全 文 :第 21 卷 第 2 期 植 物 研 究 2001年 4 月
Vol.21 No.2 BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Apr., 2001
影响大豆体细胞胚诱导因素的研究
曲桂芹1 张贤泽2 霍俊伟2
(1.东北林业大学 , 哈尔滨 150040)
(2.东北农业大学 , 哈尔滨 150030)
摘 要 体细胞胚的诱导是大豆体外再生的关键 。基因型 、诱导光周期 、外植体的荚位 、蔗糖浓度
等因素 ,可导致诱导频率及正常胚比例不同 ,影响植株再生。本研究选用黑龙江省主栽大豆基因
型的未成熟子叶 ,在含高浓度生长素的 MSB 培养基上诱导体细胞胚产生。合丰 25和东农 7819
为优选基因型;生育前期下部荚位大小为 2 ~ 4mm 未成熟子叶体细胞胚发生效果最好;四种光周
期下体细胞胚诱导频率相近 ,但连续弱光下正常胚比例高;NAA 诱导优于 2-4 , D;10mg/ lNAA与
1.5%蔗糖配比组合最佳 。
关键词 大豆;体细胞胚;诱导
STUDIES ON SOMATIC EMBRYOS INDUCTION
IN SOYBEAN(GLYCINE MAX.L)
QU Gui-qin1 ZHANG Xian-ze2 HUO Jun-wei2
(1.Nor theast Forestry University , Harbin 150040)
(2.Nor theast Arg riculture University , Harbin 150030)
Abstract Somatic embryo induct ion w as the key in soybean regeneration.Genetype , inducing pho-
toperiod , explant pod site in and sucrose concentration w ere the main factors in the somat ic embryo
induction , which lead to the different embryogenesis ef ficiency and the number of normal embryos.
Cult ivars Hefeng25 and Dongnong7819 were desiable genotype.2-4mm long immature coty ledons
from the lower part of plant at the early stage of g row th and develpment were more efficent for em-
bryogenesis.The embryogenesis f requncy under four photoperiod were similar , but the f requncy of
normal embryos w as higher under continuous dim light.NAA was superior to 2 ,4-D in embryogen-
esis;combination of 10mg/ lNAA and 1.5% sucrose w as better.
Key words Soybean;Somatic embryos;Induction
大豆是世界上植物油料和植物蛋白的最重要来
源。随着生物技术的发展 ,基因转移被视为大豆改
良和常规育种的有效补充途径 ,如苏云金芽孢杆菌
杀虫晶体蛋白基因(Bt 基因)[ 1] 已转入到大豆中 。
高效的体外再生体系是基因遗传转化的基础 ,而体
细胞胚的诱导又是大豆体外再生的关键 。基因型 、
诱导光周期 、外植体的荚位 、蔗糖浓度等因素 ,可导
致诱导频率及正常胚比例不同 ,影响植株再生 。本
文以黑龙江省主栽大豆基因型的未成熟子叶为试
材 ,探讨大豆体细胞胚诱导过程中的影响因素。
第一作者简介:曲桂芹(1970-),女 ,讲师 ,博士研究生 ,主要从事植物生理 、分子生物学 ,组织培养研究。
收稿日期:2001-2-16
1 实验材料与方法
1.1 实验材料 供试的 8 种大豆基因型为:公
502 、American Jollow 、东农 7819 、东农 7009 、合丰
25 、黑农 37 、黑河 5号 、东农 42。由大豆研究所马占
峰研究员提供。于 4月末 5月初分批播于田间。
1.2 实验方法
1.2.1 外植体分离及接种
取田间开花 2 ~ 3周大豆幼荚 ,冲洗净 ,于 4℃
冰箱内预处理 48小时。接种前豆荚浸于 70%酒精
内30秒 ,然后用 0.1%升汞浸泡灭菌 8 ~ 12分钟 ,
最后用无菌的蒸留水冲洗 3遍 。未成熟种子从豆荚
内无菌移出 ,切除胚轴 ,去掉种皮。两片未成熟子叶
即为外植体 ,一片远轴面朝下 ,一片近轴面朝下 ,接
种到诱导培养基上。
1.2.2 诱导培养基(N10 ,D10-40)
诱导培养基的基本成分为改良的 MSB , 1.5%
蔗糖和 0.65%Agar ,PH 调至 5.8。121℃, 1.06kg/
cm2下灭菌 15 分钟。10mg/ lNAA 或 10mg 、20mg 、
40mg 、2 mg/ l2 ,4-D灭菌前分别加入培养基内。分
装于 Petri皿中 ,Parafilm封口。
1.2.3 基因型 、结荚部位及光周期对体细胞胚诱导
影响
为测试基因型 、外植体结荚部位及诱导光周期
对体细胞胚产生的影响 , 8 种应试基因型中的每种
按其结荚部位 ,分为最下 、居中 、最上三个来源 ,每个
来源的未成熟子叶又分别在连续弱光(20 ~ 100lx)、
23小时光照(3000lx)、16 小时光照(3000lx)及黑暗
四种光周期下进行体细胞胚的诱导。培养温度为
25±3℃。
每个处理诱导 30天后记录。四个参数用于评
估不同处理反应情况 。
I.胚胎发生频率=有胚胎发生的外植体数/接
种外植体总数;
II.胚的平均数=产生的体细胞胚总数(正常+
不正常)/有胚胎发生的外植体数;
III.效率=胚胎发生频率×胚的平均数;
IV.正常胚发生频率=正常胚数/有胚胎发生
的外植体数。
对于胚的正常与不正常的标准 ,按 Lazzeri[ 2]等
划分:有明显苗端和根端 ,并至少有一个确定子叶的
体细胞胚为正常体细胞胚;而对于无明显苗端 ,无子
叶或簇生子叶的体细胞胚定为不正常的体细胞胚 。
1.2.4 生长素种类 、浓度及蔗糖对体细胞胚影响
为检测不同生长素 ,即 NAA与 2 ,4-D对大豆
体细胞胚诱导影响。不同基因型中的不同结荚部位
的未成熟子叶分别接种到 N10 和 D40 、D20 、D10 、
D2上 , 即在基本培养基中加入 10mg/ l的 NAA 、
40mg/l 、20mg/l 、10mg/l 、2mg/l的 2 ,4-D 。分别在
连续弱光 、23小时光周期 、16 小时光周期和黑暗下
培养 。
对不 同 蔗 糖 浓度 的 测 试 , 采 用 的 是 含
10mg/ lNAA的 MSB基本培养基 ,分别附加 0.5%、
1.5%、2%和 3%浓度的蔗糖。连续弱光 、23小时光
照及 16小时光照下培养 。
2 结果分析
2.1 基因型对大豆体细胞胚诱导的影响
供试 8种基因型都可产生体细胞胚 ,但反应程
度有所不同。(见表 1)
表 1.基因型对大豆体细胞胚发生影响
Table 1 Effects of genetype
on soybean somatic embryos induction
基因型 胚胎发生频率(A)/%
胚平均数
(B)
效 率
(A×B)
正常胚比
率/ %
黑河 5 号 53.67 1.94 1.04 1.40
东农 42 51.23 1.47 0.75 1.92
合丰 25 50.27 1.84 0.87 10.00
American Jollow 30.00 1.27 0.38 5.56
东农 7819 26.82 2.00 0.54 50.00
公 502 20.42 1.51 0.31 7.14
黑农 37 14.49 1.47 0.21 4.76
东农 7009 3.87 1.66 0.06 0.00
注:本表数值为所有处理的平均值
从外植体反应频率看 ,黑河 5号未成熟子叶的
胚性反应最强 ,达到 53.67%,东农 42和合丰 25随
后 ,分别为 51.23%和 50.27%;American Jollow ,东
农7819 和公 502居中 ,为 20%以上;黑农 37 和东
农7009反应最弱 ,分别为 14.49%和 3.87%.但每
个反应的未成熟子叶产生体细胞胚平均数最多及正
常胚比例最高的却是东农 7819 ,其每个反应外植体
可产生 2.00个体细胞胚 , 正常胚比例达到 50%。
合丰 25的胚胎发生频率和正常胚比例相对来说比
较理想 ,分别为 50.27%和 10%。黑河 5 号虽然每
个反应外植体平均产胚数及胚胎发生频率都较高 ,
但正常胚比例却很低 , 仅为 1%左右 。公 502 和
American Jollow 作为体细胞胚高频发生对照品种 ,
虽然在本实验体系中反应频率不很高 ,但正常胚比
例居中。这可能与品种的生长习性有关 , 因为公
2112 期 曲桂芹等:影响大豆体细胞胚诱导因素的研究
502和American Jollow 属低纬度生长品种 ,在本地
长日照条件下其开花 、结荚延迟到八月末 、九月初 ,
已是本栽培带大豆生育后期 ,外植体生理状态较差 ,
影响胚胎发生 。综合比较 ,当地合丰 25 、东农 7819
是体细胞胚发生较理想品种 ,可作为模式品种在今
后实验中使用。东农 7009 、黑农 37 反应差 ,可予淘
汰。
2.2 结荚部位对体细胞胚诱导影响
每一基因型的外植体来源分最下 、居中 、最上三
个节位 。不同结荚部位对大豆体细胞胚发生影响 ,
见表 2。
从表 2可以看出 ,每种基因型其未成熟子叶胚
胎发生频率随结荚部位升高而逐渐呈下降趋势 ,即
下部荚位胚胎发生能力最强 ,上部最弱。方差分析
新复极差检测结果表明 ,上 、中 、下三个节位胚胎发
生频率差异达到 0.01水平;而六种基因型间胚胎发
生频率新复极差检测结果为:黑河 5号与合丰 25胚
胎发生频率差异不显著 ,但却与东农 42 、东农 7819 、
黑农 37 、东农 7009的差异达到 0.01水平 。
表 2结荚部位对大豆体细胞胚发生频率影响
Table 2 Effects of pod site on the frequncy
of somatic embryos induction
荚位
基因型
下 中 上
合丰 25 64.04 50.56 38.20
黑河 5 号 58.43 51.68 47.13
东农 42 88.76 51.72 0.00
东农 7819 76.40 23.86 12.50
黑农 37 26.97 13.79 6.23
东农 7009 11.24 6.74 0.00
注:连续弱光下 N10 上诱导频率平均值
2.3 不同光周期对体细胞胚诱导影响
连续弱光 、23小时光照 、16小时光照及黑暗条
件下都可从未成熟子叶表面诱导产生体细胞胚。不
同光周期下体细胞胚诱导频率差别不大 。连续弱光
下产生的正常胚数相对多于其他光周期 。
形态学上 ,四种光周期下外植体对光的反应不
同 ,体细胞胚的表现亦不同。(见表 3)
连续弱光下 ,外植体生长量较小 ,颜色灰暗 ,局
部轻微褐化 ,远轴面朝下的子叶褐化比近轴朝下的
轻。伤口愈伤产量少 。形态正常的体细胞胚或经由
类似愈伤组织的褐色组织内源或外源产生(见图
1),或是外植体子叶较小情况下 ,其全部形成疏松愈
伤组织 ,进而在愈伤组织周缘长出单个(见图 2 、3)
或成簇(见图 4)形态正常的子叶型体细胞胚。虽然
连续弱光下未成熟子叶胚胎发生形式较弱 ,但正常
胚比例较高。远轴朝下或近轴朝下的外植体产生正
常胚数差别不大。
23小时及 16小时光照下外植体生长量明显增
大 ,外植体颜色鲜绿或暗绿 ,体细胞胚产量高 ,颜色
鲜亮 ,不易与母体脱离。远轴朝下的子叶反应强 ,先
在子叶周缘长出少量愈伤 ,正常型体细胞胚可直接
在愈伤面上生成 ,而不正常体细胞胚多在子叶的近
轴面上直接长出(见图 6);近轴面朝下的未成熟子
叶愈伤化不明显 ,只是偶尔在子叶近轴面边缘产生
体细胞胚 。总体来说 23小时和 16小时光周期对大
豆体细胞胚诱导从形态学上差别不大 。23 小时光
照产生正常胚数相对多于 16小时光照 。
连续黑暗下培养的未成熟子叶 ,生长量也较小 ,
愈伤量亦少 。由于无光照 ,外植体产生的体细胞胚
为白色 ,但若恢复光照 ,其又可变绿 。黑暗下诱导产
生的体细胞胚较多 ,但形态正常体细胞胚比例较低 。
表 3不同光周期下外植体及体细胞胚形态学
差异
Table 3 Morphology difference between ex-
plants and somatic embryos in four
photoperiods
光 周 期 外 植 体生长量愈伤量 颜色 褐色 体 细 胞 胚
连续弱光 小 少 褐绿 有 正常胚多 、新鲜
23 小时光周期 大 中 亮绿 无 正常胚少 , SE大 , 新鲜
16 小时光周期 大 少 亮绿 无 正常胚少 , SE大 , 多 ,新鲜
黑 暗 小 少 白 有 正常胚少 , SE白色
2.4 NAA与 2 ,4-D对体细胞胚诱导影响
外植体未成熟子叶接种于含 10mg/ l 的 NAA
培养基上 , 3 ~ 4天即开始反应 ,其远轴面的生长速
度快于近轴面 。伤口处愈伤化不明显 ,即使愈伤 ,量
少且紧密。伤口轻微褐化 。随后体细胞胚出现 ,偶
尔也伴随根的产生。接种后 15 ~ 20天 ,体细胞胚陆
续生成 ,形状不一(见图版 5 、7 、8)。相比而言 ,当未
成熟子叶接种于含 10mg/ l的 2 , 4-D培养基上时 ,
初始几天 ,外植体即无生长又亦无褐化 ,非常新鲜 ,
但随后表皮上形成许多隆起 ,最后整个组织全部形
成愈伤 , 无进一步发育。改变 2 , 4 -D 浓度为
20mg/l 、40mg/ l ,虽然初始表现不同 ,但最终结果都
为愈伤化。2mg/ l2 ,4-D 可直接诱导体细胞胚 ,但
212 植 物 研 究 21 卷
频率低。
2.5 蔗糖浓度对体细胞胚诱导影响
在 NAA 浓度为 10mg/ l 的基本培养基内 , 以
1.5%蔗糖含量为对照 ,改变蔗糖浓度 ,含量分别为
0.5%、2%和 3%。实验结果表明 ,未成熟子叶接种
于含0.5%蔗糖的培养基时 ,外植体子叶周缘首先变
为水浸状白色 ,然后愈伤 ,整个外植体无生长且褐
化 ,体细胞胚产量少 。3%蔗糖培养的子叶生长量增
大较快 ,无愈伤 ,新鲜 ,但只在表面形成隆起 ,即不再
发育 。0.5%和 3%蔗糖的体细胞胚诱导率明显低
于1.5%蔗糖 ,而 2%含量稍低于 1.5%的诱导率 ,
培养表型与 1.5%差异不大。因此 ,诱导大豆体细
胞胚的最适蔗糖浓度为 1.5%。
2.6 其他影响因素
外植体幼胚豆荚从母体植株脱离后 ,需在 4℃
下低温预处理后再接种 ,有利于细胞分化。低温处
理12 ~ 96小时的外植体未成熟子叶都可启动产生
体细胞胚 。不同大小未成熟子叶对体细胞胚诱导频
率有影响 , 1.5 ~ 3mm 长的外植体最为理想 ,小于
1mm 的接种后不易存活 ,大于 4mm 的几乎不启动
分化。此外 ,外植体接种密度也是体细胞胚诱导影
响因素 ,密度过大 ,外植体只生长而不分化 ,适宜接
种密度为每平方厘米 1个外植体。
3 讨论
大豆体细胞胚诱导研究目的是为尽可能提高诱
导频率及正常胚比例提供实验依据 ,而每个不同培
养系统又因选用不同基因型的外植体而使体细胞胚
诱导结果不同。基因型对体细胞胚诱导的影响是内
在的和多效的 ,不是某一遗传因素如成熟组[ 3] 、花
的颜色或种皮颜色[ 4] 就可决定的 。谱系与大豆体
细胞胚发生的明显相关性[ 5]也进一步说明基因型
的效应是个复杂的遗传因素 。大量实验数据亦表
明 ,由于基因型差异 ,大豆体细胞胚的诱导频率差别
很大[ 6] 。我们的实验结果也证明基因型间在体细
胞胚诱导能力上的确存在差异。而且 ,国外学者在
其诸多大豆体细胞胚研究中都是选用体细胞胚发生
频率高的基因型做供试材料 ,这又说明基因型是影
响体细胞胚发生的重要因素。在他们筛选的基因型
中 ,如“Gentary” 、“J103”和“Mccall” ,既可高频再生 ,
又是 GUS基因瞬时表达的理想基因型[ 7] 。我们筛
选的东农 7819和合丰 25 ,既可高频发生 ,又是农业
上推广面积大 ,农艺性状优良品种 ,若将生物技术与
农业育种结合起来进行深入研究 ,具有重要的理论
和应用价值。
基于大量实验得知 ,外植体的不同生理状态及
发育程度对体细胞胚诱导极其重要。一般来说 ,分
生组织比较容易诱导 ,而高度分化的组织不易诱导 。
虽然由器官发生途径再生大豆植株可用萌发种子的
分生组织如子叶节 、生长点 、茎段 、初生叶等多种外
植体 ,但由体细胞胚途径再生植株所用外植体只有
未成熟胚 ,可见胚胎发生途径对外植体生理状态要
求严格。不同未成熟种子长度被认为是评估发育阶
段的很好方法[ 8] ,尽管由于培养系统不同 ,理想胚
胎发生的大豆未成熟种子大小不一[ 3 , 5 , 9] 。我们实
验结果认为未成熟子叶大小为 2 ~ 4mm 时 ,体细胞
胚诱导效果最好。另外 ,不同结荚部位来源的外植
体子叶体细胞胚发生能力也有差异 ,生育前期的下
部荚位来源的未成熟子叶体细胞胚发生能力最强 。
这可能是由于大豆植株生理年龄不同引起外植体的
生理状态不同 ,下部荚位的幼胚处于生育前期 ,易于
感受生长素的刺激。
生长素的类型 、浓度及蔗糖浓度对体细胞胚的
诱导影响一直是研究者关注的课题 。在大豆体细胞
胚研究中 , 2 ,4-D和 NAA 都可作为体细胞胚诱导
的优选生长素 ,但不同研究中生长素浓度范围效应
却明显互相抵触。 Lippmann[ 10] 等 (1984)认为
1mg/l的 2 ,4-D效果最好 ,而 Ranch[ 3](1985)却认
为 5mg/l 的 2 , 4 -D 更为理想 , 随后 Ranch[ 11]
(1986)又发现 20 ~ 40mg/ l的 2 , 4-D比 5mg/ l的
2 ,4-D 能产生更多的形态正常的球形体细胞胚 。
相似的 , NAA 的理想诱导浓度也各不相同(0.5mg/
l[ 10] ,8mg/ l[ 5])。Lazzeri[ 2](1987a)在比较相同浓度
2 ,4-D和 NAA(5mg/ l)诱导效果时发现前者产生
体细胞胚频率要明显高于后者 ,NAA最佳诱导浓度
为28mg/l。对此不同 , Lazzeri[ 12](1987b)解释为不
同的糖浓度或不同的外植体切割方式都强烈影响体
细胞胚的发生 。本实验结果认为高浓度 NAA 可直
接诱导大量体细胞胚 , 而高浓度 2 , 4 -D(10 ~
40mg/ l)则使组织愈伤化 ,体细胞胚产量极低。在本
培养体系中 ,NAA比 2 ,4-D更利于体细胞胚的发
生。
本实验中 , 在 10mg/ lNAA 诱导培养基中 ,
0.5%、1.5%、2%、3%四个浓度蔗糖诱导效果最佳
的为 1.5%,与 Lazzeri等[ 12](1987b)所用理想蔗糖
浓度 3%的结果不一致。而且 ,当降低蔗糖浓度至
0.5%,体细胞胚诱导频率亦无提高 ,相反低浓度的
蔗糖削弱了外植体子叶生活力 ,降低诱导率。这是
由于大豆体细胞胚诱导过程中 ,蔗糖与生长素相互
作用 ,具有相关性[ 13] ,即蔗糖和生长素间需要一个
2132 期 曲桂芹等:影响大豆体细胞胚诱导因素的研究
平衡 ,否则 ,若两个因素中一个极低 ,另一个极高 ,胚
胎发生频率会降低 。实验证明 ,当 6.5 ~ 12 , 5mg/l
的NAA 与 1%~ 2%蔗糖为一平衡组合时 ,胚产生
数量最多。本实验的 10mg/l的 NAA与 1.5%蔗糖
恰属此平衡范围 ,所以诱导效果最好。至于 2 ,4-D
在本培养程序中的最适诱导浓度及 2 , 4-D与蔗糖
间的合适平衡比例 ,有待于进一步研究 。
参 考 文 献
1.苏彦辉 ,王慧丽 , 俞梅敏等.苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋
白基因导入大豆的研究.植物学报 , 1999 , 41(10):1046 ~
1051
2.Lazzeri , P.A.et al.Soybean somatic embryogenesis:Effect
of hormines and culture manipula tions.Plant Cell T iss.Or-
ga.Cult., 1987a ,(10):197 ~ 208
3.Ranch , J.P.etal.Plant regeneration from embryo ~ derived
tissure cultures of soybeans.In Vitro Cell.Dev.Biol., 1985 ,
(21):653~ 657
4.Liu ,W.etal., Somatic embryogenesis in soybean via soma tic
embryo cycling.I n Vitro Cell.Dev.Biol., 1992 , 28p:153~
160
5.Barwale , U.B.et al.P lant regeneration from callus cultures
of several soybean genotypes via embryogenesis and organo-
genesis.Planta , 1986 ,(167):473~ 481
6.MKomatsuda , T;Ohyama , K.Genotypes of high competence
fo r somatic embryogenesis and plant regeneration in soybean
G lycine max.Theor.Appl.Genet., 1988 , (75):695 ~ 700
7.Moo re , P.J.et al.Genotypic and developmental regulation of
transient expression of a repo rter gene in soybean zygo tic
co ty ledons.Plant Cell Reports , 1994 , (13):556 ~ 560
8.Komatsuda, T.Bull Natl I nst Agrogiol Resour , 1992 , (7):1
~ 78
9.张贤泽等.大豆原生质体经体细胞胚再生植株.中国科
学(B 辑), 1993 , 23(2):154~ 158
10.Lippmann , B.;Lippmann , G.et al.Induction of soma tic
embryos in cotyledonary tissue of soybean.Glycine max L.
Mer r.Plant Cell Reports , 1984 ,(3):215~ 218
11.Ranch , J.A.e t al.Plant regeneration from tissue culture of
soybean by somatic embryogenesis.In:Vasil , I.K , ed.Cell
Culture and somatic cell genetics o f plants , 1986 , VoL.3.
New York:Academic P ress , 97~ 109
12.Lazzeri , P.A.et al.Soybean somatic embryogenesis:Effects
of nutritional , physical and chemical facto rs.Plant Cell.
T iss.Orga.Cult., 1987b , (10):209~ 220
13.Lazzeri , P.A.et al.Soybean somatic embryogenesis:interac-
tions between sucrose and auxin.P lant Cell Reports.1988 ,
(7):517 ~ 520
图 版 说 明
1.连续弱光下多个子叶型体细胞胚经类似褐色愈伤组织上
产生(10x)(American Jollow)
2.连续弱光下经愈伤组织产生单个子叶型体细胞胚(20x)
(东农 7819)
3.连续弱光下经愈伤组织产生单个子叶型体细胞胚(20x)
(黑农 37)
4.连续弱光下经愈伤组织产生成簇子叶型体细胞胚(20x)
(东农 7819)
5.未成熟子叶在 23 小时光周期下反应情况(15x)(黑河 5
号)
6.NAA 诱导产生指状体细胞胚(26x)(公 502)
7.NAA 诱导产生喇叭状体细胞胚(15x)(黑河 5 号)
8.NAA 诱导产生子叶型体细胞胚(15x)(东农 7819)
Explanation of Plates
1.Multi -normal somatic embryos w ere formed via
callus-like brow nish tissue under the continuous dim
light.(10x)(American Jollow)2.Singal normal so-
matic embryos w ere formed via callus under continous
dim light(20x)(东农 7819)3.Singal no rmal somatic
embryos were fo rmed via callus under continous dim
light(20x)(黑农 37)4.Multi -nomal somatic em-
bryos w ere formed via callus under continous dim
light(20x)(东农 7819)5.Response of immature em-
bryos under 23 hour light(15x)(黑河 5号)6.Finger
shapes somatic embryo were induced by NAA(26x)
(公 502)7.Horn shapes somatic embryo was induced
by NAA(15x)(黑河 5号)8.Mult i-coty ledons so-
matic embryos were induced by NAA(15x)(东农
7819).
214 植 物 研 究 21 卷