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植物组织培养中的内生细菌污染问题



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 23(1):41— 47 2003 年 1月
植物组织培养中的内生细菌污染问题
周俊辉 ,周厚高,刘花全
(仲恺农业技术学院园艺系 ,广东广州 510225)
摘 要 :植物组织中普遍存在内生菌 ,当植 物组织进行离体培养时,这些 内生菌就会产生污染 。对内生菌污
染概念进行了界定 ,对内生菌污染 的种类 、普遍性 、症状与危害性作了阐述 ,综合了有关防治方法 ,并讨论了抗
生素使用的效果 、稳定性和应注意的问题 。
关键词 :组织培养 ;内生菌污染 ;防治方法;抗生素
中图分类号 :Q942.6 文献标识码 :A 文章编号 :1000—3142(2003)01—0041—07
Endophytic bacterial contamination
in plant tissue culture
ZHOU Jun—hui,ZHOU Hou—gao,LIU Hua—quan
(Horticulture Department,Zhongkai Agrotechnical College,Guangzhou 5 1 0225,China)
Abstract:Bacterial contamination can be found in the process of plant tissue cultures.The paper deals with the
concept,the genus and species,distribution,symptom and perniciousness of endophytic bacterial contamination
respectively,and the effects,stability and cautions of antibiotics application are also discussed.
Key words:tissue culture;endophytic bacterial contamination;controlling;antibiotics
植物组织中普遍存在内生细菌(endophytical
bacteria)。植物内生细菌是指那些在其生活史的一
定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器
官的细胞间隙或细胞内的细菌,可通过组织学方法
或从严格表面消毒的植物组织中分离或从植物组织
内直接产生扩增出微生物 DNA的方法来证明其内
生,被感染的寄主(至少是暂时)不表现出来外在病
症(1]。在植物组织培养中,这些内生细菌就会生长
出来并引起程度不一的污染,产生程度不一的危害。
1 内生细菌污染
1.1内生细菌污染的概念
在植物组织培养中,由于材料内部(细胞内或细
胞间)的内生细菌不能被一般的表面消毒方法所清
除,随着材料带人培养过程,引起的污染称为内生细
菌污染或内源细菌污染(2,3]。
1.2内生细菌污染的种类
从已有报道看 ,被鉴定的种类主要有:黄单胞菌
属(Xanthomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞
菌属 (Pseudomonas)、土 壤 杆 菌 属 (Agrobacteri—
um)、葡萄球菌属 (S p^ zococc“ )、肠杆菌属 (En—
terobacter)、棒杆状菌属(Cor nP6nc£Pr “m)、沙雷氏
菌属(Serratia)、短小 杆 菌属 (Curtobacterium)、欧
文氏菌属(Eru.,inia)等(表 1)。引起内生细菌污染
的内生细菌种类远不止表 1所列。目前在各种农作
物及果树等经济作物中发现的内生细菌已超过 129
种 (隶属于 54个属 )(13。对 于一种植物而言 ,从 中
收稿 日期 :2002—01-14; 修订 日期 :2002—04-01
基金项目:广东省 自然科学基金资助项 目(001425)
作者简介:周俊辉(1963一),男 ,江西临川1人 ,博士,副教授,从事园艺植物的组织培养和栽培生理的教学和科研工作。
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分离到的内生真菌和内生细菌通常为数种至数十
种,有的甚至多达数百种。在热带植物中,内生菌的
这种多样性更为突出。如 Anorld等分析巴拿马雨
林两种植物叶子中的内生菌,自83个健康叶片上分
离出的内生菌多达 418种[153。
1.3内生细菌污染的分布
内生细菌污染是普遍 的 ,有时是严重 的。如金
线莲(Anoectochilus roxburghii)组培中污染率达到
表 1 在植物组织培养中已报道的部分内生细菌种类
Table 1 Endophytic bacteria reported in plant tissue cultures
50 C163,仙客来 (Cyclamen persicum)的块 茎组织
内生细菌 污 染 率 达 83.0 C173,地 黄 (Rehmannia
glutinosa)由 于 有 内生 细 菌 的存 在 污 染 率 达
100 [183。除表 1所示 植 物 之外,有 玉米 (Zea
mays)C193、绿 巨人 (Spathiphylum kochii)I[203、海
芋(Alocasia macrorrhiza)C2¨ 、大绣球(Hydrangea
hortensis)c23、欧洲樱草(Primula vulgaris)(233、薄
荷属(Mentha)C243、罗伯利槭(Acer lobeli)C253、芋
(Colocasia esculenta)(263、甘 薯 (Ipomoea bata—
tas)(273、番 木 瓜 (Carica papaya)(283、小 果 咖啡
(Co a arabica)(293、柱 果 (Mangifera indi—
ca)C303、苹 果 属 (Malus)、桃 属 (Prunus)、核桃 属
(Juglans)(313、山核桃(Carya illinoensis)(323、毛 白
杨 (Populus tomentosa)(0 、银 白杨(Populus al—
ba)(343、相思树 (Acacia confusa)(3 5]、宽 叶紫荆木
(Madhuca latifolia)(363、披 散 山龙 眼 (Protea re—
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l
1期 周俊辉等:植物组织培养中的内生细菌污染问题 43
pens)(37)等植物均存在内生细菌的污染。
已报道的资料表明,生长在高温多雨的热带、亚
热带植物和多年生木本植物容易表现内生细菌污
染 。
1.4症状
在初代培养中,表面细菌引起的污染通常在 2
~ 3 d就能在外植体周围或培养基表面形成明显的
如水污状、油污状、气泡或干缩的红、黄、乳白等颜色
的菌落。而在外植体培养后 3~5 d内并未发现细
菌污染 ,以后则不断 出现 明显 的或不明显的细菌菌
落,就可能是由内生细菌引起的污染(2,3]。
在某些植物初代培养或前几代的继代培养中存
在的污染,并不形成明显的菌落而只在培养基内部
形成“丝状物”,“晕状物”,不易被肉眼察觉,如不仔
细观察很易被忽视(背光检查时较易被发现)(3),随
着继代培养次数的增加,菌量逐渐累积,才在培养基
上显现出来(38]。
1.5危害性
内生细菌引起的危害主要包括在早期导致培养
失败,增殖效率的降低,培养物生长减缓,玻璃苗增
加等。在后期导致试管苗移栽困难和死亡,有时污
染也会引起培养物的遗传变异(2-3]。但也有报道说
一 些潜在的污染并不影响培养物的增殖(23-3 9]。
植物病理学方面的研究认为植物内生细菌是一
种潜在的病原菌,它对于无病症寄主和感病寄主存
在一定威胁。在无病症的健康植物组织中存在的内
生休眠病原菌当寄主遇到恶劣的环境或外界微生物
干扰时,内生病原菌能够重新活动,引起病害(403。
试管苗中潜在的欧文氏菌属细菌可以引起许多植物
的病害C413;潜伏感染根癌土壤杆菌(Agrobacterium
tumefaciens)的紫苑属(Aster)、感染田野黄单胞菌
(Xanthomonas campestris)的鸢尾属(Iris)试管苗
移栽后表现出典型的病害(423。
2 内生细菌污染的防治措施
解决或减少组培中的内生细菌污染关键在于防
止上 ,主要措施如下 。
2.1对母树的预处理
目的是减少植株的内生菌含量 。
2.1.1改善植株栽培环境 尽可能利用温室或人工
气候室生长的植株作接种的材料,以减少表面和内
生细菌的污染(6-43-443。
2.1.2对母树喷布杀菌剂或抗生素 如在采集外植
体前用敌菌丹 (captato1)或异菌脲 (iprodione)杀菌
剂处理 田间 的披散 山龙 眼母 树 ,使 污染 从对 照的
9O 减少至 14 (37]。Mondal(283等在采集材料前,
向番木瓜植株喷 1 000 mg/L的庆大霉素(gentamy—
cin),采芽后再用庆大霉素进行处理。
2.2对母枝或外植体 的预处理
2.2.1促发新枝 如将田间采集的枝条用水冲洗干
净后插入无糖的培养液或自来水中,使其发枝,然后
以这种新抽的嫩枝作为外植体,可大大减少材料的
污染(45]。
2.2.2黄化处理 在无菌条件下对采 自田间的枝条
进行暗培养,待抽出徒长的黄化枝条时取材,也可以
减少污染(45]。如使用仙客来黄化的叶柄进行培养
时,可控制内生菌的污染(1 7,46)。
2.2.3热击 Langens等(253将美丽百合(Lilium
speciosum)的鳞茎外植体放人试管中进行 43。C热
击处理,罗伯利槭的休眠芽进行 42.5。C或 45 oC热
击处理 ,可有效地减少内生菌污染。
2.2.4用抗生素进行预培养 朱光廉(35)对相思树
的芽和茎段灭菌时,用皂液刷洗和乙醇杀菌后,转入
0.2 苯菌灵(benlnete)和 0.2 链霉素溶液中,在
摇床上振荡过夜 ,再用 8O 乙醇和 0.1 升汞分别
杀菌 1 min和 15 min,灭菌获得了满意的效果。
Reuveni等(4 )将从温室中采下的番木瓜侧芽
先用 300 mg/L的利福平 (rifampicin)溶液预处理 ,
再按常规过程进行表面消毒,对减少外植体污染很
有效,而且对番木瓜的生长无副作用。
但也有报道 ,羧苄青霉素(carbenicilin)、庆大
霉素、卡拉霉素(kanamycin)、万古霉素(vancomy—
cin)浓度为 5~ 50 mg/L对 预防地黄 的污染 无
效(18)。或许与使用浓度较低有关。
2.3改进灭菌方法
2.3.1真空减压灭菌 利用真空减压抽走植物组织
中的空气使消毒剂更易侵入,从而增强杀菌效果。
我们对玛丽安万年青(Dieffenbachia a~oena‘ca—
milla’)茎段使用该方法,可以把污染率从对照的
9O 降低到 21 左右。
2.3.2磁力搅拌、超声波振动 为减少在外植体表
面形成的气泡,在浸泡时还可采用磁力搅拌和超声
波振动的方法。如对苹果 (Malus pumila)、月季
(Rosa chinensis)和紫杉(Taxus cuspidata)的枝条
用 0.1 升汞磁力搅拌 15~20 min,再用无菌水磁
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力搅拌清洗,降低了污染率(483。
2.3.3多次消毒(灭菌) 周鹏等(49]用饱和香皂水
(比普通洗衣皂碱性弱)对番木瓜侧芽浸泡 20~30
min,再用 0.1 oA高锰酸钾溶液处理 5 min,然后进行
消毒处理,然后用 4 次氯酸钠加 0.1 升汞消毒,
最后用 500 mg/L先锋霉素或羧苄青霉素的无菌水
洗,污染率降低 50 。
2.3.4使用混合的消毒液 Singh等[36]对宽叶紫荆
木的茎段用含 PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、柠檬酸、抗
坏血酸、多菌灵、氨苄青霉素(ampicilin)或氯霉素
(chloramphenico1)的混合液预处理,既可减少酚和
乳汁的分泌,也减少了污染。对马蹄莲的根用克菌
丹(captain)、代森锰锌(mancozeb)、抗生素 ABM1
和亚胺 青 霉 烯 (imipenem)进 行 预 处 理 有 灭 菌 效
果(383。
2,3.5灼烧 马蹄莲 的根 在 95 乙醇中浸泡 1 min
后,短暂地灼烧 2次,外植体切割时也灼烧 2次,比
常规消毒降低污染率 60 (13。这种方法也适用蒜
(Alium sativum)的小鳞茎 和银 白杨(Populus al—
ba)的芽的消毒[4 4]。
2.4酸化培养基
除了欧文 氏菌属外 ,大多数 细菌在介质 pH 小
于 4.5时不能生长。在紫苑属、鸢尾属、蔷薇属植物
组织培养中,将培养基的 pH值由 5.8调至 3.9~
4.3,可防止大量的细菌污染(423。
2.5在培养基中加入其他抑菌剂
许婉芳等(163在杀菌剂对金线莲组织培养中微
生物污染的抑制实验 中,50%多菌灵的效果优于
70 甲基托布津和 25 甲霜灵,其抑菌率达 100 ,
且能促进金线莲生长。
周俊辉等C50]对细菌抑制的实验表明,丙酸钠、
磷酸钠均能耐高温高压,0.3%的丙酸钠有较好的抑
菌效果 ,在应 用于美铁芋 (Zamioculcas zamifolia)
的快速繁殖上 ,发 现 0.5 的丙酸钠对外植 体 的生
长影响不大。
3 抗生素的使用
在组织培养中,防止细菌特别是内源菌污染很
重要的措施无疑就是在培养基 中加入抗生素。
3.1抗生素作用的原理
庆大霉素和链霉素,属于氨基糖苷类型,它们与
细菌中的 30 S核蛋白体亚单位结合,抑制细菌的油
酸甘油酯合成,通过阻断其正常代谢途径使微生物
致死。但抗生素也可能抑制植物组织的叶绿体和线
粒体的蛋白质的合成,导致叶片变小或变黄(12]。高
浓度的抗生素则会影响植物的生长。
3.2影响抗生素稳定的因素
抗生素的抑制作用受其分子量的影响,如青霉
素分子量小扩散容易而多粘菌素(polymyxins)分子
量大扩散速率慢;有些抗生素对 pH敏感,如林可霉
素(1incomycin)和头孢利定 (cephaloridine)在碱性
条件下,四环素和二甲氧基苯青霉素(methicilin)在
酸性条件下更有活性 ;四环素对光敏感,在光照下 3
d后全部失去活性[6]。
3.3抗生素使用的效果
可能因植物的种类不同、植物所含内生菌种类
的不同以及抗生素使用的种类和浓度不同,导致抗
生素使用的效果变化很大。
3.3.1能抑制细菌生长并对植物无影响 Reed(63在
天竺葵组培 中,发现头 孢噻肟 (cefoxitin)抑菌效果
好,且对芽的增殖有促进作用,平均芽数/瓶与头孢
噻肟的浓度呈高度正相关,头孢噻肟的浓度可达到
500 mg/L。在离体繁殖大绣球时,10 mg/L的阿霉
素(amycacin)对细菌污染的控制有效,且不抑制培
养物的生长(23。韩美丽等(1999)C203在绿巨人组
培中实验了青霉素钠、先锋霉素和庆大霉素对继代
培养中细菌污染的抑制效果,先锋霉素抑菌最好,青
霉素钠和庆大霉素次之。长期在这种培养基上继代
元变异苗出现。
利福平(30 mg/L)在合果芋属丛芽继代培养中
抑菌有效(93;卡拉霉素(50 mg/m1)有效地抑制玉米
成熟胚培养中细菌的污染(193;链霉素能防除长春蔓
的芽继代培养中出现的细菌C43;链霉素能有效地消
除已被感染的薄荷培养物的细菌(243;庆大霉素、林
可霉素在海芋茎段、茎尖培养中起到抑制内源菌污
染的作用(213;浓度为 50 mg/L的庆大霉素对西洋
梨(Pyrus communis)的培养无害(513。
在培养基中使用两种或两种以上的抗生素,可
以防治细菌的抗药性,效果 比单独使用效果更好。
链霉素 20 mg/L加头孢唑林钠 30 mg/L能将长春
蔓的芽内生菌的污染率控制在 40 以下[4 ;对欧洲
榛的抑菌试验中,使用 500 mg/L或 1 OOO mg/L的
羧噻吩青霉素钠(timentin)加 1 00O mg/L的链霉
素,12.5 mg/L的庆大霉素加 1 000 mg/L的链霉素
能消除大多数的污染(123。

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1期 周俊辉等:植物组织培养中的内生细菌污染问题 45
3.3.2效果不理想或不稳定 ReedCS3检测了氨苄青
霉素、羧苄青霉素、头孢噻肟、氯霉素、庆大霉素、青
霉素 G、四环素、土霉素(erythromycin)等 11种抗
生素对天竺葵黄单胞菌抑制实验,结果除四环素、头
孢噻肟、氯霉素外,其他抗生素效果不稳定。Bis—
trichanov等(23在离体繁殖大绣球 中,使用了头孢
唑林(cephalexin)、四环素、阿霉素、Ospamox,只阿
霉素有效;玉米成熟胚培养中,检测了土霉素、青霉
素、链霉素、四环素和卡拉霉素,只有卡拉霉素有效;
陈维伦等(33用卡那霉素、氯霉素、链霉素、红霉素和
青霉素等多种抗菌素(100 mg/L以下)处理毛白杨
污染的材料 ,无满意结果 ;对欧洲榛 的抑菌试验 中,
使用单一的抗生素无效C12]。
3.3.3对培养物生长有害 氯霉素抑制了一些植物
的器官再生;多粘菌素 B对苹果、花旗松(Pseudot—
suga menziesii)和杜鹃花属 (R D D P r0 )植物有
很高的毒性(63;2.5 mg/L的庆大霉素加 1 000 mg/
L的链霉素组合对欧洲榛外植体的毒性较大[ ];
Dodds等C523发现庆大霉素强烈地抑制长叶莴苣
(Lactuca dolichophylla)髓薄壁组织培养中的木质
部管状分子的分化;链霉素或庆大霉素、羧苄青霉素
或头孢金素(cephalothin)及利福平之间的混合均降
低 了铁线 莲属 (Clematis)、玉簪 属 (Hosta)、石楠属
(Photina)、翠雀属和鸢尾属等的茎段培养中的增殖
率[533。
3.4抗生素使用注意的问题
多数情况下抗生素只能抑制细菌生长而不能完
全杀死它[3]。一种抗生素可能对某一种或几种细
菌有效,浓度低了效果差而浓度高又容易对植物产
生毒害。所以在使用前有必要对抗生素的种类、浓
度水平和使用时间进行测试。还需考虑的是细菌获
得抗性的复杂性,两种或更多的抗生素的使用必须
考虑到它们之间的不相容性。此外,抗生素一般不
稳定,遇酸、碱或加热都易分解而失去活性,所以应
寻找稳定、能耐高温高压的抑菌剂 ,以减少组培中的
工作量,降低成本,从而提高经济效益。
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