高 燕,莫建彬,付艷茹,奉樹成
(上海植物園,上海城市植物資源開發(fā)應用工程技術研究中心,上海 200231)
鐵線蓮(Clematisflorida)被譽為“藤本皇后”,為毛茛科(Ranunculaceae)鐵線蓮屬多年生草質或木質藤本植物,少數直立草本或灌木[1]。鐵線蓮萼片花瓣狀,著色豐富,幾乎包括了所有常見的花色,花型多變;花期長,可以做到三季開花;應用形式多樣,近些年在注重拓展城市綠化空間、增加綠量、關注立體綠化的城市,特別在大中型城市精致園藝中受到廣泛關注,具有很大的觀賞和應用價值。鐵線蓮除南極洲外,在全球范圍內廣泛分布,全世界記錄鐵線蓮屬植物約15組350余種,主要分布在熱帶、亞熱帶,我國有9組140余種(不包括變種)[2],是該屬的主要分布中心之一。國內鐵線蓮育種工作起步較晚,現(xiàn)在應用的多數品種來自歐洲等國。然而由于價格昂貴、品種數量少,極大影響了鐵線蓮在中國園林綠化中的應用。
波蘭鐵線蓮品種Clematis‘Julka’(‘朱卡’)屬早花大花型類群(early large-flowered group),在2002年的荷蘭Plantarimu植物展會上獲銀獎。‘朱卡’萼片長6~8 cm,寬4 cm左右,花徑可達10~15 cm,紫紅色帶有深紅色條紋。在上海地區(qū)4—8月開花。目前由于種苗市場壟斷,進口品種價格高,種子繁殖困難,母株少,分株或扦插繁殖受限,難以滿足市場需要。因此,研究鐵線蓮‘朱卡’組織培養(yǎng)快繁技術對規(guī)?;a以開拓國內市場具有重要意義。
對鐵線蓮的組織培養(yǎng)研究,黃鑫[3]分別以鐵線蓮‘藍天使’和‘紫鈴鐺’的莖段和葉片為起始材料研究了器官發(fā)生兩種途徑的組織培養(yǎng)方式并建立再生體系。鐵線蓮‘藍天使’和‘紫鈴鐺’利用不同的NAA和6-BA組合誘導出腋芽和愈傷組織,再經過芽增殖—壯苗—生根和愈傷組織增殖—分化的方法,構建組織培養(yǎng)體系。張麗瓊等[4]對綠花重瓣鐵線蓮以MS為基本培養(yǎng)基,添加不同濃度2,4-D和6-BA形成愈傷組織;馬育珠等[5]以Clematis‘Bill MacKenzie’的幼嫩莖段為起始材料,以MS為基本培養(yǎng)基添加6-BA和IBA形成愈傷組織,但綠花重瓣鐵線蓮和C. ‘Bill MacKenzie’的后續(xù)愈傷組織分化及生根等均鮮見報道。宋微等[6]鐵線蓮‘波蘭精神’(C. ‘Polish Spirit’)帶芽莖段為外植體,直接誘導叢生芽獲得完整植株。吳紅等[7]進行了鈍齒鐵線蓮根尖組培再生體系的研究。魏淑云等[8]以鐵線蓮‘里昂城’(C. ‘Ville de Lyon’)為材料建立再生體系。近些年對鐵線蓮組織培養(yǎng)的研究開始增多,利用組織培養(yǎng)技術獲得大量鐵線蓮是快速實現(xiàn)鐵線蓮推廣應用最優(yōu)的手段之一。
本研究以鐵線蓮品種‘朱卡’的幼嫩莖段為起始材料,進行腋芽誘導—不定芽增殖和愈傷組織誘導—愈傷組織再分化兩種途徑的研究,旨在建立該品種的組織培養(yǎng)再生體系,為進一步促進鐵線蓮優(yōu)良品種的推廣和應用奠定基礎。
兩年生鐵線蓮‘朱卡’,取自上海植物園種苗基地。春季3—4月下旬,取‘朱卡’頂端20 cm以內部分,截取帶頂芽或腋芽的0.6~1.2 cm莖段作為試驗材料。
試驗培養(yǎng)溫度為(23±2) ℃,光照度1 500~2 500 lx,光周期為16 h/d,相對濕度為60%~80%。
對以下試驗用品進行高壓滅菌鍋滅菌:蒸餾水、培養(yǎng)基、帶蓋三角瓶、鑷子、解剖刀、濾紙。準備體積分數75%乙醇、質量分數10%次氯酸鈉溶液、酒精燈。
將截取的鐵線蓮‘朱卡’莖段用體積分數2%洗潔精溶液震蕩清洗并浸泡20 min,后流水沖洗30 min,置于滅菌的超凈工作臺中。將植物材料移入滅菌三角瓶中,加入75%乙醇震蕩漂洗30 s,再用無菌水漂洗1次,接著用10%次氯酸鈉溶液浸泡,設置時間梯度。植物材料接種25 d后,根據污染和誘導情況確認最適合的滅菌方式。每個處理接種13個莖段,重復5次。
以幼嫩莖段為外植體誘導腋芽,增殖不定芽后生根,形成完整植株。
1)腋芽誘導。①基本培養(yǎng)基的篩選:采用MS、1/2 MS、WPM為基本培養(yǎng)基,添加NAA 0.05 mg/L、6-BA 0.5 mg/L、蔗糖30 g/L和瓊脂6.9 g/L。觀察并統(tǒng)計25 d后的誘導率。每個處理接種30個莖段,重復5次。②植物生長調節(jié)劑的篩選:采用MS為基本培養(yǎng)基,添加植物生長調節(jié)劑6-BA和NAA并設置梯度濃度。誘導30 d后,統(tǒng)計腋芽誘導率和芽苗生長狀態(tài),并綜合確定最佳誘導培養(yǎng)基,每個處理接種21個莖段,重復5次。
2)不定芽增殖。增殖培養(yǎng)基以MS為基本培養(yǎng)基,添加植物生長調節(jié)劑6-BA、IBA和GA3并設置梯度。培養(yǎng)25d后,比較幾種培養(yǎng)條件的增殖系數,觀察不定芽的生長和增殖情況,每處理接種9個芽,重復5次。確定最佳不定芽增殖培養(yǎng)基。
以幼嫩莖段為外植體誘導愈傷組織,愈傷組織再分化形成不定芽且生根后形成完整植株。
1)愈傷組織誘導。①基本培養(yǎng)基的篩選:采用MS、1/2 MS、WPM為基本培養(yǎng)基,添加6-BA 1.0 mg/L、NAA 0.05 mg/L、蔗糖30 g/L和瓊脂6.9 g/L,觀察愈傷組織狀態(tài),統(tǒng)計25 d后的誘導率,每個處理接種16個莖段,重復3次。②植物生長調節(jié)劑的篩選:以MS為基本培養(yǎng)基,添加不同濃度的6-BA和NAA。統(tǒng)計25 d后的誘導率,觀察愈傷狀態(tài)。每個處理7個莖段,重復5次。
2)愈傷組織增殖。以MS為基本培養(yǎng)基,添加蔗糖30 mg/L、瓊脂6.9 mg/L,并添加不同濃度的植物生長調節(jié)劑6-BA和NAA,統(tǒng)計25 d后的愈傷增殖情況,觀察愈傷組織狀態(tài)。每處理接種7個愈傷組織,重復8次。
3)愈傷組織分化。以MS為基本培養(yǎng)基,添加蔗糖30 mg/L、瓊脂6.9 mg/L,并添加不同濃度的植物生長調節(jié)劑6-BA、NAA,觀察并統(tǒng)計25 d后的愈傷組織分化不定芽數量、不定芽生長情況,綜合統(tǒng)計出最佳的不定芽分化培養(yǎng)基。每個處理接種愈傷組織12個,重復6次。
以1/2 MS為基本培養(yǎng)基,分別添加植物生長調節(jié)劑IBA或NAA并設置梯度,經過25 d生長,對比生根數和根的生長狀況,得出最佳的生根培養(yǎng)基。每處理接種4個芽,重復5次。
各評價指標的計算公式如下:
污染率=污染數量/外植體總數×100%;
腋芽誘導率=誘導30 d后的萌芽數/外植體總數×100%;
腋芽增殖率=增殖培養(yǎng)25 d后的不定芽數/起始接種的腋芽數×100%;
出愈率=誘導30 d誘導出的愈傷組織數/外植體總數×100%;
愈傷組織增殖倍數=繼代培養(yǎng)后愈傷質量/繼代培養(yǎng)接種時愈傷質量×100%;
增殖倍數=25 d分化后不定芽數(每顆不定芽至少包含1個節(jié));
生根率=生根數/接種數×100%;
平均根長=總根長/總根數;
平均根數=總根數/總生根苗數。
試驗數據采用Excel 和SPSS軟件統(tǒng)計,采用方差分析和多個獨立樣本非參數檢驗方法進行分析。
采用10%次氯酸鈉溶液對起始材料滅菌,滅菌時長如表1所示,采用多個獨立樣本非參數檢驗分析。滅菌時間越長,污染率越低,對應的出芽率和出愈率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。滅菌12 min(A2)可以達到比較好的滅菌效果,污染率為14.6%,對應的出芽率和出愈率分別達到41.8%和56.4%。因此,以10%次氯酸鈉溶液滅菌12 min(A2)為最佳的滅菌方法。
表1 不同滅菌時間對鐵線蓮消毒效果的影響
以MS、1/2 MS、WPM為起始誘導基本培養(yǎng)基,均添加NAA 0.05 mg/L和6-BA 0.5 mg/L,采用多個獨立樣本非參數檢驗方法,比較不同基本培養(yǎng)基的芽誘導情況,結果如表2所示。當MS為基本培養(yǎng)基時出芽率最高,腋芽生長健康,葉片舒展、葉綠,無黃化、枯萎、玻璃化等不正常的現(xiàn)象,芽生長速度較快。以1/2 MS為基本培養(yǎng)基時,植株矮,葉片小,生長緩慢。以WPM為基本培養(yǎng)基時,出芽率極低,且生長30 d以后觀察,植株矮小,葉片逐漸發(fā)黃后期枯萎。因此,MS為最適合鐵線蓮‘朱卡’的基本培養(yǎng)基。
表2 不同基本培養(yǎng)基對鐵線蓮誘導的影響
以MS為基本培養(yǎng)基,添加生長素NAA和細胞分裂素6-BA,觀察芽生長情況,采用多個獨立樣本非參數檢驗方法,比較不同植物生長調節(jié)劑下的出芽率,結果如表3所示。
表3 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮腋芽誘導的影響
在不含生長素(C4、C7)、不含分裂素(C2、C3)或者完全不含植物生長調節(jié)劑(C1)的培養(yǎng)基上,誘導的出芽率均較低,葉片發(fā)黃,或生長緩慢。當6-BA增加為1.0 mg/L,腋芽誘導率上升,其中NAA 0.1 mg/L時,誘導率達到72.4%;NAA 0.3 mg/L時,出芽率達到38.1%,這兩種情況下腋芽生長迅速,葉片舒展,無畸形,為最佳的誘導植物生長調節(jié)劑濃度配比。但過高的分裂素含量對誘導有抑制作用,且腋芽綠色,生長迅速,沒有形成愈傷組織。
誘導出的芽轉入增殖培養(yǎng)基。以MS為基本培養(yǎng)基,添加不同濃度IBA、6-BA和GA3。利用方差分析的方法比較不同植物生長調節(jié)劑條件下不定芽增殖速率,并觀察芽生長狀況,結果如表4所示。
表4 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮芽增殖的影響
因生長調節(jié)劑濃度及配比的不同,增殖倍數、芽生長狀況均有差異。增殖過程中采用3因素3水平中L9(34)正交試驗,隨著6-BA濃度的增加,芽的增殖數出現(xiàn)先增加后略微下降的情況。在濃度較低時,莖段細,單節(jié)略微生長,較少出現(xiàn)分節(jié)。當添加6-BA 1.0 mg/L、IBA 0.20 mg/L、GA30.2 mg/L時,增殖倍數達到最大,莖段粗壯,分節(jié)較多,生長迅速,葉片深綠。因此,幾種處理中D5為最佳增殖方案,增殖系數達5.52,且植株健康,即MS+6-BA 1.0 mg/L+IBA 0.20 mg/L+GA30.2 mg/L為最優(yōu)方案。
MS、1/2 MS、WPM作為愈傷組織起始誘導基本培養(yǎng)基,均添加NAA 0.05 mg/L和6-BA 1.0 mg/L,利用多個獨立樣本非參數檢驗方法,比較不同基本培養(yǎng)基下的出芽率及芽生長狀況,結果如表5所示。
表5 不同基本培養(yǎng)基對鐵線蓮愈傷組織誘導的影響
3種培養(yǎng)基條件均可形成愈傷組織。當以1/2 MS為基本培養(yǎng)基時,16 d左右從莖段兩側切口處開始膨脹,形成淺黃色愈傷組織,出愈率為33.3%。以MS為基本培養(yǎng)基,12 d左右開始形成淺黃色愈傷組織,出愈率為56.3%。以WPM為基本培養(yǎng)基,獲得愈傷組織很少,且呈黃色,致密,在后期培養(yǎng)過程中未能分化成芽,因此,最優(yōu)的基本培養(yǎng)基為MS培養(yǎng)基。
以MS為基本培養(yǎng)基,添加6-BA和NAA兩種生長調節(jié)劑,形成9種不同的配比。利用多個獨立樣本非參數檢驗方法,比較不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織誘導的影響,結果如表6所示。
表6 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織誘導的影響
愈傷組織從11 d開始長出。整體來說,濃度較低的情況下,形成的愈傷組織呈淡黃白色且疏松,有利于后期愈傷組織分化成芽。高濃度的愈傷組織黃色且致密,后期愈傷組織基本無法分化成芽。其中F5、F7兩種培養(yǎng)基的出愈率,均超過70%。比較兩者的生長狀況,其中F5為淺黃色,疏松;F7為黃色,愈傷組織增殖速度快但過于致密,在后期無法分化成芽。因此以F5(6-BA 2.0 mg/L、NAA 0.05 mg/L)為更優(yōu)的植物生長調節(jié)劑配比。
不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織增殖的影響見表7。愈傷組織增殖過程中,低濃度愈傷組織呈淺黃色,增殖極為緩慢,長時間增殖后愈傷組織僵化。高濃度下愈傷組織出現(xiàn)褐化。當6-BA 4.0 mg/L時,愈傷組織從淡黃色轉至黃色,硬化,后期愈傷組織無法分化成芽。G4和G5培養(yǎng)基增殖倍數均接近4,兩種培養(yǎng)基無顯著差異,愈傷組織生長狀態(tài)好,淺黃色,與誘導出的愈傷組織狀態(tài)相似。考慮到植物生長調節(jié)劑寧低勿高的原則,以NAA 0.2 mg/L、6-BA 2.0 mg/L的G4培養(yǎng)基為愈傷組織增殖最優(yōu)培養(yǎng)基。
表7 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織增殖的影響
將狀態(tài)較好的愈傷組織轉移至分化培養(yǎng)基上,9種分化培養(yǎng)基如表8所示,按照多個獨立樣本非參數檢驗方法,比較不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織分化的影響。當6-BA為1.0 mg/L時無法分化成芽;當6-BA為3.0 mg/L時,愈傷組織生長狀態(tài)發(fā)生變化。當NAA 0.03 mg/L時,愈傷組織黃綠色,有突起,可分化成芽,芽在經過15 d左右生長至1.5~3.5 cm的高度,且可分化出1~3個節(jié)間的莖段,葉片略小,分化率可達76.7%,平均不定芽為3.1;而NAA增至0.05 mg/L時,分化率和不定芽數均下降。因此,最優(yōu)分化培養(yǎng)基為6-BA 3.0 mg/L、NAA 0.03 mg/L。
表8 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮愈傷組織分化的影響
以1/2 MS為基本培養(yǎng)基,分別添加IBA 和NAA兩種生長調節(jié)劑,比較不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮生根的影響,如表9所示。根據根的生長情況、生根數、植株生長狀況綜合考慮,篩選植物生長調節(jié)劑及配比。添加NAA無法形成根;添加IBA時,從生根率看,I1和I2處理沒有顯著差異,但生根數有顯著差異。當IBA 0.3 mg/L時,平均生根數為4.10,明顯高于IBA 0.1 mg/L條件下的生根數,且I1和I2兩種情況下根的生長狀態(tài)沒有太大差異,根系粗壯,生長較快,因此,添加IBA 0.3 mg/L為更優(yōu)的生根方案。
表9 不同植物生長調節(jié)劑對鐵線蓮生根的影響
組織培養(yǎng)能加速植物種苗繁殖,提高植物產量和品質。德國植物學家 Haberlandt于1902年提出植物細胞全能性(cell totipotency)理論,即植物體的每個細胞都有發(fā)育成完整個體的潛能[9]。組織培養(yǎng)是在離體條件下利用人工培養(yǎng),在無菌情況下培養(yǎng)、生長、發(fā)育再生出完整植株的過程[9]。起始材料選取莖尖分生組織、形成層、木質部、韌皮部、表皮組織、胚乳組織等部位[10]。頂芽或腋芽再生是觀賞植物離體再生的主要途徑[11],在鐵線蓮‘朱卡’組織培養(yǎng)中,選用頂芽和靠近頂端的腋芽部位,該部分細胞分裂旺盛,是組織培養(yǎng)中常用的起始材料。
起始材料的滅菌要求較高,一般表面積越大,越難滅菌。鐵線蓮表面有細小絨毛,更易附著病原菌,增加了滅菌難度。組織培養(yǎng)的滅菌劑可以選用體積分數70%~75%乙醇、次氯酸鈣、次氯酸鈉、過氧化氫、硝酸銀、氯化汞等溶液。其中,體積分數70%~75%乙醇具有較強的殺菌力、穿透力和潤濕作用,可以排除材料上的空氣以利于其他消毒劑的滲入,因此常常和其他滅菌劑共同使用。本試驗使用75%乙醇結合10%次氯酸鈉溶液對鐵線蓮‘朱卡’滅菌,不同的滅菌時間對腋芽和愈傷組織誘導率的影響均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,時間過短會導致滅菌不徹底,外植體污染嚴重;時間過長會加大滅菌劑對材料的傷害。隨后需用滅菌水多次漂洗材料并用濾紙吸收殘留水,盡量減少殘留滅菌液對外植體的傷害[12]。
基本培養(yǎng)基在植物組織培養(yǎng)中起到支撐作用,包含了植物生長所需的基本元素。黃鑫[3]在對鐵線蓮‘藍天使’的帶芽莖段誘導中,腋芽萌發(fā)以MS為最適合的基本培養(yǎng)基,而不定芽增殖以1/2 MS基本培養(yǎng)基為佳;在對鐵線蓮‘藍天使’的愈傷組織誘導和增殖中以MS為佳。宋微等[6]在對鐵線蓮‘波蘭精神’的腋芽誘導中,以1/2 MS基本培養(yǎng)基為佳。鐵線蓮‘朱卡’在芽和愈傷組織的誘導中嘗試采用MS、1/2 MS和WPM基本培養(yǎng)基,均以MS基本培養(yǎng)基最佳。由此可見,鐵線蓮不同品種之間、不同組培階段對各種元素的需求不同,需要根據培養(yǎng)過程中的表現(xiàn)進行調節(jié)。這一結論與板栗品種組織培養(yǎng)的基本培養(yǎng)基相似,對不同樹種或者同一樹種采用不同的誘導途徑,選用的基本培養(yǎng)基有所差異,甚至需要在常用基本培養(yǎng)基上對某些元素含量進行調整[13]。
植物生長調節(jié)劑對細胞生長、組織和器官的分化發(fā)育、植物離體培養(yǎng)中的細胞分化和形態(tài)建成都有明顯的調節(jié)作用[14]。天然植物生長調節(jié)劑包括生長素、細胞分裂素、赤霉素、乙烯和脫落酸。本試驗中添加的生長調節(jié)劑包括生長素(NAA、IBA)、細胞分裂素(6-BA)和赤霉素(GA3)。生長素參與植物根和莖的發(fā)育、器官衰老和維管束組織的形成等植物生長分化過程。生長素濃度較低時,導致增殖緩慢,植株長勢弱;但生長素濃度過高時,導致葉片和芽苗畸形。在對喜樹和紅松組培生根的過程中,添加生長素類植物生長調節(jié)劑可以形成大量不定根[15]。黃鑫[3]在對鐵線蓮‘藍天使’誘導生根時添加0.05 mg/L NAA,生根率可以達到70.22%。本試驗對鐵線蓮‘朱卡’的誘導生根中嘗試用IBA和NAA 兩種生長素,只有在添加IBA時可誘導生根。細胞分裂素可以促進細胞分裂擴大,抑制衰老,誘導芽分化和側芽生長[12]。在對鐵線蓮相關研究中應用較多的分裂素包括6-BA、KT、TDZ。在綠花重瓣鐵線蓮中6-BA更有利于愈傷組織誘導。本試驗分裂素6-BA可以起到較好的芽和愈傷組織誘導、增殖的作用。過低的分裂素導致芽或愈傷組織生長緩慢,但過高的分裂素在增殖過程中導致芽增殖過密,芽苗細弱、節(jié)間短,個別出現(xiàn)新芽失色轉至枯黃現(xiàn)象,可能是因為濃度過高導致頂端分生組織停止分化或細胞壞死所致[16]。細弱芽苗在后期煉苗過程中影響移栽存活率。
生長素與細胞分裂素常常一起使用,植物生長調節(jié)劑的組合效應大于單種植物生長調節(jié)劑的效應[14],生長素與細胞分裂素的比值控制著植物形態(tài)建成的發(fā)展方向。以莖段為起始材料誘導時,細胞分裂素6-BA和生長素NAA濃度配比不同,誘導出的結果不同。較高濃度6-BA加上較低濃度NAA有利于愈傷組織誘導,鐵線蓮‘朱卡’在愈傷組織誘導中采用NAA 0.05 mg/L +6-BA 2.0 mg/L的濃度配比,腋芽誘導中采用NAA 0.1 mg/L+6-BA 1.0 mg/L的濃度配比效果最好。這與鐵線蓮‘藍天使’誘導結論類似[17]。濃度過高會影響植株生長發(fā)育,引起畸形或褐化等情況。相比較鐵線蓮‘朱卡’愈傷組織誘導和增殖過程,高濃度細胞分裂素有助于愈傷組織分化,但高濃度NAA抑制愈傷組織分化,因此分化過程中考慮提高細胞分裂素和降低生長素濃度。在鐵線蓮‘朱卡’分化過程中,提高細胞分裂素6-BA濃度至3.0 mg/L并降低生長素NAA濃度至0.03 mg/L,在此濃度配比下可得到較好的分化率和不定芽數。這與鐵線蓮‘藍天使’[17]和木本油料作物美藤果(Plukenetiavolubilis)[18]愈傷組織分化結論一致。
赤霉素對高等植物的各個生長發(fā)育階段,特別是莖段延展[19-20]、葉片生長[21-22]等生理過程起到重要的調控作用。赤霉素(GA3)在馬鈴薯試管苗快繁中應用較多。張志軍[23]研究表明,馬鈴薯在IAA、GA3和BAP 3種植物生長調節(jié)劑共同作用下,相比較使用IAA和BAP的處理,其鮮質量和平均直徑分別提高409.6%和184.4%,由此證明GA3和IAA在馬鈴薯塊莖形成中互作增強。本試驗中,添加GA3后芽苗明顯伸長,葉片舒展。鐵線蓮‘朱卡’不定芽增殖階段,最佳培養(yǎng)基為MS+IBA 0.20 mg/L+ 6-BA1.0 mg/L+GA30.2 mg/L。
生根培養(yǎng)時,大多數植物都需要經過愈傷組織誘導分化形成根,這個過程經常需要植物生長調節(jié)劑的參與。鐵線蓮‘朱卡’的芽基部形成顆粒狀愈傷組織,并在愈傷組織上生根,屬于愈傷型生根。這種生根方式與重瓣榆葉梅[24]、柑橘等情況相似[25]。