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禾本科植物体细胞胚发生与器官发生的激素调控研究进展



全 文 :收稿日期:2013-08-26
基金项目:四川省科技创新苗子工程项目(2013RZ0017)
作者简介:赵 琦(1981-),男,四川成都人,讲师,博士,主要从事植物发育与植物天然产物研究与教学。E-mail:zhaoqi@cdu.edu.cn
*通讯作者:王文国(1982-),男,山东临沂人,副研究员,博士,主要从事植物资源方面的研究。E-mail:6daomu@163.com
禾本科植物体细胞胚发生与器官发生的
激素调控研究进展
赵 琦1,王文国2*,王跃华1,王胜华3
(1.成都大学 生物产业学院,四川 成都610106;2.农业部沼气科学研究所,四川 成都610041;
3.四川大学 生命科学学院,四川 成都610065)
摘要:综述了禾本科植物组织培养中外源激素对体细胞胚发生和器官发生2种再生途径的调控研
究进展,重点讨论了在同一外植体中通过激素配比对2种再生途径的调控。并对这种调控在体细
胞无性变异育种、遗传转化和快繁与脱毒中的应用与存在的问题进行了分析。
关键词:禾本科植物;体细胞胚发生;器官发生;激素调控
中图分类号:Q942  文献标志码:A  文章编号:1004-3268(2014)02-0006-05
Advances of Researches in Hormonal Regulation of Gramineae
Somatic Embryogenesis and Organogenesis
ZHAO Qi 1,WANG Wen-guo2*,WANG Yue-hua1,WANG Sheng-hua3
(1.Faculty of Biotechnology Industry,Chengdu University,Chengdu 610041,China;2.Biogas Institute of Ministry of
Agriculture,Chengdu 610041,China;3.Colege of Life Science,Sichuan University,Chengdu 610065,China)
Abstract:In this article,the exogenous hormonal regulation of Gramineae somatic embryogenesis
and organogenesis was discussed.And the regulation of hormone combinations on the somatic em-
bryogenesis or organogenesis in same explants was especialy discussed.And the applications and
limitations of somatic embryogenesis and organogenesis in somaclonal variants breeding,genetic
transformation,micropropagation and detoxification were also discussed.
Key words:Gramineae;somatic embryogenesis;organogenesis;hormonal regulation
  禾本科植物不仅是人类重要的粮食来源,而且
在园林绿化、畜禽饲料、生态恢复、工业原料和生物
质能源等方面也起着重要的作用。随着社会需求、
环境变化等矛盾的日益突出,人类对禾本科植物需
求量越来越大,对其品质改良的要求也越来越迫切。
而组织培养技术为其遗传改良提供了新的途径,以
组织培养为基础的体细胞无性系变异育种、遗传转
化育种等技术在禾本科植物中已经取得很大的进
展[1]。但由现有的组织培养技术引起的诸如遗传转
化中的变异、嵌合体等问题仍在一定程度上影响组
织培养育种技术的发展,获得多种组织再生途径是
解决这些问题的有效手段之一。为此,综述了外源
激素在对禾本科植物再生途径调控效应方面的研究
进展,以期为禾本科植物组织培养技术的进一步发
展与应用提供理论基础和思路。
1 禾本科植物的体外再生途径
体细胞胚发生与器官发生是植物离体再生的主
要途径。体细胞胚发生经历与合子胚相似的阶段,形
成两极性的体细胞胚,然后形成完整的植株;而器官
发生一般是先形成单极性的芽端,再诱导生根。2条
途径具有一定的差异,可以用于不同的领域[2]。20
 河南农业科学,2014,43(2):6-10
 Journal of Henan Agricultural Sciences
DOI:10.15933/j.cnki.1004-3268.2014.02.002
世纪70年代末以前,大多数学者认为器官发生是禾
本科植物的主要再生途径[3]。然而在水稻、高粱、小
麦、玉米等作物未成熟的组织中获得体细胞胚发生
后[4],Vasil[5]提出了大部分禾本科植物体外再生途径
为体细胞胚发生的观点。大量研究表明,禾本科植物
的体细胞胚发生包括直接体细胞胚发生和间接体细
胞胚发生[6-12]。一些组织切片和扫描电镜观察结果表
明,禾本科植物的体细胞胚发生过程要经历类似合子
胚的球胚、梨胚、盾片胚、成熟胚的发育阶段[10,12-13]。
而近些年的一些研究表明,器官发生途径在禾本科植
物中仍然存在[14],包括直接器官发生和间接器官发
生2种形式[7,15-20]。目前,关于禾本科器官发生的研
究主要集中在甘蔗[7-8,16]和一些草类,如金发草(Po-
gonatherum paniceum)、牛筋草(Eleusine indica)、画
眉草(Eragrostis curvula)等[15-20]。
2 体细胞胚发生和器官发生途径的应用
2.1 体细胞无性系变异的应用
植物组织培养过程中可能会产生一定的体细胞
无性系变异[21]。最初认为这些突变是不利的,自从
在甘蔗的再生植株中发现一些有益的变异可以用来
育种后,体细胞无性系变异育种便被用于禾本科植物
目标性状突变体的筛选等[21-22]。
体细胞胚发生和器官发生过程中都可以产生体
细胞无性系变异。但在早期曾认为以不定芽再生的
植株变异多,而以体细胞胚再生的植株相对较少,Va-
sil等[23]甚至认为,体细胞胚发生形成的植株不会发
生变异。但是近年来的研究发现,体细胞胚发生过程
中不但会产生变异,而且由于培养时间较长会产生比
器官发生较多的变异[24]。不经过愈伤组织阶段的直
接器官发生或直接体细胞胚发生途径产生的变异要
少于经过愈伤组织阶段的间接发生途径[8]。
禾本科植物的愈伤组织一般具有较强的继代耐
受性,在继代过程中,愈伤组织受持续的激素刺激,容
易产生突变,从而易于获得耐性植株。如金发草愈伤
组织继代2a以上仍具有较高的再生率,可用于耐旱
突变体的筛选[25-26]。目前已经在禾本科植物中利用
体细胞无性系变异筛选到大量优良的突变体,如抗病
甘蔗[21]、耐盐芦苇(Phragmites communis)[27]等。
2.2 在遗传转化中的应用
植物的遗传转化要求植物再生过程有较高的遗
传稳定性。对禾本科植物来说,无论基因枪转化还
是农杆菌介导的转化,一般都要经过愈伤组织培养
阶段,这会使发生遗传改变的机率增大。另外,虽然
大多数学者认为禾本科植物的体细胞胚发生是单细
胞起源的,但在愈伤组织中,体细胞胚多是以细胞团
或球胚阶段存在[10],这也使产生嵌合体的机率增
大。这些对遗传转化都是不利的,寻找不经愈伤组
织的直接植株再生方法是较为理想的途径。通过器
官发生的方式获得遗传转化后再生植株的方法已经
在玉米等禾本科植物上取得良好的应用[28]。但是
目前水稻等禾本科植物遗传转化过程中经过愈伤组
织的再生途径仍被较多的应用[29]。
2.3 在快速繁殖与脱毒技术中的应用
快速繁殖与脱毒技术主要用于一些以无性繁殖
为主的植物,禾本科植物繁殖以种子繁殖为主,所以
该技术在禾本科植物中的应用相对较少。但是对于
甘蔗等作物,该技术仍是主要的繁殖方式。甘蔗属
于长期连作作物,易积累传播病害,目前利用快繁技
术对甘蔗进行脱毒和规模化繁殖在国内外已得到广
泛的应用,能够较好地控制病害。该技术一般以保
持较高遗传稳定性的直接器官发生途径为主[8]。快
速繁殖技术在一些竹类上也有较多的应用[30]。
3 外源激素对体细胞胚发生和器官发
生途径的调控
一般来说,只有少数植物既存在体细胞胚发生,
又存在器官发生[31]。能够以器官发生再生的植物
很难发生体细胞胚,反之亦然[32]。由于单子叶植物
的组织、器官不利于再分化[33],利用外源激素调控
禾本科植物2种再生途径将更加困难。
3.1 外源激素对体细胞胚发生途径的调控
2,4-D是禾本科植物体细胞胚发生所必需的
生长调节剂,其主要作用是诱导胚性愈伤组织形
成,而高浓度的2,4-D又抑制体细胞胚发育,使愈
伤组织中的体细胞胚处于球胚或球胚以前阶段,
必须将其降低或去除后才能使体细胞胚发育完
全[10]。对于大部分禾本科植物来说,2,4-D质量
浓度以2mg/L为最佳[12],但也有较高浓度的
报道[34]。
6-苄基腺嘌呤(6-BA)等细胞分裂素不能诱导
体细胞胚的形成,但是可以增强2,4-D诱导体细胞
胚的效果[10]。一些其他的生长调节剂如氯苯氧基
乙酸(chlorophenoxyacetic acid)[16,35]、除草剂毒莠
定(picloram)[9]等也可诱导禾本科植物体细胞胚的
形成。
对于禾本科植物,利用2,4-D进行直接体细胞
胚诱导较困难,一般是采用非常用的生长调节剂,如
7 第2期 赵 琦等:禾本科植物体细胞胚发生与器官发生的激素调控研究进展
诱导鸭茅叶肉直接体细胞胚发生用的是麦草畏(di-
camba)[6],诱导雀稗花轴的直接体细胞胚形成采用
的是毒莠定与激动素(KT)的组合[9]。
3.2 外源激素对器官发生途径的调控
诱导直接器官发生应用最多的是萘乙酸
(NAA)和细胞分裂素。如6-BA可以诱导金发草不
定芽的形成,NAA可以诱导器官性愈伤组织的形
成[12,15];在甘蔗中,NAA 与低浓度的细胞分裂素
(BA、BAP、KT等)诱导叶片直接器官发生[33]。
3.3 外源激素对同一物种内2种再生途径的调控
同一物种内2种再生途径的存在包括在同一块
愈伤组织中获得2种再生途径和在同一外植体中通
过控制激素配比而获得体细胞胚发生和器官发生分
别存在2种情况[36]。
2种再生途径可能在愈伤组织被诱导后就出现
分化,也可能在继代培养或再生过程中产生分化。
一般较低浓度的生长素会诱导出既有器官发生又有
体细胞胚发生的愈伤组织,如由1~2mg/L的2,
4-D诱导的牛筋草愈伤组织[36-37]和0.1~1mg/L的
2,4-D诱导的金发草[12]愈伤组织。另一方面,降低
继代或分化培养基中的生长素或蔗糖浓度也会获得
器官和体细胞胚同时发生,如将在含有2,4-D和
12%蔗糖的培养基上获得的玉米愈伤组织转移到含
有2%蔗糖的培养基中后,会有绿色的器官组织产
生,而继代培养2a后,一部分愈伤组织变成胚性愈
伤组织[38];在继代培养基中降低2,4-D和6-BA的
含量可以调控对野牛草(Buchloe dactyloides)再生
途径的调控[39];将甜龙竹(Dendrocalamus hamilto-
nii)经1.0~3.0mg/L 2,4-D诱导出的愈伤组织放
在含有2mg/L BA、1mg/L KT、1mg/L NAA的
MS培养基上诱导出体细胞胚发生和器官发生同时
存在[40]。
对于通过控制激素配比诱导同一类型外植体获
得体细胞胚发生和器官发生分别发生的报道相对较
少,一般来说,高浓度的生长素单独或附加一定低浓
度的细胞分裂素趋向于诱导体细胞胚发生,而单独
细胞分裂素或高浓度细胞分裂素附加低浓度的生长
素趋向于诱导器官发生[36]。由表1可见,诱导体细
胞胚发生的生长素主要为2,4-D,质量浓度一般在1
mg/L以上,氯苯氧基乙酸(4-CPA)、毒莠定等也具
有一定的诱导能力。诱导器官发生的主要为细胞分
裂素,如BA、BAP、TDZ、KT等。
表1 激素配比对禾本科植物同一外植体器官与体细胞胚分别发生的调控
物种 外植体 诱导方式 再生方式 参考文献
雀稗(Paspalum scrobiculatum) 成熟的合子胚 1~5mg/L 2,4-D 胚性愈伤组织 41
20mg/L 2,4-D诱导11d后转移到无激素的培
养基中
胚性愈伤组织
20mg/L 2,4-D诱导2~7d后转移到无激素的
培养基中
丛生芽
颖果 0.5mg/L和1mg/L TDZ 丛生芽 18
1mg/L 2,4-D+0.2mg/L BA 胚性愈伤组织
格兰马草(Bouteloua gracilis) 芽尖 1mg/L 2,4-D+0.5mg/L BA
2mg/L BA + 1mg/L 毒莠定附加或不加
40mg/L腺嘌呤
器官性愈伤组织 20
2mg/L 2,4-D+0.25或0.50mg/L BA
1mg/L 2,4-D+0.50mg/L BA
胚性愈伤组织
甘蔗(Saccharumspp.interspe-
cific hybrids)
芽尖 4μmol/L BA或KT+10~40μmol/L NAA 丛生芽 16
10μmol/L氯苯氧基乙酸+10μmol/L NAA 体细胞胚发生
金发草(Pogonatherum panice-
um)
颖果 0.02~0.05mg/L 2,4-D 或0.1~20mg/L
NAA
器官发生 12
大于2mg/L 2,4-D 体细胞胚发生
大麦(Hordeum vulgare) 颖果 2mg/L 2,4-D+2.5mg/L KT 器官发生 35
2mg/L 4-CPA+2.5mg/L KT
2mg/L毒莠定+2.5mg/L KT
2mg/L毒莠定+2mg/L 4-CPA+2.5mg/L KT
体细胞胚发生
臂形草(Brachiaria brizantha) 颖果 4mg/L 2,4-D或3mg/L 2,4-D+0.2mg/L BA
+300mg/L水解络蛋白
体细胞胚发生 42
3mg/L BAP+0.3mg/L NAA 器官发生
8 河南农业科学 第43卷 
4 问题与展望
目前虽然已在部分禾本科植物中通过激素调控
实现了体细胞胚发生与器官发生的同时发生或分别
发生,但是在一些重要的粮食作物如水稻、小麦、玉
米等中关于这一方面的报道却极少,尤其是关于调
控体细胞胚发生和器官发生分别发生的报道更少。
而且在目前研究中,主要工作集中于描述激素调控
2种途径的现象,而对其调控分子机制的研究极少。
随着理论和研究方法的不断突破,其在禾本科植物
中的控制机制也将进一步被阐明,弄清这些关于控
制体细胞胚发生与器官发生的机制将更有利于在更
多的禾本科植物中实现对这2种发生途径的调控,
从而根据实际需要选择再生方式,使植物组织培养
技术更好地应用于植物育种工作中。
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