芝麻組織培養(yǎng)研究進(jìn)展

李紅艷 孫亞楠

[摘 要] 本文主要論述目前芝麻組織培養(yǎng)的研究進(jìn)展，主要包括以器官片段作為外植體的組織培養(yǎng)、體細(xì)胞胚胎發(fā)生、花藥培養(yǎng)、幼胚及原生質(zhì)培養(yǎng)等方面的研究，為今后芝麻組織培養(yǎng)工作的開(kāi)展提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 芝麻;組織培養(yǎng);外植體;體細(xì)胞胚胎;花藥

[中圖分類(lèi)號(hào)] S565.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2020）25-33-3

1 芝麻概況

芝麻（Sesamum indicum L.）是胡麻科（Pedeeliecease）芝麻屬（Sesamum L.）一年生草本植物，在我國(guó)古代又稱(chēng)胡麻、巨勝、方莖、狗虱、交麻、白油麻和脂麻等。其莖直立，總狀花序頂生，花單生，或兩三朵簇生于葉腋，花冠圓筒狀，唇形，淡紅、紫、白色。因品種不同，蒴果的棱數(shù)有4、6、8不等。種子扁圓，有白、黃、灰、棕紅和黑色等，淺色種子含油量較高，黑色的種子入藥，味甘性平，有補(bǔ)肝益腎、潤(rùn)燥通便之功效。芝麻是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)油料作物，種子含油量因品種和產(chǎn)地不同而不同，一般在40%～65%，芝麻油中蛋白質(zhì)含量一般在20%～28%。芝麻油營(yíng)養(yǎng)豐富，含有豐富的芝麻酚林、芝麻素、維生素E等天然的抗氧化類(lèi)物質(zhì)，是食品加工與烹調(diào)的較優(yōu)用油。深色種皮的芝麻還有一些特殊作用，尤其是純黑芝麻，補(bǔ)胃、烏發(fā)，還能預(yù)防感冒，是天然的滋補(bǔ)保健品。

芝麻是我國(guó)四大油料作物之一。我國(guó)芝麻常年種植面積在80萬(wàn)hm2左右，總產(chǎn)量約為75萬(wàn)t，居世界之首位。同時(shí)，芝麻是我國(guó)重要的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品。因此，發(fā)展芝麻生產(chǎn)具有重要的意義。但是，目前我國(guó)芝麻生產(chǎn)中存在許多急需解決的問(wèn)題。首先，商品一致性差。我國(guó)芝麻種植主要以農(nóng)戶(hù)為單位，生產(chǎn)布局混亂，品種以地方品種為主，多、亂、雜，多種品種共同種植在一個(gè)自然村或同一地塊，管理上缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，最終導(dǎo)致商品一致性差，與市場(chǎng)需求不相適應(yīng)。其次，芝麻產(chǎn)量不穩(wěn)定。我國(guó)芝麻主要分布在河南、湖北、安徽三省，且多為麥茬夏芝麻，生育期短，一般在90 d左右，整個(gè)生育期間又易遭受濕澇害、病蟲(chóng)害的危害，但生產(chǎn)上又極度缺乏高抗病、耐漬新品種，造成各年份間芝麻產(chǎn)量波動(dòng)幅度極大。最后，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)主產(chǎn)區(qū)常因澇害和病害大發(fā)生而導(dǎo)致芝麻產(chǎn)量低、不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響著芝麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。應(yīng)用抗病品種是病蟲(chóng)害防治最有效直接的方法，但在栽培種中尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)枯萎病和莖點(diǎn)枯病免疫的品種，高抗品種也較少。因此，生產(chǎn)上迫切需求供應(yīng)高度抗病、高產(chǎn)的新品種。而研究發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)芝麻生產(chǎn)上應(yīng)用的栽培種來(lái)源比較單一，遺傳基礎(chǔ)相當(dāng)狹窄，進(jìn)一步通過(guò)品種雜交很難選育出抗病耐滯的理想品種。

近年來(lái)，隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，組織培養(yǎng)、遺傳轉(zhuǎn)化等現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)可以從基因水平定向改造植物的遺傳性狀，以提高育種的目的性和可操作性，擴(kuò)展育種范圍，豐富基因資源。當(dāng)然，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為芝麻進(jìn)行遺傳改良、新種質(zhì)創(chuàng)造及新品種培育提供了新途徑。但截至目前，芝麻基礎(chǔ)研究相對(duì)落后，芝麻雄性不育分子理論、芝麻組織培養(yǎng)及再生體系、芝麻抗病耐滯分子機(jī)理等技術(shù)研究剛剛有所發(fā)展，作為分子生物學(xué)研究基礎(chǔ)的芝麻轉(zhuǎn)基因體系在我國(guó)尚未建立，目前我國(guó)還沒(méi)有芝麻轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成功報(bào)道，這在一定程度上制約了芝麻遺傳育種及基因組學(xué)等相關(guān)研究的開(kāi)展。

2 芝麻組織培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

植物組織培養(yǎng)即植物無(wú)菌培養(yǎng)技術(shù)，是根據(jù)植物細(xì)胞具有全能性的理論，在無(wú)菌條件下，利用植物體的器官（芽、根尖、莖尖等）、組織（形成層、表皮、皮層、髓部細(xì)胞、胚乳和花藥組織）、細(xì)胞（體細(xì)胞、生殖細(xì)胞等）、胚胎（成熟或未成熟的胚）和原生質(zhì)體等特定材料，在適當(dāng)?shù)娜斯づ囵B(yǎng)基及光照、溫度等人工條件下，誘發(fā)其產(chǎn)生愈傷組織或不定芽以形成完整的植株的技術(shù)。

與其他作物相比，芝麻屬于較難進(jìn)行組織培養(yǎng)的植物，這是由許多因素制約著芝麻植株再生所決定的。截至目前，我國(guó)開(kāi)展芝麻組織培養(yǎng)技術(shù)研究已有20多年歷史，并取得了一定的成果[1]。

2.1 器官片段作為外植體的組織培養(yǎng)

國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道表明，利用芝麻的子葉、莖段、下胚軸等特定器官已能成功建立芝麻組織培養(yǎng)技術(shù)體系。例如，陳占寬等利用豫芝4號(hào)子葉在培養(yǎng)基上直接誘導(dǎo)出叢生芽，并建立了無(wú)性繁殖系統(tǒng)[2]。石淑穩(wěn)等利用剛果野芝麻莖節(jié)得到了再生植株[3]。George等以芝麻下胚軸為外植體進(jìn)行組織培養(yǎng)，獲得了極少量的芽，利用莖尖培養(yǎng)獲得了再生植株[4]。Rao等取生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲(chóng)害的不同基因型芝麻供試材料在無(wú)菌條件下?lián)艹銮o尖接種，最終獲得了正常的再生植株[5]。Gangopadhyay等取5個(gè)基因型芝麻的莖節(jié)在MS+BAP 8 mg/L+NAA 0.5 mg/L培養(yǎng)基上培養(yǎng)，均能不同程度地獲得健康的無(wú)菌苗再生植株[6]。Sharma等探討了利用芝麻不同外植體獲得無(wú)菌苗再生植株[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，不同材料的植株再生頻率差異較大，其中子葉較易分化并獲得再生植株。李寶平等研究表明以子葉和下胚軸為外植體得出芽的分化率在40%以上[8]。易永華等研究表明不同器官的分化率不同，子葉愈傷組織分化率低，下胚軸愈傷組織分化率為36%[9]。并木滿(mǎn)夫[10]、Rao等[5]、Sharma等[7]、Singh等[11]和Seo等[12]分別以芝麻子葉作為外植體進(jìn)行了研究，培養(yǎng)基分別為Murashige和Skoog's（MS）、Linsmaier和Skoog's、Gamborg's和L6，不定芽形成的最適培養(yǎng)基為Murashige和Skoog（MS）。Taskin研究表明子葉的愈傷分化率為100%[13]。郅玉寶等研究發(fā)現(xiàn)子葉直接分化率為83%[14]。Younghee研究發(fā)現(xiàn)子葉的愈傷分化率為10%[15]。Beatrice等研究發(fā)現(xiàn)最佳生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑組合為20 μM TDZ和2.5 μM IAA，再生外植體的再生頻率為63%，再生芽數(shù)為4.4個(gè)，外植體再生芽數(shù)和再生芽數(shù)的基因型差異均顯著[16]。石淑穩(wěn)等研究得出下胚軸僅在MS+6-BA 0.5 mg/L+NAA 0.1 mg/L培養(yǎng)基上愈傷分化出了芽[17]。李明軍等研究了5種植物激素對(duì)芝麻下胚軸愈傷組織的形成和器官發(fā)生的影響，結(jié)果表明，2，4-D或NAA（1.0 mg/L）+BA或KT（0.5 mg/L），2，4-D（0.5～1.0 mg/L）和NAA（0.5～1.0 mg/）對(duì)愈傷組織的誘導(dǎo)率最高;BA或KT（0.5～1.0 mg/L）可促進(jìn)下胚軸芽叢的形成;NAA（0.5～1.0 mg/L）、IAA（0.5～1.0 mg/L）和KT（0.5～1.0 mg/L）對(duì)下胚軸根的形成最有利[18]。Younghee研究表明下胚軸的愈傷分化率為25.8%[15]。余澤高等研究表明蔗糖濃度30 g/L對(duì)子葉、子葉節(jié)愈傷組織誘導(dǎo)較為有利，蔗糖濃度40 g/L對(duì)下胚軸愈傷組織誘導(dǎo)較為有利[19]。

2.2 體細(xì)胞胚胎發(fā)生研究

體細(xì)胞胚的發(fā)生是植物細(xì)胞全能性表達(dá)最完全的一種方式，與誘導(dǎo)器官分化相比，體細(xì)胞胚遺傳性相對(duì)穩(wěn)定，不易發(fā)生突變，在適宜的條件下易長(zhǎng)成獨(dú)立的植株，成苗率較高，這一現(xiàn)象可加快繁殖優(yōu)良種質(zhì)并保持其遺傳性。但因?yàn)橛鷤M織分化比較困難，因此芝麻體細(xì)胞胚發(fā)生方面的成功研究不多。

2.3 花藥培養(yǎng)研究

植物花藥培養(yǎng)是以獲得單倍體植物為目的所采用的一種方法。通過(guò)花藥的培養(yǎng)可以形成單倍體植株，快速獲得純系，還可用于創(chuàng)造突變體及其細(xì)胞工程研究，大大簡(jiǎn)化新品種的培育過(guò)程。在1980年國(guó)際芝麻會(huì)議上，專(zhuān)家們認(rèn)為單倍體利用是芝麻育種的一條重要措施。1981年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于芝麻花藥培養(yǎng)的研究大都處于愈傷組織階段，有的獲得了胚狀體。石淑穩(wěn)等[17]、劉滿(mǎn)[20]對(duì)芝麻的花藥培養(yǎng)開(kāi)展了一定的研究，但未能獲得單倍體再生植株;謝莉琴等在一定條件下得到花粉的萌發(fā)率，蔗糖對(duì)于芝麻花粉的萌發(fā)有重要作用，蔗糖濃度為35%時(shí)芝麻花粉內(nèi)外的滲透壓達(dá)到平衡，有利于花粉萌發(fā);培養(yǎng)基內(nèi)添加適量的硼酸和氯化鈣能有效促進(jìn)花粉萌發(fā)，但超過(guò)一定濃度時(shí)起抑制作用;培養(yǎng)基以35%蔗糖、40 mg/L硼酸、200 mg/L氯化鈣為宜，花粉萌發(fā)率在58%左右;超聲波處理功率、處理時(shí)間及處理次數(shù)對(duì)芝麻花粉的萌發(fā)率和破碎率有顯著影響[21]。

2.4 幼胚及原生質(zhì)培養(yǎng)研究

很多研究表明，幼胚培養(yǎng)技術(shù)在作物雜交育種中對(duì)于克服遠(yuǎn)緣雜交時(shí)的胚敗育、縮短雜交育種的世代周期、加快育種速度是一種極其重要的手段，而關(guān)于芝麻幼胚培養(yǎng)的研究極少。上述研究都是人工取其幼胚進(jìn)行接種獲得再生植株，石淑穩(wěn)等則直接通過(guò)幼蒴獲得再生植株[22]。張海洋等對(duì)野芝麻遠(yuǎn)緣雜交雜種幼胚在1/2MS培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)，形成了再生植株[23]。

原生質(zhì)體培養(yǎng)則可以克服有性雜交不親和性進(jìn)而獲得體細(xì)胞雜種，實(shí)現(xiàn)物種間的體細(xì)胞雜交，從而產(chǎn)生遠(yuǎn)緣雜交后代。原生質(zhì)體是進(jìn)行遺傳操作與遺傳轉(zhuǎn)化較為理想的受體。然而，與其他作物相比，芝麻原生質(zhì)體的培養(yǎng)難度較大，得到再生植株的報(bào)道也是至今未見(jiàn)。僅1989年Bapat等獲得了原生質(zhì)體的愈傷組織[24]。

3 結(jié)語(yǔ)

芝麻組織培養(yǎng)有一定困難，目前還未形成成熟的研究體系，今后的研究應(yīng)側(cè)重于不同基因型、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的影響、物理因素等方面。全面系統(tǒng)地研究芝麻的組織培養(yǎng)，不僅要建立不同基因型的高效芝麻子葉直接誘導(dǎo)芽體系，而且要建立高效的愈傷組織誘導(dǎo)再生體系。

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