全 文 :书新麦草愈伤组织多倍体诱导与倍性鉴定
云岚,云锦凤,李俊琴,郑丽娜,赵韦,齐丽娜
(内蒙古农业大学生态环境学院,内蒙古 呼和浩特010018)
摘要:以新麦草幼胚形成的胚性愈伤组织为材料,在悬浮培养基中添加不同浓度秋水仙素和1.5% DMSO诱导愈
伤组织染色体加倍,并对处理后的愈伤组织再生幼苗进行根尖染色体倍性鉴定。在25℃下用100mg/L秋水仙素
和1.5% DMSO处理72h的愈伤组织再生植株,平均加倍细胞比例最大,为53.58%。比较分蘖期加倍幼苗与二
倍体幼苗形态差异,结果除分蘖数无显著差异外,四倍体叶片长、宽均显著高于二倍体,与混倍体叶长差异不显著。
四倍体新麦草叶片气孔保卫细胞长度比二倍体增加13.52%,差异显著。同时四倍体叶表皮气孔之间距离也显著
大于二倍体,混倍体以上气孔特征介于四倍体与二倍体之间。
关键词:新麦草;染色体加倍;愈伤组织
中图分类号:Q943.1;S543+.903 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)06012606
新麦草(犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀犮犲犪)又名俄罗斯野黑麦(Russianwildrye)、灯心草状披碱草,是新麦草属的主要
代表种[1],适于在干旱半干旱地区生长,是一种多年生、长寿命的丛生禾草,具密集的基生叶。其抗寒耐旱性强,
且在夏秋季节能保持较高的营养价值,因而是优良的牧草与生态建设草种[2]。该属植物的特征是具有基本的N
染色体组(Ngenome)[3],新麦草也是新麦草属中唯一具有饲用价值的草种[4]。由于传统方法采用化学试剂处理
新麦草植株生长点或萌动种子诱导多倍体效率较低,往往难以获得有育种价值的同源多倍体后代,因而,新麦草
被认为是遗传很稳定难以进行基因改造的物种之一[5]。但由于新麦草具较低的染色体倍性水平(2狀=14),适合
于开展倍性育种,因而选用新兴的育种技术开展研究,具有重要的潜在价值。
目前,植物遗传育种中,组织培养已成为细胞工程、染色体工程和基因工程研究与应用的重要环节之一。不
仅可直接应用于植物离体快繁,而且也越来越多地与其他育种技术相结合,丰富了草类植物育种手段,加快了育
种进程。赵洁等[6]通过组织培养研究了疏叶骆驼刺(犃犾犺犪犵犻狊狆犪狉狊犻犳狅犾犻犪)茎段离体快繁技术;李红等[7]通过紫外
线辐射和NaN3 化学诱变愈伤组织提高了苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)的抗碱性;王婷婷等[8]利用细胞工程技术对离
体培养的草地早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)丛生芽块进行高温处理,认为是获得耐热性显著提高草地早熟禾植株的有
效方法。近年来,利用植物离体组织诱导同源多倍体的研究在许多植物中有报道,但多集中在农作物和蔬菜、花
卉等园艺植物。诱导方法主要以化学诱导为主,即用化学药剂处理正处于分裂时期的细胞以诱导染色体加倍。
该方法操作简便、诱变谱广,是一种比较理想的多倍体诱导方法。离体材料一般有愈伤组织、胚状体和茎尖组织
等,这些材料中丛生芽和茎尖等容易得到,而愈伤组织、原生质体、胚状体都需要先建立再生体系,技术难度较高,
但诱导率相对也较高[9]。随着组织培养技术的发展,采用离体组织培养加倍法可以使植物染色体加倍效率大大
提高,这为新麦草多倍体的诱导提供了一条新的途径。本试验研究新麦草外植体培养过程中采用秋水仙素(col
chicine)诱导愈伤组织染色体加倍的可行性,进而对加倍材料进行染色体鉴定,筛选加倍的新麦草后代。并对染
色体加倍的同源四倍体幼苗与二倍体幼苗从形态、气孔等方面进行比较,为进一步筛选和培育抗性强、适应性好、
高产优质的四倍体新麦草品系奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料为蒙农4号新麦草品种。于2006年种植于内蒙古农业大学牧草试验站,试验取材时为生长第3年。开
126-131
2010年12月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第19卷 第6期
Vol.19,No.6
收稿日期:20100407;改回日期:20100521
基金项目:国家科技支撑计划项目(2008BADB3B03)和内蒙古科技厅重大项目(20071923)资助。
作者简介:云岚(1970),女,蒙古族,内蒙古呼和浩特人,副教授,博士。Email:yunlan@imau.edu.cn
花期后取授粉14d幼胚,进行愈伤组织诱导培养和2次继代培养,获得生长旺盛的胚性愈伤组织。
1.2 试验方法
1.2.1 诱导愈伤组织染色体加倍 在第2次继代的愈伤组织中挑选生长旺盛、淡黄色、质地酥松的颗粒状胚性
愈伤组织块进行悬浮培养。悬浮培养基为MSCD液体培养基,即MS基本成分+CH(水解酪蛋白)500mg/L+
2,4D(2,4二氯苯氧乙酸)0.5mg/L,其中分别添加10,50,100,500和1000mg/L秋水仙素与1.5% DMSO
(二甲基亚砜),以未添加秋水仙素液体培养基为对照,胚性愈伤组织5g悬浮于40mL液体培养基。分别于25
和10℃下4000lx光照、转速80r/min下振荡培养24,48和72h,每处理5次重复,经过处理的愈伤组织过滤后
用无菌水冲洗3次转入固体分化培养基[MS+0.3mg/LNAA(萘乙酸)+4.0mg/L6BA (6苄氨基嘌呤)]培
养,分化出绿苗后转入1/2MS生根培养基,幼苗生根后移栽于固体培养基沙培,置于25℃、相对湿度60%温室培
养。
1.2.2 倍性鉴定 待诱导染色体加倍后的幼苗长到开始分蘖时,取根尖进行染色体倍性鉴定。染色体压片方法
参考李懋学和张
!
方[10]的方法稍有修改。每加倍苗取3枚根尖压片,统计各制片不同倍性细胞所占比例,计算
加倍率。
四倍体细胞突变率(%)=(具28条染色体细胞数/具清晰中期分裂相细胞总数)×100
1.2.3 形态学鉴定 根据镜检结果,将新麦草四倍体植株(2狀=28细胞在80%以上)、混倍体植株(2狀=28细胞
在20%~80%)和对照未处理植株单株移栽于花盆。分别各取10株在分蘖后期测定植株高度、分蘖数、叶片长
度,测微尺测量叶片宽度。叶片长度和宽度统一测量心叶下第2片完全展开叶全长和基部宽度。每株重复测量
5~10片叶。将心叶下第2叶叶片剪下,切取基部约0.5cm放在载玻片上,用单面刀片将叶片的下表皮和叶肉
细胞刮去,仅留一层薄而透明的上表皮,滴1%IKI液微染,用装有目镜测微尺的Olympus显微镜观察测量,记
录气孔保卫细胞长度、宽度、气孔间距离。每叶片随机选择测量30个气孔,并测量每一气孔到距其最近的另一气
孔的距离。重复测量10个叶片计算平均值,并用SAS软件进行差异显著性方差分析。
2 结果与分析
2.1 愈伤组织染色体加倍
在不同处理条件下,用秋水仙素诱导新麦草愈伤组织染色体加倍后,对愈伤组织再生幼苗进行根尖染色体倍
性鉴定,比较秋水仙素加倍诱导效果。得到各处理条件下染色体加倍细胞所占比例列于表1。对未经秋水仙素
处理的愈伤组织再生植株根尖细胞进行染色体分析,其中2狀=14的二倍体细胞占绝大多数,而2狀=28四倍体细
胞比例为5%左右。经过不同浓度的秋水仙素进行处理后,新麦草四倍体细胞比例都有了不同程度的提高(图
1)。不同处理条件下植株染色体加倍效果不同,在25℃下用100mg/L秋水仙素处理72h的再生植株,平均2狀
=28细胞比例最大,为53.58%;其次为用500mg/L秋水仙素5℃下处理72h,平均细胞加倍率为41.46%;而
在5℃下用50mg/L秋水仙素处理72h的植株中平均细胞加倍率最低,仅为13.34%。
表1 不同诱导条件下再生植株加倍细胞(2狀=28)变异率
犜犪犫犾犲1 犘狉狅狆狅狉狋犻狅狀狅犳狋犲狋狉犪狆犾狅犻犱犮犲犾狊犪犳狋犲狉狋狉犲犪狋犲犱狑犻狋犺犮狅犾犮犺犻犮犻狀犲 %
秋水仙素浓度
Colchicineconcentration
(mg/L)
处理时间与温度 Timeandtemperature
24h
25℃ 5℃
48h
25℃ 5℃
72h
25℃ 5℃
1000 22.94 29.02 24.80 23.44 34.58 29.10
500 32.08 28.76 16.38 40.42 28.36 41.46
100 28.58 36.32 27.44 33.50 53.58 34.80
50 36.02 25.76 20.02 29.88 33.34 13.34
10 26.66 22.56 22.00 32.82 30.54 21.58
0 4.73 5.05 5.45 3.65 4.83 5.87
721第19卷第6期 草业学报2010年
图1 不同倍性根尖细胞染色体
犉犻犵.1 犆犺狉狅犿狅狊狅犿犲狅犳狉狅狅狋狋犻狆犮犲犾狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾狅犻犱狔
A:2狀=14细胞2狀=14cel;B:2狀=28细胞2狀=28cel
分析比较秋水仙素处理浓度、处理时间、处理温度各水平诱导染色体加倍效率的差异性,5种秋水仙素浓度
处理,平均细胞加倍率最高的是秋水仙素浓度100mg/L处理,平均加倍率为35.70%。其次是秋水仙素浓度为
500mg/L的处理,平均细胞加倍率为31.24%。其他分别为1000,50和10mg/L的秋水仙素浓度处理,平均细
胞加倍率分别为27.31%,26.39%和26.03%。
比较处理时间对加倍效果的影响,以秋水仙素72h处理比24和48h诱导细胞染色体加倍更有效,72h处
理幼苗根尖细胞染色体加倍率为32.07%。处理24和48h细胞平均加倍率为28.87%和27.07%。高温和低温
2种处理温度比较,以5℃下诱导处理的总体效果好于25℃,幼苗材料根尖中加倍细胞比例平均达32.05%,高于
25℃处理的平均26.62%。
根据倍性鉴定结果,综合分析秋水仙素浓度、处理时间和处理温度3项加倍诱导条件,如果不考虑三者之间
的互作效应,在考查范围内可以得出新麦草愈伤组织诱导染色体加倍最佳条件为:秋水仙素浓度100mg/L和
1.5% DMSO、处理时间72h和处理温度5℃低温处理。但从本试验实际诱导效果来看,加倍效率最高的是秋水
仙素浓度100mg/L和1.5%DMSO、处理时间72h在较高温度(25℃)下的处理,说明秋水仙素在诱导细胞染色
体加倍过程中,诱导剂浓度、处理时间以及处理温度存在一定互作效应。试验中高温下诱导效果好于低温,原因
可能在于高温下细胞分裂活动更为旺盛,秋水仙素对细胞分裂的抑制作用更明显,但同时对组织的毒害性也更
强,致使部分再生植株死亡。
2.2 加倍植株的形态学鉴定
倍性鉴定后对四倍体(tetraploid)、混倍体(mix
ploid)及二倍体(diploid)对照进行分组,待幼苗生长至
分蘖期,分别测量3组幼苗分蘖数、株高、叶片长、宽等
形态特征。3组幼苗分蘖数差异不显著,平均分蘖数
15.0~17.1(表2)。株高差异也不显著,但四倍体植
株平均株高稍高于混倍体和二倍体。四倍体叶片长度
平均为17.84cm,显著高于二倍体,但与混倍体叶长
差异不显著。混倍体和二倍体叶片宽度差异不显著,
但四倍体叶片宽度显著大于前二者。从形态上来看,
新麦草加倍植株叶片长、宽均较二倍体有所增加。
表2 不同倍性植株形态特征比较
犜犪犫犾犲2 犕狅狉狆犺狅犾狅犵狔犮狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾狅犻犱狔狆犾犪狀狋狊
植株类型
Planttype
分蘖数
Tilers
株高
Height
(cm)
叶长
Leaflength
(cm)
叶宽
Leafwidth
(mm)
四倍体Tetraploid 15.8a 27.54a 17.84a 3.30a
混倍体 Mixploid 17.1a 25.33a 15.26ab 3.13b
二倍体Diploid 15.0a 24.52a 13.85b 3.11b
注:表中不同字母代表犘<0.05水平差异显著,下同。
Note:Differentlettersmeansignificantdifferenceat0.05level,The
samebelow.
气孔保卫细胞易于观察,是进行倍性鉴定常用依据。通过显微观察气孔保卫细胞形态和测量比较四倍体、混
倍体及二倍体植株气孔器(图2),结果表明,以上3组植株叶片表皮气孔在长度、宽度、气孔间距离上均有一定差
异(表3)。表中四倍体叶片气孔保卫细胞长度比二倍体增加13.52%,差异显著。气孔宽度也较二倍体有所增
加,但差异未达到显著水平。四倍体与二倍体植株叶表皮气孔间距离差异最显著,四倍体气孔间距显著大于二倍
体,相差近1倍。混倍体以上特征介于二者之间。表明体细胞染色体加倍效应对叶片表皮气孔形态及分布具有
较大影响,具体表现为随着染色体倍性增加,气孔变大、气孔间距离增加。
821 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
图2 不同倍性植株叶表皮气孔保卫细胞形态(10×40倍)
犉犻犵.2 犕狅狉狆犺狅犾狅犵狔狅犳犾犲犪犳狊狋狅犿狅狋犪犾狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾狅犻犱狔狆犾犪狀狋
A:二倍体叶片气孔Stomotalofdiploidplant;B:四倍体叶片气孔Stomotaloftetraploidplant
3 讨论
悬浮培养的胚性愈伤组织颗粒小,易分散,再生性
强,是良好的加倍诱导材料[11]。在一些作物及园艺植
物染色体加倍研究中将愈伤组织作为诱导材料已有许
多成功报道。本研究以新麦草幼胚形成的胚性愈伤组
织为材料,在悬浮培养基中添加秋水仙素和1.5%
DMSO诱导愈伤组织染色体加倍,并对愈伤组织再生
幼苗进行根尖染色体倍性鉴定。比较不同处理条件,
在25℃下用100mg/L秋水仙素和1.5% DMSO处
理72h的愈伤组织再生植株,平均加倍细胞比例最大,
表3 不同倍性植株叶表皮气孔形态特征
犜犪犫犾犲3 犔犲犪犳狊狋狅犿狅狋犪犾犿狅狉狆犺狅犾狅犵狔狅犳
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾狅犻犱狔狆犾犪狀狋狊 μm
植株类型
Planttype
气孔长
Stomalength
气孔宽
Stomawidth
气孔间距离
Distancebetween
stomas
四倍体Tetraploid 47.85a 14.65a 107a
混倍体 Mixploid 44.42ab 12.63a 104a
二倍体Diploid 42.17b 12.71a 65b
为53.58%。分析其原因,前人研究发现在愈伤组织诱导及培养过程中常常导致细胞染色体组自然发生内源多
倍化[12]。Ramulu和Dijkhwis[13]通过流式细胞仪对马铃薯(犛狅犾犪狀狌犿狋狌犫犲狉狅狊狌犿)单倍体、双单倍体、四倍体品系
的植株愈伤组织进行了DNA含量分析和细胞倍性测定,结果发现,由单倍体诱导的愈伤组织中具有DNA 的
1C、2C和4C峰,说明愈伤组织内部的一些细胞经历着一个多倍化过程,并且细胞具有广泛的变异倍性。在花药
培养时外植体愈伤组织发生自然加倍的现象在许多作物,如水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)等均
有报道[14,15]。这些研究表明愈伤组织本身存在一定的染色体不稳定性,这种不稳定性可能有利于加倍诱导多倍
体细胞的发生。
本研究得出处理新麦草愈伤组织适宜的秋水仙素浓度、处理时间及温度等诱导条件与其他植物的研究有一
定差异,如崔广荣等[16]报道文心兰(犗狀犮犻犱犻狌犿)类原球茎薄切片离体诱导多倍体时以0.2%~0.4%秋水仙素处
理10~20d为宜;王丽艳等[17]研究得出以0.3%秋水仙素溶液浸泡扁茎黄芪(犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犮狅犿狆犾犪狀犪狋狌狊)的茎尖3
d为诱导多倍体的最佳处理组合;张计育等[18]研究结果显示,用0.3%秋水仙素浸泡处理4d是最佳的草莓
(犉狉犪犵犪狉犻犪)离体叶片诱导方法;王军玲等[19]采用浸泡法对离体培养的鸡冠花(犆犲犾狅狊犻犪犮狉犻狊狋犪狋犪)营养芽进行处理,
得出以0.15%秋水仙素溶液浸泡36h为诱导多倍体的最佳处理组合。即使对于同种植物处理不同组织结果也
不完全相同,张秀丽等[20]报道对新麦草萌动种子进行了染色体加倍,认为在室温用0.2%秋水仙素溶液处理3~
5h,诱导加倍的成功率最高。以上结果表明秋水仙素与细胞分裂之间的相互作用机制是复杂的,物种及细胞的
基因型、不同组织的生理状态对加倍诱导效果均有影响。而且多倍体诱导率的统计标准在各种文献中也不一致,
因此,很难在不同物种间做出比较。
比较分蘖期加倍幼苗与二倍体幼苗形态差异,除分蘖数无差异外,四倍体叶片长、宽均显著高于二倍体,与混
倍体叶长差异不显著。形态上新麦草加倍植株叶片长、宽均较二倍体有所增加。这一结果与前人研究认为染色
体加倍导致多数植物营养器官大型化的结果相似[21]。
对叶表皮气孔保卫细胞的比较发现,四倍体新麦草叶片气孔保卫细胞长度比二倍体增加13.52%,差异显
921第19卷第6期 草业学报2010年
著。同时四倍体叶表皮气孔之间距离也显著大于二倍体,混倍体以上特征介于二者之间。表明细胞染色体加倍
具有使新麦草叶片气孔变大、气孔间距离增加的效应。事实上,多倍体叶片气孔增大、保卫细胞内叶绿体数目增
多、气孔密度下降的现象在众多研究中均得到证实[2224]。如Rajendra等[25]认为小麦等植物在进化过程中,随染
色体倍性的增加,形态上具有单位面积气孔数目越来越少,而气孔越来越大的变化趋势。因此,有研究认为气孔
随染色体倍性增加,周长和面积增加的特征在不同物种中具有稳定性,可以作为不同倍性植株的鉴定依据[26]。
本试验研究结果也支持了这一观点,可见气孔大型化以及气孔密度降低与染色体倍性的增加具有显著相关性,因
此,针对相同新麦草材料用叶片气孔保卫细胞的长度和密度为指标可以鉴别染色体加倍植株。
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031 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
犆犪犾狌狊狆狅犾狔狆犾狅犻犱狔犻狀犱狌犮狋犻狅狀犪狀犱犻犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犚狌狊狊犻犪狀狑犻犾犱狉狔犲犵狉犪狊狊
YUNLan,YUNJinfeng,LIJunqin,ZHENGLina,ZHAOWei,QILina
(ColegeofEcologicalandEnvironmentalScience,InnerMongolia
AgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:ChromosomedoublingofRussianwildryewasinducedwithcolchicineanddimethylsulfoxide(DM
SO)insuspensionculturemedia,andembryogeniccaliwereinducedfromimmatureembryos.Chromosome
ploidyofroottipcelswasidentifiedafterinduction.Treatmentwith100mg/Lcolchicineand1.5%DMSOfor
72honcaluswasthebestforpolyploidyinduction.Thepercentageoftetraploidcelswas53.58%.Morpho
logicalcomparisonsshowedthatthelengthandwidthofleavesfromtetraploidplantwasincreased.Thelength
ofstomatalguardcelsofthetetraploidsincreasedby13.52% morethanthediploidsandthedistancebetween
stomataincreasedsignificantly.Thestomatalcharacteristicsofmixedploidplantswereintermediatebetween
thetwo.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Russianwildrye;chromosomedoubling;calus
131第19卷第6期 草业学报2010年