曾超 代金玲 白玉娥 呼都特
摘要 林木的體細(xì)胞胚胎發(fā)生是體細(xì)胞在人工無菌培養(yǎng)條件下分化產(chǎn)生體細(xì)胞胚胎的過程,該技術(shù)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分,不僅在遺傳改良和快速繁殖等方面有著重大意義,也展現(xiàn)出了在實(shí)際生產(chǎn)中良好的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。文章綜述了體細(xì)胞胚胎發(fā)生的幾個(gè)重要影響因子——材料、培養(yǎng)基、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑以及培養(yǎng)條件,提出了今后在林木體細(xì)胞胚胎發(fā)生研究方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)幼胚的進(jìn)一步分類、胚性愈傷的區(qū)分、控制體細(xì)胞胚胎發(fā)生的同步化等問題的研究。
關(guān)鍵詞 體細(xì)胞胚胎發(fā)生;影響因子;林木
中圖分類號(hào) S722.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611(2014)16-05100-04
林木的體細(xì)胞胚胎發(fā)生是體細(xì)胞在人工無菌培養(yǎng)條件下分化產(chǎn)生體細(xì)胞胚胎的過程。它的相關(guān)研究起源于20世紀(jì)70年代后期。Rao等[1]首次報(bào)道檀香(Santalum album Linn.)的體細(xì)胞胚胎發(fā)生研究。40多年來,全世界已對(duì)50余科180余種木本植物成功地進(jìn)行了體細(xì)胞胚胎發(fā)生誘導(dǎo)并培育出再生植株,其中木本被子植物46科95屬140余種,木本裸子植物7科16屬的50余個(gè)樹種[2]。我國(guó)從事林木體細(xì)胞胚胎發(fā)生和植株再生的技術(shù)研究起步較晚,目前涉及的樹種有松屬(Pinus)[3]、楊屬(Populus)[4]、云杉屬(Picea)[5]、文冠果屬(Xanthoceras)[6]、葡萄屬(Vitis)[7]、橡膠樹屬(Hevea)[8]等數(shù)10個(gè)樹種。
體細(xì)胞胚胎發(fā)生有2種途徑:直接體細(xì)胞胚胎發(fā)生,由外植體直接發(fā)育成體細(xì)胞胚;間接體細(xì)胞胚胎發(fā)生,由外植體脫分化形成愈傷組織,然后愈傷組織再分化產(chǎn)生體胚。大多數(shù)林木樹種都可以通過第1種途徑產(chǎn)生體細(xì)胞胚,其中多以被子植物為主。而針葉樹所屬的裸子植物體胚發(fā)生較難,一般需采用第2種方式產(chǎn)生體細(xì)胞胚。體細(xì)胞胚的直接發(fā)生一般比間接發(fā)生遺傳穩(wěn)定。周麗儂[9]等在園藝植物體胚發(fā)生和植株再生的研究中得出,外植體和培養(yǎng)條件都會(huì)對(duì)植物的體胚發(fā)生造成影響。植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生受到多種內(nèi)因和外因的影響,外植體自身個(gè)體的發(fā)育階段和生理狀態(tài)對(duì)林木組織培養(yǎng)成功與否起關(guān)鍵作用,而外植體的生長(zhǎng)和發(fā)育方向由培養(yǎng)基和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的種類、濃度決定[10]。只有合理地調(diào)節(jié)內(nèi)因和外因的作用,才能獲得大量高質(zhì)量的林木體胚。
1 材料
1.1 基因型 基因型是影響林木體細(xì)胞胚發(fā)生的主要內(nèi)因。即使選用大小一致的外植體和相同培養(yǎng)條件來誘導(dǎo)塞爾維亞云杉的5個(gè)品種植物體胚,其體胚誘導(dǎo)率也各不相同,最高可達(dá)18.7%,最低卻只有1.3%[2]。不同基因型的體細(xì)胞胚誘導(dǎo)頻率差別很大,其原因可能是不同基因型的最適誘導(dǎo)培養(yǎng)條件存在著較大的差異。姚娜[11]對(duì)10個(gè)表現(xiàn)優(yōu)良的毛白楊基因型進(jìn)行離體培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)不同毛白楊基因型無論是最佳外植體消毒方法、培養(yǎng)基種類,還是生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑種類和濃度均存在差異。
1.2 外植體 體胚發(fā)生中外植體的篩選是成功的前提。任何細(xì)胞均具有全能性,理論上講,植物體的各類器官,如根、莖、葉、花、種子都可以產(chǎn)生體胚。然而體胚發(fā)生要獲得成功不僅依賴于外植體的來源和選擇部位,也跟外植體的生長(zhǎng)發(fā)育、生理狀態(tài)有很大關(guān)系。Merkle[12]的研究表明,林木的體胚發(fā)生只能選取種子或幼苗進(jìn)行誘導(dǎo),合子胚或種子的不同發(fā)育時(shí)期對(duì)誘導(dǎo)體胚的影響很大。分化程度較低的組織是利于體胚誘導(dǎo)的最佳外植體[13]。未成熟合子胚因其細(xì)胞全能性高、脫分化容易,在誘導(dǎo)體細(xì)胞胚發(fā)生時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)[14]。
此外,莖尖、葉片也可以作為誘導(dǎo)體胚的外植體。由于葉和莖中的細(xì)胞處于一個(gè)非常復(fù)雜的分化時(shí)期[15],所以只能用于山杏[16]、懸鈴木[17]之類體胚發(fā)生較為容易的闊葉樹種。
2 培養(yǎng)基
外植體經(jīng)采集,置冰箱中冷藏(4 ℃)備用。試驗(yàn)前用水洗凈,浸泡一定時(shí)間后,用乙醇、次氯酸等試劑滅菌處理后接入培養(yǎng)基。不同種類植物的體細(xì)胞胚胎發(fā)生一般需要選擇不同的培養(yǎng)基。植物組織培養(yǎng)中常用的基本培養(yǎng)基主要有MS、LM、SH、N6、WPM、DCR、LP等。
2.1 MS培養(yǎng)基 MS培養(yǎng)基是目前使用最為廣泛的培養(yǎng)基。和其他培養(yǎng)基相比,MS培養(yǎng)基中硝酸鹽、鉀和銨的含量較高。陳金慧[18]等在對(duì)雜交鵝掌楸的體胚研究中發(fā)現(xiàn),以MS為基本培養(yǎng)基,對(duì)體胚的誘導(dǎo)最為有效。習(xí)洋等[19]也成功以刺槐成熟合子胚為外植體,用MS培養(yǎng)基誘導(dǎo)出體胚。陳夜江[20]認(rèn)為,在果樹體胚的誘導(dǎo)中,常選用MS培養(yǎng)基,因?yàn)镸S培養(yǎng)基含有較高水平的NH4NO3,對(duì)果樹的體胚發(fā)生有促進(jìn)作用。
2.2 DCR培養(yǎng)基 針葉樹植物體胚誘導(dǎo)需要低濃度NO3-和NH4+,所以含有較低濃度NO3-和NH4+的DCR培養(yǎng)基在針葉樹的組培中應(yīng)用最多[21]。相同激素條件下,DCR培養(yǎng)基對(duì)落葉松體胚的誘導(dǎo)效果明顯好于MS培養(yǎng)基[22]。DCR培養(yǎng)基大量元素含量較少,適合松科植物。李茜等[23]研究表明,將白皮松成熟合子胚接種于DCR培養(yǎng)基上,愈傷生長(zhǎng)迅速,具有較強(qiáng)的分化能力。李清清[24]采用DCR誘導(dǎo)分化黑松未成熟合子胚,成功建立了黑松的體細(xì)胞胚胎發(fā)生體系。
2.3 其他培養(yǎng)基 培養(yǎng)基種類繁多,不同植物、不同階段所選用的培養(yǎng)基各不相同。MS培養(yǎng)基在云杉屬樹種體細(xì)胞胚胎的誘導(dǎo)中起阻礙作用,一般常用LP培養(yǎng)基。相比其他培養(yǎng)基,LP培養(yǎng)基鈣鹽含量較高,可以加速植物體內(nèi)代謝,促進(jìn)生長(zhǎng)。濕地松體細(xì)胞胚胎發(fā)生在使用DCR培養(yǎng)基時(shí)的植株再生率只有10%[25],而使用了LP培養(yǎng)基培養(yǎng)的濕地松植株再生率顯著提高(25.2%)[26]。北美云杉和紅云杉體細(xì)胞胚胎誘導(dǎo)的最適培養(yǎng)基是1/2LM。SH培養(yǎng)基中的有機(jī)成分含量明顯高于LM培養(yǎng)基5倍以上,在沙地云杉體胚研究中有很好的應(yīng)用[27]。WPM培養(yǎng)基在闊葉喬木的初代培養(yǎng)當(dāng)中效果較好。B5培養(yǎng)基是文冠果非胚性愈傷組織誘導(dǎo)的最佳培養(yǎng)基,在弱光中懸浮培養(yǎng)容易形成體細(xì)胞胚[28]。根據(jù)植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不同合理選擇培養(yǎng)基,是體細(xì)胞胚胎發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。
3 生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑
培養(yǎng)基中附加外源激素和有機(jī)物的種類、濃度及組合對(duì)體胚的誘導(dǎo)、增殖、分化以及發(fā)育都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。合理地選擇生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,對(duì)建立體細(xì)胞胚胎發(fā)生體系尤為重要。
3.1 外源激素
3.1.1 生長(zhǎng)素。體胚發(fā)生常用的生長(zhǎng)素有2,4.D和NAA。大多數(shù)林木必需在含有2,4.D的培養(yǎng)基下才能誘導(dǎo)體胚發(fā)生。2,4.D可以起到調(diào)節(jié)和平衡內(nèi)源生長(zhǎng)素的作用[28],在已誘導(dǎo)出體胚的植物中,大約有65%單獨(dú)或與其他激素搭配使用了2,4.D[29]。然而2,4.D的濃度過高對(duì)體胚分化有著不利影響。愈傷組織在含有2,4.D的培養(yǎng)基上長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng),容易造成體胚成熟能力的減弱或喪失。一般采取降低濃度繼代或者用作用較弱的NAA替換的方式,這樣有利于體胚的分化和發(fā)育。特別是在增殖培養(yǎng)階段,用NAA代替2,4.D更有利于體細(xì)胞胚的發(fā)生[30]。席夢(mèng)利等[31]研究表明,DCR +6.BA 1.0 mg/L+TDZ 0.003 mg/L+NAA 0.1 mg/L是杉木成熟合子胚誘導(dǎo)體胚的最佳培養(yǎng)基[31]。
3.1.2 細(xì)胞分裂素。細(xì)胞分裂素同樣是影響體胚發(fā)生與植株再生的重要因子。對(duì)于大多數(shù)林木來說,只用生長(zhǎng)素很難誘導(dǎo)出體胚,只有將細(xì)胞分裂素與生長(zhǎng)素合理搭配使用才能有效提高體細(xì)胞胚胎發(fā)生概率[10]。一般體胚研究常用的細(xì)胞分裂素有6.BA、KT和ZT。呂秀立等[32]的研究表明,誘導(dǎo)歐洲七葉樹愈傷組織的最佳培養(yǎng)基是MS+2,4.D 2 mg/L+KT 0.2 mg/L,MS+6.BA 8 mg/L+NAA 1 mg/L有利于胚性愈傷的誘導(dǎo)和增殖,添加ZT 2 mg/L或6.BA 5 mg/L和NAA 0.2 mg/L的MS培養(yǎng)基有利于體胚發(fā)育和成熟。
3.1.3 脫落酸(ABA)。脫落酸(ABA)在體胚的成熟和萌發(fā)方面有重要的影響[10]。以花旗松為例,Taber等[33]在體細(xì)胞胚發(fā)育的刺激階段和成熟階段均使用了ABA。ABA在植物體細(xì)胞胚成熟過程中有著重要的作用[34]。主要表現(xiàn)在以下方面:促進(jìn)體胚分化,提高正常體胚發(fā)生頻率;抑制早熟體胚的發(fā)生,降低不正常體胚的發(fā)生頻率;提高體胚分化的同步化程度[35]。目前,已經(jīng)成功利用ABA分化出白杄、歐洲落葉松、華北落葉松、濕地松等林木體細(xì)胞胚。不同植物種類對(duì)ABA濃度的反應(yīng)不同,0.12~0.15 mg/L的ABA可促進(jìn)橡膠胚性愈傷組織形成體胚[36],而華北落葉松體胚的成熟培養(yǎng)過程中ABA濃度達(dá)到了19 mg/L[37]。單獨(dú)使用ABA,有可能抑制體細(xì)胞胚發(fā)生[38]。所以進(jìn)一步明確ABA的最佳作用濃度、添加時(shí)間和使用方式,可更好地使用ABA,加速林業(yè)生產(chǎn)。
3.1.4 TDZ。TDZ是新合成的一種雜環(huán)芳香脲,它具有很高的活性,同時(shí)擁有生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的雙重特點(diǎn)。TDZ對(duì)內(nèi)源植物生長(zhǎng)激素起調(diào)節(jié)作用,也可以在誘導(dǎo)逆境中起間接作用,它還具有調(diào)節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)能量水平等多種作用。到目前為止,TDZ已經(jīng)成功促使近100種組培困難的林木獲得再生植株[39]。有研究表明,TDZ與6.BA搭配使用,可以促進(jìn)北美喬松成熟合子胚不定芽的發(fā)生[40]。其原因可能是6.BA和TDZ在植物細(xì)胞內(nèi)識(shí)別位點(diǎn)和代謝途徑各不相同,從而產(chǎn)生各異的生物學(xué)效應(yīng)。席夢(mèng)利[31]通過杉木的體胚發(fā)生得出結(jié)論,低濃度的TDZ與6.BA配合使用,可以實(shí)現(xiàn)生物學(xué)效應(yīng)的互補(bǔ),提高體胚的分化效率。
植物激素穩(wěn)定性也是一個(gè)十分重要的問題。大多數(shù)植物激素難以保持長(zhǎng)久,一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生難溶沉淀,對(duì)體胚發(fā)生造成影響。比如NAA、IBA和KT等3種植物激素在其適宜條件下的保存時(shí)間分別最好不要超過40 d、20 d和40 d[41]。每種激素的保存條件都不盡相同,IBA母液必需遮光保存,KT母液必需低溫并遮光保存等。
3.2 其他添加物質(zhì)
3.2.1 蔗糖、氨基酸。植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生同樣會(huì)受到培養(yǎng)基中蔗糖濃度的高低、有機(jī)附加物的使用、滲透劑的添加等因素的影響[42]。蔗糖不僅是培養(yǎng)基中最重要的碳源,也對(duì)培養(yǎng)基的滲透勢(shì)起著調(diào)控作用。氨基酸、水解酪蛋白、香蕉汁等有機(jī)附加物可為培養(yǎng)物提供更易代謝的還原態(tài)氮,這在體胚誘導(dǎo)中有特殊的作用。呂守芳等[43]對(duì)日本落葉松體胚的研究中對(duì)這一推論進(jìn)行了證實(shí),在體胚誘導(dǎo)、增殖、成熟的培養(yǎng)基中同時(shí)使用了450 mg/L谷氨酰胺和500 mg/L水解乳蛋白,體胚誘導(dǎo)率、體胚增殖率、體胚成熟率分別達(dá)到15.5%、165.2%、10.57個(gè)/g。
3.2.2 活性炭。在培養(yǎng)基中添加活性炭也可以對(duì)植物體細(xì)胞胚的形成和生長(zhǎng)發(fā)育起促進(jìn)作用?;钚蕴靠梢晕郊?xì)胞產(chǎn)生的代謝廢物及培養(yǎng)基中部分激素;在體胚成熟階段,為使胚性胚柄團(tuán)進(jìn)一步發(fā)育,需使用活性炭除去培養(yǎng)基中的2,4.D和6.BA[26]。
3.2.3 聚乙二醇。聚乙二醇(PEG)分子是一種親水性很強(qiáng)的惰性高分子聚合物,它能改變各類細(xì)胞的生物膜結(jié)構(gòu),在適當(dāng)?shù)臐舛认拢梢酝ㄟ^脅迫作用降低體細(xì)胞胚中的含水量,有效地調(diào)控體細(xì)胞胚的成熟。唐巍等[26]通過在LP培養(yǎng)基上附加4 mg/L ABA,75 g/L PEG和5 g/L活性炭,使?jié)竦厮傻脑缙谠甙l(fā)育形成了粗壯的子葉胚。
3.2.4 部分離子。部分離子對(duì)體細(xì)胞胚胎發(fā)生也會(huì)產(chǎn)生影響。以枸杞為例,枸杞的愈傷誘導(dǎo)在加入50 mg/L的AgNO3的培養(yǎng)基上體胚發(fā)生率是不加AgNO3的3倍左右。超過此濃度后,Ag+反而會(huì)抑制枸杞的體細(xì)胞胚發(fā)生[44]。
4 培養(yǎng)條件
植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生的基本培養(yǎng)方式有3種:固體培養(yǎng)、液體培養(yǎng)、固-液結(jié)合培養(yǎng)。不同的培養(yǎng)方式在體胚發(fā)生中所起的作用都各不相同。體細(xì)胞胚在固體培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)效率和產(chǎn)出質(zhì)量都較高,而液體培養(yǎng)可以改善培養(yǎng)物的供氧情況,提高體細(xì)胞胚產(chǎn)量,易于體細(xì)胞胚的分離、篩選和收集[45]。
將外植體接入培養(yǎng)基后,需放置在適宜的條件下進(jìn)行培養(yǎng)。定時(shí)繼代對(duì)于整個(gè)胚胎發(fā)育過程都很重要。固體培養(yǎng)繼代周期為2~3周,液體培養(yǎng)則最多每隔7 d換液1次[46]。光照、溫度等培養(yǎng)條件對(duì)誘導(dǎo)林木體胚發(fā)生和植株再生起著重要調(diào)控作用。組織培養(yǎng)一般選擇光培養(yǎng),而胚性愈傷的誘導(dǎo)、增殖和分化大多采用暗培養(yǎng)[47],溫度22~25 ℃。Gupta等[48]發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)光照條件很大程度上與所選用的培養(yǎng)基相關(guān)。挪威云杉成熟胚利用改良1/2MS培養(yǎng)基在24 h光培養(yǎng)下同樣可以誘導(dǎo)出白色半透明的胚性愈傷,然而,多次繼代后,胚性愈傷容易褐化并局部變綠,這對(duì)體胚的后期形成不利[49]。值得注意的是22~27 ℃是胚性愈傷組織最佳的誘導(dǎo)、生長(zhǎng)、分化的溫度,當(dāng)超過30 ℃時(shí),胚性愈傷組織將會(huì)永久喪失體胚發(fā)生能力。此外,不同階段植物對(duì)光照的需求差異很大,蘋果葉片暗培養(yǎng)更有利于促進(jìn)不定梢再生[50],而長(zhǎng)時(shí)間光照不足易引起再生苗玻璃化[51]。可見,不同林木體細(xì)胞胚發(fā)生對(duì)于光照、溫度的要求各不相同,不能一概而論,需要逐一進(jìn)行探索。
5 問題與展望
林木的繁殖方法包括枝條扦插、不定芽的形成和體細(xì)胞胚胎發(fā)生3種[52]。體細(xì)胞胚胎發(fā)生途徑以高繁殖效率和高同步化水平優(yōu)于傳統(tǒng)的種子繁殖和其他的無性繁殖。該領(lǐng)域研究主要在林木的優(yōu)良基因型快速繁殖、基因轉(zhuǎn)化、種質(zhì)保存及突變體篩選等方面呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[53]。我國(guó)的林木體細(xì)胞胚胎發(fā)生研究起步較晚,雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但仍有很多問題需要進(jìn)一步探討。
5.1 幼胚的進(jìn)一步分類 眾多研究表明幼胚是林木體細(xì)胞胚胎發(fā)生的最佳外植體。然而幼胚發(fā)育成成熟胚的時(shí)間較長(zhǎng),采種期從1~3個(gè)月不等。靳小翠[54]每隔10 d左右采種1次,探討了不同的采種期對(duì)馬尾松胚性愈傷組織誘導(dǎo)的影響。DRAGANA STOJICˇIC'更是提出,體胚產(chǎn)生與否只跟外植體的發(fā)育階段有關(guān),培養(yǎng)條件只影響體胚發(fā)生的誘導(dǎo)率[55]。因此,對(duì)幼胚各個(gè)階段進(jìn)一步分類,尤為必要。
5.2 胚性愈傷的區(qū)分 現(xiàn)如今常規(guī)的區(qū)分胚性愈傷方法是通過制作石蠟切片,根據(jù)體胚細(xì)胞學(xué)特性所表現(xiàn)出的4個(gè)時(shí)期—球形胚、心形胚、魚雷形胚、子葉胚使用顯微鏡進(jìn)行觀察。然而就體胚形態(tài)學(xué)上的特征眾說紛紜,普遍認(rèn)知為愈傷呈白色絲狀。具體過程為[56]:非胚性愈傷組織的邊緣出現(xiàn)外起源的原胚突起,原胚橫徑方向迅速生長(zhǎng),胚體發(fā)育成灰白色球形,隨時(shí)間胚體增大增長(zhǎng),基部產(chǎn)生明顯的下胚軸,中上部也長(zhǎng)出明顯的子葉原基,最終形成具備完整結(jié)構(gòu)的成熟胚。
5.3 控制體細(xì)胞胚胎發(fā)生的同步化 一方面要真正實(shí)現(xiàn)體細(xì)胞胚的工廠化和自動(dòng)化生產(chǎn),滿足優(yōu)良品系擴(kuò)繁及大面積造林的需求,為林業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用開辟一條行之有效的途徑,需要實(shí)現(xiàn)體細(xì)胞胚胎發(fā)生的同步化[57]。另一方面人工種子的制作也要求胚狀體形態(tài)大小一致,發(fā)育進(jìn)程相似,即體胚同步,這樣制成的人工種子活力強(qiáng),萌發(fā)率高[58]。體胚的同步化受到滲透壓、低溫、激素濃度等多個(gè)因素影響,目前只在栓皮櫟[59]、水曲柳[57]、荔枝[60]、龍眼[61]等少數(shù)幾種林木中進(jìn)行過細(xì)胞同步化培養(yǎng)及體細(xì)胞胚發(fā)生同步控制的研究。
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