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      觀賞植物游離小孢子培養(yǎng)研究進(jìn)展

      2014-07-18 03:45:33謝園園楊金雨露吳玲曹麗平賴齊賢
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年2期
      關(guān)鍵詞:育種單倍體

      謝園園+楊金雨露+吳玲+曹麗平+賴齊賢

      摘要:介紹了觀賞植物游離小孢子培養(yǎng)研究進(jìn)展,并對游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了分析,探討了影響單倍體植株獲得的因素,闡述了存在的問題,并對游離小孢子育種技術(shù)進(jìn)行了展望。

      關(guān)鍵詞:觀賞植物;游離小孢子培養(yǎng);單倍體;育種

      中圖分類號:S680.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1002-1302(2014)02-0134-04

      收稿日期:2013-07-05

      作者簡介:謝園園(1990—),女,安徽六安人,碩士研究生,主要從事園林植物遺傳育種研究。E-mail: xieyuanyuanyx@163.com。

      通信作者:賴齊賢,博士,教授,從事花卉育種、園藝植物栽培研究。E-mail:laiqixian@zafu.edu.cn。我國觀賞植物種類繁多,它們有著各自不同的形態(tài)、生態(tài)習(xí)性、繁殖方式,很多觀賞植物還兼具藥用、食用價(jià)值。近年來,世界各國花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快,進(jìn)行花卉育種以獲得優(yōu)質(zhì)花卉品種顯得尤為重要。各國開始重視保護(hù)、收集珍稀瀕?;蛘咝誀顑?yōu)良的植物品種,很多學(xué)者曾考慮利用單倍體育種來快速保存種質(zhì)資源,但單倍體植物生長勢弱、無法結(jié)種、利用價(jià)值不高。因此,部分學(xué)者開始在實(shí)驗(yàn)室條件下探討生產(chǎn)單倍體植株的方法,以期在短期內(nèi)獲得純合體,縮短育種進(jìn)程。1953年,Tulecke首次通過培養(yǎng)銀杏花粉成功得到愈傷組織,但最終并未長成完整植株[1]。1964年,研究人員利用曼陀羅(Datura stramonium L.)花藥培育出完整的單倍體植株,自此單倍體育種逐漸成為研究熱點(diǎn)。游離小孢子培養(yǎng)是單倍體育種方法之一,它是在花藥培養(yǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,不經(jīng)過任何形式的花藥預(yù)培養(yǎng),直接從花蕾或花藥中獲得游離的、新鮮的小孢子群體進(jìn)行培養(yǎng)[2]。1982年,Lichter首次通過培養(yǎng)甘藍(lán)型油菜(Brassica napus)花粉成功獲得單倍體植株[3],從此開創(chuàng)了游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)。目前,游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)已逐漸變成重要的育種方法,但關(guān)于花卉方面的研究較少。本研究對近年來觀賞植物小孢子培養(yǎng)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

      1觀賞植物游離小孢子培養(yǎng)現(xiàn)狀

      目前游離小孢子培養(yǎng)成功的觀賞植物主要集中在草本植物,涉及的科屬較為廣泛。其中培養(yǎng)成功的十字花科植物有2例,十字花科蔬菜類植物是迄今為止胚誘導(dǎo)成功并長成植株最多的科屬,這可能是由于十字花科植物基因?qū)ε哒T導(dǎo)響應(yīng)能力較強(qiáng),同時(shí)也與人們對蔬菜作物育種較為重視有關(guān)(表1)。菊科植物基因在小孢子培養(yǎng)方面可能具有頑拗性,導(dǎo)致其胚發(fā)生較為困難。

      2小孢子培養(yǎng)技術(shù)

      2.1預(yù)處理方法

      小孢子培養(yǎng)所用的花序經(jīng)常采用10 ℃以下的低溫進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理時(shí)間不等,通常為24~48 h。有學(xué)者認(rèn)為,低溫可以誘導(dǎo)玉米、小麥、水稻等植物小孢子胚狀體發(fā)育[19-20]。低溫也可以提高煙草胚性花粉數(shù),進(jìn)而發(fā)育成胚胎[21-22]。朱彥濤等對長0~40 cm的甘藍(lán)型油菜花序低溫處理 0~10 d,發(fā)現(xiàn)處理時(shí)間隨著花序長度的增加而延長,適當(dāng)?shù)牡蜏靥幚砜梢匝泳徯℃咦拥耐嘶俣?,從而延長材料的保存時(shí)間,但保存時(shí)間過長,胚產(chǎn)量下降[23]。在一些植物的游離小孢子培養(yǎng)中,不進(jìn)行花蕾預(yù)處理同樣可以獲得胚狀體,因此,有學(xué)者認(rèn)為,對于某些植物的花蕾進(jìn)行低溫預(yù)處理是不必要的[24]。對于某些植物來說,對花粉進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理是不可缺少的。

      2.2分離純化技術(shù)

      分離是將小孢子從花藥中分離出來,純化即篩選胚性小孢子,淘汰非胚性小孢子,分離純化有利于提高胚發(fā)生率,分離技術(shù)主要包括以下3種。

      2.2.1擠壓法將花藥置于盛有少量液體培養(yǎng)基的容器中,用玻璃棒或其他工具進(jìn)行擠壓,將花粉釋放出來,此種方法比較適合雙子葉植物,缺點(diǎn)是獲得的花粉中可能混有體細(xì)胞,同時(shí)花粉密度不易控制[27-28]。

      2.2.2自然散落法把花藥接在液體培養(yǎng)基上一段時(shí)間,使小孢子從自然開裂的藥室中散落出來,此方法不會(huì)對花粉粒造成損傷,但無法充分分離花粉[25,28-30]。

      2.2.3機(jī)械游離法

      2.2.3.1磁攪拌法用磁力攪拌器攪拌培養(yǎng)液及滲透壓穩(wěn)定劑中的花藥,使花粉游離出來,這種方法會(huì)對花粉造成不同程度的機(jī)械損傷[27]。

      2.2.3.2超速旋切法微型攪拌器中的高速旋轉(zhuǎn)切刀可以破碎花蕾等,使小孢子游離出來。1989年Swanson等首先運(yùn)用這種方法分離了油菜小孢子,之后這種方法在禾本科植物花粉分離及培養(yǎng)上得到廣泛應(yīng)用[31]。譚德冠等采用直接研磨法與間接研磨法對巴西橡膠樹游離小孢子進(jìn)行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)間接研磨法較為適宜[25]。間接研磨法應(yīng)去除花瓣、花萼,僅對雄蕊進(jìn)行研磨分離,直接研磨法是對整朵雄花進(jìn)行研磨,相比較而言,間接法雖然工作量大,但可以有效減少污染,同時(shí)分離出雜質(zhì)較少的小孢子。植物游離小孢子培養(yǎng)過程中,對小孢子進(jìn)行純化是不可缺少的環(huán)節(jié),純化可以減少植物體細(xì)胞以及非胚性小孢子對小孢子培養(yǎng)的影響。小孢子純化方法主要包括蔗糖濃度梯度法[32]、percoll密度梯度法[33]、麥芽糖濃度梯度離心法等方法,其中percoll方法效果最好。采用不連續(xù)percoll密度梯度離心法篩選胚性小孢子,可以將大量無胚性小孢子淘汰掉,提高產(chǎn)胚率。這種不連續(xù)percoll密度梯度離心方法要優(yōu)于普通的蔗糖、聚蔗糖密度梯度離心法,但這種方法成本相對較高,因此應(yīng)用并不廣泛[34-36]。

      2.3花粉培養(yǎng)方法

      2.3.1直接培養(yǎng)法直接培養(yǎng)法即對花藥不作任何預(yù)處理,直接分離出花粉并接種于培養(yǎng)基上。1981年,研究人員通過這種培養(yǎng)方式得到芍藥愈傷組織繼而獲得單倍體植株。同年,陳英等也通過此方法誘導(dǎo)得到水稻植株[37]。

      2.3.2花藥預(yù)培養(yǎng)后分離花粉法花藥預(yù)培養(yǎng)后分離花粉法即對花藥進(jìn)行一定的預(yù)處理(如低溫處理等),然后分離出花粉,將其置于液體培養(yǎng)基上培養(yǎng),此方法應(yīng)用較為普遍。endprint

      2.3.3添加花藥提取物的花粉培養(yǎng)法先將花藥接種在合適的培養(yǎng)基上培養(yǎng)1周左右,然后取出花藥,將花藥浸入沸水中,再進(jìn)行研磨離心,保留上清液,將上清液過濾滅菌加入培養(yǎng)基中,在培養(yǎng)基上培養(yǎng)花粉粒。很多學(xué)者在研究大麥花粉發(fā)育時(shí)采用此方法培養(yǎng)花粉粒[38-39]。

      2.3.4哺育培養(yǎng)在合適的培養(yǎng)基上培養(yǎng)已經(jīng)裂開的胚狀體或愈傷組織誘導(dǎo)率高的花藥作為哺育組織,此種花藥可以是不同種植物,將需要培養(yǎng)的花粉接種到花藥里進(jìn)行哺育培養(yǎng)。Sharp等曾經(jīng)利用這種方法誘導(dǎo)番茄花粉形成單倍體細(xì)胞無性系,但最終未能誘導(dǎo)成植株[40]。

      2.3.5微室培養(yǎng)用蓋玻片或載玻片制作成微室,將花粉粒接種在裝有培養(yǎng)基的微室中進(jìn)行培養(yǎng)。1977年,谷明光等曾用此法成功將煙草花粉誘導(dǎo)成胚狀體[41]。

      3小孢子研究影響因素

      3.1材料基因型

      植物的基因型對游離小孢子培養(yǎng)過程中胚狀體及愈傷組織的發(fā)生尤為關(guān)鍵。Takahata等研究了11種不同基因型蘿卜的胚誘導(dǎo)能力,發(fā)現(xiàn)有5種不同基因型的蘿卜對誘導(dǎo)不響應(yīng),不能產(chǎn)生胚狀體。2007年,馮輝等研究了18種不同基因型羽衣甘藍(lán)F1代雜交種獲得胚狀體的比例,結(jié)果顯示,皺葉紅心胚狀體產(chǎn)率最高,紅珊瑚、白珊瑚、紅珊瑚3個(gè)品種都無胚狀體產(chǎn)生[42]。這可能是由于在植物的基因組中存在調(diào)控植物小孢子啟動(dòng)的基因,不同植物的啟動(dòng)基因表達(dá)所需的條件不同。

      3.2植株生長狀況

      植株生長狀況直接關(guān)系到花粉的發(fā)育狀態(tài),從而影響植物游離小孢子試驗(yàn)成功與否。植物生長健壯是獲得胚狀體及愈傷組織的首要條件。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)油菜供體植株生長狀況良好時(shí)可直接誘導(dǎo)小孢子發(fā)育同步化,提高單核期小孢子的核質(zhì)指數(shù)及產(chǎn)胚量[43]。研究表明,在溫室中生長的植株小孢子誘導(dǎo)率低于生長在大田中的植株[44]。

      3.3小孢子發(fā)育階段

      小孢子發(fā)育階段主要包括單核早期、單核中期、單核晚期(即單核靠邊期)、雙核期等。研究認(rèn)為,單核中期之前的花粉過于幼嫩,雙核早期之后的花粉太過成熟。對于大多數(shù)植物來說,單核中晚期到雙核早期是最適合的小孢子發(fā)育階段,單核晚期成胚率最大。對于不同基因型的植物來說,其最適階段稍有差異,可以通過使用染色劑如醋酸洋紅、4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)來確定發(fā)育時(shí)期。應(yīng)根據(jù)不同植物品種選擇對應(yīng)時(shí)期的花蕾。選擇合適的洛神葵植物時(shí),Ma′arup 等選取直徑為0.8~1.0 cm的花蕾,發(fā)現(xiàn)此時(shí)的花蕾包括98%單核期小孢子及2%雙核期小孢子[11]。

      3.4培養(yǎng)基類型及其他附加成分

      目前還沒有1種可以普遍應(yīng)用于植物游離小孢子培養(yǎng)的培養(yǎng)基。Maarup等在誘導(dǎo)山茶小孢子胚過程中,發(fā)現(xiàn)MS培養(yǎng)基誘導(dǎo)率要高于N6培養(yǎng)基,液體MS培養(yǎng)基也適合洛神葵游離小孢子培養(yǎng)[11]。在馬蹄蓮游離小孢子培養(yǎng)中,Wang等使用了NLN、N6、B5、Nitsch等4種培養(yǎng)基,結(jié)果表明,NLN培養(yǎng)基中小孢子成胚率最高[10]。對于某些植物來說,加入激素可以提高胚狀體產(chǎn)出率,激素成分以及濃度隨植物品種的變化而變化。常用的激素有NAA、6-BA、2,4-D、TDZ、KT等。研究人員搭配使用2,4-D與NAA 2種激素進(jìn)行芍藥的小孢子培養(yǎng),結(jié)果表明,2 mg/L NAA條件下,小孢子分化率最高[4]。并不是所有植物進(jìn)行胚誘導(dǎo)時(shí)都需要加入激素。碳源的種類及濃度與胚狀體發(fā)生也密切相關(guān)。Kim等比較了不同濃度蔗糖、麥芽糖對辣椒(Capsicum annuum L.)胚胎誘導(dǎo)的影響,發(fā)現(xiàn)9%蔗糖是誘導(dǎo)辣椒胚胎發(fā)育的最佳碳源[45]?;钚蕴渴且环N良好的吸附劑,被廣泛應(yīng)用于植物組織培養(yǎng)[46-47]。

      3.5小孢子培養(yǎng)密度

      小孢子的培養(yǎng)密度對胚狀體及愈傷組織的獲得也有很大影響。付文婷等在大白菜游離小孢子胚誘導(dǎo)過程中將小孢子培養(yǎng)密度調(diào)整為1×104個(gè)/mL[48]。在蘆筍游離小孢子培養(yǎng)過程中,湯泳萍等將小孢子密度調(diào)整為1.5×105個(gè)/mL[49]。當(dāng)小孢子密度低于5×104個(gè)/mL時(shí),最適合大麥集群化生長[50]。細(xì)胞密度對細(xì)胞生長與分裂影響極大。細(xì)胞能夠合成某些分裂時(shí)所必需的化合物,只有當(dāng)這些化合物的內(nèi)生濃度達(dá)到臨界值后,細(xì)胞才能進(jìn)行分裂。可見,懸浮培養(yǎng)時(shí)小孢子密度會(huì)直接影響胚發(fā)生率,密度過高時(shí),營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被耗盡,同時(shí)細(xì)胞會(huì)釋放某些有毒物質(zhì),影響其他小孢子胚的發(fā)生,但細(xì)胞生長具有群體效應(yīng),密度過低又會(huì)導(dǎo)致小孢子無法正常生長,極大地降低成胚率。

      4存在的問題

      目前游離小孢子培養(yǎng)在洋甘菊、一枝黃花、蛇目菊、纈草等很多菊科植物中都以失敗而告終[51]。游離小孢子培養(yǎng)成功與否受到基因型、生長環(huán)境、培養(yǎng)基成分等的影響。同時(shí),花蕾預(yù)處理、分離純化、花粉培養(yǎng)方法也影響胚誘導(dǎo)能否成功。游離小孢子培養(yǎng)雖然避免了體細(xì)胞的影響,但花粉也失去了花藥壁的保護(hù),有時(shí)有極少的二倍體、多倍體植株發(fā)育。觀賞植物的游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)目前尚不成熟,盡管前人已經(jīng)從小孢子胚胎發(fā)生的細(xì)胞形態(tài)學(xué)、代謝水平、分子水平等方面探究了小孢子胚胎發(fā)生機(jī)制,但觀賞植物游離小孢子培養(yǎng)獲得單倍體植株的誘導(dǎo)機(jī)制、啟動(dòng)機(jī)理、發(fā)育途徑等尚不明確,嚴(yán)重阻礙了觀賞植物游離小孢子育種進(jìn)程。

      5展望

      原始的雜交育種方式存在育種周期長、效率低、管理繁瑣等問題,單倍體育種具有育種年限短、選擇效率高等優(yōu)勢。同時(shí),基因工程采用游離小孢子培養(yǎng)技術(shù),可以為植物育種及基因定位生產(chǎn)雙單倍體(即重組自交系),以克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性。在誘導(dǎo)胚狀體過程中花粉容易產(chǎn)生變異,因此,游離小孢子育種還可作為引發(fā)突變的手段。研究游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)、探討影響觀賞植物游離小孢子培養(yǎng)的因素、提高小孢子誘導(dǎo)率,是探究游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)中亟需解決的難題。

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