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SOMATIC EMBRYOGENESIS FROM PROTOPLASTS OF LOBLOLLY PINE

火炬松原生质体的体细胞胚胎发生



全 文 :武汉植物学研究    ,  ! ∀# ∃ %  & ! ∋   &
() ∗阴+ , )− . ∗/+ 0 1 ) 2+ 0 34 + , 567 + 84 /
火炬松原生质体的体细胞胚胎发生 ‘
唐 巍 欧阳藩 郭仲深
∀中国科学院化工冶金研究所生化工程
国家重点实验室 北京  & & & & ∃
∀中国科学院植物研究所
北京  & &&  9 ∃
提 要 研究了基本培养基 、原生质体密度和 : 1 : 浓度对火炬松 ∀;3 0∗ % 2+ 6< + = > ∃悬浮细胞
原生质体体细胞胚胎发生的影响 。 结果表明 (? 二5 基本培养基最有利于原生质体的体细胞胚
胎发生 。 体细胞胚胎发生所需的最适原生质体密度和 : 1 : 浓度分别是 ≅ Α ,) ‘ 个 Β Χ = 和
Δ Χ Ε Β = > 显微观察表明 , 来 自原生质体的胚性胚柄细胞团 ∀Φ ΓΗ % 6 Χ Ι8”Ε 6 0 36 7 ∗ 7 ϑ 6 0 7 ) 8
Χ + 7 7 ∃ , 经早期原胚 ∀Φ Γ ; % 6 + 8 ,Κ 72 + Ε 6 ϑ 8 ) 6 Χ Ι 8Κ) 7 ∃阶段形成 Λ 后期原胚 ∀= Γ ϑ % ,+ 26 72+ Ε 6
;8 ) 6 Χ Ι 8Κ ) 7 ∃ 。 这一结果为火炬松的原生质体培养再生植株奠定了基础 >
关键词 火炬松 , 原生质体 , 体细胞胚胎发生
重要森林和绿化树种松柏类植物的离体培养是目前植物生物技术领域的研究热点之
一〔, ’ 。 但是和组织及细胞培养相 比 , 松柏类植物原生质体培养的难度大 , 目前仅在欧洲落
叶松 ∀=+ 83 Α <6 43 < ∗+ ∃〔幻和 白云杉 ∀ϑ 346 + Ε ,+ ∗ 4+ ∃〔9〕 # 个树种中获得了再生植株 。 在松属植
物中 , 仅在加勒 比松 ∀; 30 ∗7 4+ 83 Ι6+ ∃的原生质体培养中获得了早期原胚川 。 松柏类植物原
生质体培养研究进展缓慢的原因主要是没有建立 良好的体细胞胚发生和器官发生体系 。
我们在建立火炬松成熟合子胚培养体细胞胚发生体系和优化悬浮培养体细胞胚发生条件
的基础上 , 进行了胚性悬浮细胞的原生质体培养 , 取得较好的结果 。
材料和方法
 >  胚性细胞悬浮系的建立
以取自湖南省邵阳市林业科学研究所的火炬松成熟种子中的成熟合子胚 ∀不含胚乳 ∃
为外植体 , 在附加 Μ Χ Ε Β = Ν , Δ 一Ο 、 Δ Χ Ε Β = 1: 、 Δ & & Χ Ε Β = Π Θ 和 Δ & & Χ Ε Β = 谷氨酞胺的
Ο Π 5 培养基〔Μ〕上诱导愈伤组织 。 愈伤组织经增殖后 , 挑选白色 、半透 明 、有光泽的粘性胚
(性愈伤组织 ∀这种愈伤组织在分化培养基上易产生体细胞胚 ∃建立胚性细胞悬浮系 。 培养
基为 Ο Π 5 ∀# Χ Ε Β = Ν , Δ 一Ο 、  Χ Ε Β = 1: 、 & ·  Χ Ε Β = Ρ1: 、 Δ & & Χ Ε Β = Π Θ 、 Δ & & Χ Ε Β = 谷氨酸
收稿 日 %  ≅ 一&! 一&# , 修回 日 %   ≅ 一。≅ 一  。 第一作者 % 男 , 9 岁 , 博士后 , 从事生化工程和植物细胞工程研究 。
‘ 国家“ ! 9 ”课题资助 。
第 # 期 唐巍等 % 火炬松原生质体的体细胞胚胎发生
胺 ∃ 。 悬浮培养在旋转摇床上进行 , 转速  #& 8 Β Χ 30 。 培养物每两周继代  次 。
 > # 原生质体制备
以火炬松胚性细胞悬浮培养系为试材 , 参照 Λ +∗ 2)8 ∗ 7 等〔的的方法制备原生质体 。 酶
液组成为 Π6 ,,∗ ,+ 7 6 “Σ 0 ) Τ ∗ Υ+ ” 5 Γ Ρς 、 Π 6 ,,∗ ,+ 7 6 “Σ 0 ) Τ ∗ Υ+ ” 5 一# & # > Μ ς 、 ; 6 6 2 ) ,Κ + 7 6
Ω 一 # 9 & > # ς 。 溶解于 Π;. 9 溶液中〔≅ , 。 在 # 士  ‘Π 下酶解 Δ ∋ ! / 后收集原生质体 。 原
生质体纯化采用漂浮法 , 上层为 ! ς的 Ξ3 4) 0 溶液 , 下层为  ς的 Ξ3 4) Ψ 溶液 ,  & & 8Β Χ 30
离心 Μ Χ 30 后 ,原生质体悬浮于上层 。 参照 : 82 86 6 等〔9〕的方法测定原生质体密度 。
 > 9 原生质体培养
参照 : 2 86 6 等即的报告 , 用液体浅层和固体平板法培养原生质体 。 原生质体分裂频
率和植板率的测定参照 = + 0 Ε 等〔, 〕的方法 , 胚性胚柄细胞 团 ∀Φ 7Η % 6 Χ Ι 8 Κ ) Ε 6 0 36 7 ∗ 7 ϑ 6 0 Ζ
7 ) 8 Χ + 7 7 ∃及体细胞胚 ∀Γ Φ % 7 ) Χ + 23。 6Χ Ι 8 Κ) 7 ∃数的测定参照 Ο) 0 Ε 等 〔, 〕的方法 。 在原生质
体的培养过程 中 , 进行基本培养基 Ο Ν 〔, &〕汪兀5 、[ Η Γ;〔川和 Λ Φ 的比较试验 , 及原生质体
密度 ∀, 一 Ε Α  ) ‘ 个 Β Χ = ∃比较试验和 : 1 : 浓度 ∀, 一  Χ Ε Β = ∃比较试验 。 原生质体培养基
中的激素组成同细胞悬浮培养 ∀: 1: 浓度比较试验除外 ∃ 。 培养基 中的蔗糖浓度均为
9 &  Β = , ϑΘ Γ > 。 固体培养基中的琼脂浓度为 ! > Μ  Β = 。培养温度 #9 士  ‘Π 。 实验重复 9 次 ,
并对结果进行统计分析 。
# 实验结果
# >  墓本培养基对原生质体培养的影响
以 Ο % 、Ο Π 5 、[ Η Γ; 和 Λ Φ 等为基本培养基 , 在附加早期原胚诱导所需的激素及有机
添加物条件下 ,进行原生质体固体平板培养和液体浅层静置培养 。 密度为 ! 义 少 个 Β Χ = 。
 周 后统计原 生质体分裂频率 , ! 周后统计植板率 , # 周后统计体细胞 胚数 ∀Φ ΓΗ 和
Γ Φ ∃ , 结果见表  。表  表明 , 分裂频率在 Λ Φ 培养基上最高 , 平均达 9! > Μ ς , 但其植板率很
低 , 且不能形成 Φ ΓΗ 。 〕Π 5 培养基上的植板率及 Φ ΓΗ 和 Γ Φ 均最高 , 分别是 # > ! ς和
 > # ≅ ?  & # 个 Β Χ = 。 在 [ Η Γ; 培养基上也形成 Λ Φ ΓΗ 和 Γ Φ 。
# > # 原生质体密度的影响
表  墓本培养基对原生质体培养的影响 以 Ο 4 5 培养基为基本培养基 ,
Λ + Ι ,6  Ρ0 ∴,∗ 6 0 66 7 ) ∴ Ι+ 7 36 Χ 6< 3+ ) 0 ; 8 ) 2 ) ;,+ 7 2 6∗ ,2∗ 8 6
培养密度∀个 Β Χ ,, ∃; 8) 2) ϑ ,+ 7 2
< 6 0 732Κ
Γ ? & ‘
Γ? ΡΣ‘
Μ ? & Δ
Μ ? & Δ
分裂频率∀ς ∃
Ο 3] 373) 0∴8 6 ⊥ ∗ 6 + 6Κ
植板率∀ς ∃
;,+ 230 Ε
6∴∴3636 0 6 Κ
Φ Γ Η 及 Γ Φ 数∀?  & # Β Χ , ∃
_ ) > ) ∴ Φ Γ Η
+ 0 < Γ Φ
在早期原胚诱导所需激素的条件下
进行不同密度 ∀ ∋  Α &Δ 个 Β Χ = ∃的
悬 浮细胞原生质体培 养 ,  周和 #
周后分别统计细胞分裂频率及 Φ ΓΗ
数 。 结果表明 ,原生质体的细胞分裂
所需 最 低 密 度 是 Ν Α ,) ‘ 个 Β Χ = ,
Φ ΓΗ 形成 所需 要 的最低 密 度是
本随·7,4<3+去省立口=‘叮
#  > ≅士  > & #
9 ! > Μ士  >  Δ
# > 士 # > & ≅
9  #士  > 
≅ > 士  > Δ 
9 > !士 # >  9
9 > 士  > Μ
#  > !士  > & 
& > 9 Δ 士 & > ! Μ
 > # ≅ 土  > # 
Δ Α  )‘个 Β Χ = 。 当原生质体密度为≅ Α ,少 个 Β Χ = 时 , 细胞分裂频率及 Φ ΓΗ 数均最高 , 分
别是 Δ 9 ς和  # 个 Β Χ = ∀图 , ∃ 。
#> 9 : 1 : 浓度的影响
以 Ο Π 5 为基本培养基 , 在早期原胚诱导所需激素及有机添加物的基础上进行 : 1:
武 汉 植 物 学 研> 究 第 ! 卷
浓度试验 。 原生质体密度为! Α ,少 个 Β Χ = 。 在培养  周和 # 周后分别统计细胞分裂频率
及 Φ 7Η 数 。 结果表明 , 细胞分裂频率随 : 1 : 浓度的升高而下降 , 但 Φ ΓΗ 形成所需的最
适 : 1: 浓度是 Δ Χ Ε Β = ∀图 #∃
的‘ 工。妇一!∀#∃%芝&阁孚稍朗众砌∋探的芝的国‘, (一声 ) 少苹∃∗∀的+一,!(∃飞、。口山−次.哥派尔留粼思一( (
的巴)工。翻一三!/#∃(%芝&国葬稀奢索姗∋彩0芝的国山下八次1辞冤哪众留界‘甲
原生质体密度 2 3 4 ∗‘5 6 4 .
, 7 ∗ #∗ ,48 0 # % 9  0 : #;
图 ! 原生质体密度对再生细胞分裂
频率及 <& = 形成的形响
>:? ( ! ≅  Α4∃ 9  9 9 ∗ Α Β 7 ∗ # ∗ Β 48 0 # % 9  0 : #;
∗  Χ ∗ #Δ # Δ 9 Α7 9 Ε ∃ 9 Φ ; ∗ Α 9 9 44 % :Γ :0 :∗ 
8  % # Δ 9 Α∗ 7 6 8 #:∗  ∗ Α < &= 0
Η Ι Η 浓度 2 6 ? 5≅ .
Η Ι Η 9 ∗  9 9  #7 8 # :∗ 
图 ϑ Η日Η 浓度对再生细胞分裂频率
及 <& = 形成的影响
>:? ( Κ ≅  Α4∃ 9  9 9 ∗ Α ΗΙ Η 9 ∗  9 9  # 7 8 #:∗ 
∗  Χ ∗ # Δ # Δ 9 Α7 9 Ε ∃ 9  9 ; ∗ Α 9 9 44 % :Γ :0 :∗ 
8  % # Δ 9 Α∗ 778 # :∗  ∗ Α < &= 0
Κ ( Λ 原生质体再生体细胞胚的显微观察
酶解后得到的火炬松悬浮细胞原生质体可分两种类型 Μ 一是体积小 、细胞核大的原生
质体 , 占原生质体总数的 ΝΟ Π 一 ΘΟ Π , 主要来自悬浮培养物中的胚性细胞 Ρ二是体积大 、
细胞核小的原生质体 , 占原生质体总数的 ΣΟ Π Τ ΛΟ Π , 主要来 自悬浮培养物 中的非胚性
细胞 2图版 ≅Μ ! . 。 经离心纯化后的原生质体 , 在体细胞胚诱导培养基上培养。 ϑ % 后 , 形成
细胞 , 细胞中核的体积较大 2图版 ≅ Μ Κ . Ρ Λ % 后 , 在细胞中央可见形成了细胞板 , 整个细胞
明显分成两部分 2图版 ≅ Μ Σ . Ρ Ν % 后 , 完成第 ! 次有丝分裂 ,形成 Κ 个子细胞 Ρ 0 % 后 , 再生细
胞完成第 Κ 次有丝分裂 。 在原生质体培养密度为 ϑ 3 4∗ ‘Τ ? 3 !∗ ‘ 个 5 6 Υ 的 ς ϑ 、 Ω < 培养
基上和原生质体培养密度为 ϑ 3 ! ∗亏 Τ Λ 3 4∗ ‘ 个 5 6 Υ 的 ≅Ξ 二Ψ 培养基上 , 第 Κ 次有丝分裂
多为横向分裂 , 结果形成链状的多细胞结构 Ρ在原生质体密度为 Κ 3 4少Τ Ζ 又 !少 个 5 6 Υ
的 [ = &, 培养基上及原生质体密度为 ∴ 3 4少Τ Ζ 3 4少 个 5 6 Υ 的 ς ] Ψ 培养基上 , 第 Κ 次
有丝分裂多为纵向分裂 , 结果形成圆球形多细胞结构 。
Η ΙΗ 对原生质体细胞的第 ! 次有丝分裂和早期生长不利 。 Η Ι Η 浓度升高 , 细胞分裂
频率下降 2图 Κ . 。 在附加 Η ΙΗ 的 ς ] Ψ 早期原胚诱导培养基上 , 细胞分裂频率低 , 生长慢 ,
细胞表面皱缩 Ρ在无 Η Ι Η 的早期原胚诱导培养基上 , 细胞分裂频率高 , 生长快 , 形成细胞
团 。诱导培养 Λ 周后 , 可从培养物中分辨出 Κ 类细胞团 Μ 一是体积大 、细胞间连接疏松而不
规则的非胚性细胞团 , 这类细胞团在培养过程中不能形成体细胞胚 Ρ二是体积小 、细胞间
连接紧密而有规则的胚性细胞团 2图版 ≅ Μ Λ . , 这类细胞团在培养过程中形成体细胞胚 。 ∴
周后 , 胚性细胞团顶部细胞分裂形成椭圆形胚性顶端 Ρ Ν 周后 , 胚性顶端细胞分裂形成体
积较大的球形胚结构 2图版 ≅ Μ ∴ . , 但这时的胚柄细胞尚未伸长 Ρ ⊥ 周后 , 形成 < &= 2图版 ≅Μ
Ν . Ρ ! Ο 周后 , 形成 < & , 2图版 ≅Μ Θ . Ρ ! Κ 周后 , 形成 Υ & , 2图版 ≅ Μ ⊥ . 。
第 # 期 唐巍等 % 火炬松原生质体的体细胞胚胎发生
Φ ΓΗ 的诱导是原生质体体细胞胚胎发生的关键步骤 。 本实验表 明 , Φ ΓΗ 的发生和发
育与基本培养基 、原生质体起始培养密度及 : 1: 浓度有关 。 在 Ο Π 5 培养基上 , 原生质体
起始培养密度小于 ≅ Α ,护 个 Β Χ = 时 , Φ Γ ; 的胚端 ∀相对的一端为胚柄端 ∃较大 , 呈 圆锥
形 ⎯原生质体密度等于或大于 ≅ 义少 个 Β Χ = 时 , Φ Γ ; 的胚端较小 , 呈圆球形 。 : 1: 浓度小
于 Δ Χ Ε Β = 时 , Φ Γ ; 的胚端较小 , 胚柄端较长 ⎯ : 1 : 浓度等于或大于 Δ Χ Ε Β = 时 , Φ Γ; 的胚
端较大 , 胚柄较小 , 容易转变成 = 7; 。
9 讨论
植物原生质体培养可以应用于体细胞杂交 、突变体筛选 、无性系变异 、细胞壁再生 、细
胞膜的结构与功能 、细胞分化及遗传转化等研究中 , 因而受到重视并成为生物技术中重要
分支之一〔‘’ ‘# , 。 火炬松原生质体培养体细胞胚胎发生的研究在 国内尚未见报道 ‘本研究表
明 , 从原生质体形成体细胞胚胎的关键是选择较好的胚性细胞悬浮系和诱导 眺Η 的形
成 。 Φ ΓΗ 的形成与基本培养基和原生质体培养时的密度有关 。 Ρ〕Π 5 培养基有利于 Φ ΓΗ
形成的一个原因可能是其含有较低浓度的 _ Θ才和较高浓度的 _ Σ 至、[ α 等 。 另外 , 谷氨酞
胺也提供了有利于 Φ ΓΗ 形成所需的氮源 。 原生质体再生细胞分裂频率及 Φ ΓΗ 形成的最
佳起始原生质体培养密度均为 ≅ Α ,少 个Β Χ = , 说明细胞分裂频率影响 Φ ΓΗ 的形成 , 频率
低时胚性细胞进一步发育形成 Φ ΓΗ 的可能性就少 。原生质体密度小于Δ ?  &Δ 个 Β Χ = 时 ,
细胞分裂频率低于 9 ς , 这时不能形成 Φ ΓΗ 。 因此 , Φ ΓΗ 的形成可能与胚性细胞团间的
协同作用有关 。 Φ ΓΗ 形成后 , 必须在培养液中添加 :1 : 才有利于 Φ ΓΗ 的进一步发育 ⎯
: 1 : 的作用可能与其抑制裂生多胚的发生 , 因而促进单个胚的发育有关 〔‘’# , 。 在一定的
: 1 : 浓度 ∀如 Δ Χ Ε Β = ∃下 , Φ ΓΗ 的头部 ∀胚端 ∃和胚柄均衡发育形成 = Γ; 。
参 考 文 献
Λ + ∗ 2 ) 8 ∗ 7 Λ Φ , Ξ ) β Υ 6 Ρ( Π > Γ) Χ + 2 36 6 Χ Ι 8 Κ ) Ε 6 06 7 37 30 6 ) 0 3∴6 87 > Π+ ” ( 1 ) 2 ,    , ‘ %  ≅ 9 ∋   
: 22 8 6 6 Γ Η , Ξ) β Υ 6 ,子 Π > Φ Χ Ι 8 Κ ) Ε 6 0 Κ ) ∴ Ε ΚΧ 0 ) 7 ϑ6 8 Χ 7 > ;,+ 0 8 Π6 , ≅ ,3 Μ & 邝 Π ∗ ,2 ,   9 , 9 Μ % ,∋ 9 Μ
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β /32 6 7 ϑ 8 ∗ 6 6 > ( ; ,+ , , 2 ;/夕7汉 ,   Δ , Δ Δ % # & 一 # &
  & 武 汉 植 物 学 研 究 第 ! 卷
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孙敬三 , 桂推林主编 ( 植物细胞工程实验技术( 北京 Μ 科学 出版社 , ! Ζ Ζ ∴ ( ! Τ !Ζ
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图 版 说 明
图 版
! ( 原生质体 2 3 Λ Ο Ο . Ρ Κ ( 原生质体培养形成的细胞 2 3 ⊥ Ο Ο . , Σ ( 第 ! 次细胞分裂 2 3 Ν Ο Ο . Ρ Λ ( 胚性细胞 团 2 3 Ν Ο Ο . Ρ ∴ ( 早
期胚性胚柄细胞团 2 3 4 ∗ ∗ . Ρ Ν ( 胚性胚柄细胞团 2 3 0∗ . Ρ Θ ( 早期原胚 2 3 Λ ∗ . Ρ ⊥ ( 后期原胚 2 3 ϑ∗ .
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