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Rapid propagation in vitro and polyploid induction of Astragalus complanatus

扁茎黄芪离体快繁及多倍体诱导



全 文 :书扁茎黄芪离体快繁及多倍体诱导
王丽艳,荆瑞勇,肖莉杰,方淑梅,张红梅,王北艳,殷奎德
(黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江 大庆163319)
摘要:以扁茎黄芪的干燥成熟种子为外植体,研究其离体快繁技术,并在无菌繁殖条件下探索了秋水仙碱溶液不同
浓度和时间处理对扁茎黄芪的诱变效应。快繁研究结果显示,扁茎黄芪的发芽培养基为 MS,继代增殖最适培养基
为 MS+6BA3.0mg/L+NAA0.5mg/L,平均增殖系数达到4.5,平均苗高达3.5cm;生根最适培养基为1/2MS
+NAA0.05mg/L,生根数为4~6条,生根率达到100%。采用浸泡法将扁茎黄芪的茎尖在0.1%,0.3%和0.5%
不同秋水仙碱溶液浓度下分别处理1,2,3和4d,并对诱导处理后获得的再生植株进行染色体鉴定,得出以0.3%
秋水仙碱溶液浸泡3d为诱导多倍体的最佳处理组合,诱导率达40%。
关键词:扁茎黄芪;离体培养;多倍体;秋水仙碱诱导
中图分类号:S567.035;Q943.1  文献标识码:A  文章编号:10045759(2009)01009406
  扁茎黄芪(犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊)系豆科黄芪属多年生草本植物,直根系,主根肥大呈圆柱形[1]。植株全
匍匐,茎横切面呈扁圆形,抗逆性强,具有耐旱、耐寒、耐荫、耐瘠薄、耐践踏、适应性广等特点。其干燥成熟种子沙
苑子具有保肝、抗炎、降血脂、降血压、抗癌、镇痛、抗衰老等药理作用[2];枝叶覆盖度大,根系深,是一种优良的水
土保持和果园覆盖植物;青体产量高,营养丰富,适口性强,既是优良牧草又是绿肥植物,它的花期长,是很好的蜜
源植物[3]。
组织培养是品种保存和种性纯化、扩大栽培的有效途径,而多倍体育种则是植物品种改良的重要手段。多倍
体育种利用染色体加倍的剂量效应,可增大植物的营养器官而提高其产量,同时也能增强抗逆性,而且倍性变化
往往能导致次生代谢产物含量的变化,是获得有效成分含量高的新品种的一种快捷方法。普通二倍体的多年生
牧草特别适合于用诱导多倍体的方法改良,因牧草是以营养体为主要利用对象。再者,在自然界多年生牧草多倍
体存在的频率高,所以易于诱导成功[4]。目前,有关扁茎黄芪快繁的研究还未见报道,试验拟在对扁茎黄芪进行
离体快繁系统研究的基础上,采用组织培养结合化学诱导的方式获得扁茎黄芪多倍体新类型,为获得产量高、药
效成分增加等明显特点的扁茎黄芪新材料奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料为扁茎黄芪的种子,购于河北省安国市北方药材种子经销站。
1.2 消毒方法
取种子放在灭过菌的空三角瓶中,先用0.1%的升汞溶液消毒12~15min,再用75%的酒精消毒30~60s,
最后再用无菌水冲洗5或6次,备用。
1.3 培养基及试验设计
基本培养基为 MS(murashigeandskoog)、1/2MS,并依试验目的的要求添加不同浓度配比的激素,在综合
考虑成本和生产实际所需之后,确定激素的种类为6BA(6Benzylaminopurine)、NAA(1naphthlceticacid)。
种子发芽培养基为 MS。
继代增殖培养基:在 MS培养基中分别附加1.0,2.0,3.0和4.0mg/L的6BA和0.05,0.10,0.20和0.50
mg/LNAA;采用二因素完全随机设计进行最适激素配比的筛选,共计16个处理组合,每个处理接种3株无菌
94-99
2009年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第18卷 第1期
Vol.18,No.1
 收稿日期:20080612;改回日期:20080916
作者简介:王丽艳(1977),女,内蒙赤峰人,讲师,硕士。Email:laosan1@126.com
通讯作者。
苗,重复4次。统计增殖个数,测量苗高。
生根培养基:在1/2MS培养基中分别附加0,0.01,0.05和0.10mg/LNAA,每个处理接种1株,10次重
复。
1.4 培养条件
所有培养基皆以浓度为0.7%的卡拉胶固化,含蔗糖均为3%,在高压灭菌前将pH值调至5.8,温度为(25±
2)℃。光强1500~2000lx,每日光照时数12~14h。
1.5 四倍体诱导与检测
1.5.1 四倍体的诱导 采用秋水仙碱浸泡法进行四倍体诱导。取无菌苗的茎尖长约1cm,在室温下用0.1%,
0.3%和0.5%秋水仙碱浸泡,每个浓度分别处理1,2,3和4d,置于摇床上摇动(50r/min)。每处理10个茎尖,
重复3次,以无菌水处理4d作对照,处理后用无菌水冲洗3次,转入不含秋水仙碱的增殖培养基上继续培养,一
般会先形成愈伤组织再分化成芽。最初从叶片的大小、颜色与厚度目测作出初步判断,待芽伸长至1.5~2.0cm
时,切取茎尖检测染色体倍性。
1.5.2 四倍体的鉴定 从外部形态上初步判断[5];从细胞学方面,主要是通过体细胞染色体数目的鉴定。采用
改良的去壁低渗火焰干燥法制片[6],以未诱导材料为参照,通过观察染色体数目检出有变异的材料。
2 结果与分析
2.1 种子获得无菌苗
将种子接种到 MS培养基中进行发芽培养,培养4~7d内观察统计发芽情况。结果表明,当培养7d时,发
芽率达到了100%,并且无菌苗长势良好。
2.2 扁茎黄芪继代增殖培养
将种子发芽得到的无菌苗接种到不同激素配比的处理组合中,当接种4~6d后,无菌苗切口处开始膨大,10
~15d后切口处分化出大量不定芽,25d时对其进行相关数据的统计分析,结果表明(表1),激素是诱导组培苗
表1 不同激素配比对组培苗继代增殖培养的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犺狅狉犿狅狀犲狆狉狅狆狅狉狋犻狅狀狅狀狆狉狅犾犻犳犲狉犪狋犻狅狀狅犳狊犲犲犱犻狀犵犻狀狋犻狊狊狌犲犮狌犾狋狌狉犲
6BA+NAA(mg/L)接种数Explantsnumber(株Stems)平均增殖系数Averageproliferatecoefficient平均苗高Averageheightofbreeding(cm)
1.0+0.05 12 0fF 3.0bcdABCD
1.0+0.10 12 0fF 3.2abcABCD
1.0+0.20 12 0fF 3.3abABC
1.0+0.50 12 0fF 3.5abAB
2.0+0.05 12 0fF 3.8aA
2.0+0.10 12 1.0deDEF 3.0bcdABCD
2.0+0.20 12 1.5deDEF 3.2abcABCD
2.0+0.50 12 3.5bAB 3.3abABC
3.0+0.05 12 2.0cdCD 3.0bcdABCD
3.0+0.10 12 2.5cBC 3.2abcABCD
3.0+0.20 12 3.0bcBC 3.3abABC
3.0+0.50 12 4.5aA 3.5abAB
4.0+0.05 12 0.5efEF 2.3dD
4.0+0.10 12 1.5dDE 2.4dCD
4.0+0.20 12 2.0cdCD 2.5cdCD
4.0+0.50 12 3.0bcBC 2.8bcdBCD
 注:同列中,标有不同小写字母者差异显著(犘<0.05),标有不同大写字母者差异极显著(犘<0.01),标有相同字母者差异不显著,下同。
 Note:Thesamelettermeansthedifferenceisnotsignificant,thedifferentlettermeansthedifferenceissignificant,smallettermeanstherelation
shipissignificantatthelevelof犘<0.05,captiallettermeanstherelationshipissignificantatthelevelof犘<0.01.Thesamebelow.
59第18卷第1期 草业学报2009年
增殖的关键物质,对培养的成败起着决定性的作用。其中以3.0+0.50这一组合平均增殖系数最高,达到4.5,
方差分析表明,此组合与其他组合之间存在极显著差异,平均苗高达3.5cm。由此筛选出最适继代增殖培养基
为 MS+6BA3.0mg/L+NAA0.50mg/L。25d继代1次(图1A)。
2.3 扁茎黄芪生根培养
选择继代培养后生长健壮的试管苗,将其分成单
株,分别接种到生根培养基上培养,20d后观察并统
计结果。结果表明(表2),NAA的浓度以0.05mg/L
为最佳,平均可长出10条根,生根率达到100%,从
方差分析可以看出,此浓度下的生根率与其他浓度差
异显著,由此筛选出最适生根培养基为1/2MS+
NAA0.05mg/L,并且在此培养基上生长的组培苗
根部没有愈伤组织形成,有利于下一步移栽的成活
(图1B)。
表2 生长素对组培苗生根的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狅犳犺狅狉犿狅狀犲狅狀狉狅狅狋犻狀犵狅犳狊犲犲犱犻狀犵犻狀狋犻狊狊狌犲犮狌犾狋狌狉犲
NAA
(mg/L)
接种数
Explantsnumber
(株Stems)
平均根数
Averagenumberofroot
induced(条Loaf)
生根率
Rooting
frequency(%)
0 10 0dD 0dC
0.01 10 5cC 75cB
0.05 10 10aA 100aA
0.10 10 8bB 90bA
图1 扁茎黄芪组织培养
犉犻犵.1 犜犻狊狊狌犲犮狌犾狋狌狉犲狅犳犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊
A:芽分化Shootproliferation;B:生根Rooting;C:移栽Transplantation
2.4 移栽
选择生根良好的试管苗进行移栽,移栽前,先将试管苗从培养室中移至气温较低的室内进行练苗2~3d,再
在室内开瓶练苗1~2d,最后,在瓶内加少许自来水练苗1~2d后将其移栽至经高压灭菌的栽培土中,栽苗后需
浇透水,初期加盖覆盖物,保温保湿,管理期间,土壤切忌太湿并应注意保持空气湿度。移栽成活情况见图1C。
2.5 四倍体的诱导
2.5.1 秋水仙碱对材料的诱导影响 未经秋水仙碱处理的离体再生植株中无染色体倍性变异出现(表3)。经
秋水仙碱处理的茎尖,在试验选择的浓度范围内都有一定的诱导效果。这些处理过的茎尖在培养基上前期生长
极为缓慢,几乎处于停止生长状态,这种现象随着处理浓度的升高或时间的延长而加剧。相同浓度下随着处理时
间的延长其受伤害程度也相应增加,因而导致茎尖死亡率增加。秋水仙碱处理各浓度均能诱导染色体加倍,但是
处理的时间长短不同,0.3%的秋水仙碱处理3~4d的诱导率为30.0%~40.0%,此处理从方差分析来看虽然同
质四倍体和嵌合体与其他处理之间没有显著性差异,但从总的诱导率来看,0.3%的秋水仙碱处理3d与其他处
理差异达到了显著水平,因此最终选择以0.3%的秋水仙碱处理3d的效果最好,变异率最高为40%。同时获得
的同质四倍体植株也最多为5株。
2.5.2 倍性的鉴定 未经秋水仙碱处理的离体再生植株根尖染色体数目均为2狀=2x=16(图2A),未发现有其
他倍性的细胞。经秋水仙碱溶液处理后所获得的植株,虽存在较高比例的二倍体和一定比例的嵌合体,但同时也
获得了较多同质的四倍体染色体,数目为2狀=4x=32(图2B)。
69 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.1
表3 秋水仙碱的诱变效果
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀犮狅犾犮犺犻犮犻狀犲狅狀犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊
处理浓度
Colchicineconcentration
(%)
处理时间
Immersion
days(d)
处理苗数
Numberofseeding
treated
死亡率
Deathfrequency
(%)
染色体倍性变异数Polyploids
同质4x
Homogenoustetraploid
嵌合体2x+4x
Chimaeriferus
诱导率
Inductionfrequency
(%)
0 4 30 0dD 0cB 0cC 0dF
0.1 1 30 0dD 0cB 0cC 0dF
2 30 0dD 0cB 0cC 0dF
3 30 0dD 0cB 0cC 0dF
4 30 0dD 0cB 1bcBC 3.3dDF
0.3 1 30 0dD 0cB 0cC 0dF
2 30 3.3dD 2abcAB 4abABC 20.0cBCD
3 30 16.7cC 5aA 7aA 40.0aA
4 30 23.3bB 4abAB 5aAB 30.0cAB
0.5 1 30 0dD 0cB 1bcBC 3.3dDF
2 30 16.7cC 2abcAB 5aAB 23.3cABC
3 30 26.7bB 4abAB 4abABC 26.7bcAB
4 30 40.0aA 1bcAB 1bcBC 6.7dCDF
图2 不同倍性扁茎黄芪体细胞染色体与植株
犉犻犵.2 犛狅犿犪狋犻犮犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲狊犪狀犱狆犾犪狀狋犾犲狋狊狅犳犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾狅犻犱狔犾犲狏犲犾狊
A:扁茎黄芪体细胞染色体2狀=2x=16Somaticchromosomesof犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊2狀=2x=16;B:扁茎黄芪体细胞染色体2狀=4x=32
Somaticchromosomesof犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊2狀=4x=32;C:扁茎黄芪组培苗(左4X,右2X)Culturedshootsof
犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊(left4X,right2X)
2.5.3 二倍体和四倍体植株外部形态的初步比较 通过扩大繁殖获得了较多的扁茎黄芪四倍体植株,观察二倍
体和四倍体的生长状况和形态,四倍体植株比二倍体植株的茎粗壮,叶色更深,叶片更厚(图2C)。
3 讨论
组织培养是生物技术育种的基础,建立高频再生体系是进行遗传转化的首要条件[7]。因此目前对牧草进行
组织培养研究目的各有不同,有的是为了运用生物技术筛选抗性种质对种苗的需求而进行组织培养[8,9],有的是
因为不能自然开花结实,在生产上采用种茎无性繁殖的方法提供种苗[10],有的是为了解决繁殖慢、种苗供不应求
的难题[11],本试验进行离体快速繁殖的目的是为了进行下一步多倍体诱导。自育种学家热衷于多倍体诱导领域
以来,理化诱变一直是人们首选的诱导方法,尤其是近年来化学诱变剂与组织培养结合起来,使化学诱变成为人
工诱导多倍体主要的快捷途径。本试验在进行化学诱变时,选用的是秋水仙碱,而在众多的化学诱变剂中以秋水
仙碱的效果最好,应用也最广泛,其中绝大多数人工多倍体都是利用秋水仙碱诱导成功的,如近几年诱导成功的
79第18卷第1期 草业学报2009年
花卉如鸡冠花(犆犲犾狅狊犻犪犮狉犻狊狋犪狋犪)[12]、彩色马蹄莲(犣犪狀狋犲犱犲狊犮犺犻犪犪犲狋犺犻狅狆犻犮犪)[13]等;药材如三七(犘犪狀犪狓狆狊犲狌犱狅
犵犻狀狊犲狀犵狏犪狉.狀狅狋狅犵犻狀狊犲狀犵)[14]、中国桔梗(犘犾犪狋狔犮狅犱狅狀犵狉犪狀犱犻犳犾狅狉狌狊)[15]、南丹参(犛犪犾狏犻犪犫狅狑犾犲狔犪狀犪)[16]等。本
试验处理的材料是长约1cm的茎尖,由于秋水仙碱诱变作用只在细胞分裂时期,因此所处理的植物组织必须是
分裂最活跃、最旺盛的部分,通常处理萌动的或刚发芽的种子、幼苗、嫩枝的生长点、芽、蓓蕾等。秋水仙碱进行多
倍体诱变时有各种各样的方法,如浸渍、涂抹、滴液、注射等以及经过适当改良的其他各种方法。其中最常用的是
在培养过程中,用秋水仙碱溶液浸泡培养材料[17],本试验就是采用了直接浸泡茎尖的方法,另外还有一种较常用
的方法是在生长点上涂滴秋水仙碱溶液来使染色体加倍[18]。
在进行多倍体诱导研究中,嵌合体的出现是普遍存在的问题,并且出现的频率比纯合多倍体的频率要高得
多。试验中秋水仙碱浓度0.3%~0.5%比较适合诱导四倍体,但嵌合体出现的频率也很高,最高达到23.3%。
因嵌合体中二倍和高倍性细胞同时存在,在其培养过程中,各种倍性的细胞增殖速度不同,较容易发生“回复突
变”重新形成二倍体,应尽早对嵌合体进行分离,尽可能减少未加倍的细胞,否则加倍的细胞会因为分裂缓慢而遭
淘汰,这样才能保证加倍细胞的繁殖[19]。即使获得的同质四倍体在后代的生长过程中还应继续跟踪检测,确保
四倍体的纯合。
4 结论
扁茎黄芪的发芽培养基为 MS,继代增殖最适培养基为MS+6BA3.0mg/L+NAA0.5mg/L,平均增殖系
数达到4.5,平均苗高达3.5cm;生根最适培养基为1/2MS+NAA0.05mg/L,生根数为4~6条,生根率达到
100%。
采用浸泡法用秋水仙碱处理扁茎黄芪的茎尖,以0.3%秋水仙碱溶液浸泡3d为诱导多倍体的最佳处理组
合,诱导率达40.0%。
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89 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.1
犚犪狆犻犱狆狉狅狆犪犵犪狋犻狅狀犻狀狏犻狋狉狅犪狀犱狆狅犾狔狆犾狅犻犱犻狀犱狌犮狋犻狅狀狅犳犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊
WANGLiyan,JINGRuiyong,XIAOLijie,FANGShumei,
ZHANGHongmei,WANGBeiyan,YINKuide
(HeilongjiangAugustFirstLandReclamationUniversity,Daqing163319,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Dryandripeseedsof犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊wereusedasexplantsforrapidpropagationtocompare
themutageniceffectsofdifferentconcentrationsanddurationsofcolchicineon犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊.Rapidpropaga
tionexperimentsshowedthatMSwastheoptimalmediumforbuds,whileMS+6BA3.0mg/L+NAA0.5
mg/Lwastheoptimalproliferationmediumwithanaverageproliferationcoefficientof4.5andaverageplantlet
heightof3.5cm.Thebestrootingmediumwas1/2MS+NAA0.05mg/Lwitharootcountof4-6and100%
rooting.Apicalbudsof犃.犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊wereimmersedin0.1%,0.3%and0.5%colchicinesolutionsfor1,
2,3,or4d.Chromosomenumbersofroottipcelsintheregeneratedplantletswereexaminedandshowedthat
treatmentwith0.3%colchicinesolutionfor3dwasthebestcombinationoftimeandconcentration.Thepoly
ploidratewasupto40%.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊;invitroculture;polyploid;inducedbycolchicine
99第18卷第1期 草业学报2009年