楊培新,鄭鋼勇,謝桂勉,李訓(xùn)仕,陳少雄,李海彬
(揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用生物工程系,廣東 揭陽 522000)
小孢子培養(yǎng)技術(shù)的芥菜育種應(yīng)用研究進(jìn)展
楊培新,鄭鋼勇,謝桂勉,李訓(xùn)仕,陳少雄,李海彬*
(揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用生物工程系,廣東 揭陽 522000)
綜述了小孢子培養(yǎng)技術(shù)在芥菜育種中的應(yīng)用研究.小孢子培養(yǎng)技術(shù)在芥菜育種應(yīng)用受芥菜基因型、小孢子預(yù)處理、小孢子發(fā)育階段、小孢子密度效應(yīng)和培養(yǎng)基等因素影響.
芥菜;小孢子培養(yǎng);影響因素
芥菜(Brassica juncea)是中國的特產(chǎn)蔬菜,為十字花科蕓薹屬一年生或二年生草本植物.芥菜作為異花授粉作物,在常規(guī)育種中,要獲得性狀穩(wěn)定的后代一般需經(jīng)過8~10代的性狀選擇,所需年限較長.對于二倍體作物,雙單倍體育種是獲得穩(wěn)定性狀后代的一條重要途徑.在雙單倍體育種中,可通過對F1進(jìn)行花藥培養(yǎng)或小孢子培養(yǎng)獲得單倍體植株,然后經(jīng)染色體加倍而產(chǎn)生純合的二倍體植株.純合二倍體植株的農(nóng)藝性狀不會發(fā)生分離,其基因型數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于F2的基因型數(shù).另外,單倍體植株沒有顯性基因?qū)﹄[性基因的掩蓋干擾,若對其進(jìn)行誘變育種,可有效提高突變育種的工作效率.以純合二倍體植株作為育種材料,一般只需經(jīng)過3代性狀選擇即可獲得性狀穩(wěn)定的后代.
在蕓薹屬作物中,來自德國的Liche[1]首次報(bào)道利用油菜游離小孢子培養(yǎng)獲得再生植株后,目前已在該屬的甘藍(lán)型油菜種(B.napus)[2-3]、埃塞俄比亞芥種(B.carinata)[4]和蕓薹種(B.campestris)[5]等各品種中建立了游離小孢子培養(yǎng)方法.將小孢子培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于芥菜育種,可縮短純化芥菜品種所需的時(shí)間,提高芥菜的育種效率.隨著對芥菜生理生化的深入研究與探索,小孢子培養(yǎng)技術(shù)在芥菜育種中的應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展.
小孢子的正常發(fā)育途徑是形成花粉或成熟的雄配子體.當(dāng)正常的發(fā)育途徑遇到阻礙時(shí),早期的小孢子將進(jìn)行有絲分裂而形成愈傷組織或胚狀體,最后發(fā)育成孢子體.因此,小孢子培養(yǎng)是通過抑制小孢子的正常發(fā)育途徑,加強(qiáng)交替途徑,促使細(xì)胞全能性表達(dá)的一個(gè)過程.
小孢子培養(yǎng)是將植物的小孢子直接從花藥中分離出來,接種到液體淺層培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng),使小孢子啟動脫分化并發(fā)育成愈傷組織或單倍體胚,進(jìn)而發(fā)育成完整植株的一種技術(shù).該技術(shù)不僅可以提高育種效率和單倍體植株的生產(chǎn)效率,還可為離體誘變育種、原生質(zhì)體培養(yǎng)與融合、外源DNA導(dǎo)入以及遺傳學(xué)、胚胎學(xué)等研究提供理想的培養(yǎng)體系.
小孢子培養(yǎng)技術(shù)體系包括對供體植株的基因型、小孢子發(fā)育時(shí)期、小孢子預(yù)處理、培養(yǎng)基、初始培養(yǎng)的高溫處理、密度效應(yīng)等有關(guān)因素進(jìn)行研究探索與優(yōu)化處理.
2.1 基因型
研究表明,在蕓薹屬植物中,材料的遺傳背景影響其小孢子培養(yǎng),不同基因型的材料胚狀體產(chǎn)量存在顯著差異[6].余鳳群等[7]對130份甘藍(lán)型油菜材料進(jìn)行小孢子培養(yǎng),獲得胚狀體的材料有35份,占接種材料的26.92%.芥菜的基因型也影響著其小孢子培養(yǎng)中的胚胎產(chǎn)生能力[8].劉冬等[9]利用7種基因型芥菜進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)各基因型小孢子胚胎發(fā)生能力存在很大差異,各基因型均觀察到細(xì)胞分裂,6種基因型獲得了小孢子胚,其中3種基因型得到了再生植株.
2.2 小孢子發(fā)育階段
花蕾中的小孢子發(fā)育是異步的,每個(gè)藥蕾中存在不同發(fā)育階段的小孢子.在小孢子培養(yǎng)中,小孢子的發(fā)育階段影響著胚狀體的發(fā)生,最佳發(fā)育階段為單核晚期,形態(tài)觀察表現(xiàn)為單核靠邊期.花蕾大小反映小孢子發(fā)育進(jìn)程,也是小孢子發(fā)育時(shí)期的外部形態(tài)標(biāo)志,因此,可通過花蕾大小來間接選擇小孢子發(fā)育時(shí)期.劉冬等[9]以芥菜品種“成都大頭菜”為材料,分別比較不同長度(2.O、2.5、3.0、3.5 mm)的花蕾小孢子胚胎發(fā)生能力.結(jié)果表明:長度為3.0 mm的花蕾時(shí),小孢子胚胎發(fā)生率最高;細(xì)胞學(xué)觀察顯示,花蕾長為3.0 mm時(shí)的花藥中絕大部分小孢子處于單核晚期.Ali等[10]以油用芥菜品種BARI Sarisha 11為材料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)長度為3.0~3.1 mm的花蕾時(shí),小孢子胚胎發(fā)生率最高,每皿產(chǎn)生胚狀體多達(dá)7個(gè).Parihar等[11]通過對比2~7 mm的花蕾長度,發(fā)現(xiàn)2~3 mm為小孢子培養(yǎng)的最佳長度.陳玉萍等[12]研究了包心芥菜花蕾內(nèi)的花瓣長約為花藥的1/2和花瓣長與花藥長大約相等時(shí)的花蕾對小孢子培養(yǎng)中胚狀體形成的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅從花瓣長度為花藥長度1/2的花蕾里獲得少量的胚狀體.不同研究者的結(jié)果不一至,說明小孢子發(fā)育時(shí)期與花蕾大小的關(guān)系受材料基因型的影響,在芥菜的小孢子培養(yǎng)中,應(yīng)根據(jù)研究材料作相應(yīng)探索與研究.
2.3 低溫預(yù)處理
低溫預(yù)處理也是小孢子培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素,適宜的處理溫度和處理時(shí)間可改善小孢子代謝活動,有利于小孢子適應(yīng)離體后的培養(yǎng)環(huán)境,促使小孢子正常生長.王淑珍[13]認(rèn)為雪里蕻小孢子(分蘗芥的一個(gè)變種)以4℃預(yù)處理48 h為宜,Ali等[10]以6℃為低溫預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)最佳處理時(shí)間為4 d.
2.4 熱激處理
初始培養(yǎng)溫度對蕓苔屬植物小孢子胚胎發(fā)生的誘導(dǎo)極為重要,當(dāng)小孢子接種到培養(yǎng)基上后,需要高溫條件來啟動分裂和改變小孢子的定向發(fā)育過程,即從配子體發(fā)育方式變?yōu)殒咦芋w發(fā)育方式.Keller W A等[14]在蕓薹屬研究中,發(fā)現(xiàn)溫度對胚狀體發(fā)生的重要作用,認(rèn)為溫度對胚狀體發(fā)生頻率的影響在小孢子培養(yǎng)的早期階段,并且在甘藍(lán)型油菜花藥培養(yǎng)中首次采用32-35℃高溫處理,提高了花粉胚的誘導(dǎo)率和胚狀體的產(chǎn)量.虞慧芳等[15]和Ali等[10]分別在32.5℃和32℃下對雪里蕻和油用芥菜進(jìn)行熱激暗培養(yǎng)2 d,并獲得胚狀體.
不同溫度處理對芥菜小孢子胚胎產(chǎn)生的影響不同.劉冬等[9]在25、30、33、35 ℃下對芥菜小孢子進(jìn)行熱激處理3 d,結(jié)果只有33℃的處理有小孢子胚形成.熱激處理時(shí)間長短對芥菜小孢子胚胎發(fā)生也有影響.劉冬等[9]發(fā)現(xiàn)33℃處理3 d的效果明顯好于處理2 d.Prem等[8]以25℃為對照組,對比32.5℃處理5 d和32.5℃處理直到出現(xiàn)心型胚為止(10~15 d)的熱激培養(yǎng),后者產(chǎn)生更多的胚狀體,并發(fā)現(xiàn)32.5℃的熱激處理超過15 d時(shí),對胚狀體的形成產(chǎn)生不利影響.
2.5 小孢子密度
培養(yǎng)基中小孢子密度影響胚狀體產(chǎn)量.陳玉萍等[12]采用1個(gè)花蕾/mL、2個(gè)花蕾/mL、3個(gè)花蕾/mL的不同密度研究包心芥菜小孢子密度對小孢子培養(yǎng)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)1~2個(gè)花蕾/mL的密度的培養(yǎng)效果較好.Parihar等[11]對比小孢子培養(yǎng)密度的影響,發(fā)現(xiàn)最佳濃度為10 000個(gè)/mL.
2.6 胚狀體誘發(fā)培養(yǎng)基
2.6.1 培養(yǎng)基
已有研究表明,芥菜的小孢子培養(yǎng)最佳培養(yǎng)基為NLN培養(yǎng)基.Prem等[8]研究了NLN-13,Sato和KA三種不同培養(yǎng)基對油用芥菜小孢子培養(yǎng)的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn),最佳培養(yǎng)基為NLN-13培養(yǎng)基,在Sato培養(yǎng)基上沒有胚狀體出現(xiàn),在KA培養(yǎng)基上只有極少的胚狀體出現(xiàn).Parihar等[11]和Ali等[10]都利用NLN培養(yǎng)基對油用芥菜進(jìn)行小孢子培養(yǎng),虞慧芳等[15]和王淑珍[13]均使用NLN培養(yǎng)基對雪里蕻進(jìn)行小孢子培養(yǎng),并獲得胚狀體.
另外,在油菜小孢子培養(yǎng)中,采取換液培養(yǎng)可提高胚再生頻率,相同基因型在不同的培養(yǎng)液及不換培養(yǎng)液的條件下胚狀體的產(chǎn)生有明顯差異[16].
2.6.2 活性碳
在油菜小孢子培養(yǎng)中,向誘導(dǎo)培養(yǎng)基加入活性炭可吸附小孢子培養(yǎng)過程中排放的有害物質(zhì),改善小孢子的發(fā)育環(huán)境,增加子葉期胚的產(chǎn)量,有利于胚的兩極正常發(fā)育和減少畸形胚的形成[17].活性炭對芥菜小孢子胚狀體的影響隨不同的供體材料、不同的研究者結(jié)果不盡相同.虞慧芳等[15]和王淑珍[13]均在含活性碳的NLN-13培養(yǎng)基成功誘導(dǎo)出雪里蕻胚狀;Parihar等[11]發(fā)現(xiàn)在NLN培養(yǎng)基中添加活性碳具有促進(jìn)胚狀體發(fā)育的作用,但不能提高其產(chǎn)量;而Prem等[8]報(bào)道在NLN-13培養(yǎng)基中加活性碳對胚狀體的形成生產(chǎn)不利影響.
2.6.3 激素
在油菜小孢子培養(yǎng)中,激素對胚狀體發(fā)生的影響隨激素的種類和不同供體材料反應(yīng)不一致.因材料不同,適量加入不同激素可提高胚狀體產(chǎn)量,但激素可能并不是形成小孢子胚狀體的必需條件.有研究認(rèn)為,在NLN培養(yǎng)基中添加6-BA[17]、2,4-D[18]以及6-BA和2,4-D[18]的配合對油菜小孢子胚胎的發(fā)生有促進(jìn)作用.但石淑穩(wěn)等[19]、余鳳群等[7]研究表明,2,4-D和NAA有時(shí)表現(xiàn)促進(jìn)作用,有時(shí)表現(xiàn)負(fù)作用,IAA不起作用,6-BA則可顯著提高胚產(chǎn)量.也有報(bào)道認(rèn)為,激素在某些基因型小孢子胚的誘導(dǎo)過程中是不必要的[20];不含激素的NLN培養(yǎng)基有利于胚啟動和胚質(zhì)量的提高[21],其培養(yǎng)效果最好[22].
在芥菜培養(yǎng)中,胚狀體發(fā)生可以不需要激素,在不加激素的NLN-13培養(yǎng)基可成功誘導(dǎo)產(chǎn)生芥菜胚胎體[11-13,15].Prem等[8]發(fā)現(xiàn)在NLN-13培養(yǎng)基中加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、6-芐基(6-BA)對胚狀體的形成生產(chǎn)不利影響,而添加10μL的AgNO3有利于胚狀體的形成.
2.6.4 蔗糖濃度
培養(yǎng)基中蔗糖除了起碳源的作用外,還起調(diào)節(jié)滲透壓的作用,對于小孢子的啟動和胚狀體的發(fā)生有促進(jìn)作用.劉冬等[9]利用4種蔗糖濃度(7%、10%、13%和16%)處理,發(fā)現(xiàn)芥菜品種“成都大頭菜”在10%蔗糖濃度的NLN-82培養(yǎng)基中胚胎發(fā)生率最高,小孢子胚產(chǎn)量為1.9胚/蕾.Parihar等[11]發(fā)現(xiàn)NLN培養(yǎng)基的最適蔗糖濃度為13%,Prem等[8]、陳玉萍等[12]、虞慧芳等[15]和王淑珍[13]均在蔗糖濃度為13%的NLN培養(yǎng)基中成功誘導(dǎo)出芥菜胚狀體.
2.7 胚狀體的分化成苗
經(jīng)暗培養(yǎng)獲得的胚狀體發(fā)育到子葉期時(shí),應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)移到固體培養(yǎng)基上進(jìn)行光照培養(yǎng),以誘導(dǎo)幼苗的形成.陳玉萍等[12]在培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn),將包心芥菜子葉期胚狀體移到附加0.1 mg/L 6-BA的B5固體培養(yǎng)基上,置于25℃每天16 h光照下可誘導(dǎo)其胚狀體分化成苗;并發(fā)現(xiàn)當(dāng)將胚狀體移到固體培養(yǎng)基上時(shí),胚狀體越大,越容易分化,越早形成正常的幼苗,胚狀體越小,分化越遲,越難以形成小幼苗.劉冬等[9]利用13%蔗糖的MS瓊脂培養(yǎng)基,在6 000 Lx,14 h/d光照,22℃下繼續(xù)培養(yǎng)誘導(dǎo)胚狀體分化成苗.虞慧芳等[15]將雪里蕻的子葉期胚狀體于B5固體培養(yǎng)基(B5+0.5 mg/L BAP+0.1mg/L GA3+0.5 mg/L KT,pH 5.8)上進(jìn)行弱光培養(yǎng)20~30 d獲得小幼苗.王淑珍[13]在雪里蕻的魚雷后期,將胚狀體移入1/2濃度MS固體培養(yǎng)基中,25℃下光培養(yǎng)誘導(dǎo)幼苗的形成.已有結(jié)果表明,芥菜胚狀體的分化成苗階段對培養(yǎng)基適應(yīng)能力較強(qiáng),可在多種固體培養(yǎng)基中進(jìn)行分化成苗.
2.8 再生植株染色體加倍
油菜離體培養(yǎng)的單倍體自然加倍現(xiàn)象普遍存在于離體小孢子細(xì)胞分裂、胚胎形成、植株?duì)I養(yǎng)生長和生殖生長時(shí)期各階段[3],但頻率較低.單倍體加倍通常采用秋水仙堿處理,秋水仙堿處理后的小孢子再生植株中雙單倍體率明顯高于自然加倍[2,23].目前,在芥菜的小孢子培養(yǎng)中,大部分僅針對小孢子胚狀體的誘導(dǎo)進(jìn)行研究,而對植株染色體的加倍研究較少.劉冬等[9]在芥菜“成都大頭菜”小孢子再生株染色體倍性分析中發(fā)現(xiàn)有80%的再生植株經(jīng)染色體組自然加倍形成雙單倍體,認(rèn)為在芥菜小孢子胚胎發(fā)生過程中,染色體組自然加倍是比較普遍發(fā)生的細(xì)胞學(xué)現(xiàn)象.
芥菜是我國的特產(chǎn)蔬菜,目前其育種手段以常規(guī)育種為主,嚴(yán)重地制約著品種的選育和生產(chǎn).小孢子培養(yǎng)技術(shù)是一條高效、安全的育種新途徑,能快速地從大量的群體中獲得具新性狀的種質(zhì)材料.以小孢子培養(yǎng)技術(shù)體系為技術(shù)研究平臺的單倍體育種手段將是提高芥菜育種及生產(chǎn)效率的重要途徑,可為芥菜新種質(zhì)的創(chuàng)建和新品種的快速選育提供新的思路和方法.但目前對芥菜小孢子培養(yǎng)技術(shù)體系的探索與研究較少,還沒有建立起完善、穩(wěn)定的培養(yǎng)技術(shù)體系,更是難以將小孢子培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于芥菜育種中.由于影響小孢子培養(yǎng)的因素眾多,只有進(jìn)一步深入研究,不斷完善芥菜小孢子培養(yǎng)技術(shù)體系,才可望將這一技術(shù)迅速應(yīng)用于芥菜的遺傳育種實(shí)踐中.
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Research Progress of Microspore Culture in Mustard(Brassica juncea)Breeding
YANG Peixin,ZHENG Gangyong,XIE Guimian,LI Xunshi,CHEN Shaoxiong,LI Haibin*
(Bioengineering Department of Jieyang Vocational&Technical College,Jieyang522000,China)
The application of microspore culture in mustrard(brassica juncea)were summaried in this paper.The pre?vious results indicated that the application of microspore culture in mustard was affected by the genotype of donor plant,the previous treatment of microspore,the microspore development stage,the microspore density,the culture medium and so on.The perfect and steady Microspore culture has not been constituted in Mustrard.The breeding process would be improved by constituting perfect Microspore culture in Mustrard.
Mustard(Brassica juncea);Microspore culture;Influencing factors
S 336
A
1674-4942(2011)01-0077-04
2010-11-23
廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(2009B020420001)
*通訊作者
黃 瀾