0 直接分化成芽
4 0 0.3 1.5 0 直接分化成芽
5 0.5 0 0.5 15.00 类原球茎绿色, 个数较少, 长势缓慢
6 0.5 0.1 0 18.33 类原球茎绿色, 个数较少, 长势缓慢
7 0.5 0.2 1.5 26.67 类原球茎黄绿色, 个数少, 长势缓慢
8 0.5 0.3 1.0 18.33 类原球茎黄绿色, 个数较少, 长势缓慢
9 1.0 0 1.0 11.67 类原球茎黄绿色, 个数较少, 长势较慢
10 1.0 0.1 1.5 38.33 类原球茎绿色, 个数较少, 长势较快
11 1.0 0.2 0 93.33 类原球茎绿色, 个数多, 长势较快
12 1.0 0.3 0.5 68.33 类原球茎黄绿色, 个数较少, 长势较慢
13 1.5 0 1.5 8.33 类原球茎绿色, 个数较少, 长势缓慢
14 1.5 0.1 1.0 21.67 类原球茎绿色, 个数少, 长势缓慢
15 1.5 0.2 0.5 28.33 类原球茎黄绿色, 个数少, 长势较慢
16 1.5 0.3 0 20.00 类原球茎黄绿色, 个数较少, 长势较慢
K1 0 1.05 3.95
K2 2.35 2.35 3.35
K3 6.35 4.45 1.55
K4 2.35 3.20 2.20
F值 49.45* 14.57* 8.40
  *表示差异显著(P<0.05)。表2同。
表2 正交设计和类原球茎增殖的实验结果
Table 2 The orthogonal table design and the experiment results of PLB multiplication rate
处理编号
生长物质浓度/mg·L-1
增殖系数 生长状况
6-BA NAA Ad
1 0 0 0 0 不增殖
2 0 0.1 40 0 不增殖
3 0 0.2 80 0 不增殖
4 0 0.3 120 0 不增殖
5 2 0 40 0.73 细胞团增大, 类原球茎个数少, 致密
6 2 0.1 0 0.13 细胞团体积略增大, 类原球茎个数几乎无变化
7 2 0.2 120 0.23 细胞团体积略增大, 类原球茎个数几乎无变化
8 2 0.3 80 1.28 细胞团增大明显, 类原球茎个数较多, 致密
9 4 0 80 2.83 细胞团体积增大明显, 类原球茎个数多, 致密
10 4 0.1 120 0.52 细胞团增大, 类原球茎个数少, 致密
11 4 0.2 0 0.18 细胞团体积略增大, 类原球茎个数几乎无变化
12 4 0.3 40 0.55 细胞团增大, 类原球茎个数少, 致密
13 6 0 120 0.12 细胞团体积略增大, 类原球茎个数几乎无变化
14 6 0.1 80 1.20 细胞团增大明显, 类原球茎个数较多, 致密
15 6 0.2 40 0.52 细胞团增大, 类原球茎个数少, 致密
16 6 0.3 0 0.12 细胞团体积略增大, 类原球茎个数几乎无变化
K1 0 6.98 1.30
K2 5.21 4.16 4.60
K3 6.68 3.72 5.29
K4 5.44 2.47 4.52
F值 70.98* 8.22 13.90*

植物生理学报1030
加, 但当浓度分别达到6 mg·L-1和120 mg·L-1时,
PLB的增殖率反而下降。K3结果表明4 mg·L-1的
6-BA浓度是PLB增殖的最适浓度; K值中Ad因素
的最高水平为80 mg·L-1, 说明较高浓度的Ad对PLB
的诱导具有一定的促进作用。三因素的最优组即
表中的9号处理为最佳试验方案, 最适培养基为
MS+4 mg·L-1 6-BA+80 mg·L-1 Ad, 增殖系数高达
2.83, 两周后继代, 类原球茎继续增殖。
3 类原球茎的生长与生根情况
类原球茎在增殖培养基上继续培养5~10 d时,
类原球茎的顶芽冒出(图1-E), 顶芽不断伸长, 幼叶
开始舒展(图1-F)。将顶芽长至2 cm左右的PLB转
入生根培养基中, 7 d时开始生根, 表3显示, 诱导类
原球茎生根时, 不同倍数MS培养基之间对生根率
的影响均达到极显著差异, 1/2MS培养基上的生根
率最高, 发根早且根系粗壮发达, 为生根最适基本
培养基。另外随着NAA浓度从0.05 mg·L-1升至
0.10 mg·L-1时, 生根率达到95%的最高值, 根生长
迅速, 15 d后PLB鳞片叶着生处伸出的根系平均长
度达5 cm, 继续培养, 根系不断伸长(图1-G); 当
NAA浓度超过0.10 mg·L-1后, 再生根的诱导率开始
明显下降, 根生长速度变缓慢。
4 类原球茎植株的炼苗与移栽
在开瓶炼苗和移栽到基质期间, 将组培苗的
叶片数量控制在2~4片(图1-H)。植株大小应选取
含有2~3个茎节的幼苗更易存活, 太小的组培苗移
栽后, 顶端和叶片靠近基质太近易发生腐烂, 太大
也不易存活。炼苗基质的选择以珍珠岩和蛭石比
图1 大薯类原球茎发生的形态学观察
Fig.1 Morphology in ontogeny of PLB of D. alata cultured in vitro
A: 类原球茎诱导培养基上30 d诱导的类原球茎; B: 类原球茎诱导培养基上20 d诱导的致密愈伤组织; C: 类原球茎诱导培养基上30 d
诱导的疏松愈伤组织; D: 类原球茎增殖培养基上培养8~10 d后, 长出带鳞叶的类原球茎; E: 类原球茎增殖培养基上培养15 d后, 顶芽伸出
的类原球茎; F: 类原球茎增殖培养基上培养20 d后, 分化出不定芽的类原球茎; G: 生根培养基上培养15 d后, 长出茎叶根的类原球茎; H: 移
栽20 d后的幼苗; I: 定植于土壤2个月后的植株。
许云等: 大薯类原球茎的离体诱导及再生体系的建立 1031
例为2:1的混合物, 移栽后20~30 d将幼苗定植于土
壤中生长发育, 移栽定植存活率可达95% (图1-I)。
讨  论
不同植物种类能否高效诱导类原球茎的发生,
主要取决于植物自身基因型和诱导条件两个方面,
探索和完善适合某一特定植物类原球茎的诱导条
件是主要研究方向。本研究中6-BA对大薯PLB的
诱导影响最为显著; 而2,4-D的添加对诱导PLB有
较强的抑制作用, 这与彭晓英等(2010b)在诱导盾
叶薯蓣类原球茎的结论相一致, 但2,4-D却是霍山
石斛(金青等2008)、蝴蝶兰(崔广荣等2007; Ernst
1994)、石斛兰(王丽萍和梁淑云2010)和文心兰(陈
晓旋等2010)等兰科植物的重要影响因子, 推测与
植物本身基因型有关。此外高浓度的Ca2+对类原
球茎的诱导影响明显, 这与钙对植物组织培养的
影响的结果相似(Tian等2004; 易鑫2007)。在类原
球茎的增殖过程中, 高浓度的Ad对类原球茎胚性
细胞的发生也起着促进作用, 而陈晓旋等(2010)也
提出添加适当的Ad能促进文心兰类原球茎的诱导
分化。
本研究发现, 在添加1 mg·L-1 6-BA与0.2 mg·L-1
NAA的诱导培养基中, 以大薯带腋芽的茎段为外
植体时, 大部分带腋芽的茎段腋芽直接膨大成类
原球茎; 小部分在叶腋处膨大产生致密的愈伤组
织, 或者在茎段切口处产生疏松的愈伤组织。根
据植物类原球茎的起源类型, 大薯的类原球茎属
于直接诱发型, 由外植体内部薄壁细胞直接脱分
化形成胚性细胞团, 再与周围其他细胞形成类原
球茎, 与大花蕙兰(胡恒康等2005)、狗蔷薇(姜福
星等2010)类原球茎的发生途径一致; 而虎头兰(张
丕方等1989)、安烛花(Yu等2009)和盾叶薯蓣(彭晓
英等2010a)类原球茎的形成属于间接诱发型, 外植
体被诱导形成愈伤组织后再形成胚性细胞团, 并
与其他分生组织或薄壁细胞共同发育为类原球
茎。可见, 即使是同一属的不同植物, 其类原球茎
的发生途径也不尽相同, 反映了植物类原球茎起
源的复杂性。
本研究成功诱导出大薯的类原球茎, 完善了
其增殖、分化、成苗条件。PLB再生体系移栽成
活率高, 成苗周期短, 增殖系数大, 为大薯试管种
苗的工厂化生产提供了有力的技术支持, 并为类
原球茎的遗传转化和诱变育种提供实验基础。
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表3 不同处理组合对类原球茎诱导生根的影响
Table 3 Effects of different treatment combination on rooting induction
处理编号 MS倍数 NAA/mg·L-1 生根率/% 生长状况
1 1/4 0.05 11.7±2.4FGf 白色, 纤细, 少且生长缓慢
2 1/4 0.10 20.0±4.1DEe 白色, 纤细, 少且生长缓慢
3 1/4 0.20 6.7±2.4Gg 白色, 纤细, 少且短
4 1/2 0.05 73.3±6.2Bb 白色, 粗壮, 根系发达, 生长较为迅速
5 1/2 0.10 95.0±4.1Aa 白色, 粗壮, 根系发达, 生长迅速
6 1/2 0.20 25.0±4.1De 白色, 纤细, 少且生长缓慢
7 1 0.05 46.7±6.2Cd 白色, 纤细, 根系较为发达, 生长较为迅速
8 1 0.10 58.3±2.4BCc 白色, 纤细, 根系发达, 生长较为迅速
9 1 0.20 13.3±2.4EFf 白色, 纤细, 少且生长缓慢
  同列数字后不同大写字母表示差异极显著(P<0.01), 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
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