新疆大葉紫花苜蓿兩種再生體系的比較

施莉娟，許 雷，溫 洋，蒲小鵬*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081）

豆科牧草是最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營養(yǎng)價(jià)值牧草之一，紫花苜蓿由于具有營養(yǎng)豐富、適應(yīng)性強(qiáng)、改土固氮等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)被人們冠以“牧草之王”的美稱[1]。近年來隨著DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的廣泛利用，有關(guān)抗性紫花苜蓿新品種的研究也越來越多。國外已有將外源基因?qū)胱匣ㄜ俎＋@得再生植株的報(bào)道[2-4]。異源目的基因的高效遺傳轉(zhuǎn)化有賴于植物高頻再生體系的建立[5]，目前雖然已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)紫花苜蓿的組織培養(yǎng)進(jìn)行了大量的研究工作[6-7]，許多實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)成功建立了自己的紫花苜蓿再生體系，但大多數(shù)都是通過先誘導(dǎo)愈傷組織，然后誘導(dǎo)再生芽和根的途徑獲得再生植株[8]，普遍存在再生周期長(zhǎng)、再生頻率低等不足[9]。作為基因轉(zhuǎn)化的受體系統(tǒng)，必須克服這些缺點(diǎn)才能使通過基因轉(zhuǎn)化途徑改良性狀取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[10]。本研究通過對(duì)兩種再生途徑各個(gè)指標(biāo)的比較，選擇出一種相對(duì)快速并且高效的再生方式，為今后通過基因轉(zhuǎn)化改良紫花苜蓿性狀建立穩(wěn)定高效的再生體系作準(zhǔn)備。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)研究材料為新疆大葉紫花苜蓿（Medicago sativa L.cv.Xinjiang Daye）品種，種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)曹致中教授提供。

1.2 培養(yǎng)基組成

試驗(yàn)中所用培養(yǎng)基成分如下：①基本培養(yǎng)基為MS培養(yǎng)基，蔗糖3%，pH 5.8，附加不同激素，高溫滅菌；②愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基：MS+2，4-D 2.0 mg·L-1+KT 0.5 mg·L-1+瓊脂 9 g·L-1；③ 分化培養(yǎng)基 1： MS+6-BA 0.5 mg·L-1L+NAA 0.05 mg·L-1+瓊脂 9 g·L-1；④ 分化培養(yǎng)基 2：MS+5 μmol·L-1TDZ+0.5 mg·L-1NAA+瓊脂0.8%；⑤生根誘導(dǎo)培養(yǎng)基：1/2MS+IBA 1 mg·L-1+蔗糖 1.5%+瓊脂 0.8%。

1.3 培養(yǎng)方法

1.3.1 胚胎發(fā)生途徑

1.3.1.1 外植體的獲得

選擇籽粒飽滿、有光澤的種子在流水下沖洗1 h，在超凈工作臺(tái)用70%的酒精浸泡50 s，無菌水沖洗3～5次，再用10%的次氯酸鈉震蕩處理30 min，無菌水沖洗6～8次，無菌濾紙吸干。將消過毒的苜蓿種子接種至不含激素的MS培養(yǎng)基上，培養(yǎng)室培養(yǎng)（光照培養(yǎng)，強(qiáng)度為1 000～2 000 lx，晝夜溫度為25℃左右）。20 d后取無菌幼苗的葉片作為試驗(yàn)用外植體。

1.3.1.2 愈傷組織的誘導(dǎo)

參照梁慧敏等[11]、王瑞云等[12]方法，將20日齡的無菌苗葉片切成0.5 cm2左右的小塊接入愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基[13]，每20 d繼代一次，培養(yǎng)條件為黑暗培養(yǎng)20 d后光照培養(yǎng)10 d；光周期16 h，光照強(qiáng)度1 000～2 000 lx，晝夜溫度為25℃左右。記錄外植體愈傷產(chǎn)生時(shí)間，30 d后統(tǒng)計(jì)出愈率、正常的愈傷組織率。

1.3.1.3 叢生芽的分化

愈傷組織經(jīng)過30 d的誘導(dǎo)，淘汰褐色的愈傷，篩選出呈黃白色、漿糊狀、水分含量高、表面有突起的組織（見圖版Ⅰ-A）接入分化培養(yǎng)基，一段時(shí)間之后，漿糊狀的胚狀體上出現(xiàn)許多綠色小顆粒（見圖版Ⅰ-B），當(dāng)成團(tuán)狀的胚狀體長(zhǎng)得較大時(shí)，可將其分割培養(yǎng)，有利于體胚分化。每20 d繼代一次。培養(yǎng)條件為光周期16 h，光照強(qiáng)度1 000～2 000 lx，晝夜溫度為25℃左右。記錄出芽時(shí)間，統(tǒng)計(jì)芽分化率和單個(gè)組織生芽數(shù)（見圖版Ⅰ-C）。

1.3.1.4 根的誘導(dǎo)

待分化苗（見圖版Ⅰ-D）長(zhǎng)至1 cm高時(shí)，在節(jié)間下部處將幼芽切下，移入生根培養(yǎng)基，每20 d繼代一次，記錄生根時(shí)間，統(tǒng)計(jì)生根率及單個(gè)幼苗生根數(shù)（見圖版Ⅰ-E）。

1.3.2 器官發(fā)生途徑

1.3.2.1 外植體的獲得

在滅過菌（方法同上）的種子中加入約50 mL的無菌水，置于黑暗中溫育過夜。第2天，在超凈臺(tái)上用解剖針將萌動(dòng)的種子撥去種皮（見圖版Ⅰ-F），切去一部分胚根（見圖版Ⅰ-G），再將子葉從中間沿胚軸均勻平滑的分開（見圖版Ⅰ-H），作為本試驗(yàn)的兩個(gè)外植體。將帶胚軸的子葉置于無激素的MS培養(yǎng)基中，暗培養(yǎng)3 d。

1.3.2.2 叢生芽的分化

參照許仕珍[14]的方法，將暗培養(yǎng)3 d后出芽的外植體（見圖版Ⅰ-I）轉(zhuǎn)入分化培養(yǎng)基2，送入培養(yǎng)室，培養(yǎng)條件為光周期16 h，光照強(qiáng)度1 000～2 000 lx，晝夜溫度為25℃左右。20 d繼代一次。記錄出芽時(shí)間，25 d以后，統(tǒng)計(jì)出芽率及單個(gè)外植體產(chǎn)生再生芽的數(shù)量。

1.3.2.3 根的誘導(dǎo)

參照馬暉玲等方法[15]，將生長(zhǎng)了一個(gè)月的叢生芽（見圖版Ⅰ-J）切開，把單個(gè)的再生芽轉(zhuǎn)入生根誘導(dǎo)培養(yǎng)基，記錄生根時(shí)間，20 d以后，統(tǒng)計(jì)生根率、單個(gè)幼苗（見圖版Ⅰ-K）生根數(shù)。

1.4 再生頻率的統(tǒng)計(jì)

紫花苜蓿從接種外植體到再生植株需要一段不短的時(shí)間，同時(shí)涉及好幾個(gè)關(guān)鍵階段，因而，評(píng)價(jià)苜蓿的再生頻率必須從這幾個(gè)階段綜合考慮。在理想狀態(tài)下（不考慮在試驗(yàn)中因人為操作引起的污染等其他影響試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的因素），用如下公式計(jì)算再生頻率[14]：

器官形成途徑：再生頻率（%）=外植體萌發(fā)率（%）×芽的分化率率（%）×平均單個(gè)外植體生芽數(shù)（個(gè)）×生根率（%）×平均單個(gè)幼苗生根數(shù)（個(gè)）；

胚胎發(fā)生途徑：再生頻率（%）=出愈率（%）×芽的分化率率（%）×平均單個(gè)外植體生芽數(shù)（個(gè)）×生根率（%）×平均單個(gè)幼苗生根數(shù)（個(gè)）；

其中：外植體出芽率（%）=萌發(fā)的材料數(shù)/接種的外植體數(shù)×100%；

出愈率（%）=誘導(dǎo)出愈傷組織的外植體數(shù)/接種的外植體數(shù)×100%；

芽的分化率（%）=分化出芽的材料數(shù)/接種的材料總數(shù)×100%；

平均單個(gè)外植體生芽數(shù)（個(gè)）=分化的叢生小芽總數(shù)/從生芽總數(shù)；

生根率（%）=生根的幼苗數(shù)/接種的幼苗總數(shù)×100%；

平均單個(gè)幼苗生根數(shù)（個(gè)）=誘導(dǎo)生出的根總數(shù)/生根幼苗數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生時(shí)間的比較

本試驗(yàn)中新疆大葉紫花苜蓿再生幼苗的生成，兩種途徑所用時(shí)間相差明顯，器官形成途徑中從種子消毒到再生幼苗的生成所需的時(shí)間為69 d左右（種子處理1 d+外植體預(yù)培養(yǎng)3 d+芽分化培養(yǎng)約25 d+生根約20 d+再生幼苗培養(yǎng)約20 d≈69 d），而胚胎發(fā)生途徑中從接種到再生幼苗的生成大約需要125 d（外植體的獲得20 d+愈傷誘導(dǎo)約30 d+芽分化約45 d+生根約30 d≈125 d）。利用成熟種子胚的再生方式最大特點(diǎn)就是不通過愈傷組織，直接誘導(dǎo)苜蓿叢生芽，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能快速地產(chǎn)生叢生芽，外植體接入芽分化培養(yǎng)基25 d后就可以用來生根。而傳統(tǒng)的胚胎發(fā)生途徑，外植體經(jīng)過脫分化形成愈傷組織后經(jīng)過再分化階段，然后才是根的誘導(dǎo)形成植株，本試驗(yàn)中，兩種再生方式在生根時(shí)間上差異不是很大，最顯著的差異就是外植體的準(zhǔn)備和芽分化上，本文中胚胎發(fā)生途徑選擇生長(zhǎng)15～20 d時(shí)間的無菌苗葉片作為試驗(yàn)外植體，即使外植體選擇準(zhǔn)備時(shí)間較少的下胚軸也需要5～6 d，在這之后需要一個(gè)月左右的時(shí)間進(jìn)行愈傷組織的誘導(dǎo)，從愈傷到分化出叢生芽又是一個(gè)很長(zhǎng)的過程。而器官發(fā)生途徑中外植體的獲得僅需要1 d的種子預(yù)處理，接下來的過程又避開了愈傷組織誘導(dǎo)，25 d后就有叢生芽生出，并且每個(gè)芽又分離出好幾個(gè)小芽，直接進(jìn)入生根階段，大大縮短了再生時(shí)間。顯然，器官形成途徑再生所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于胚胎發(fā)生途徑，使再生幼苗的完成節(jié)約了55 d左右。

2.2 再生頻率的比較

從表1看出，新疆大葉紫花苜蓿器官發(fā)生途徑中子葉外植體的再生頻率（396.57%）是胚胎發(fā)生途徑中葉片外植體再生頻率（121.52%）的三倍多，最主要的差距還是在芽分化率上，器官發(fā)生途徑可以在較短的時(shí)間（約69 d）內(nèi)達(dá)到較高的分化率，而傳統(tǒng)的胚胎發(fā)生途徑經(jīng)過脫分化形成愈傷、再分化形成植株這樣一個(gè)漫長(zhǎng)的過程后（約125 d），得到的再生頻率反而不是很理想，這也再次體現(xiàn)了紫花苜蓿再生體系的建立周期長(zhǎng)、頻率低的特點(diǎn)。

表1 兩種再生途徑各項(xiàng)再生指標(biāo)及再生頻率的比較Table1 Comparison of regeneration index and regeneration rate of two difference regeneration ways

3 討論與結(jié)論

直接誘導(dǎo)叢生芽的再生途徑具有再生周期短（69 d左右）、再生頻率高（396.57%）的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的再生方式大多數(shù)都是通過先誘導(dǎo)愈傷組織，然后誘導(dǎo)再生芽和根的途徑獲得再生植株，苜蓿愈傷再生成苗的主要問題是愈傷分化率偏低，不能滿足進(jìn)行高效遺傳轉(zhuǎn)化研究的需要[16]。相比之下，器官發(fā)生途徑利用成熟種子的胚直接誘導(dǎo)叢生芽分化成苗，此過程不需要誘導(dǎo)愈傷，無論是再生周期還是再生頻率都具有明顯優(yōu)勢(shì)。用此種方式再生紫花苜蓿的報(bào)道國內(nèi)較少，研究不是很成熟，但是鑒于此方法的諸多優(yōu)點(diǎn)，有必要更進(jìn)一步完善這一體系，以建立一套普遍適用的快速高效的紫花苜蓿再生體系，并推廣應(yīng)用到其他植物中去[14]，這對(duì)將來的分子生物學(xué)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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