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Application of cell engineering in improving Miscanthus as a dedicated bioenergy crop

细胞工程技术在芒属能源作物上的应用



全 文 :书细胞工程技术在芒属能源作物上的应用
刘明稀1,蒋建雄2,易自力2
(1.湖南农业大学农学院,湖南 长沙410128;2.湖南农业大学生物科学技术学院,湖南 长沙410128)
摘要:生物质能源是可再生能源的重要领域。芒属植物是极具开发潜力的生物质能源作物,欧美多国以奇岗
(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊×犌犻犵犪狀狋犲狌狊)作为芒属能源作物的代表对其进行了系统广泛的研究。本研究对细胞工程技术在芒属
能源作物上的应用进行了总结:1)离体再生体系建立的相关研究,主要集中于再生体系的愈伤诱导及分化增殖,研
究内容涵盖了对组织培养影响重大的主要因素,包括激素、外植体、辅助添加物、培养基成分,甚至碳源的不同灭菌
方式等;2)染色体倍性操作,主要是染色体加倍研究,单倍体育种也有所突破。本研究最后对该领域的发展趋势进
行了简要探讨。
关键词:生物质能源;芒属;细胞工程技术
中图分类号:Q943.2  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)04026109
  能源危机和气候变暖是全球面临的两大难题。众所周知,石油、煤炭等化石能源对人类文明的贡献无与伦
比,但是,一方面,储量的有限性和不可再生性必将造成化石能源逐渐枯竭的能源危机;另一方面,化石能源长期
使用导致的地球气候变暖[1]日益成为威胁人类生存的全球难题。
开发可再生能源是解决上述两大难题的根本途径[2]。生物质能源是近年来被人们广泛关注的重要可再生能
源,它是蕴藏在生物质中的能量,主要指绿色植物通过叶绿体将太阳能转化为化学能而贮存在生物内部的能量,
主要包括4大类[3],木本生物质、草本生物质、油料生物质、糖类生物质。作为来源于太阳能的可再生能源,生物
质能源因其具有资源丰富、产量大、可储存、环保等优点而被认为是最有前景的替代能源[4,5]。很多国家已将生
物质能源的研究列入国家的发展战略,巴西自20世纪70年代以来一直鼓励并扶持甘蔗(犛犪犮犮犺犪狉狌犿狅犳犳犻犮犻狀犪
狉狌犿)生物乙醇的开发,如今是全球甘蔗生物乙醇开发最为成功的范例[6];美国在玉米(犣犲犪犿犪狔狊)乙醇的研发上
也已做大量工作[7],近年来,以柳枝稷(犘犪狀犻犮狌犿狏犻狉犵犪狋狌犿)、芒属(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊spp.)植物为代表的草本生物质能
源作物引起世界各国的广泛关注[8,9]。
芒属植物起源于热带和亚热带地区,在东亚有着广泛的分布[10],分类学上隶属禾本科、黍亚科、须芒草族、甘
蔗亚族,总共约12个种[11]。芒属植物用途广泛[12],它具有C4 高光合效率[13]、低养分需求[14]、低杀虫剂需求、高
水分利用效率[15]、较高的碳缓解能力[16]以及在不同气候环境条件下高生物产量[17]的诸多优点,很多国家已将其
列为重要的草本生物质能源作物予以研究[18],其中最被关注的是该属中的三倍体芒草-奇岗(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊×
犌犻犵犪狀狋犲狌狊,后文简称 Giganteus)[11,19],2007-2009年,英格兰和爱尔兰的 Giganteus种植面积就超过10000
hm2[20]。Giganteus是四倍体荻(4狀=78)和二倍体芒(2狀=38)的种间三倍体杂交种(3狀=57)[10,2123],最初作为观
赏植物被AkselOlsen于1935年从日本引入丹麦,其卓越的生长活力及高生物质产量特性引起了能源作物育种
工作者的关注[21,24],自1983年以来,北欧多国对其进行深入的田间实验,证实其具有较强的环境适应性和生物
质高产特性,其干物质年产量平均超过20t/hm2[25],最高达到37.8t/hm2[17],近年美国的实验表明,Giganteus
在美国中西部的干物质产量高达61t/hm2,平均达到30t/hm2,远超过美国能源部“钦定”的本土能源草种———
柳枝稷的生物质产量(平均10t/hm2)[26]。基于前期极具吸引力的实验结果,1989年欧盟启动“JOULE”芒属大
型国际合作项目,Giganteus的一系列田间实验在丹麦、德国、爱尔兰、英国开展。1993年,一个更大的欧盟AIR
第20卷 第4期
Vol.20,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
261-269
2011年8月
 收稿日期:20100520;改回日期:20100906
基金项目:国家自然科学基金项目(30971832)资助。
作者简介:刘明稀(1975),男,湖南新化人,讲师,博士。Email:lmx751221@163.com
通讯作者。Email:yizili889@163.com
芒属项目开展,将田间实验范围延伸到南欧的希腊、意大利和西班牙[27]。同时,丹麦、荷兰、澳大利亚和瑞典等国
分别独自立项支助对芒属的研究,有关芒属能源作物的研究报道从此不断涌现。由于Giganteus的不育性及大
部分芒属植物的自交不亲和性,不能借籍种子繁殖进行大规模的商业化种植,因此,如何降低种苗成本成为芒属
植物商业化推广中急需解决的问题。细胞工程技术曾被寄予厚望,系统细致的相关工作得以开展,本研究总结迄
今为止细胞工程技术在芒属作物上已报道的应用状况,并对其发展趋势进行了简单的展望。
1 离体再生体系建立的相关研究
芒属作物的再生体系研究始于20世纪90年代,Gawel等[28]对芒的3个栽培品种进行离体培养研究表明,
在幼穗、成熟叶、幼叶、茎段、分生组织、胚珠6种外植体中,以2,4D为诱导激素,仅幼穗能诱导出2种器官发生
型的愈伤组织,其他外植体都未能诱导出愈伤组织。由于再生体系效率不高,Gawel等[28]建议大规模生产中采
用丛芽离体培养方式可能更切实可行。随着“Giganteus热”在欧洲各国的兴起,各种规格的中试及规模化推广种
植实验的相继开展,种苗需求急剧扩增,更加凸显Giganteus三倍体不育性的天然缺陷,于是,如何保证一个可望
在全球范围内种植的能源作物的种苗供应以及降低种苗培育成本成为当时的研究热点。从技术层面而言,通过
切割分蔸[29]和组织培养的方式均可以保证种苗的大量供应,但从商业角度来看,较种子繁殖方式而言,这些无性
繁殖方法获得的种苗成本较高。切割分蔸的营养繁殖方式在成本降低方面似乎已没有更多的改进空间,于是,在
快速繁殖领域具有天然优势的组织培养成为降低芒属植物种苗成本这一热点研究的首选技术。早在20世纪90
年代初期,人们就开始着力探索Giganteus再生体系的建立,希望通过提高其离体增殖效率以降低种苗成本。细
胞分裂素是促进芽分化的首要激素,Nielsen等[30]分别考察了6BA、TDZ、激动素及玉米素对Giganteus丛芽的
增殖效果。其结果表明,这4种激素对Giganteus均具有促进芽分化,抑制根形成、延缓茎生长及延缓衰老的效
果,其促进芽分化的效果从高到低排列顺序为:6BA>TDZ>激动素>玉米素,并确定了4种激素的最佳使用浓
度为30,30,10和100μmol/L;为了进一步提高Giganteus丛苗的增殖效率,Nielsen等
[31]对这4种激素进行进
一步深入研究,设置了A、B两组4种细胞分裂素交替使用的方案,方案A:将前期在含20μmol/L6BA的培养
基上培养的无菌苗分别转入含6BA30μmol/L、TDZ30μmol/L、激动素10μmol/L、玉米素100μmol/L的丛芽
增殖培养基上进行4次增殖继代培养,最后再转入30μmol/L6BA的培养基上继续增殖继代1次,除了在先期
培养中使用的6BA浓度(20μmol/L)略低于最佳浓度(30μmol/L)外,4种激素后续采用的浓度都是 Nielsen
等[30]确定的该激素单独使用的最佳增殖浓度。该方案的实施使外植体分别经历了各激素单独继代及交替继代
的过程,其结果表明,从6BA至TDZ交替使用的丛芽增殖效果最好,每株无菌苗平均产生约11个丛芽,而
TDZ至6BA交替使用的丛芽增殖效果最差,每株无菌苗平均只产生约2个丛芽,而在持续使用单一激素时,4
种激素以6BA的效果最好,每株无菌苗平均产生约6个丛芽。方案B:将前期在含20μmol/L6BA的培养基上
培养的无菌苗分别转入含30μmol/L6BA,22.5μmol/L6BA +7.5μmol/LTDZ,15μmol/L6BA +15
μmol/LTDZ,7.5μmol/L6BA+22.5μmol/LTDZ,30μmol/LTDZ,60μmol/L6BA,30μmol/L6BA +
30μmol/LTDZ,60μmol/LTDZ的丛芽增殖培养基上分别进行3次增殖继代培养。该方案的目的是想通过6
BA和TDZ的组合使用,在第1次增殖继代中验证其协同作用效果,并看协同作用效果能否在后续增殖继代中
保持,实验结果表明,在上述不同6BA和TDZ浓度组合的第1次继代中,随着TDZ浓度的增大而显著改善丛苗
增殖效果,但在各组合相应的连续继代中,增殖效果均比第1次降低,但BA浓度高的组合降低幅度小,也就是说
在各组合相应的连续继代中,BA浓度高的增殖效果要好。该组合实验只在第1次增殖继代中获得显著改善效
果,而在各组合相应的后继连续继代中增殖效果均比单独使用6BA连续增殖继代的效果差,这说明 TDZ和
6BA的比率或组合对丛芽形成无任何有益的系统效应。该结果反映的还是从6BA至TDZ交替使用对增殖改
善的显著性。并且该激素交替使用的模式还明显改善了丛芽的质量。
人们一方面希望通过细胞工程技术提高Giganteus种苗的生产效率,此外,围绕商业化大规模种植这一目
的,在种苗短期离体保存方面也做了相关研究。在适合种植期短、种苗需求量大时,离体保存是一种解决超生产
负荷的较好方式,Giganteus的离体保存实验表明[32],植株在生根培养基上比在分化培养基的保存效果好,20
μmol/(m
2·s)的光照条件及8~16℃的温度条件为离体保存的最佳相应参数。在储存结束的最后1周,温度升
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至25℃有利于后期苗成活。储存温度为8℃时,根系形成非常缓慢,但储存27周后,各种储存温度下的生根率基
本相同,移栽28d后的结果表明,光强度在5~20μmol/(m
2·s)内,随着强度的增大,植株分蘖增加。所以,
Giganteus离体保存27周的适合条件为:1)采用生根培养基,2)保存光照20μmol/(m
2·s),温度6℃,3)储存结
束前1周培养温度25℃。
上述研究均属于器官发生型再生体系范畴,目的显然是单纯为降低种苗成本。愈伤途径的再生体系除了快
繁用途外,还对遗传转化等育种研究具有重要的作用。Lewandowski和Kahnt[33]早期指出,以Giganteus幼穗为
外植体时,单独使用生长素即能诱导胚性愈伤,但获得的胚性愈伤数量极少。为了建立Giganteus的高效胚性愈
伤途径再生体系,Holme和Petersen[34]采用不同浓度的2,4D为激素,以 MS为基本培养基探讨了其不同外植
体的愈伤诱导效果,使用的外植体包括茎尖,来自试管苗的叶段、根段以及来自温室6个月植株的叶段及幼穗,结
果表明,不同的外植体可以产生3种愈伤类型(胚性愈伤、根器官发生型愈伤、非胚性愈伤),愈伤诱导和胚性愈伤
的形成与外植体的类型以及发育时期紧密相关;在不同的外植体中,以茎尖的胚性愈伤形成率最高,愈伤诱导率
可达100%,试管苗叶段的愈伤诱导率最低,不到10%;以不同来源的叶段为外植体时,试管苗来源的叶段以新叶
胚性愈伤获得率较高,温室种植苗来源的叶段以老叶胚性愈伤率较高;以幼穗为外植体时,幼穗长度不超过2.5
cm时胚性愈伤诱导率较高;2,4D浓度(4.5~31.7μmol/L)对愈伤诱导、胚性愈伤形成及植株再生无显著影响。
从植株再生效果来看,幼穗来源的胚性愈伤再生苗数量最多。温室苗来源叶段的胚性愈伤再生效果最差。
从降低种苗成本的角度来看,Holme和Petersen[34]的工作并未取得满意的效果,所有的胚性愈伤植株再生
率都不高,均小于1株/颗(愈伤直径约0.5cm)。为了进一步提高再生系统的效率,必须对培养条件进行优化,
早在1992年,Holme和Petersen[34]就发现诱导培养基中添加细胞分裂素可提高其愈伤诱导率,1997年,Peters
en[35]详细研究了 MS基本培养基上一定浓度2,4D(22.6μmol/L)和不同浓度6BA(0,0.4,0.9,1.8,3.6
μmol/L)组合对Giganteus三种外植体(温室苗的叶段、试管苗叶段、试管苗茎尖)愈伤诱导效果,结果表明,叶段
外植体的愈伤诱导率随6BA浓度增高而降低;而茎尖的愈伤诱导效果不受6BA的影响,并且愈伤诱导效果比
叶段外植体好;但6BA的添加提高了3种外植体的胚性愈伤比例,降低了根器官发生型愈伤的比例,诱发了茎
器官发生型愈伤的产生。在6BA浓度为0.4μmol/L时,试管苗茎尖外植体获得比试管苗叶段外植体更高的茎
器官发生型愈伤比例,同时发现,根器官发生型愈伤的植株再生能力最差,平均每颗愈伤仅分化0.8株苗;而茎器
官发生型愈伤的分化能力最好,每颗愈伤平均可以分化出9株苗,但这种高效再生效率很难维持。
为了进一步建立Giganteus的高效愈伤途径再生体系,人们一方面探索了不同激素的作用效果,还对一些组
培辅助添加物进行了尝试,几乎在Petersen[35]的研究发表的同时,Holme等[36]报道了脯氨酸对Giganteus愈伤
途径再生体系的显著改善效果,他们发现,在采用2,4D浓度为22.6μmol/L的 MS固体培养基时,外源脯氨酸
浓度在0~50mmol/L内随着浓度的增加而显著促进试管苗茎尖及叶段外植体的胚性愈伤形成,在采用2,4D
浓度相同的N6固体培养基时,添加脯氨酸未能获得类似效果。而在悬浮培养时,在含有上述2,4D浓度的 MS
液体培养基中,外源脯氨酸浓度在0~25mmol/L内能促进悬浮体系的显著增殖,之后增殖效果随脯氨酸浓度的
升高而回落,但在含有相同2,4D浓度的N6液体培养基中,外源脯氨酸浓度在0~50mmol/L内能急剧促进悬
浮体系的增殖,在此基础上再增加脯氨酸的浓度至100和300mmol/L,增殖的幅度减缓,但依然呈上升趋势,通
过分析比较2种基本培养基的无机氮含量(MS:60mmol/L;N6:35mmol/L)及其他的相关研究,Holme等[36]认
为脯氨酸主要是通过提供有机氮源而促进了悬浮培养系的增殖。同时,Holme等[36]还发现,前期愈伤培养时脯
氨酸的添加能促进再生,无论是固体还是悬浮培养方式,脯氨酸浓度在12.5mmol/L时再生效率最高,每颗愈伤
平均可分化出10株苗,1g悬浮培养细胞系可平均分化出60株苗。但悬浮培养细胞系的分化苗随着继代时间的
延长白化现象严重,如继代18个月时白化苗高达61%。
上述研究主要围绕建立Giganteus的高效再生体系之目的,考察了不同外植体、不同激素及外源添加物等离
体培养主要因素对再生体系效率的影响,获得了具有重要参考价值的研究结果。除此之外,基本培养基大量元素
成分也是影响再生体系效率的另一重要因素。SzilárdTóth和PálPepó[37]研究了Giganteus丛芽在0.3mg/L
6BA的 MS液体培养基中增殖培养时的营养液养分消耗规律,发现经过40d的培养之后,丛芽数增殖3倍,在
362第20卷第4期 草业学报2011年
第35天测量N、P、K、Ca、Mg5种营养元素含量时发现,N、P2种元素基本消耗殆尽,丛芽基本停止增殖和生长,
而K、Ca、Mg尚能满足需要,说明N、P是在Giganteus的离体培养中需求量大的重要元素。Holme[38]的研究表
明,在Giganteus的悬浮培养中,以N6或 MS为基本培养基时,在15d的培养期内,铵态氮几乎全部消耗,而硝
态氮消耗甚少,培养过程中蔗糖分解为葡萄糖和果糖,葡萄糖比果糖更快消耗,表明果糖可能更适合用作Gigan
teus的碳源。碳源是影响再生体系效率的一个重要因素,Petersen等[39]分别考察了蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖、
混合单糖(葡萄糖+果糖)及糖醇(山梨醇、甘露醇)等不同碳源及碳源的灭菌方式对Giganteus再生体系的影响。
结果表明,糖醇(山梨醇、甘露醇)不适合用作Giganteus再生体系的碳源;叶段比茎尖及幼穗更受碳源种类的影
响,碳源采用过滤灭菌比高温灭菌更能促进胚性愈伤的增殖及植株再生。培养基中较高的葡萄糖含量更能促进
叶段外植体愈伤的产生及胚性愈伤的形成,该研究中葡萄糖对愈伤诱导的改善效果同Holme[38]的研究具有一致
性。麦芽糖虽然由2个葡萄糖组成,但在各种糖碳源中,麦芽糖碳源培养基的愈伤诱导率最低,这应该是由于麦
芽糖比较稳定,不易水解的缘故。曾有研究发现,在小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)花药的离体培养中麦芽糖几乎不水
解,而蔗糖却可以较快地水解成葡萄糖和果糖[40,41]。Petersen等[39]还研究了上述碳源的高温灭菌及过滤灭菌对
愈伤诱导的影响,结果表明,以幼穗为外植体,当幼穗比较小时(<7cm),不同碳源的过滤灭菌方式比高温灭菌方
式愈伤诱导效果稍好,而当幼穗比较大时(7~35cm)则效果相反。以茎尖为外植体时,不同碳源的灭菌方式对愈
伤诱导无明显影响。但以叶段为外植体时,除麦芽糖外,不同碳源的灭菌方式对叶段的愈伤诱导效果影响显著,
蔗糖碳源高温灭菌消毒方式的愈伤诱导率(65.8%)显著高于过滤灭菌方式(44.1%);但以葡萄糖或果糖,拟或葡
萄糖结合果糖为碳源时,结果反之,过滤灭菌比高温灭菌的愈伤诱导效果好;以麦芽糖为碳源时,灭菌方式对愈伤
诱导率无明显影响。
2 染色体倍性操作
倍性育种是细胞工程技术的重要功能[42],作物染色体加倍是提高生物质产量的有效途径[43],芒属植物在欧
美等国属于生命力极强的外来种,从生态安全考虑,能正常结实的二倍体芒属作物的大田释放往往存在一定的难
度,而三倍体作物(如Giganteus)不能正常结实,其商业化生产准入门槛相对较低,另外,目前在欧美已商业化推
广的天然三倍体杂种Giganteus的耐寒性不强,在丹麦等北欧国家的生物质产量仅10t/hm2[44],三倍体Gigante
us的一组基因来自二倍体芒亲本,2组基因来自四倍体荻亲本。为了提高三倍体杂种的抗寒性,杂种后代必须有
来自亲本芒的更多遗传信息,在今后育种研究中,采用四倍体芒和二倍体荻杂交获得三倍体后代势必比Gigante
us具有更好的耐寒性,但天然四倍体芒很少存在,因此建立可行的芒染色体加倍技术尤为必要[45]。此外,多倍体
往往能直接提高后代的抗旱、耐寒性[46],可以恢复杂种后代的育性[4749],并且多倍体的自交亲和性比其二倍体
高[50]。芒属作物大部分自交不亲和,因此,染色体加倍对于芒属作物的育种工作意义重大。
跟芒属作物相关的染色体加倍研究最早见于Chen等[51]的报道,该研究成功获得甘蔗×芒属间杂交种的染
色体加倍后代。何立珍等[52]通过秋水仙碱处理南荻愈伤组织,获得首例同源四倍体南荻(犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊犾狌狋犪狉犻狅狉
犻狆犪狉犪),命名“芙蓉南荻”,芙蓉南荻生物质产量显著增加,茎秆鲜重产量提高182%;Petersen等[53]研究了秋水
仙碱和安磺灵(oryzalin)2种药剂对芒(MS88110)的离体加倍效果,发现秋水仙碱比安磺灵效果好;供试材料在
不同生理状态时期的处理均获得了四倍体后代,不同生理期包括,外植体(叶段、茎尖、幼穗)愈伤诱导期、胚性愈
伤(茎尖来源、幼穗来源)增殖期、成苗期(试管苗丛芽、试管苗单芽、生根试管苗丛芽、已定植试管苗)。结果表明,
胚性愈伤增殖阶段及愈伤诱导阶段处理的染色体加倍效率(四倍体)显著高于成苗期阶段的处理,如茎尖及叶段
愈伤诱导阶段处理的四倍体获得率分别为59%和57.4%。而成苗阶段各种处理中,效果最好的也只有2.9%。
且成苗阶段的处理形成的嵌合体频率显著高于愈伤阶段的处理,例如,生根丛芽处理后,嵌合体的比例高达
73%,而愈伤阶段处理的嵌合体比例不超过10%。就成苗阶段处理而言,未生根材料的处理比已生根材料的处
理加倍效果好,可能是由于根系对药剂非常敏感的缘故,例如对已定植于土壤试管苗的处理结果表明,325株检
测材料中只有1株为四倍体,而嵌合体后代高达13株。而对未生根材料而言,单芽处理的加倍效果优于丛芽处
理。秋水仙碱的添加对外植体的愈伤诱导及植株的再生无影响,甚至有促进作用。而安磺灵则随外植体类型的
不同对愈伤的诱导表现出不影响、减弱或完全抑制的效果。在该研究中,愈伤增殖和诱导阶段的药剂处理时间及
462 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.4
浓度对加倍效果影响不显著。研究者建议,对于材料芒(MS88110),采用幼穗来源胚性愈伤处理、茎尖或叶段
愈伤诱导时处理可望获得大量的四倍体后代。
在对芒(MS88110)前期研究的基础上,Petersen等[45]扩大研究对象,供试材料包括 MS88110在内共9
个基因型,试图进一步建立适合芒不同基因型的染色体加倍技术,实验方法与前期研究基本相同,该研究不但验
证了前期的一些结果,并且发现,试管苗单芽秋水仙碱处理的染色体加倍(四倍体)效果表现出基因型依赖性;因
为低频四倍体诱导率及高频嵌合体发生率,已生根植株不适合用作染色体加倍受体;茎尖愈伤诱导阶段的药剂处
理是不同基因型材料染色体加倍的适合途径,因为,一方面,不同基因型经该处理方式后,茎器官发生型愈伤的产
生不受影响。另一方面,该处理方式能高频获得四倍体后代,且嵌合体及其他多倍体发生频率低;而胚性愈伤增
殖阶段的处理也不适合于芒的染色体加倍研究,因为胚性愈伤的获得比较耗时,并且胚性愈伤再生能力的维持具
有基因型依赖性;此外,该研究还发现,含秋水仙碱的培养基用于茎尖和叶段愈伤诱导阶段处理时,至少能重复使
用4次,愈伤诱导及加倍效率不受影响,这可以降低秋水仙碱的配制频率,减少这种极毒药剂对实验人员的可能
伤害。
鉴于染色体加倍对杂种后代具有育性恢复的功能,或许可以克服Giganteus不能种子繁殖的商业化障碍,
Yu等[20]对Giganteus幼穗来源的愈伤组织进行了染色体加倍研究,发现安磺灵的效果优于秋水仙碱,液态培养
基比固体培养基效果好,不同处理时间的效果差异不显著,气孔观察发现6倍体的气孔明显比亲本Giganteus的
大,稍微不足的是该实验处理后的再生植株群体偏小,所有方案获得的再生群体均不超过5株。通过不断努力,
目前芒、Giganteus及南荻的染色体加倍体系已建立,其中芒和Giganteus的染色体加倍技术已颇为成熟[20,46,54]。
尤其是Gowacka等[46]近期的研究不但建立了芒和Giganteus的多倍体高频发生技术体系,而且发现多倍体的
花粉染色活力均显著提高,所有的四倍体均可育,部分多倍体的叶宽较亲本显著增大,这说明倍性育种对于丰富
芒属作物的遗传多样性及获得高生物质产量的新种质行之有效。
单倍体育种是染色体倍性操作的另一重要内容,花培是进行单倍体育种的主要途径。Gowacka和
Jezowski[55]对4个芒的基因型(Ms17、Ms21、Ms1×Ms18、Ms7×Ms18)花培进行了研究,获得了5个单倍体植
株,其结果表明,芒花培的愈伤诱导显著受到基因型差异及不同培养基的影响,Ms17的响应效果最好,A4培养
基效率最高;培养前的冷处理是一种促进花培效率的有效方式,但冷处理时间的长短影响不大,更有趣的是发现
花期不同时间的取材对花培效果影响极显著,末花期(10月)取材的愈伤诱导率比盛花期(8月)高出17倍,
Gowacka和Jezowski[55]认为这是末花期气温低和短日照的影响(此时白昼11h,气温11℃,夜晚13h,气温
5℃)。这是首例芒属作物的花培研究报道,对今后建立芒的高效花培体系提供了极重要的参考依据。
3 植物细胞工程技术在芒属作物上应用的发展趋势
中国国家自然科学基金在2009和2010年连续对芒属植物研究予以资助;目前,中国湖南农业大学芒属植物
课题组已对中国的芒属野生资源进行了广泛的采集研究,目前正在开展核心种质构建及评价工作;据了解,国内
已有多家单位启动芒属植物的相关研究[56,57],这些事实说明芒属植物已引起了我国政府和学者的高度重视。细
胞工程已成为一种常规的生物技术手段,它由植物组织、器官培养技术;细胞培养技术;原生质体融合与培养技
术;亚细胞水平的操作等一系列技术体系组成。通过细胞工程可以培养有价值的植株,并可以产生新的物种或品
系,无论是在作物的理论研究还是实践操作中均作用重大。因此,细胞工程技术在芒属植物研究中可以得到更广
泛的应用。
3.1 继续探索芒属作物的高效快繁体系及愈伤途径高效再生体系
在人们发现Giganteus适合用作生物质能源作物之初,由于其不育特性,细胞工程的相关研究主要围绕建立
其高效快繁的再生体系,部分研究甚至是以建立直接的丛芽快速增殖体系为目的,遗憾的是,迄今为止,Gigante
us或其他芒属作物的高效快繁体系尚未建立,鉴于三倍体的不育性及大部分芒属植物的自交不亲和性,芒属作
物品种的商业化推广不能依赖种子繁殖途径,必须通过营养繁殖或组织培养途径,所以,至今仍有学者对Gigan
teus和其他芒属植物的快繁体系进行更深入的系统研究[58],只要自交不亲和的障碍存在,那么芒属作物的组培
快繁仍然是重要的研究内容。
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愈伤途径的再生体系除了快繁用途之外,还在遗传转化[59]和体细胞变异等育种研究中起着重要的支撑作
用。随着Giganteus在欧洲的广泛推广,人们发现Giganteus耐寒性必须提高才能适应北欧的寒冷气候,于是组
培研究不再局限于提高繁殖系数,用途更广的愈伤途径再生体系相继建立,但在再生体系的持久性及高效性等方
面还有进一步深入研究的必要,并且随着芒属作物遗传转化工作的开展,相关的组织培养研究将继续推进。
3.2 进行深入的倍性育种研究
对以收获生物质为目的的芒属能源作物,染色体加倍是一种行之有效的育种改良手段。一方面染色体加倍
后有可能直接增加植株的生物质产量;另一方面可以提供三倍体杂交育种的素材;此外,染色体加倍后往往可以
恢复杂种育性[4749];可以克服自交不亲和性[50,60],凡此种种均有利于芒属作物的遗传改良研究。然而,芒属作物
的染色体加倍表现出极大的基因型依赖性[45,46],如Gowacka等[46]的研究确定的染色体加倍最佳方法只是针对
材料 Ms19(三倍体杂交芒)具有最大的多倍体诱导率40%,而同样的条件对材料 MG1(Giganteus)的多倍体诱导
率只有20.6%,基本上减半,对Ms11(欧洲培育的芒杂种)的多倍体诱导率则只有7%。这种基因型依赖性说明,
跟倍性育种研究相关的组培工作还需大量横向开展。
单倍体培育是一种重要的作物育种手段,单倍体及单倍体加倍后获得的双单倍体不但是育种的珍贵素材,而
且在芒属作物遗传学尤其是细胞遗传学研究中作用非凡。较芒属作物细胞工程技术的其他研究而言,芒属作物
单倍体育种的研究力度甚为欠缺,到目前为止,单倍体培育还只有Gowacka和Jezowski[55]的首例报道,尤其五
节芒的相关研究还是一片空白,因此,今后芒属作物的单倍体育种势必会得到加强。
3.3 扩大研究对象
可以预见,不久的将来,芒属作物将在可持续农业中担当重任[6163],随着Giganteus一些局限性的显现以及
其他优良芒属植物的发掘,人们的目光将不再仅仅局限于Giganteus[64]。例如在葡萄牙的产量区域实验中,芒杂
交种的产量高达40.9t/hm2,比Giganteus的产量(37.8t/hm2)高[17]。再如湖南农业大学芒属课题组的前期研
究表明,南荻和五节芒在产量和其他性状上具有比Giganteus更大的优势(未发表数据)。因此,在今后的研究
中,尤其是随着国内相关研究的启动,芒属作物的研究对象必将得到拓展,芒属作物细胞工程技术的研究对象必
将得以丰富。
3.4 多种细胞工程技术综合应用
从文献来看,迄今为止,芒属植物研究采用的细胞工程技术仅限于组织培养(悬浮培养)及染色体倍性操作,
主要研究集中于再生体系的建立。但随着研究的深入开展,研究者确信,原生质体培养、融合及亚细胞水平的染
色体工程、细胞器移植等细胞工程技术也将得到有效应用。
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proving犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊asadedicatedbioenergycropissummarizedasfolows:1)Studiesofinvitroregeneration
systemsfor犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊,focusingoncalusinductionanddifferentiationorshootproliferation,inwhichthe
mainfactorsinfluencingregenerationefficiencywereevaluated,includinghormones,explants,supplementary
additions,mediumcompositions,differentcarbonsourcesandtheirsterilizationmethods;2)Studiesofchro
mosomeploidymanipulationfor犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊,mostlyforinvitrochromosomedoublingof犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊butone
forhaploidbreeding.Attheendofthispaperthedevelopingtrendsofcelengineeringfortheenergycrop
犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊arebrieflydiscussed.
犓犲狔狑狅狉犱狊:biomassenergy;犕犻狊犮犪狀狋犺狌狊;celengineering
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