馬鈴薯莖尖脫毒組織培養(yǎng)技術研究綜述

楊小琴 李善才 李增偉 胡曉燕 孫利軍

摘要綜述了近幾年來馬鈴薯莖尖脫毒技術的研究進展,從馬鈴薯生產(chǎn)概況及危害馬鈴薯的主要因素、莖尖剝離發(fā)展歷史及原理、莖尖脫毒技術要點、影響馬鈴薯莖尖脫毒效率的因素方面作了概述并對其發(fā)展前景進行了展望,以為馬鈴薯莖尖脫毒技術發(fā)展奠定基礎。

關鍵詞馬鈴薯;莖尖;脫毒;組織培養(yǎng)

中圖分類號S532文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)22-0085-02

ReasarchReviewOn Virus-freeTechnology ofPotatoStep-tip Tissue Culture

YANG Xiao-qinLI Shan-caiLI Zeng-weiHU Xiao-yanSUN Li-jun

(Yulin Institution of Agricultural Sciences,Yulin Shaanxi 719000)

AbstractIn the paper,the recent studies on step-tip tissue culture of potato were reviewed. The respects about potato production situation,factors of potato production,historical development, theory and outline of virus-free on step-tip,and influencing factors on virus-free on step-tip tissue culture were summaried.Then the development prospect was presented so as to lay a foundation for the development of potato step-tip virus-free tissue culture.

Key wordspotato;step-tip;virus-free;tissue culture

馬鈴薯栽培分布較廣,世界上共有148個國家栽培,主要分布在歐洲和亞洲。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織資料統(tǒng)計,全世界現(xiàn)有馬鈴薯栽培面積為1 838.1萬hm2,總產(chǎn)量29 511.8萬t,平均單產(chǎn)16t/hm2[1,2]。我國是馬鈴薯種植大國,種植總面積逾460萬hm2,是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國[3,4]。預計到2010年,我國馬鈴薯種植面積將達到600萬hm2,屆時我國馬鈴薯產(chǎn)量將達到1.8億t。近年來,隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和種薯、商品薯、加工企業(yè)市場的發(fā)展,優(yōu)質(zhì)馬鈴薯加工產(chǎn)品供不應求,加工用薯比例大幅度增加,馬鈴薯栽培正成為種植業(yè)結構調(diào)整和農(nóng)民增收的一項戰(zhàn)略選擇,而馬鈴薯種植逐步走向規(guī)模化、標準化、區(qū)域化[5]。

但在馬鈴薯連年的栽培過程中,由于病毒或類病毒的侵染和積累,造成馬鈴薯質(zhì)量退化和產(chǎn)量下降,因而栽培無病毒植株具有重要的生產(chǎn)價值。解決馬鈴薯退化,獲得無病毒植株的途徑有自然選擇、物理學方法、化學藥劑處理、生物學方法等。其中最行之有效的方法便是生物學方法中的莖尖脫毒。該文就馬鈴薯的莖尖脫毒及影響其脫毒效果的技術措施進行了綜述,以期為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)脫毒苗,保證種薯源頭質(zhì)量提供參考。

1馬鈴薯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及危害其生產(chǎn)的主要因素

栽培種的馬鈴薯(Solanum tuberosum L.,2n=48)是雙子葉種子植物,屬茄科(Solanaceae)茄屬(Solanum)一年生喜涼草本植物[6]。又名洋芋、土豆,原產(chǎn)南美洲,在我國已有300多年的栽培歷史。馬鈴薯生育期短,產(chǎn)量高,營養(yǎng)豐富,是典型的糧菜兩用型作物,是我國四大栽培作物之一。

世界馬鈴薯面積分布的最大特點是以歐、亞兩洲種植為主,兩者種植面積占世界馬鈴薯總面積的78%,其中中國、俄羅斯、烏克蘭、印度四大生產(chǎn)國占世界種植面積的1/2[7]。而馬鈴薯的發(fā)源地南美洲種植面積只占世界馬鈴薯總面積的5%。除整個美洲大陸保持相對穩(wěn)定外,歐洲的種植面積在持續(xù)減少,而亞洲、非洲的種植面積在不斷增加。馬鈴薯在生產(chǎn)上絕大多數(shù)是利用塊莖進行無性繁殖[4]。國際馬鈴薯中心(CIP)和國際食品政策中心(IFPRI)合作研究表明,到2020年為止,全世界對馬鈴薯的需求將有望增長40%,超過水稻、小麥和玉米的增長。特別是亞洲和非洲對馬鈴薯的需求將增長更快[8]。

馬鈴薯在栽培過程中,植株逐年變小,葉片皺縮卷曲,葉色濃淡不均,莖桿矮小細弱,塊莖變形龜裂,產(chǎn)量逐年下降,這些都表明馬鈴薯已經(jīng)發(fā)生退化。種薯退化是引起產(chǎn)量降低和商品性狀變差的主要原因[9]。據(jù)此,科學家從植物生理學、生物化學、栽培技術、栽培環(huán)境、種薯貯藏條件、病蟲害侵染等方面對馬鈴薯“退化”進行了深入的研究,研究表明,各種病毒、真菌、細菌等對馬鈴薯的侵染是導致我國馬鈴薯單產(chǎn)較低的主要原因[10-12]。

目前,已知的馬鈴薯侵染病毒約有30種,由于馬鈴薯育種體系尚不健全,農(nóng)民自留種現(xiàn)象普遍,致使病毒感染面積占到栽培總面積的80%以上。在我國廣大馬鈴薯產(chǎn)區(qū),危害馬鈴薯的5種主要病毒為馬鈴薯X病毒(PVX)、馬鈴薯A病毒和Y病毒(PVA,PVY)、馬鈴薯S病毒(PVS)、馬鈴薯卷葉病毒(PLRV),以及馬鈴薯紡錘塊莖類病毒(PSTVd)。其中PVY、PLRV是危害最為嚴重的2類病毒。

2莖尖脫毒技術發(fā)展歷史及其原理

馬鈴薯莖尖培養(yǎng)(stem/shoot tip culture),又叫分生組織培養(yǎng)(meristem culture),是包括馬鈴薯在內(nèi)的許多植物脫除病毒的重要手段。

1943年,P.R White將系統(tǒng)感染了奧古巴花葉病毒的番茄根(長120mm)等分為12段,分別接種到心葉煙上,36h后,接種近生長點的2段在心葉煙上未產(chǎn)生病斑,而接種在遠生長點的10個切段均出現(xiàn)病斑,且離生長點愈遠病斑愈多。B.Kassanis(1957)、Crowley & Hanson(1960)等進一步證明,細胞分裂與病毒復制之間存在著競爭關系,在活躍的莖尖分生組織中,正常核蛋白合成占優(yōu)勢,病毒粒子得不到復制的營養(yǎng)而受到抑制[13]。

1955年,法國人G.Morel和C.Martin通過莖尖培養(yǎng),獲得了無PVX、PVA和PVY的馬鈴薯植株,此后,這項技術快速發(fā)展,為解決馬鈴薯病毒危害提供了有效途徑。目前,世界上幾乎所有的馬鈴薯生產(chǎn)國都采用這一技術。

我國在20世紀70年代初由吉林農(nóng)業(yè)大學、遼寧省農(nóng)科院和黑龍江省克山農(nóng)業(yè)科學研究所對莖尖組織培養(yǎng)進行了初步試驗,自1974年開始,中國科學院植物研究所、微生物研究所、動物研究所、黑龍江省克山農(nóng)業(yè)科學研究所、內(nèi)蒙古烏蘭察布盟農(nóng)科所以及內(nèi)蒙古大學等單位協(xié)作,開展了莖尖組織無病種薯的技術和應用研究,1976年內(nèi)蒙古建立了我國第1個馬鈴薯脫毒原種場,從而開始了我國無病毒種薯的生產(chǎn)時代[4]。

莖尖培養(yǎng)脫毒是利用病毒在植物體內(nèi)分布的不均勻性,即根尖和芽尖的分生組織含病毒量少或不含病毒進行培養(yǎng)。導致這一現(xiàn)象的原因至今還未明確,主要包括:①病毒的復制須利用寄主的代謝過程,無法與分生組織旺盛的代謝活動競爭;②分生組織缺乏真正的維管組織,大多數(shù)病毒在植株內(nèi)通過韌皮部進行遷移,或在細胞間通過胞間連絲傳輸[14]。病毒在細胞與細胞間的移動速度較慢,在快速分裂的組織中病毒濃度高峰被推遲[15-17];③分生組織的生長素濃度通常很高,可能影響病毒的復制。也有一些病毒如PVX,在人們所有觀察的分生組織中都有存在,但通過莖尖培養(yǎng)依然可以脫去PVX,這說明PVX在培養(yǎng)過程中是可以被脫去的,其機制可能是分離組織所產(chǎn)生的某種鈍化因子或培養(yǎng)基中某種成分對病毒的效應所致,也可能是分離組織與培養(yǎng)基接觸的結果。病毒復制時,需要某些作用于靠近分生組織圓錐體細胞的酶類,當莖尖被剝成很小時,它們的生長過程暫時被打亂了,病毒復制時所需要的酶失去作用,從而中斷了傳染性病毒的復制[18]。一般認為,類病毒是無法脫除的,但經(jīng)過重復莖尖培養(yǎng)結合熱處理也可脫去PSTVd,只是脫毒率太低,具體機制尚待研究[19]。

3馬鈴薯莖尖脫毒技術

馬鈴薯莖尖分生組織培養(yǎng)屬植物組織培養(yǎng)中的體細胞培養(yǎng)[20],莖尖脫毒是多數(shù)植物汰除病毒病的方法,其主要技術步驟如下[21,22]:首先將帶毒薯在室內(nèi)催芽、消毒處理;然后在超凈工作臺無菌條件下,切取0.1~0.3mm、帶1~2個葉原基的莖尖分生組織,移植于裝有MS培養(yǎng)基的試管中培養(yǎng),大約4個月后,莖尖分生組織長成試管苗;試管苗經(jīng)過病毒檢測,從大量植株中鑒定出確實不帶病毒的脫毒苗;再經(jīng)過切段快繁、脫毒微型薯(原原種)的誘導,原種、良種繁育,直至大田生產(chǎn)商品薯[4,23,24]。將莖尖脫毒技術和高效留種技術相結合,并建立科學合理的良種繁育體系,是大幅度提高馬鈴薯產(chǎn)量和質(zhì)量的可靠保證。

馬鈴薯在脫毒過程中去除了主要病毒,恢復了原品種的特征特性,達到了復壯的目的。同時也將其所感染的真菌和細菌病原物一并脫除,而且脫毒薯在一定時期內(nèi),沒有病毒、細菌和真菌病害,其生活力特別旺盛。

4影響馬鈴薯莖尖脫毒效率的因素

4.1莖尖大小和病毒種類

病毒濃度在莖尖附近呈遞減分布,因此莖尖越小脫毒效果越理想,但莖尖就越難成活。此外,不同病毒在莖尖分布不同。一般來說,各種病毒的脫除從易到難順序為:PLRV>PVA>PVY>馬鈴薯奧古巴花葉病毒(PAMV)>PVM>PVX>PXS>PSTVd。但此順序也會因品種、培養(yǎng)條件、病毒株系不同等而有所變化[25-28]。

4.2化學制劑

化學治療劑能提高培養(yǎng)基去除病毒的能力。如在培養(yǎng)基中加入堿性孔雀綠、2,4-D和硫尿嘧啶等病毒抑制劑,能顯著提高無病毒植株的數(shù)量。一些研究學者在甘薯莖尖培養(yǎng)脫毒研究中發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基中添加適量的TS制劑(一種病毒鈍化劑)雖稍微抑制了莖尖的發(fā)育,但可以提高脫毒率,但TS制劑對馬鈴薯莖尖培養(yǎng)脫毒是否有相同的效果,仍值得研究和探討[29]。

4.3高溫處理

為提高脫毒效果,莖尖培養(yǎng)還可與熱處理結合使用,其方法是脫毒植株長到3cm左右時,進行變溫處理(白天37℃處理12h,晚上25℃處理12h)4周。在一定的溫度范圍內(nèi)進行熱處理,寄主組織很少受傷害甚至不受傷害,而植物組織中很多病毒卻可被部分地或完全鈍化。如高溫預處理可以顯著提高對PAMV、PVX和PVS的去除[30,31]。

4.4影響病毒去除的其他因素

去除病毒的難易還受其他病毒的干擾:只有PVX存在時,從莖尖培養(yǎng)產(chǎn)生的42株植物中,有34株是無這種病毒的;但當植物受PVX病毒及其他病毒復合侵染時,從莖尖培養(yǎng)產(chǎn)生的34株植物中只有2株是無PVX病毒的,這說明病毒之間存在著干擾作用[27]。此外,病毒去除還與培養(yǎng)條件有密切的關系。通常,接種的莖尖放在培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng),溫度可在15~30℃范圍內(nèi),以20℃為宜,光照1 000~3 000Lx,以日光燈為光源,每天照光16h。

5展望

馬鈴薯莖尖培養(yǎng)脫毒是目前脫除病毒最常用、效果最好的方法,在脫毒過程中,影響莖尖成活、成苗及脫毒效率的因素諸多,尤其是莖尖培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基中所加的植物生長調(diào)節(jié)劑的絕對濃度和配比及培養(yǎng)基的狀態(tài)等研究上存在著較大分歧。脫毒技術體系中,有關熱處理的方法、莖尖的大小及病毒脫除的難易程度等均有不同的說法和做法。因此,對影響莖尖成活、成苗及脫毒過程中的諸多影響因素進行比較、系統(tǒng)地研究,具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義,它可以為馬鈴薯脫毒技術人員提供一條切實可行、高效率的脫毒途徑。

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