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Effect of γ-irradiation on callus regeneration and salt tolerance in Manilagrass

γ射线对沟叶结缕草愈伤组织再生和耐盐性的影响



全 文 :书γ射线对沟叶结缕草愈伤组织
再生和耐盐性的影响
贾玉芳,陈曙,柴明良
(浙江大学园林研究所,浙江 杭州310029)
摘要:以沟叶结缕草匍匐茎诱导的胚性愈伤组织为材料,分别进行0Gy(对照)和10Gy的60Coγ射线辐照处理,比
较愈伤组织的再生能力以及再生植株的过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性和脯
氨酸含量,并对辐射材料进行不同浓度(0%,0.5%,1.0%,1.5%和2.0%)的NaCl筛选。结果表明,10Gy60Coγ
射线处理对愈伤组织的再生分化有显著的促进作用,分化形成3个以上小苗的外植体比率提高11.25%,但是愈伤
组织再生率下降8.75%;再生植株的CAT活性提高16.02%,脯氨酸含量提高1.20倍;同对照相比,10Gyγ射线
处理的愈伤组织获得的再生植株中SOD和POD活性没有显著变化。10Gy60Coγ射线辐射处理能显著提高愈伤
组织对NaCl的抗性;外植体的生长速度和存活率随着NaCl浓度的提高而下降;愈伤组织经过10Gy60Coγ射线
处理后,在含1.0% NaCl的再生培养基上获得最多的耐盐植株(成苗率为9.60%),这些植株转移到含1.0% NaCl
的生根培养基上后保持旺盛生长。
关键词:沟叶结缕草;10Gy;60Coγ射线;再生;NaCl
中图分类号:S543+.9;Q945.39;S124+.1  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)05002506
  植物在组织培养过程中,通过愈伤组织再生诱导的体细胞无性系会发生广泛的变异,即体细胞无性系变
异[1],它来源于已存在的细胞变异和培养过程中诱导的变异[2]。体细胞无性系突变体的筛选在草坪草抗逆性育
种方面已经取得了一些成果。Chai等[3]在结缕草(犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪)愈伤组织培养过程中,通过在培养基中添加
褐斑病菌株(犚犺犻狕狅犮狋狅狀犻犪狊狅犾犪狀犻,AG22,Ⅳ)培养液,筛选出对褐斑病具有较高抗性的株系。Lu等[4,5]对三倍体
狗牙根(犆狔狀狅犱狅狀狋狉犪狀狊狏犪犪犾犲狀狊犻狊×犆.犱犪犮狋狔犾狅狀)悬浮培养的再生植株进行干旱胁迫,获得了耐旱性较高的突变
体;还通过愈伤组织抗NaCl筛选,获得了三倍体狗牙根耐盐性变异株系[6]。在组织培养过程中,施加一定的诱
变剂可以进一步增加再生植株的变异频率,获得更多的变异材料。辐射诱变具有较高的变异频率和变异范围,能
够在短时间内获得稳定遗传的突变体,已在高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪犲)[7]、狗牙根(犆.犱犪犮狋狔犾狅狀)[8]、日本结缕
草(犣.犼犪狆狅狀犻犮犪)[9]等多种草坪草上有所应用。辐射诱变与离体筛选相结合已经成为一种重要的育种手段。
沟叶结缕草(犣.犿犪狋狉犲犾犾犪)是一种广泛应用的优良暖季型草坪草。它在自然界中通过匍匐茎无性繁殖,因此
不能用杂交育种等传统方法对其进行遗传改良,而通过体细胞无性系变异等生物技术提高其抗逆性是一种有效
的途径。随着世界范围内土壤盐渍化问题的加剧,关于草坪草耐盐性的研究越来越受到重视[10,11]。研究表明,
在自然界中沟叶结缕草是一种比较耐盐的草坪草[12],有望通过体细胞无性系变异筛选获得耐盐性较强的突变
体。虽然沟叶结缕草已经通过茎尖诱导的丛生芽[13]以及幼花序和茎节[14]诱导出愈伤组织,并获得了再生植株,
但是关于其辐射诱变和耐盐性离体筛选的研究,至今还未见报道。
本实验室经过多年的离体试验,已经熟练掌握了以沟叶结缕草匍匐茎段为外植体诱导愈伤组织的技术,并且
建立了高效的再生体系。本试验以沟叶结缕草胚性愈伤组织为试材,比较了0(对照)和10Gy的60Coγ射线辐
照对愈伤组织再生能力以及再生植株过氧化酶活性和脯氨酸含量的影响,并通过辐射后愈伤组织的抗NaCl筛
选,获得了在含1.0% NaCl的再生培养基上保持旺盛生长的试管苗,旨在为沟叶结缕草的辐射诱导耐盐性育种
第19卷 第5期
Vol.19,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
25-30
2010年10月
 收稿日期:20091029;改回日期:20091120
基金项目:国家自然科学基金项目(30771522)资助。
作者简介:贾玉芳(1983),女,山东青岛人,在读硕士。Email:bamboo27@zju.edu.cn
通讯作者。Email:mlchai@zju.edu.cn
奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
沟叶结缕草匍匐茎诱导的胚性愈伤组织。
1.2 愈伤组织辐射处理
以 MS+2.0mg/L2,4D+1.15g/L脯氨酸+40g/L蔗糖+5.3g/L琼脂粉的培养基上继代培养的愈伤组
织为材料,取生长旺盛、均匀一致的胚性愈伤组织20皿,于2007年3月在浙江大学核农所辐照中心进行60Co急
性照射。辐射剂量分0(对照)和10Gy2个梯度水平,每种辐射剂量各处理10皿。辐射后的愈伤组织在(25±
2)℃条件下暗培养。
1.3 愈伤组织再生能力的测定
辐射后,取一部分愈伤组织进行再生能力的测定。再生培养基为1/2MS(大量元素减半)+0.1mg/LBA+
30g/L蔗糖+5.3g/L琼脂粉。以直径约3mm的愈伤组织小块为外植体,每皿接种16小块,每辐射剂量设5
皿重复,于光强约12.5μmol/(m
2·s),每天光照12h,(25±2)℃条件下培养。愈伤组织再生过程中颜色由黄转
绿,膨大生长,表面产生绿色瘤状突起,并分化形成绿色的小苗。4周后观察其再生情况。测量每块外植体的直
径,大多数外植体直径在5mm以上,因此以5mm作为衡量其再生速度的一个标准,直径超过5mm的外植体比
率越高,则表明其生长速度越快。同时统计分化形成3个以上小苗的外植体比率和愈伤组织再生率(再生的愈伤
组织块数/总愈伤组织块数)。用上述3个指标综合衡量愈伤组织的再生能力。
1.4 再生植株CAT、SOD、POD活性和脯氨酸含量测定
将上述再生植株移栽到温室,8周后长成生长旺盛的成熟植株。取不同辐射处理的再生植株幼嫩叶片0.2
g,加3mL50mmol/L的磷酸缓冲液(pH7.8,含0.2mmol/L乙二胺四乙酸,1%聚乙烯吡咯烷酮),于冰浴中研
磨提取,匀浆液于4℃下12000r/min离心20min,取上清液用于过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和
过氧化物酶(POD)活性测定。每个处理设3次重复。CAT活性测定参照Lu等[6]的方法;SOD活性测定采用
NBT(氮蓝四唑)光还原法[15];POD活性测定采用愈创木酚法[16];脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮比色法[15]。
采用UV2550型分光光度计(日本SHIMADZU公司生产)测定吸光度,计算各指标的含量。
1.5 愈伤组织抗盐筛选
辐射处理的愈伤组织经过4周继代培养后进行抗盐筛选。取直径约3mm的愈伤组织小块,接种到分别添
加了0%,0.5%,1.0%,1.5%和2.0%NaCl的再生培养基上,每皿接种16小块,每个处理设5皿重复,于光强约
12.5μmol/(m
2·s),每天光照12h,(25±2)℃条件下培养。8周后观察其再生情况。由于在含盐的培养基上再
生较慢,大部分外植体直径在4mm以上,因此以直径超过4mm的外植体比率作为衡量再生速度的标准之一。
同时统计外植体的存活率(具有再生能力的绿色外植体块数/总外植体块数)和成苗率(再生形成小苗的外植体块
数/总外植体块数)。用上述3个指标综合衡量愈伤组织的耐盐性。之后将所有再生形成的小植株转移到含
1.0% NaCl的1/2MS培养基上进行生根培养。
1.6 数据差异显著性分析
试验数据分析采用SAS分析软件,Tukey多重比较法,5%水平差异。
2 结果与分析
2.1 辐射处理对愈伤组织再生的影响
2.1.1 愈伤组织再生能力比较 0Gy60Coγ射线处理对愈伤组织再生分化成苗的速度有显著的促进作用(图
1)。同对照相比,10Gy辐射处理的愈伤组织再生4周后分化形成3个以上小苗的比率提高11.25%,但是再生
率降低8.75%,2项指标均达到显著水平。不同辐射剂量对于直径超过5mm的愈伤组织比率没有显著影响。
2.1.2 再生植株CAT、SOD、POD活性和脯氨酸含量变化 10Gy60Coγ射线处理后,再生植株叶片中的CAT
活性和脯氨酸含量分别比对照提高16.02%和1.20倍(图2A,D),均达到显著水平。而不同处理的SOD和POD
活性没有显著差异(图2B,C),分别在2.74~2.78U/(gFW·min)之间和12.77~13.09U/(gFW·min)之间。
62 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5
2.2 辐射处理的愈伤组织抗盐筛选
图1 辐射处理对愈伤组织再生的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狉犪犱犻犪狋犻狅狀狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
狅狀狉犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲犮犪犾狌狊犲狊
随着NaCl浓度的升高,外植体的生长速度(直径
≥4mm的外植体比率)和存活率呈逐渐下降的趋势
(图3A,B),并且任意2种NaCl浓度之间的差异达到
显著水平。与0Gy相比,在含0.5%~2.0% NaCl的
再生培养基上,10Gy60Coγ射线处理的愈伤组织具
有更快的生长速度和更高的存活率,说明愈伤组织的
耐盐性有所提高。
不同NaCl浓度对于再生成苗率也有显著影响
(图3C)。NaCl浓度为0%时,再生成苗率最高,为
32.00%~35.20%。除此以外,10Gy处理的愈伤组
织在含1.0% NaCl的再生培养基上再生成苗率最高
(9.60%),所获得的再生植株生长较快(图4A),在转
移到含1.0% NaCl的生根培养基上后仍保持着旺盛
生长(图4C)。未经辐射(0Gy)的愈伤组织只在含
0.5%和1.0%NaCl的再生培养基获得少量生长缓慢的再生植株(图4B)。当NaCl浓度提高到2.0%时,0和10
Gy处理的愈伤组织均没有形成再生植株。
3 讨论
辐射诱变结合离体培养定向筛选突变体是一种快速有效的育种方法。藏威等[17]通过60Coγ射线辐射诱变,
采用稻瘟病菌(犘狔狉犻犮狌犾犪狉犻犪犵狉犻狊犲犪)粗毒素提取液作为选择压力,筛选出水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)抗瘟突变体。甜菜
(犅犲狋犪狏狌犾犵犪狉犻狊)丛生芽经过γ射线辐射后,在含NaCl的培养基上筛选获得了耐盐性的甜菜幼苗[18]。通常认为,
愈伤组织体细胞胚胎发生是单细胞起源的,因此以愈伤组织为辐射对象,通过定向筛选获得有利突变体的方法能
图2 辐射处理对再生植株生理指标的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狉犪犱犻犪狋犻狅狀狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊狅狀狆犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犻狀犱犲狓犲狊犻狀狋犺犲狉犲犵犲狀犲狉犪狋犲犱狆犾犪狀狋狊
72第19卷第5期 草业学报2010年
图3 不同辐射处理对愈伤组织耐盐性的影响
犉犻犵.3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狉犪犱犻犪狋犻狅狀狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
狅狀狊犪犾狋狋狅犾犲狉犪狀犮犲狅犳狋犺犲犮犪犾狌狊犲狊
图4 辐射处理的愈伤组织在含犖犪犆犾培养基上获得的再生植株
犉犻犵.4 犚犲犵犲狀犲狉犪狋犲犱狆犾犪狀狋狊犪犮狇狌犻狉犲犱犳狉狅犿犮犪犾狌狊犲狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狉犪犱犻犪狋犻狅狀狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊狅狀犿犲犱犻狌犿狑犻狋犺犖犪犆犾
 A:10Gy60Coγ射线处理的愈伤组织在含1.0% NaCl的培养基上获得的再生植株Regeneratedplantonmediumwith1.0% NaClacquiredfrom
calusestreatedwith60Coγirradiationatthedoseof10Gy;B:未经辐射(0Gy)的愈伤组织在含0.5% NaCl的培养基上获得的再生植株Regenera
tedplantonmediumwith0.5% NaClacquiredfromcaluseswithoutradiationtreatment(0Gy);C:10Gy60Coγ射线处理的再生植株在含1.0%
NaCl的生根培养基上的生长情况 Growthstateofregeneratedplantsonrootingmediumwith1.0%NaClacquiredfromcalusestreatedwith60Co
γirradiationatthedoseof10Gy
够减少嵌合体的产生,获得稳定遗传的变异。本试验首次以沟叶结缕草胚性愈伤组织为试材,通过60Coγ射线处
理,在含1.0% NaCl的再生培养基上,筛选出生长良好的抗性植株,在沟叶结缕草的辐射诱变和抗盐性筛选方面
做出了初步探索。
在先前的试验中,通过比较不同剂量(0,5,10,20,40Gy)60Coγ射线对沟叶结缕草愈伤组织的影响,发现经
过10和20Gyγ射线处理后,愈伤组织的生长与再生速度均有明显提高。故本试验以10Gy作为辐射剂量,在
此基础上进行愈伤组织抗盐性研究。试验中,10Gy60Coγ射线处理虽然使愈伤组织再生率有所降低,但是对愈
伤组织的再生速度却有显著的促进作用,这与张慧琴等[19]关于草莓(犉狉犪犵犪狉犻犪犪狀犪狀犪狊狊犪)花药愈伤组织辐射研究
的结果一致。同时,10Gy辐射处理能大大提高再生植株叶片内的CAT活性和脯氨酸含量。而与之相对应的是
82 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5
辐射处理后愈伤组织对NaCl的抗性有显著增强。
盐胁迫条件下,植物细胞通过脯氨酸等小分子有机物参与渗透调节来维持低的细胞质渗透势,以利于水分的
吸收,保证细胞正常的生理功能。在正常生长条件下,通过离体筛选获得的耐盐性三倍体狗牙根株系体内脯氨酸
含量高于亲本,说明较高的脯氨酸含量能提高植物对盐害的适应能力,减少在盐胁迫下的伤害[6]。逆境条件下,
植物细胞会积累大量活性氧(O2-、H2O2、OH-等),造成细胞膜脂过氧化反应,从而导致膜系统损伤和细胞氧化,
使植物受到伤害[20]。为避免这种伤害,植物形成了内源保护系统,通过SOD、POD和CAT等重要的保护酶清除
体内的活性氧,维持细胞的稳定和完整,提高对逆境的适应性[21]。与正常生长条件下的敏感栽培品种相比,水稻
耐盐性品种具有较高的CAT活性,而在盐胁迫条件下,耐盐性或敏感性品种的CAT活性均有显著增加[22]。而
Lu等[6]的研究也表明,2个离体筛选获得的耐盐性三倍体狗牙根株系,在盐胁迫条件下具有较高的CAT活性,
说明CAT活性与植物的耐盐性呈正相关。因此,辐射处理的愈伤组织抗盐性增强,与辐射再生植株CAT活性
和脯氨酸含量的提高有着密切关系。
试验中,经过10Gyγ射线处理的愈伤组织,在含NaCl的再生培养基上能够获得生长旺盛的抗性植株。这
些植株在转移到含1.0% NaCl的生根培养基上后,依然表现出良好的长势和较强的抗性。这说明,辐射诱变结
合离体筛选在沟叶结缕草耐盐性育种方面是一种可行的方法。
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犈犳犳犲犮狋狅犳γ犻狉狉犪犱犻犪狋犻狅狀狅狀犮犪犾狌狊狉犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀犪狀犱狊犪犾狋狋狅犾犲狉犪狀犮犲犻狀犕犪狀犻犾犪犵狉犪狊狊
JIAYufang,CHENShu,CHAIMingliang
(InstituteofLandscapeArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:EmbryogeniccalusesinducedfromstolonsofManilagrass(犣狅狔狊犻犪犿犪狋狉犲犾犻犪)weretreatedwith60Co
γirradiationatdosesof0Gy(control)and10Gy.Regenerationofthecalus,activitiesofcatalase(CAT),su
peroxidedismutase(SOD),peroxidase(POD)enzymes,andprolinecontentintheregeneratedplantswere
measured.ThetreatedmaterialswerescreenedonMSbasalmediawithdifferentconcentrationsofNaCl(0%,
0.5%,1.0%,1.5%,and2.0%).Theresultsshowedthat10Gy60Coγirradiationhadasignificantpromo
tingeffectoncalusregenerationanddifferentiation,andthatthepercentageofexplantsthatformedmorethan
3plantletsperexplantwasincreasedby11.25%.However,theregenerationrateofthecaluswasreducedby
8.75%.10Gy60CoγirradiationofregeneratedplantsresultedinincreasesofCATactivityandprolinecontent
by16.02%and1.20times,respectively.TherewerenosignificantchangesintheactivitiesofSODandPOD
enzymesintheregeneratedplantsfromcalusestreatedwith10Gyγirradiation,comparedwiththatofthe
controls.Themaximumnumberofregeneratedplantswereobtainedfromcalusestreatedwith10Gy60Coγir
radiationandgrownonmediumwith1.0%NaCl-9.60%ofthecalusesformedplantlets.Regeneratedplants
maintainedvigorousgrowthaftertransfertorootingmediumwith1.0% NaCl.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Manilagrass(犣狅狔狊犻犪犿犪狋狉犲犾犻犪);10Gy;60Coγirradiation;regeneration;NaCl
03 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5