全 文 :书犇犈犛诱变与离体培养结合筛选
柱花草抗寒突变体的研究
王小华,庄南生,王英,高和琼,韩平原
(海南大学农学院,海南 儋州571737)
摘要:采用硫酸二乙酯(DES)在不同温度下对柱花草愈伤组织进行化学诱变处理,并结合添加有不同浓度L羟脯
氨酸的培养基进行离体筛选,将经两步法筛选后存活的愈伤组织诱导成小苗,采用1℃下光照培养8d对小苗进行
低温筛选,根据寒害程度将小苗分为4个等级。随机选取寒害程度最低的(一级伤害)小苗2株,分别切取其一部
分茎段为外植体进行愈伤的诱导,其愈伤组织作为测定抗寒生理指标的材料。结果表明,DES的浓度与愈伤组织
的存活率呈负相关,处理的温度与愈伤组织的存活率亦呈负相关,0.4%DES(10℃,2h)处理的愈伤组织经两步筛
选后其存活率最高,为18.6‰,而对照为6.6‰。经过两步法筛选后存活的愈伤组织诱导的小苗在低温筛选后得
到14株一级伤害苗,而对照植株中未获得一级伤害苗。抗寒生理指标的测试表明,一级伤害小苗的抗寒能力显著
强于对照株。
关键词:柱花草;硫酸二乙酯;L羟脯氨酸;低温筛选;抗寒生理指标
中图分类号:S541.903.4;Q945.7 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)01026305
柱花草(犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊)是优良的热带、亚热带豆科牧草,原产于中、南美洲[1]。柱花草怕霜冻,耐
寒性能差,在广东、广西等省区易受寒害,难结籽,严重地影响了柱花草的进一步推广种植和产量的提高[2]。因
此,柱花草耐寒新品种的选育已提上新议程。虽然柱花草的植株再生体系已经成功建立[3],但是利用组织培养和
化学诱变相结合的方法对柱花草进行抗寒育种在国内外尚未见报道。在本实验中,笔者利用硫酸二乙酯
(diethylsulfate,DES)化学诱变结合添加L羟脯氨酸(Lhydroxyproline,LHyp)的筛选培养基对柱花草愈伤
组织进行处理,旨在获得柱花草抗寒无性系变异植株。
1 材料与方法
1.1 材料
热研2号柱花草(犛.犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊cv.Reyan2)种子由中国热带科学院农牧研究所提供,DES购自上海生物工
程公司。
1.2 方法
1.2.1 愈伤组织及再生植株的获得 参照蒋昌顺等[4]的方法诱导柱花草愈伤组织及再生植株,以柱花草愈伤组
织作为化学诱变的材料。
1.2.2 DES溶液的配制与诱变处理 利用过滤灭菌法配制成0.2%,0.4%和0.6%的DES(pH值7)溶液,将
愈伤组织切成3mm3 的小块后,浸泡于诱变液中,放入恒温摇床,转速100r/min。利用3种浓度的DES溶液对
愈伤组织分别在25,20,15和10℃四个温度梯度处理2h,每个处理重复3次,处理完后用无菌水洗净,接种在愈
伤组织诱导培养基,1周后观察其存活率,存活率为经筛选存活的愈伤组织块数占筛选总数的百分比。
1.2.3 筛选压力浓度的确定及抗性愈伤组织的筛选 将对照愈伤组织接入添加有0.2,0.3,0.4,0.5和0.6
g/L浓度LHyp的愈伤组织诱导培养基中,将褐化面积小于50%的愈伤记作为存活愈伤,1周后观察其存活率。
参照郭岩等[5]的方法,用两步法筛选抗性愈伤组织,将诱变恢复1周后的愈伤组织切开转接到添加有较大致死剂
第19卷 第1期
Vol.19,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
263-267
2010年2月
收稿日期:20090113;改回日期:20090306
基金项目:华南热带农业大学博士科研启动基金项目(Rndy0502)资助。
作者简介:王小华(1984),男,江西吉安人,在读硕士。Email:tedy_cc@163.com
通讯作者。Email:zhuangns@163.com
量LHyp的培养基,1周后挑选存活的愈伤组织转接到不含LHyp的培养基,恢复1周后再挑选生长良好的愈
伤组织切开转接到添加有临界致死剂量LHyp的培养基。
1.2.4 抗寒小植株筛选及抗寒等级的划分 将两步法筛选得到的抗性愈伤组织增殖后,用芽诱导和芽增殖培养
基诱导得到小苗,将长出的小苗放入1℃低温光照培养箱中8d,以未经诱变处理和筛选的愈伤组织诱导的小苗
作为对照,再将小苗放入25℃下光照培养箱恢复1周。根据低温处理后小苗的萎蔫部分占整个植株的百分比,
将低温伤害分为4个等级。一级、二级、三级和四级伤害,萎蔫部分分别占整个植株的0~5%,5%~15%,15%
~50%和50%~100%。
1.2.5 小植株抗寒生理指标的测定 从一级伤害小植株和对照小植株中分别随机选取2株,分别记为DES1、
DES2、CK1 和CK2,分别切取一部分植株的茎秆,接种于愈伤组织诱导培养基:MS(Murashige&Skoogmedia)
+6BA(6benzylaminopurine)4.0mg/L+NAA(naphthylaceticacid)1.0mg/L,取其愈伤组织用于各项抗寒
生理指标的测定。
本实验采用测定常温下,以及在1℃下光照培养1,3,5,7d后的愈伤组织游离脯氨酸含量和超氧化物歧化酶
活性。游离脯氨酸含量测定采用王韶唐[6]的方法。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用张志良和瞿伟菁[7]的方法。
2 结果与分析
2.1 抗LHyp愈伤组织的获得和抗寒再生苗的筛选
2.1.1 利用DES对柱花草愈伤组织处理后的存活率
愈伤组织的存活率随着DES溶液浓度和处理温度
的升高呈降低趋势(表1)。参照 Bhagwat和 Dun
can[8]的研究结果,本实验采用表1中的7种不同的
DES浓度和处理温度进行大量实验。7种处理分别为
A:0.2%DES(25℃,2h)、B:0.2%DES(20℃,2h)、
C:0.2%DES(15℃,2h)、D:0.2%DES(10℃,2h)、
E:0.4%DES(15℃,2h)、F:0.4%DES(10℃,2h)和
G:0.6%DES(10℃,2h)。
2.1.2 不同浓度LHyp培养基对对照柱花草愈伤组
织的影响 当LHyp浓度超过0.3g/L时,愈伤的存
活率急剧降低(图1),当浓度达到0.4g/L时存活率
为20%,并且在这些存活的愈伤中90%左右都存在部
分褐化现象,当浓度达到0.5g/L时存活率仅为3%,
且存活的愈伤组织块全部都存在部分褐化现象,表明
LHyp对柱花草愈伤组织的临界致死剂量大概是0.5
g/L。本实验采用的两步筛选法,0.4g/L作为第1次
筛选的浓度,0.5g/L作为第2次筛选的浓度。
表1 犇犈犛对柱花草愈伤组织存活率的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳犇犈犛狅狀狋犺犲狊狌狉狏犻狏犪犾狉犪狋犲
狅犳犮犪犾狌狊犳狉狅犿犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊
DES浓度
Concentration
ofDES
(%)
处理温度
Temperatureof
treatment
(℃)
总数
Total
number
(块Bit)
存活数
Surviving
number
(块Bit)
存活率
Survival
rate
(%)
0.2 25 702 56 8
0.2 20 680 68 10
0.2 15 691 553 80
0.2 10 689 620 90
0.4 25 697 14 2
0.4 20 710 78 11
0.4 15 702 400 57
0.4 10 730 635 87
0.6 25 482 0 0
0.6 20 462 9 2
0.6 15 706 92 13
0.6 10 707 106 15
图1 不同浓度犔犎狔狆培养基对对照柱花草愈伤组织的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀’狊犔犎狔狆狅狀狋犺犲
狊狌狉狏犻狏犪犾狉犪狋犲狅犳犮犪犾狌狊犳狉狅犿犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊
2.1.3 DES处理愈伤后两步法筛选的结果 A、B、C
和G四个处理的愈伤组织经两步筛选后的存活率低
于对照(表2),这可能是因为DES药剂本身对愈伤组
织有毒害作用,但值得注意的是,B和C两个处理的愈
伤组织经两步筛选后存活的愈伤组织块中存在有完全
无褐化、生长良好的愈伤组织块,而对照处理经两步筛
选后存活的愈伤组织块全都存在部分褐化现象。D、E
和F三种处理的愈伤组织经两步筛选后的存活率高
于对照,这可能是因为DES药剂使愈伤组织发生了一
462 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.1
定的抗LHyp变异,其中F处理的愈伤组织存活率最
高,为18.6‰,且大部分都是完全无褐化、生长良好的
愈伤组织块。
2.1.4 低温处理对再生苗的影响 C、D和F三个处
理最终都得到了表型抗寒能力最高(一级伤害)的小苗
(表3),总计14株,D处理的一级伤害小苗获得率最
高,为3%。B、C、E、F和G五个处理共得到28株二
级伤害小苗,F处理的二级伤害小苗获得率最高,为
4.7%。而对照苗中都未筛选出一级或二级伤害小苗。
7种处理得到的再生苗在总体上都表现出比对照高的
表型抗寒能力。Dorffling等[9]采用未经任何处理的
小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)愈伤组织进行LHyp离体
筛选,亦能获得抗寒突变体,而本实验对照经两步法筛
选得到的愈伤只诱导出2株再生苗,经1℃下8d低温
筛选后,发现皆为表型抗寒最弱的四级伤害苗,未得到
抗寒再生苗。
2.2 抗寒生理指标检测结果
现阶段所有低温筛选得到的苗都未进行移栽,主
要是因为一级伤害苗的数量太少,宜采用离体扩增得
到更多的苗。瓶苗本身都是比较小的,不宜直接取其
茎秆或叶片来测生理指标,通过切取其部分茎段诱导
愈伤组织用于生理指标检测。
表2 两步法筛选对不同浓度犇犈犛不同温度下
处理过的愈伤组织的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狅犳狋犺犲2狊狋犲狆狊犲犾犲犮狋犻狅狀狅犳狋犺犲犔犎狔狆犮犪犾狌狊
狋狉犲犪狋犲犱犫狔犇犈犛狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狅狀狋犺犲
狊狌狉狏犻狏犪犾狉犪狋犲狅犳犮犪犾狌狊犳狉狅犿犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊
处理
Treatment
处理总数
Total
number
(块Bit)
筛选后存活数
Numberofsurviving
calusafterselections
(块Bit)
存活率
Survival
rate
(‰)
A0.2%DES(25℃,2h) 2756 3 1.1
B0.2%DES(20℃,2h) 1567 5 3.2
C0.2%DES(15℃,2h) 2365 11 4.6
D0.2%DES(10℃,2h) 2004 20 10.0
E0.4%DES(15℃,2h) 1980 14 7.1
F0.4%DES(10℃,2h) 1235 23 18.6
G0.6%DES(10℃,2h) 987 2 2.0
CK 302 2 6.6
注:处理总数是第1次筛选时的愈伤总数,筛选后的存活数是经两步
筛选后存活的愈伤总数。
Note:Thetotalnumberwasthenumberofthecalusforthefirst
stepselection,andthesurvivingnumberafterselectionswasthenum
berofthesurvivingcalusafterthe2stepsselection.
表3 1℃下8犱低温处理对具有抗犔犎狔狆愈伤组织诱导出的小苗的影响
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狅犳1℃-8犱犾狅狑狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狅狀狋犺犲狆犾犪狀狋犾犲狋狊犻狀犱狌犮犲犱犳狉狅犿狋犺犲犔犎狔狆狉犲狊犻狊狋犪狀狋犮犪犾狌狊犲狊
处理
Treatment
诱导小苗植株数
Numberofplantletsinduced
筛选后存活植株数Survivalnumberafterindoorselection
一级伤害1stinjury 二级伤害2ndinjury 三级伤害3rdinjury 四级伤害4thinjury
A0.2%DES(25℃,2h) 13 0(0) 0(0) 1(7.7) 12(92.3)
B0.2%DES(20℃,2h) 186 0(0) 2(1.1) 6(3.2) 178(95.7)
C0.2%DES(15℃,2h) 236 2(1.0) 6(2.5) 22(9.3) 206(87.3)
D0.2%DES(10℃,2h) 202 6(3.0) 0(0) 6(3.0) 190(94.0)
E0.4%DES(15℃,2h) 148 0(0) 6(4.0) 12(8.1) 130(87.8)
F0.4%DES(10℃,2h) 256 6(2.3) 12(4.7) 26(10.2) 212(82.8)
G0.6%DES(10℃,2h) 12 0(0) 2(16.6) 2(16.6) 8(66.6)
CK 246 0(0) 0(0) 14(5.7) 232(94.3)
注:括号内数字为各级伤害苗占该处理苗总数的百分数。
Note:Figuresinbracketsrefertoeachinjuryplantletsaspercentagesoftotalnumberofeachtreatments.
2.2.1 小苗诱导愈伤组织的游离脯氨酸含量 随着低温胁迫时间的增加,愈伤组织体内的游离脯氨酸含量不断
增加(表4)。在1℃下1d后,DES1 和DES2 分别是CK2 的7.06和6.35倍,在1℃下7d后,DES1 和DES2 虽分
别由峰值降为278.81和300.34μg/g,但是这2个值都高于CK1 和CK2 在整个过程的峰值。以上结果表明,低
温胁迫下,一级伤害小苗具有显著高于对照的累计脯氨酸的能力。
2.2.2 各级伤害小苗诱导愈伤组织的SOD活性 在低温处理前5d,SOD活性都不断增加(表5),低温处理5d
562第19卷第1期 草业学报2010年
后,都减少,在整个过程中,同一低温处理下,抗寒系的SOD活性都高于对照。1℃下3d,CK1、CK2 和DES1 的
差异未达到极显著,1℃下7d,CK2 和DES2 的差异也未达到极显著,在1℃下7d,DES1 是CK1 的1.86倍,为各
时期差异最大值。值得注意的是,当低温胁迫7d后DES1 降低为302.26U/gFW,这一数值比CK1 的峰值
295.73U/gFW还高。以上分析说明,在整个低温胁迫过程中,抗性系整体表现出更强的SOD活性。
表4 从一级伤害和对照小苗所诱导愈伤组织在各低温处理下的游离脯氨酸含量
犜犪犫犾犲4 犘狉狅犾犻狀犲犮狅狀狋犲狀狋狅犳狋犺犲犮犪犾狌狊犲狊犻狀犱狌犮犲犱犳狉狅犿狋犺犲狆犾犪狀狋犾犲狋狊狅犳狋犺犲1狊狋
犮犺犻犾犻狀犵犻狀犼狌狉狔犪狀犱犆犓狊犺狅狅狋狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾狅狑狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊 μg/g
处理时间Durationoftreatment(d) CK1 CK2 DES1 DES2
0 42.64±3.67B 21.56±2.44C 53.99±2.75A 51.46±3.66A
1 71.10±3.40B 26.37±4.03C 186.20±18.67A 167.35±9.67A
3 210.47±12.38B 222.80±25.50B 388.17±11.35A 359.80±36.98A
5 243.07±24.38B 227.36±20.47B 380.46±34.67A 350.74±26.34A
7 150.63±11.39D 187.16±10.51C 278.81±15.31B 300.34±12.67A
注:同行中不同字母表示数值之间的差异极显著(犘<0.01)。下同。
Note:Differentlettersinthesamerowmeansignificantdifferenceat0.01level.Thesamebelow.
表5 从一级伤害和对照小苗所诱导愈伤组织在各低温处理下的犛犗犇活性
犜犪犫犾犲5 犛犗犇犪犮狋犻狏犻狋狔犻狀狋犺犲犮犪犾狌狊犲狊犻狀犱狌犮犲犱犳狉狅犿狋犺犲狆犾犪狀狋犾犲狋狊狅犳狋犺犲1狊狋
犮犺犻犾犻狀犵犻狀犼狌狉狔犪狀犱犆犓狊犺狅狅狋狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾狅狑狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊 U/gFW
处理时间Durationoftreatment(d) CK1 CK2 DES1 DES2
0 164.19±2.34A 159.93±11.42A 179.42±36.78A 179.87±22.34A
1 239.69±25.65B 231.68±13.53B 296.57±24.98A 292.14±12.12A
3 283.43±55.04AB 257.62±39.25B 341.30±26.07AB 345.18±34.78A
5 295.73±10.56B 329.19±18.56B 413.61±41.67A 424.56±11.88A
7 162.11±34.47C 172.88±41.51BC 302.26±9.80AB 243.50±5.75B
3 结论与讨论
在DES用来诱变植物愈伤组织的实验中,其处理时间一般不超过2h[10],本实验的DES诱变处理时间都采
用2h,而通过采用改变处理液的温度来改变其诱变效果。一般DES诱变实验的处理温度为室温(25℃),而本实
验的研究结果表明,最佳处理为0.4%DES在10℃下处理愈伤组织2h。这说明在使用半衰期较短的烷化剂进
行化学诱变实验时,考虑到温度对其诱变效果和毒性都存在影响,应该严格设置不同温度梯度,寻找适合的处理
温度。一概地使用室温(25℃),可能会错过更好诱变效果的处理,而根本不控制其处理时的温度,则更会导致在
相同处理下其实验结果偏差较大。
确定了采用两步法筛选柱花草抗性愈伤组织,第1步和第2步筛选的LHyp浓度分别为0.4和0.5g/L,总
计筛选得到一级伤害苗14株。测定愈伤组织的抗寒生理指标能够很好的反映出植株的抗寒能力。张栋梁等[11]
通过测定茄子(犛狅犾犪狀狌犿犿犲犾狅狀犵犲狀犪)抗性系愈伤组织及其再生苗的电导率、游离脯氨酸含量和丙二醛含量等抗
寒生理指标发现,愈伤能够很好的体现其再生苗的抗寒水平。愈伤组织生理指标的检测结果表明,一级伤害和对
照在多项生理指标上有明显区别,说明所得植株是变异体的可能性较大,但再生植株所表现的抗寒性是否属于基
因水平上的变异,以及是否能够在有性繁殖世代中保持,仍需进一步研究。
参考文献:
[1] 庄南生,王英,唐燕琼,等.超声波处理柱花草种子的生物学效应研究[J].草业科学,2006,23(3):8082.
662 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.1
[2] 陈三有.柱花草生产利用技术现状及展望[J].中国草地,2000,(4):6467.
[3] 刘进平,李早霞,吴发红,等.柱花草高频植株再生体系的建立[J].草业学报,2005,14(5):6668.
[4] 蒋昌顺,邹冬梅,张义正.柱花草的组织培养及植株再生[J].植物生理学通讯,2003,39(1):33.
[5] 郭岩,张耕耘,陈少麟,等.抗羟脯氨酸水稻变异系的筛选及其特性的研究[J].实验生物学报,1993,26(2):1921.
[6] 王韶唐.植物生理学实验指导书[M].西安:陕西科学技术出版社,1986.
[7] 张志良,瞿伟菁.植物生理实验指导[M].北京:高等教育出版社,2003.
[8] BhagwatB,DuncanEJ.Mutationbreedingofbananacv.Highgate(Musa.spp.,AAAGroup)fortoleranceto犉狌狊犪狉犻狌犿狅狓
狔狊狆狅狉狌犿f.sp.Cubenseusingchemicalmutagens[J].ScientiaHorticulturae,1998,73:1122.
[9] DorfflingK,DorfflingH,LesselichE,犲狋犪犾.Heritableimprovementtofrosttoleranceinwinterwheatbyinvitroselectionof
hydroxyprolineresistantprolineoverproducingmutants[J].Euphytica,1997,93:110.
[10] 李波,贾秀峰.诱变苜蓿愈伤组织抗寒性研究[J].草地学报,2004,(2):9597.
[11] 张栋梁,徐跃进,陈建军.离体筛选茄子抗羟脯氨酸突变体的初步研究[J].湖北农业科学,2008,47(7):804809.
犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀狊犮狉犲犲狀犻狀犵狅犳犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犿狌狋犪狀狋狊狑犻狋犺犲狀犺犪狀犮犲犱犮犺犻犾犻狀犵狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲
犫狔犪犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀狅犳犇犈犛犿狌狋犪犵犲狀犲狊犻狊犪狀犱犻狀狏犻狋狉狅狊犲犾犲犮狋犻狅狀
WANGXiaohua,ZHUANGNansheng,WANGYing,GAOHeqiong,HANPingyuan
(ColegeofAgriculture,HainanUniversity,Danzhou571737,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Cutcotyledonsof犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊cv.Reyan2seedlingplantswereusedforexplantproduc
tionbasedoninvitrocalusmultiplicationtechniques.DESmutagenesiswasappliedunderdifferenttempera
turesincombinationwithinvitroselectiononLHypcontainingmediumforinducedcalusproduction.The
survivorsfromthis2stepinvitroselectionofLHyptoplantlets,weresubjectedto1℃-8dlowtemperature
selection,andtheplantletswerethenclassifiedaccordingtochilinginjuryinto4grades.Randomlyselected
twoplantletswiththelowestlevelofchilinginjury(1stchilinginjury),weretakenatrandomandpartofthe
stemswerecutoffforcalusinduction.Thesecalusesweretestedforphysiologicalindicesofcoldresistance.
Thesurvivalrateofcalusestreatedatthelowesttemperatureswashigherunderthesameconcentrationsof
DES.Treatmentwith0.4%DES(10℃,2h)forcalushadthebestsurvivalrate(18.6%),whichwassignifi
cantlybetterthanthe6.6%oftheCK.Fourteenplantletsofthe1stchilinginjurywereobtainedfromthose
thatsurvivedthe2stepinvitroselectionofLHypafterlowtemperatureselection,whiletherewerenosurvi
vingplantletsfromtheCK.The1stchilinginjuryplantletshadasignificantlybettercoldtolerancethanthose
fromtheCK.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊;DES;Lhydroxyproline;lowtemperatureselection;physiologicalindicesofcold
resistance
762第19卷第1期 草业学报2010年