劉榮淇,鄧金文,蘇柏朗,謝國(guó)勇,2,趙玉成,朱 艷*,秦民堅(jiān)*
(1.中國(guó)藥科大學(xué) 中藥學(xué)院,江蘇 南京 211198;2.中國(guó)藥科大學(xué) 藥用植物園,江蘇 南京 211198)
浙貝母Fritillaria thunbergiiMiq.為百合科貝母屬多年生草本植物,以干燥鱗莖入藥,具有清熱化痰止咳、解毒散結(jié)消癰的功效[1],是我國(guó)常用大宗中藥材,被列為“浙八味”之一。傳統(tǒng)人工種植浙貝母繁殖系數(shù)低,生產(chǎn)周期長(zhǎng),生產(chǎn)成本高[2],且由于種質(zhì)資源不同,種植技術(shù)不規(guī)范,各地浙貝母的產(chǎn)量與質(zhì)量參差不齊,嚴(yán)重影響和制約了浙貝母產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。
離體培養(yǎng)是當(dāng)前珍稀名貴植物品種種質(zhì)保存和快速繁殖的有效途徑之一,運(yùn)用組織培養(yǎng)進(jìn)行浙貝母快速繁殖或者快速生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物具有重要意義,目前利用浙貝母的鱗莖、莖段、葉片、花等[4-6]誘導(dǎo)出了小鱗莖 ,一定程度上提高了鱗莖產(chǎn)量, 縮短了生長(zhǎng)周期,加速了浙貝母的生產(chǎn)速度和繁殖率[7],但鱗莖結(jié)構(gòu)較特殊且長(zhǎng)于地下,滅菌難度較高,限制了相關(guān)組織培養(yǎng)的廣泛展開(kāi)。同時(shí)各項(xiàng)組織培養(yǎng)工作缺少連貫性與系統(tǒng)性,浙貝母離體培養(yǎng)體系的建立尚不完善[8]。截至目前,對(duì)浙貝母愈傷組織誘導(dǎo)和芽分化的組織形態(tài)學(xué)觀察未有相應(yīng)研究,難以對(duì)浙貝母再生體系的建立與生產(chǎn)種植提供指導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了浙貝母鱗莖的消毒方案,初步建立浙貝母離體培養(yǎng)體系,進(jìn)一步探索其器官發(fā)生和形態(tài)建成途徑,旨在為浙貝母高效再生體系的建立提供理論基礎(chǔ),促進(jìn)浙貝母的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。
實(shí)驗(yàn)材料采自中國(guó)藥科大學(xué)藥用植物園,經(jīng)中國(guó)藥科大學(xué)中藥學(xué)院秦民堅(jiān)教授鑒定,為百合科植物浙貝母Fritillaria thunbergiiMiq.的鱗莖。憑證標(biāo)本存放于中國(guó)藥科大學(xué)中藥學(xué)院中藥資源系。
NIKON ECLIPSE E200 型顯微鏡[尼康映像儀器銷(xiāo)售(中國(guó))有限公司];HISTOSTAT 820 型石蠟切片機(jī)(美國(guó) Reichert 公司);BXM-30R 型立式壓力蒸汽滅菌器(上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司);LRH-400-G Ⅱ型光照培養(yǎng)箱(廣東省醫(yī)療器械廠)。
選取春季生長(zhǎng)健康的浙貝母鱗莖置于燒杯中,用水將其表面泥土清洗干凈,用適量洗潔精溶液浸泡5 min,再在流水下沖洗30 min。置于超凈工作臺(tái)上,用75%酒精消毒30 s 后無(wú)菌水沖洗1 次,再用如下方案進(jìn)行消毒,其中每次次氯酸鈉消毒后均用無(wú)菌水沖洗4 次。
方案1:2%次氯酸鈉溶液消毒16 min;方案2:2%次氯酸鈉溶液消毒20 min;方案3:2%次氯酸鈉溶液消毒8 min 兩次;方案4:2%次氯酸鈉溶液消毒10 min 兩次;方案5:2%次氯酸鈉溶液消毒8 min 后,用0.55%植菌清溶液消毒16 min;方案6:2%次氯酸鈉溶液消毒8 min 后,用0.55%植菌清溶液消毒20 min;方案7:2%次氯酸鈉溶液消毒10 min 后,用0.55%植菌清溶液消毒20 min;方案8:2%次氯酸鈉溶液消毒12 min 后,用0.55%植菌清溶液消毒20 min。
完成后用無(wú)菌濾紙吸干表面水分,切除透明部分,切成小塊接種于MS 固體培養(yǎng)基中,每種消毒方法接種30 塊,15 d 后分別統(tǒng)計(jì)污染率。
前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)KT、6-BA 以及NAA 對(duì)愈傷組織的生長(zhǎng)影響較大,結(jié)合袁藝等[9]的研究,探究愈傷組織誘導(dǎo)所需最佳KT、6-BA 和NAA 的濃度配比。
將用最佳消毒方法消毒后的浙貝母鱗莖切成小塊,接種于附加有不同濃度的 NAA、KT 組合及不同濃度NAA、6-BA 組合的 MS 固體培養(yǎng)基上(表1 培養(yǎng)基1 ~ 7),每種培養(yǎng)基接種40 塊,(25±1)℃暗培養(yǎng),45 d 后統(tǒng)計(jì)誘導(dǎo)率以及生長(zhǎng)情況。
表1 不同MS 培養(yǎng)基激素組成(mg/L)Tab.1 Hormone composition of different MS media(mg/L)
選取生長(zhǎng)狀況良好、質(zhì)地緊密、顏色淡黃的愈傷組織,在超凈工作臺(tái)中切成合適大小后接于含有不同濃度的 6-BA 與TDZ 或 2,4-D 組合的MS 固體培養(yǎng)基上(表1培養(yǎng)基8 ~ 14),每種培養(yǎng)基接種30塊,(25±1)℃暗培養(yǎng),30 d 后觀察其顏色質(zhì)地及生長(zhǎng)狀態(tài)。
前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素 6-BA、TDZ 以及生長(zhǎng)素 NAA 對(duì)小苗的生長(zhǎng)有較大影響,因此主要通過(guò)調(diào)節(jié)6-BA 與 NAA 或TDZ 的比例來(lái)促進(jìn)不定芽的發(fā)生,探究愈傷組織再分化所需最佳激素組合的濃度配比。
將長(zhǎng)勢(shì)較好的浙貝母愈傷組織在超凈工作臺(tái)中分成大小相近的部分接種于加有 6-BA、TDZ、NAA組合的 MS 固體培養(yǎng)基上(表1 培養(yǎng)基15 ~ 20),每種培養(yǎng)基接種30 塊,培養(yǎng)條件(25±1)℃,光照1 500 lx,12 h/d,30 d 后統(tǒng)計(jì)發(fā)生率以及生長(zhǎng)情況。
前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素 6-BA、TDZ 以及生長(zhǎng)素 IBA 對(duì)小苗的生長(zhǎng)影響較大。結(jié)合蘇新[10]的研究結(jié)果,主要探究叢生苗生長(zhǎng)及增殖所需最佳6-BA、TDZ 和IBA 的濃度配比。
選取生長(zhǎng)較好的不定芽轉(zhuǎn)入添加有 6-BA 或TDZ和 IBA 不同配比的培養(yǎng)基中(表1 培養(yǎng)基21 ~ 27),每種培養(yǎng)基接種30 株,培養(yǎng)條件同“2.4”,45 d 后統(tǒng)計(jì)不定芽的苗、葉的生長(zhǎng)狀況及長(zhǎng)勢(shì)。
使用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。多組間比較采用方差分析,以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。涉及的測(cè)定指標(biāo)計(jì)算公式如下:
對(duì)長(zhǎng)勢(shì)良好的愈傷組織及不定芽進(jìn)行取樣,將材料放入FAA 固定液中(福爾馬林∶乙酸∶50%乙醇=1 ∶1 ∶18)固定24 h 后,按照石蠟切片制作流程制作石蠟切片,使用番紅-固綠染色后在顯微鏡下觀察并拍照。
接種15 d 后觀察各方案材料污染具體情況,見(jiàn)表2。不同方案處理對(duì)材料污染率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
表2 不同消毒方法對(duì)浙貝母鱗莖污染率的影響(±s,n = 30)Tab.2 Effects of different disinfection methods on bulb contamination rate of F. thunbergii(±s,n = 30)
表2 不同消毒方法對(duì)浙貝母鱗莖污染率的影響(±s,n = 30)Tab.2 Effects of different disinfection methods on bulb contamination rate of F. thunbergii(±s,n = 30)
注:同列小寫(xiě)字母完全不同,表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P <0.05),表3、表5 同。
序號(hào) 消毒方案 污染率 / %1 2%次氯酸鈉溶液16 min 53.3±7.2ae 2 2%次氯酸鈉溶液20 min 36.7±2.7bcef 3 2%次氯酸鈉溶液8 min + 2%次氯酸鈉溶液8 min 35.6±4.2bcef 4 2%次氯酸鈉溶液10 min + 2%次氯酸鈉溶液10 min 20.0±4.7dgh 5 2%次氯酸鈉溶液8 min + 0.55%植菌清溶液16 min 43.3±4.7abce 6 2%次氯酸鈉溶液8 min + 0.55%植菌清溶液20 min 31.1±5.7bcf 7 2%次氯酸鈉溶液10 min + 0.55%植菌清溶液20 min 18.9±3.1dgh 8 2%次氯酸鈉溶液12 min + 0.55%植菌清溶液20 min 14.4±1.6dgh F 17.160 P 0.000
由表2 可知,將2%次氯酸鈉溶液與0.55%植菌清溶液組合進(jìn)行消毒處理,可使污染率保持在較低水平,并減少次氯酸鈉對(duì)材料的損傷。但8 號(hào)消毒方案中消毒處理過(guò)后的材料狀態(tài)明顯不如7 號(hào)消毒方案。
綜合材料消毒后狀態(tài)與15 d 后污染率,認(rèn)為7號(hào)消毒方案最適宜。
接種 45 d 后觀察發(fā)現(xiàn),部分材料有愈傷組織的生成,幾乎無(wú)褐變現(xiàn)象,具體狀況見(jiàn)圖1A、表3。不同培養(yǎng)基處理對(duì)愈傷組織誘導(dǎo)率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
圖1 浙貝母愈傷組織誘導(dǎo)及不定芽生長(zhǎng)狀況Fig.1 Callus induction and adventitious bud condition of F. thunbergii
表3 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母愈傷組織誘導(dǎo)的影響(±s,n = 40)Tab.3 Effects of different media on callus induction of F. thunbergii(±s,n = 40)
表3 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母愈傷組織誘導(dǎo)的影響(±s,n = 40)Tab.3 Effects of different media on callus induction of F. thunbergii(±s,n = 40)
編號(hào) 愈傷組織平均數(shù) / 個(gè) 愈傷組織誘導(dǎo)率 / %1 6.7 16.7±1.2abd 2 9.3 23.3±3.1ab 3 25.7 64.2±4.2c 4 5.0 12.5±5.4adg 5 1.3 3.3±3.1efg 6 0.3 0.8±1.2ef 7 3.7 9.2±2.4deg F 86.407 P 0.000
從結(jié)果可得,NAA 與KT 的各種組合相對(duì)其它組合對(duì)浙貝母的愈傷組織均有更好的誘導(dǎo)效果,其中3 號(hào)培養(yǎng)基愈傷組織誘導(dǎo)率最高。故認(rèn)為,在KT 保持不變的情況下,在一定范圍內(nèi)愈傷組織誘導(dǎo)率隨NAA 濃度增加而增加,且NAA 對(duì)愈傷組織的生長(zhǎng)狀況具有促進(jìn)作用;當(dāng)NAA 濃度達(dá)到2.0 mg/L 時(shí),愈傷組織的誘導(dǎo)率迅速下降,表明在一定范圍內(nèi)低濃度NAA 有助于浙貝母鱗莖的愈傷組織誘導(dǎo),而高濃度NAA 具有抑制作用。同時(shí),各組合誘導(dǎo)出的愈傷組織質(zhì)地較致密,顏色淺青黃色,表面具顆粒狀突起,均為胚性愈傷組織。
因此初步認(rèn)定3 號(hào)培養(yǎng)基是較為適宜的浙貝母鱗莖愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)基。
接種 30 d 后觀察發(fā)現(xiàn),部分愈傷組織體積變大,也有部分出現(xiàn)褐變現(xiàn)象,具體狀況見(jiàn)圖1B、表4。
表4 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母愈傷組織增殖的影響Tab.4 Effects of different media on callus proliferation of F. thunbergii
從結(jié)果可得,6-BA 與2,4-D 的組合對(duì)浙貝母愈傷組織增殖幾乎無(wú)效果,愈傷組織在其中長(zhǎng)勢(shì)較差,而且整體表現(xiàn)為非胚性愈傷組織。6-BA、TDZ 的各組合培養(yǎng)基均能促進(jìn)愈傷組織的增殖,并且大部分愈傷組織為胚性愈傷組織。在繼代培養(yǎng)基中,9 號(hào)的長(zhǎng)勢(shì)較好,增長(zhǎng)最明顯。且在30 d 的培養(yǎng)后,各培養(yǎng)基中愈傷組織已經(jīng)有部分芽生成。在TDZ 濃度不變的情況下,其長(zhǎng)芽的數(shù)量隨著6-BA 濃度下降而下降,而愈傷組織增長(zhǎng)的差異不大。
綜合愈傷組織的生長(zhǎng)狀態(tài)和芽分化情況,初步認(rèn)定9 號(hào)培養(yǎng)基是較適宜的浙貝母鱗莖愈傷組織繼代增殖培養(yǎng)基。
接種 30 d 后觀察發(fā)現(xiàn),部分材料有不定芽的生成,有部分有褐變現(xiàn)象,具體狀況見(jiàn)圖1C、表5。不同培養(yǎng)基處理對(duì)不定芽誘導(dǎo)效果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
表5 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母愈傷組織不定芽誘導(dǎo)的影響(±s,n = 30)Tab.5 Effects of different media on adventitious bud induction of callus of F. thunbergii(±s,n = 30)
表5 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母愈傷組織不定芽誘導(dǎo)的影響(±s,n = 30)Tab.5 Effects of different media on adventitious bud induction of callus of F. thunbergii(±s,n = 30)
編號(hào) 不定芽平均數(shù) / 個(gè) 不定芽誘導(dǎo)率 / %15 12.7 42.2±4.2adf 16 16.3 54.4±1.6bc 17 18.3 61.1±6.8bc 18 12.0 40.0±2.7adf 19 25.7 85.6±4.2e 20 13.3 43.3±5.4adf F 29.633 P 0.000
從結(jié)果可得,NAA 和TDZ 均促進(jìn)愈傷組織不定芽發(fā)生。添加了NAA 的15 ~ 17 號(hào)培養(yǎng)基不定芽發(fā)生率相對(duì)較低,再分化產(chǎn)生的不定芽顏色白,葉片細(xì)弱,數(shù)量少;添加了TDZ 的18 ~ 20 號(hào)培養(yǎng)基不定芽發(fā)生率相對(duì)較高,再分化產(chǎn)生的不定芽顏色綠,葉片強(qiáng)壯,數(shù)量相對(duì)較多。比較18、19、20 號(hào)培養(yǎng)基,19 號(hào)培養(yǎng)基的不定芽發(fā)生率最高,且長(zhǎng)勢(shì)較旺盛。
因此初步認(rèn)定19 號(hào)培養(yǎng)基是適宜的浙貝母愈傷組織再分化培養(yǎng)基。
接種 45 d 后觀察發(fā)現(xiàn),大部分接種的不定芽有較大的變化,幾無(wú)褐變現(xiàn)象,具體狀況見(jiàn)圖1D、表6。
表6 不同培養(yǎng)基對(duì)浙貝母不定芽增殖的影響Tab.6 Effects of different media on adventitious bud proliferation of F. thunbergii
結(jié)果表明IBA 與TDZ 的組合以及IBA 單獨(dú)使用時(shí)對(duì)不定芽的增殖生長(zhǎng)效果不明顯,增殖的芽較細(xì)弱,葉片均未展開(kāi),且偏黃綠色,長(zhǎng)勢(shì)及狀態(tài)都較差。
IBA 與6-BA 的各種組合中不定芽的增殖生長(zhǎng)狀況均優(yōu)于25 ~ 27 號(hào)培養(yǎng)基。22 號(hào)培養(yǎng)基結(jié)果最佳,其不定芽長(zhǎng)勢(shì)旺盛,芽的數(shù)量較多,排列緊密,苗較粗壯,葉片較寬且綠,狀態(tài)較好。同時(shí),6-BA ∶IBA =10 ∶1 時(shí),在高濃度激素條件下,苗較粗壯而高,不定芽數(shù)量較少,且葉片部分未展開(kāi),長(zhǎng)勢(shì)較低濃度激素條件下的材料狀態(tài)差。
因此初步認(rèn)定22 號(hào)培養(yǎng)基為比較適宜的浙貝母不定芽繼代增殖培養(yǎng)基。
材料石蠟切片的結(jié)果見(jiàn)圖2。可以觀察到愈傷組織的大部分細(xì)胞呈現(xiàn)球形或近球形,細(xì)胞核大而明顯,細(xì)胞質(zhì)濃,細(xì)胞分裂旺盛,無(wú)液泡或液泡較小,屬于胚性細(xì)胞。隨著愈傷組織不斷增殖,可以觀察到多個(gè)分生細(xì)胞中心。圍繞愈傷組織的邊緣分化出多個(gè)芽原基,如圖2B 中BP 所示;并不斷分裂伸長(zhǎng),最終形成不定芽,如圖2C 中AB 所示。
圖2 浙貝母愈傷組織分化不定芽的組織形態(tài)學(xué)觀察Fig.2 Histomorphological observation on adventitious bud differentiation of callus of F. thunbergii
浙貝母鱗莖取自土壤中,且表面有較多褶皺,極易因?yàn)橄静粡氐锥廴?。本?shí)驗(yàn)嘗試了多種消毒方案,較全面地探索了浙貝母鱗莖的消毒方法。為降低對(duì)環(huán)境的影響,未使用升汞,而使用了次氯酸鈉及一種新型消毒劑——植菌清,后者對(duì)植物的傷害比較小,又有較好的消毒效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,運(yùn)用不同消毒劑組合對(duì)浙貝母鱗莖進(jìn)行二次消毒效果更佳,該結(jié)果與張淑梅等[12]對(duì)伊貝母消毒方式的探究結(jié)果相似。推測(cè)可能因?yàn)槎蜗具^(guò)程保持了消毒劑的濃度,同時(shí)植菌清含有表面活性劑成分,有較好的消毒效果。
貝母類(lèi)外植體含有內(nèi)源激素較少,培養(yǎng)過(guò)程中鱗葉細(xì)胞脫分化產(chǎn)生愈傷組織時(shí)無(wú)法提供足夠的激素[13]。在誘導(dǎo)培養(yǎng)基中添加不同濃度NAA 與KT 的組合,其愈傷組織誘導(dǎo)率相對(duì)NAA 與6-BA 組合呈現(xiàn)出不同程度的增加,且為胚性愈傷組織。此結(jié)果與俞超等[4]對(duì)浙貝母愈傷組織的研究結(jié)果一致。說(shuō)明生長(zhǎng)素濃度過(guò)高對(duì)愈傷組織誘導(dǎo)不利,而KT 可能在改善愈傷組織質(zhì)量方面發(fā)揮作用。在后續(xù)培養(yǎng)中,部分培養(yǎng)基中仍有愈傷組織產(chǎn)生,3 號(hào)培養(yǎng)基誘導(dǎo)效果最好,最終愈傷組織誘導(dǎo)率可達(dá)到90.0%。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化,減少誘導(dǎo)所需時(shí)間,完善愈傷組織誘導(dǎo)體系。
在愈傷組織繼代增殖過(guò)程中,較高2,4-D 激素濃度的13、14 號(hào)培養(yǎng)基中的愈傷組織生長(zhǎng)狀況較差,難以存活;而較高6-BA 激素濃度的8 ~ 10 號(hào)培養(yǎng)基中的愈傷組織生長(zhǎng)狀況較好,長(zhǎng)勢(shì)較佳,結(jié)果與王立強(qiáng)等[14]報(bào)道相似。認(rèn)為愈傷組織繼代時(shí)高濃度生長(zhǎng)素使組織松散極易褐化,繼代后難以存活,甚至呈爛泥狀;高濃度細(xì)胞分裂素使愈傷組織結(jié)構(gòu)致密,繼代時(shí)不易褐化死亡。
TDZ 對(duì)某些單子葉植物如荸薺[15]等的不定芽發(fā)生有較好的效果。浙貝母的愈傷組織再分化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,6-BA 濃度一定時(shí),TDZ 比NAA 更有利于誘導(dǎo)不定芽。推測(cè)認(rèn)為之前的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)素類(lèi)植物激素含量相對(duì)較高,讓愈傷組織內(nèi)部同樣有較高的生長(zhǎng)素類(lèi)植物激素積累,因此單純添加細(xì)胞分裂素類(lèi)激素到一定比例即能較好地促進(jìn)其不定芽的發(fā)生。與劉亞菊等[16]在平貝母組織培養(yǎng)中TDZ 的促進(jìn)其脫分化與分化的作用結(jié)果一致。
本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為不定芽的苗高且健壯,葉片寬大,顏色綠色或深綠色,長(zhǎng)勢(shì)旺盛為最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。IBA 與6-BA 的各種組合效果比單獨(dú)使用某一種激素更好,表明正確的激素組合比單一激素能更好地促進(jìn)組織培養(yǎng)產(chǎn)物的增殖生長(zhǎng)。這與蘇新等[6]對(duì)浙貝母組織培養(yǎng)所需激素種類(lèi)的研究結(jié)果一致,且和蘇新[17]在浙貝母種胚的組織培養(yǎng)中不定芽誘導(dǎo)和生長(zhǎng)的研究結(jié)果類(lèi)似。說(shuō)明在不定芽生長(zhǎng)過(guò)程中,較低的生長(zhǎng)素濃度與較高的細(xì)胞分裂素水平對(duì)其有利,促進(jìn)芽細(xì)胞分裂的6-BA 相對(duì)TDZ 更有利于不定芽的增殖。
本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了浙貝母組織培養(yǎng)器官發(fā)生的間接途徑,即通過(guò)誘導(dǎo)浙貝母鱗莖脫分化形成愈傷組織,再由愈傷組織分化形成不定芽。表明浙貝母鱗莖在春天苗期,細(xì)胞分裂活動(dòng)旺盛時(shí)期能夠較好地誘導(dǎo)胚性愈傷組織,這一結(jié)果與蘇新等[6]關(guān)于浙貝母組織培養(yǎng)影響因素的結(jié)果一致。
本實(shí)驗(yàn)確定了浙貝母愈傷組織誘導(dǎo)、增殖及分化的培養(yǎng)條件,建立了浙貝母愈傷組織及不定芽的誘導(dǎo)增殖體系,為浙貝母的生物學(xué)特性研究、快繁體系建立奠定一定的基礎(chǔ)。關(guān)于快繁體系的遺傳穩(wěn)定性以及浙貝母組織形態(tài)發(fā)生方式的調(diào)控有待進(jìn)一步研究。