全 文 :收稿日期 : 2002210225
基金项目 :“十五”攻关课题“林木病虫害环境协调性农药及其航空喷洒技术研究”(2001BA509B1201) 的部分内容
作者简介 : 梁军 (1963 —) ,男 ,宁夏中卫人 ,副研究员 ,博士.
林业科学研究 2003 ,16 (5) :568~574
Forest Research
文章编号 : 100121498 (2003) 0520568207
印楝细胞悬浮培养系的建立及悬浮培养
梁 军 , 魏 刚 , 吕 全 , 贾秀贞 , 张星耀
(中国林业科学研究院森林生态与环境保护研究所 ,北京 100091)
摘要 :研究了印楝细胞悬浮培养系的建立及印楝细胞悬浮培养的条件。结果表明 ,印楝细胞悬浮系的
建立以 B5 培养基 ,NAA 210~410 mg·L - 1 ,采用直接倾倒法作为接种方法为好 ;基于生物量、印楝素含
量和印楝素产率综合分析认为 ,印楝细胞悬浮培养的最佳条件为 B5 培养基 ,NAA 2~4 mg·L - 1 ,蔗糖
30 g·L - 1 ,培养温度 25 ℃,及根据培养容器的大小选择合适的转速和装液量。
关键词 :印楝 ;细胞悬浮培养 ;印楝素 ;植物源农药
中图分类号 :Q94311 文献标识码 :A
印楝 (Azadirachta indica A1Juss)是当今世界上著名的农药资源植物[1~3] ,以其独特的杀虫效
果和高效的杀虫、拒食、趋避、毒杀和不育等活性[3]居于植物源农药资源的首位 ,对 200 余种昆虫
具有生物活性 ,主要表现在强烈的拒食作用 ,是迄今为止人们发现的最强拒食剂 ,如 0102 mg·m- 2
的印楝素就足以阻止沙漠蝗 ( Schistocerca gregaria (Forskal) )的侵食 ;印楝素能有效地扰乱昆虫的
胚后发育 ,通过扰乱昆虫的内分泌使得幼虫脱皮、化蛹不正常而导致死亡 ;有效的绝育作用 ,如对
于产卵量大特别是社会性害虫如白蚁 ( Coptotermes spp1)等 ,使用印楝素防治效果尤为显著[4] 。印
楝素 (Azadirachtin)是其主要的生物活性物质。印楝原产南亚的阿萨姆和缅甸或巴基斯坦、斯里
兰卡、泰国、马来群岛和印尼 ,我国 1986 年在海南省万宁县引种栽培取得成功[5 ,6] ,1995 年 ,在云
南省元江和元谋两地引种栽培印楝 ,也取得很大成功[7 ,8]。现在我国海南、广东、云南有一定数量
的栽培。鉴于印楝在我国栽培的地域局限性[9 ,8] ,规模化开发印楝活性物质需要开辟新的途径。
而植物细胞悬浮培养以其繁殖规模大、速度快为优势是生产有效物质的一种有前途的途径和手
段[10] ,从 70 年代以来 ,植物组织培养进展很快 ,有许多被用于次生代谢产物为目的的经济价值较
高的植物已进行了组织培养 ,如人参 ( Panax ginseng C1 A1 Mey) 、紫草 ( Arnebia euchroma (Royle)
Johnst)等。印楝愈伤组织培养和植株再生也获得了成功[11 ,12]。本研究则希望针对印楝农药的生
产 ,寻求合适的印楝资源开发途径和方法。
1 材料与方法
111 材料
印楝为中国林科院资源昆虫所筛选的 7 号木。愈伤组织来自于茎源经固体培养基上多次
继代诱导产生的生长旺盛、色泽嫩黄、疏松易碎的组织。
112 悬浮培养系的诱导
将约 2 g 的疏松易碎的愈伤组织接种到盛有 40 mL 液体培养基 (MS 和 B5) 的 100 mL 三角
瓶中。接种后置于旋转式摇床振荡培养 ,摇床转速为 120 r·min - 1 ,温度 25 ℃。
初次液体培养愈伤组织生长旺盛 ,摇匀培养液后稍置片刻 ,用颗粒适中的悬浮细胞团进行
继代培养 ,悬浮细胞团颗粒较均匀后 ,换用 200~250 mL 三角瓶装 60 mL 液进行培养 ,再继而
用 500 mL 三角瓶装 120 mL 液培养 ,以进行悬浮培养系的诱导。将悬浮起来的细胞悬浮液 ,轻
轻摇匀 ,静置片刻后接种到新鲜培养基中 ,进行悬浮细胞的继代培养 ,视细胞生长情况而决定
继代的间隔时间。
113 悬浮培养系的建立
11311 培养基对悬浮系建立的影响 取生长旺盛、疏松易碎的印楝茎源愈伤组织 ,接种到附
加有NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1的MS 和B5 液体培养基中 ,用镊子轻轻
压碎进行培养。
11312 激素种类及浓度对悬浮系建立及维持的影响 以 B5 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1
为基本培养体系 ,NAA 和 IBA 浓度设计为 4 mg·L - 1 ,对刚建立的悬浮系进行继代培养 ,连续 3
代。
11313 NAA 浓度对悬浮系生长的影响 以 B5 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1为基本培养体
系 ,设计 NAA 浓度为 015、110、210、310、410、510、610 mg·L - 1。
11314 接种法对印楝悬浮细胞团生长的影响 以 B5 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1为基本
培养体系 ,设计移液管接种法和直接倾倒法作为接种方法 ,两种方法都选用 200 mL 三角瓶 ,装
液量为 50 mL ,接种量为 15 mL ,观察两种方法对悬浮细胞生长情况的影响。
114 印楝悬浮细胞培养影响因子
根据常规悬浮细胞培养的定性分析 ,设计了生长素、培养基、C 源、温度、装液量和转速为
影响因子 ,具体水平和培养条件见表 1。
表 1 印楝悬浮细胞培养影响因子设计
影响因子 水 平 培养基本条件
生长素
NAA 210、310、410 mg·L - 1 ; IBA 210、310、
410 mg·L - 1 ; 2 , 42D 015、110、210 mg·
L - 1 ;共 9 个处理
B5 + BA 012 mg·L - 1 ;500 mL 三角瓶 ,120 mL 培养液 ,接种量 30 mL ,
摇床转速 120 r·min - 1。
培养基 MS和 B5 共 4 个处理
NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1或 IBA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·
L - 1 ;500 mL 三角瓶 ,120 mL 培养液 ,接种量 30 mL ,摇床转速 120 r·
min - 1。
C源 蔗糖、乳糖、麦芽糖、葡萄糖均 30 g·L - 1
B5 + NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1 ;200 mL 三角瓶 ,50 mL 培养
液 ,接种量 15 mL ,摇床转速 120 r·min - 1。
温度 20、25、30 ℃ B5 + NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1 ;500 mL 三角
瓶 ,100 mL 培养液 ,接种量 30 mL ,摇床转速 120 r·min - 1。
装液量 80、110、140、170 mL B5 + NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1 ;500 mL 三角
瓶 ,接种体积占培养液总体积的 1/ 5 ,摇床转速 120 r·min - 1。
转速 90、120、140 r·min - 1 B5 + NAA 410 mg·L - 1 + BA 015 mg·L - 1 + 蔗糖 30 g·L - 1 ;500 mL 三角瓶 ,140 mL 培养液 ,接种量 30 mL。
965第 5 期 梁军等 :印楝细胞悬浮培养系的建立及悬浮培养
115 印楝素产量的观察和测定
把在摇床上振荡培养的装有悬浮细胞液的三角瓶取下 ,摇匀后取 100 mL 悬浮细胞培养
液 ,经抽滤至无水滴下时 ,称量即为鲜质量 ,而后置于 50 ℃的烘箱中烘至恒质量 ,称量即为干
质量。
印楝素含量 :1 g 干愈伤组织中印楝素的毫克数
印楝素产量 (mg·L - 1) = (收获干质量 (g) ×印楝素含量 (mg·g - 1) ) / (培养基体积 (L) )
116 印楝素的提取和检测
精密称取干样品 2~3 g ,用洁净研钵小心研碎 ,转入 150 mL 三角瓶中 ,加入 50 mL 甲醇
(100 %) ,于超声波液体振荡器上振荡 60 min ,然后静置过夜 ,次日过滤分离 ,收集滤液 ,滤渣再
加 30 mL 甲醇 ,超声波振荡 30 min 后 ,再静置过夜 ,次日过滤并收集滤液 ,合并两次滤液 ,于通
风橱下风干。最后用 100 %甲醇细心洗下 ,合并各次洗液于 25 mL 棕色容量瓶中 ,摇匀后经
0145μm 滤膜过滤 ,清液采用高压液相色谱 (HPLC)法检测样品中印楝素的含量。
2 结果与分析
211 印楝悬浮培养系的建立
21111 培养基对悬浮系建立的影响 在悬浮系建立过程中发现 ,B5 较 MS 对悬浮系的建立更
为有效 :接种在 MS 培养基上的愈伤组织悬浮起来较困难 ,开始所得愈伤组织颗粒较大 ,一般
在 5 mm 以上 ,轻摇后培养系液体部分较清 ,并且生长缓慢 ,在继代过程中容易出现褐化现象 ;
而接种到 B5 培养基上的愈伤组织 ,很容易悬浮起来 ,一般继代 3 次即可建立比较均匀的悬浮
培养系 ,生长迅速 ,并且在继代培养过程中没有出现褐化现象。所以为快速建立印楝细胞悬浮
培养系 ,应采用液体 B5 培养基进行培养。
21112 激素种类及水平对悬浮系建立及维持的影响 在悬浮细胞继代培养过程中 ,刚开始继
代时 ,从细胞团的生物量和表观浑浊度来看 ,NAA 和 IBA 差别不大 ,但在接下来的在相同激素
培养基上继代时 ,NAA 则较 IBA 的效果为好 ,表现在悬浮细胞团的数量和颗粒大小两个方面 :
用 NAA 连续继代的悬浮液中细胞团较多 ,颗粒较均匀 ;而用 IBA 连续继代的悬浮液中细胞团
数目则不如 NAA 处理多 ,颗粒大小不均匀 ,并且多次继代的情况下会出现生物量的逐渐减少
现象。
因此 ,在长期继代中 ,出于悬浮系表观稳定性和生长速率的考虑 ,在继代培养中选用 NAA
为基本生长素。
21113 NAA 浓度对悬浮系生长的影响 NAA
浓度对悬浮系生长的影响见表 2。
由表 2 可知 ,对于印楝悬浮系的生长来讲 ,
NAA 浓度不能过高或过低 ,太低的 NAA 浓度不
足以维持印楝悬浮细胞的生长 ,但 NAA 浓度也
不能太高 ,过高的 NAA 浓度可能对印楝细胞产
生了某种毒害作用。所以在印楝悬浮系的继代
培养中 ,合适的 NAA 浓度在 210~410 mg·L - 1 表 2 NAA浓度对悬浮系生长的影响NAA 浓度/(mg·L - 1) 生长情况 细胞团 悬浮液浑浊度015 较差 小而少 清110 差 小、稍多 较清210 好 小、多 浑浊310 较好 小、较多 浑浊410 较好 小、较多 浑浊510 稍差 大、较少 清610 差 大、少 较清
075 林 业 科 学 研 究 第 16 卷
之间。在悬浮系的建立中以 NAA210~410 mg·L - 1为宜。
21114 接种法对印楝悬浮细胞团生长的影响 从外观看 ,用直接倾倒法接种要比用移液管接
种法效果明显为好 ,倾倒法接种生产的印楝悬浮细胞团生长速度快 ,接种后第 3 天便进入生长
期 ,细胞团数目明显地多于移液管接种 ,但颗粒不很均匀 ;移液管接种产生的悬浮细胞团生长
速度明显慢于倾倒法 ,接种后 7~10 d 进入对数生长期 ,可见细胞团数目明显少于倾倒法 ,最
终生物量也不及倾倒法 ,但该法产生的颗粒较均匀。
其原因可能是不同接种法造成接种量不同的缘故。因为在植物组织 (或细胞) 离体培养 ,
特别是悬浮培养中 ,培养系需要一个临界细胞起始密度才能生长 ,只有当起始细胞密度超过该
临界密度时 ,培养细胞才能生长。用倾倒法接种 ,一些较大的细胞团能够进入新的培养体系 ,
使得培养系中的总体细胞密度增大 ,能够满足临界细胞起始密度 ,且较大的细胞团由于易适应
新的培养体系 ,所以能够很快进入生长期 ;用移液管接种 ,稍大的细胞团不能被吸入而转移进
继代培养体系 ,使得继代培养系中总的细胞密度较低 ,甚至低于临界细胞密度 ,而且较小的细
胞团适应新的继代培养系需要一个较长的时间 ,故生长速度不如倾倒法。
212 印楝悬浮细胞培养影响因子
21211 生长素对悬浮细胞生长和印楝素产量
的影响 由表 3 可知 :2 ,42D 对悬浮细胞生长
极为不利 ,在 015~210 mg·L - 1浓度范围内都
不能支持印楝茎源悬浮细胞系的生长。NAA
对印楝悬浮细胞的生长存在着一个最适浓度 ,
本试验中以 310 mg·L - 1最有利于生物量积累 ;
而对印楝素含量来说 ,对生长有利的浓度却造
成了印楝素合成和积累的下降。这样就存在
生物量积累和印楝素合成的矛盾。而对于
IBA ,情况有所不同 , IBA 对生物量和印楝素含
量的影响似乎相同 ,有利于生物量积累也同样
表 3 激素对生物量和印楝素产量的影响
激素水平/
(mg·L - 1)
干质量/
(g·L - 1)
印楝素含量/
(mg·g - 1)
印楝素产量/
(mg·L - 1)
NAA 210 8125 01077 5 01598
NAA 310 9112 01058 2 01531
NAA 410 7198 01066 4 01530
IBA 210 9148 01295 8 21804
IBA 310 8153 01216 3 11845
IBA 410 6189 01029 7 01205
2 ,42D 015 - - -
2 ,42D 110 - - -
2 ,42D 210 - - -
有利于印楝素的合成和积累 ,在本试验中 ,以 210 mg·L - 1最好。但在后来的继代培养中 ,用
IBA 培养的悬浮系生长速度日益减弱 ,以至后来生长缓慢 ,所以在后来的培养中还是用 NAA。
21212 培养基对悬浮细胞生长和印楝素产量的影响 由表 4 可见 ,生长量指标 ,B5 培养
基要比MS培养基优越 ,在浓度为4mg·L - 1的条件下 , IBA比NAA优越 ;含量指标 ,B5也优于
MS ,但在不同的培养基上 ,激素的影
响则不同 :在 MS 培养基上 ,用 IBA 比
用 NAA 的印楝素含量高 ,而在 B5 培
养基上 ,NAA 则比 IBA 为好 ,可见激
素对印楝愈伤组织生长和印楝素含量
的影响是比较复杂的 ;产量指标 ,B5
优于 MS ,IBA 优于 NAA。
表 4 培养基和生长素对悬浮细胞生长和
印楝素产量的影响
项 目
培养基 + 生长素/ (mg·L - 1)
MS +
NAA 410 MS +IBA 410 B5 +NAA 410 B5 +IBA 410
干质量/ (g·L - 1) 6168 7178 9147 11157
印楝素含量/ (mg·g - 1) 01735 4 11288 4 11599 0 11409 0
印楝素产量/ (mg·L - 1) 41912 101024 151143 161302
175第 5 期 梁军等 :印楝细胞悬浮培养系的建立及悬浮培养
21213 C 源对印楝悬浮细胞生长和
印楝素产量的影响 由表 5 可见 ,参
试的 4 种 C源中 ,生长速度指标 ,C 源
蔗糖处理在接种后迅速进入快速生长
期 ,而其余则要经历相对漫长的缓慢
生长期 ;生物量指标 ,蔗糖的效果最
表 5 C源对印楝悬浮细胞生长和印楝素产量的影响
项 目
C源
蔗糖 乳糖 麦芽糖 葡萄糖
干质量/ (g·L - 1) 9128 0 4126 5131
印楝素含量/ (mg·g - 1) 11012 9 0 11027 0 11031 4
印楝素产量/ (mg·L - 1) 91400 0 41370 51470
好 ,其次是葡萄糖 ,然后是麦芽糖 ,而乳糖对悬浮细胞生长极为不利 ,生长量为 0 ;除乳糖外 ,其
它 3 种 C源处理的印楝素含量虽然表现为葡萄糖 > 麦芽糖 > 蔗糖 ,但 3 者差异不显著 ;印楝素
产量指标 ,印楝素产量高低依次是蔗糖 > 葡萄糖 > 麦芽糖 ,尤以蔗糖最为显著。所以综合考虑
生物量、生长速度、印楝素含量、印楝素产量诸因素后认为 ,C源以蔗糖为最好。
21214 温度对印楝悬浮细胞生长和
印楝素产量的影响 表 6 结果显示 ,
较高的温度 (30 ℃) 有利于悬浮细胞
生物量的增长 ,但对印楝素的积累却
不利 ;较低的温度 (20 ℃) 对生物量和
印楝素含量都不利 ;适中的温度 (25
表 6 温度对印楝悬浮细胞生长和印楝素产量的影响
项 目
温度/ ℃
20 25 30
干质量/ (g·L - 1) 5138 9175 11143
印楝素含量/ (mg·g - 1) 01101 01342 01167
印楝素产量/ (mg·L - 1) 01543 31335 11909
℃)对印楝悬浮细胞的生长虽不如较高的温度 (30 ℃) ,但对印楝素的积累却比较好。故考虑
到印楝素的含量和产量 ,在印楝细胞团的悬浮培养中 ,宜采用 25 ℃的培养温度。
21215 装液量对悬浮细胞生长和印
楝素产量的影响 从表 7 结果可看
出 ,装液量 80~140 mL 对生长量影响
不大 ,在 110 mL 时对细胞生长最为有
利 ,干质量达 12183 g·L - 1 ,但在 170
mL时生长量骤然下降 ,干质量为7129 表 7 装液量对悬浮细胞生长和印楝素产量的影响项 目 装液量/ mL80 110 140 170干质量/ (g·L - 1) 12114 12183 12145 7192印楝素含量/ (mg·g - 1) 30105 31142 39155 20132印楝素产量/ (mg·L - 1) 31640 41030 41920 11610
g·L - 1。印楝素含量 ,当装液量在 80~140 mL 时有明显的上升趋势 ,在 140 mL 时最大 ,而在
170 mL 时则下降至 01203 2 mg·g - 1。印楝素产量变化趋势与含量变化趋势基本一致。综合考
虑产量和容器利用率 ,认为采用 140 mL 的装液量比较合适。
21216 转速对悬浮细胞生长和印楝
素产量的影响 由表 8 可见 ,不管从
生物量还是从印楝素含量来看 ,转速
在 120 r·min - 1 都是最好 , 在 90 r ·
min - 1的转速下细胞生长稍微缓慢 ,而
140 r·min - 1的转速对悬浮细胞生长也
表 8 转速对悬浮细胞生长和印楝素产量的影响
项 目
转速/ (r·min - 1)
90 120 140
干质量/ (g·L - 1) 10143 12175 6151
印楝素含量/ (mg·g - 1) 01314 2 01395 5 01232 2
印楝素产量/ (mg·L - 1) 31277 51043 11512
有不良影响。装液量和转速是直接影响培养系中溶氧状况的两个直接因素 ,溶氧情况是决定
细胞生长的重要生活因子。过低的转速造成系统供氧不足 ,使得细胞不能最大限度地生长 ;而
过高的转速造成培养液溶氧升高 ,而由于植物细胞的呼吸代谢率较低 ,太高的溶氧水平反而可
能不利于细胞生长 ,而且 ,过高的转速会对悬浮细胞产生机械损伤。
275 林 业 科 学 研 究 第 16 卷
3 结论与讨论
对于印楝悬浮系的建立而言 ,B5 培养基要明显优于 MS 培养基 ,分析两种培养基 ,可以知道
MS是高盐培养基 ,铵态氮和硝态氮的比值较高 ;而 B5 培养基铵态氮和硝态氮的比值则较低 ,所
以可以认为较低的铵态氮和硝态氮之比对印楝细胞的悬浮生长有利。适合的激素种类和水平为
NAA 210~410 mg·L - 1。接种方法采用直接倾倒法比用移液管接种法效果明显为好。
培养基不仅影响悬浮细胞系的稳定性 ,而且影响着生物量和印楝素含量及产量 ,B5 培养
基较有利于印楝悬浮细胞的生长和印楝素的积累 ,在 B5 培养基条件下的最终生物量和印楝素
含量及产量都稍优于 MS 培养基。这一点与前人报道的固体培养情况不同 ,在以前的报道中 ,
固体培养中印楝愈伤组织中印楝素含量 MS 优于 B5。
2 ,42D 不利于印楝悬浮细胞的生长。在含 NAA 和 IBA 的培养基上 ,都能够使印楝悬浮细
胞生长 ,并且在一定条件下都生长的比较好 , NAA 210~410 mg·L - 1 , IBA 210~310 mg·L - 1。
但是在含 IBA 的培养基上连续继代培养时 ,则发现悬浮培养系生长情况逐渐减弱。
蔗糖是印楝悬浮细胞生长的最好 C 源 ,乳糖很不利于印楝悬浮细胞的生长 ,麦芽糖和葡
萄糖虽能使细胞生长 ,但生长延滞期长 ,细胞生长缓慢。C源蔗糖、麦芽糖、葡萄糖培养基产生
的细胞中印楝素含量相仿 ,但由于生物量的差异 ,导致了印楝素产量在不同 C源上差异很大 ,3
种 C源中以蔗糖为最好 ,而且从培养时间和原料仪器利用率方面考虑 ,30 g·L - 1蔗糖是印楝悬
浮细胞培养的最好 C源。
综合考虑生物量、印楝素含量和产量 ,在印楝细胞团的悬浮培养中 ,宜采用 25 ℃的培养
温度。
影响溶氧的主要因素是装液量和摇床转速。摇床转速和装液量都影响着印楝悬浮细胞的
生长和印楝素含量 ,最终影响印楝素产量 ,印楝细胞的液体培养需要适宜的溶氧量。因为植物
细胞离体培养中 ,呼吸代谢率较低 ,所以在培养中并不需要太高的溶氧 ,在摇床培养中 ,高的转
速虽然能增加溶氧 ,但高的转速同样会破坏培养细胞而造成死亡。所以在摇床培养中 ,基于培
养容器的大小选择合适的转速和装液量是必须的。
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375第 5 期 梁军等 :印楝细胞悬浮培养系的建立及悬浮培养
Establishment of Cell Suspension Culture Line and
Suspension Culture from the Neem Tree
LIANG Jun , WEI Gang , LU Quan , JIA Xiu2zhen , ZHANG Xing2yao
(Research Institute of Forest Ecology , Environment and Protection , CAF ,Beijing 100091 , China)
Abstract :Studied on the establishment of suspension culture line for the cell of the neem tree (Azadirachta indi2
ca) and suspension culture condition. The cell of neem’s suspension cultural line grew best in B5 liquid medi2
um , contained with NAA 2. 0~4. 0 mg·L - 1 , inoculation with direct spill method. On the basis of integrative
analysis for biomass of cell , content and productivity of azadirachtin , the optimum condition of suspension cul2
ture was B5 liquid medium , contained with NAA 2. 0~4. 0 mg·L - 1 , saccharose 30 g·L - 1 , temperature 25 ℃.
And according to the size of cultural vessel to decide optimum rotate speed of shake and broth content .
Key words :neem tree ( Azadirachta indica) ;cell suspension culture ;azadirachtin ;botanical pesticide
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及专利快递、市场行情、开发指南等小栏目。适于松香、松节油、胶粘剂、制浆造纸、木材热解、
活性炭、木材水解、栲胶、紫胶、森林资源、香精香料、日用化工、环保、医药、土产、商业、外贸、商
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475 林 业 科 学 研 究 第 16 卷