李桂花 王亭亭 劉凱 陳漢才 張艷 黎庭耀 藍(lán)華生
摘 要 對(duì)40份芥藍(lán)材料進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng)及植株再生研究。結(jié)果表明:不同基因型間胚狀體誘導(dǎo)率差異顯著,其中只有紅腳黃花芥藍(lán)×612、孤老種、黃花芥藍(lán)、綠寶、香港中花芥藍(lán)產(chǎn)生胚狀體;日照時(shí)間為11~12 h的供試植株的胚狀體誘導(dǎo)率是日照時(shí)間為5~6 h的3~7倍;采用單核靠邊期至雙核早期的小孢子進(jìn)行胚狀體誘導(dǎo)效果最佳,此時(shí)花蕾大小為3.0~4.5 mm;在32.5 ℃下高溫預(yù)處理小孢子24 h誘導(dǎo)效果最佳,其他溫度時(shí)間組合條件下胚狀體誘導(dǎo)率降低65%~100%。
關(guān)鍵詞 芥藍(lán);游離小孢子培養(yǎng);胚狀體誘導(dǎo)率;植株再生
中圖分類號(hào) S635 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Abstract Forty varieties of Chinese Kale were isolated for the study of microspore culture and plant regeneration. The results showed that: embryogenic rate among different genotypes was significantly different, among which only red foot flower kale × 612, the solitary species, yellow broccoli, Emerald and Hong Kong flower kale generated embryos; the embryogenic rate of the plant with 11-12 hours of sunshine was 3-7 times of those with 5-6 hours of sunshine; the late unicellular to early dual-core sidelined microspores had the best embryogenic rate when the bud size was 3.0-4.5 mm; the microspore with heat pretreatment at 32.5 ℃ for 24 hours had the best embryoid induction ability, while at other combinations of time and temperature, embryogenic rate decreased 65%-100%.
Key words Chinese Kale; Isolated microspore culture; Percentage of embryogenic; Plant regeneration
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.013
芥藍(lán)(Brassica alboglabra)是十字花科蕓薹屬的甘藍(lán)類蔬菜作物,是中國(guó)南方特色蔬菜作物之一[1]。芥藍(lán)通過(guò)常規(guī)雜交再經(jīng)過(guò)連續(xù)自交純化獲得純合品系通常需要5~8 a的時(shí)間[2]。而采用游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)獲得基因型純合的雙單倍體只需要1~2 a時(shí)間,遺傳上非常穩(wěn)定,不僅可以縮短育種年限,而且可以提高基因組合選擇效率。小孢子培養(yǎng)是指直接從花蕾或花藥中獲得游離的或新鮮的小孢子群體而進(jìn)行培養(yǎng),經(jīng)由胚狀體的誘導(dǎo),再生出完整的單倍體植株,然后經(jīng)過(guò)自發(fā)或誘發(fā)染色體加倍,成為正常可育、純合的二倍體植株的過(guò)程[3]。影響小孢子培養(yǎng)的因素很多,包括內(nèi)在因素(如供體材料的生理狀況和基因型等)和外部因素(如供體植株生長(zhǎng)環(huán)境、取材時(shí)間、培養(yǎng)方法等)[4]。張麗等[5]、朱允華等[6]、王超楠[7]分別研究了影響春白蘿卜、菜心、小白菜游離小孢子胚狀體產(chǎn)生的因素。王春麗等[8]、周志國(guó)等[9]對(duì)蘿卜的游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究,栗根義等[10]、陳曉峰等[11]、張亞麗[12]對(duì)大白菜的游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究,均獲得了純合雙單倍體植株。
國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)十字花科蕓薹屬作物的游離小孢子培養(yǎng)開(kāi)展了研究。Duijs等[13]和嚴(yán)準(zhǔn)等[14]分別首次報(bào)道了抱子甘藍(lán)和球莖甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)獲得成功并得到再生植株。邊立娜等[15]、佟智慧[4]分別對(duì)青花菜進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),研究了影響胚狀體發(fā)生和植株再生的各種因素。張娜等[16]、姜鳳英[17]分別對(duì)黃花芥藍(lán)、羽衣甘藍(lán)胚狀體發(fā)生及植株再生的影響因素進(jìn)行了探究。對(duì)芥藍(lán)小孢子培養(yǎng)成功的報(bào)道最早在1991年[18]。何杭軍等[19]、趙前程等[20]、Ferrie等[21]先后對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)中誘導(dǎo)胚狀體的發(fā)生及植株再生進(jìn)行了探討。利用游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)有助于快速培養(yǎng)出純合品系,但相對(duì)于其他蕓薹屬植物而言,目前關(guān)于芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)的報(bào)道比較少,還沒(méi)有建立普遍適用的方法,無(wú)法直接將芥藍(lán)種質(zhì)資源中的優(yōu)異種質(zhì)資源進(jìn)行挖掘與利用。因此,本研究在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行多個(gè)不同芥藍(lán)品種游離小孢子培養(yǎng)試驗(yàn),利用游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)可創(chuàng)造芥藍(lán)純合雙單倍體,加速芥藍(lán)育種進(jìn)程,縮短育種時(shí)間。
1 材料與方法
1.1 材料
紅腳黃花芥藍(lán)×612、凌桂遲芥藍(lán)、孤老種、早35天芥藍(lán)筷等40份優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的不同芥藍(lán)材料,于2014年9月28日播種于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所白云基地,如表1所示。
1.2 方法
1.2.1 培養(yǎng)基的種類和保存及小孢子培養(yǎng)過(guò)程
將B5液體、固體培養(yǎng)基,MS固體培養(yǎng)基以及1/2MS固體培養(yǎng)基配制完成后置于120 ℃高壓滅菌鍋消毒20 min,冷卻后置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。NLN液體培養(yǎng)基需在超凈工作臺(tái)上用過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾滅菌,分裝在三角瓶中,封口保存。
1.2.2 統(tǒng)計(jì)方法 胚狀體誘導(dǎo)率=胚狀體數(shù)/花蕾數(shù)×100%
1.2.3 芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)方法 于晴天上午9:00~10:00采樣,選擇處于盛花期的供體植株采集花蕾,取單核靠邊期的花蕾;用75%乙醇消毒30 s,再用8%次氯酸鈉滅菌15 min,用無(wú)菌水沖洗3次,每次5 min;往研缽中加入適量B5液體培養(yǎng)基,用研棒輕輕擠壓花蕾,使小孢子從花藥中游離到B5液體培養(yǎng)基中,重復(fù)2次,每次均取下層沉淀;第3次離心時(shí)加入NLN培養(yǎng)基代替B5液體培養(yǎng)基,用NLN培養(yǎng)基分裝于小培養(yǎng)皿中,用封口膜封口。
將封口的培養(yǎng)皿先于32.5 ℃暗培養(yǎng)24 h,再轉(zhuǎn)至25 ℃繼續(xù)進(jìn)行暗培養(yǎng),一般2~3周出現(xiàn)胚狀體;將胚狀體移入MS固體培養(yǎng)基,待形成胚狀體后再轉(zhuǎn)到MS培養(yǎng)基中繼代;將繼代后長(zhǎng)出的小苗轉(zhuǎn)移至1/2MS固體培養(yǎng)基上進(jìn)行生根培養(yǎng),最終獲得生長(zhǎng)健壯的再生植株。
1.2.4 影響芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率因素的試驗(yàn)
(1)基因型的影響。采用40份不同的芥藍(lán)材料進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),每個(gè)芥藍(lán)材料采100個(gè)花蕾,所接培養(yǎng)皿數(shù)為14皿。
(2)供體生理狀況的影響。選擇生長(zhǎng)在同一塑料大棚、長(zhǎng)勢(shì)良好且相近的供體材料,將其中一半植株在每天中午12:00套上白色不透明紙袋(相當(dāng)于日照時(shí)間為5~6 h),另一半植株在正常光照條件下生長(zhǎng)(相當(dāng)于日照時(shí)間為11~12 h);一個(gè)星期后,在處理過(guò)的植株與自然受光植株上分別取蕾進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),每個(gè)芥藍(lán)品種采用100個(gè)花蕾,所接培養(yǎng)皿數(shù)為14皿。
(3)小孢子發(fā)育時(shí)期的影響。分別采用單核早期、單核靠邊期、雙核早期及雙核晚期等4個(gè)不同發(fā)育時(shí)期的小孢子進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),每個(gè)芥藍(lán)品種采100個(gè)花蕾,所接培養(yǎng)皿數(shù)為14皿。
(4)高溫預(yù)處理的影響。將培養(yǎng)皿分裝完成后分別置于25、30、32.5、35 ℃ 4種不同溫度下處理24 h,在32.5 ℃溫度條件下分別處理24、48、72 h,每個(gè)芥藍(lán)品種采用100個(gè)花蕾,所接培養(yǎng)皿數(shù)為14皿。
2 結(jié)果與分析
2.1 供體基因型對(duì)小孢子胚狀體狀體發(fā)生的影響
2.1.1 不同基因型芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率 試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,不同基因型的芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率存在很大差異。在用于游離小孢子培養(yǎng)的40份不同基因型芥藍(lán)材料中,有5份材料成功產(chǎn)生胚狀體,分別是紅腳黃花芥藍(lán)×612、孤老種、黃花芥藍(lán)、綠寶和香港中花芥藍(lán)。這5份材料的胚狀體誘導(dǎo)率也相差較大,最高胚狀體誘導(dǎo)率達(dá)52%,最低胚狀體誘導(dǎo)率為10%。而遲花芥藍(lán)、紅腳芥藍(lán)、四季粗條等35種芥藍(lán)皆沒(méi)有產(chǎn)生胚狀體??梢?jiàn)基因型對(duì)芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率有重大影響。圖1-A~F為芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)中從誘導(dǎo)出胚狀體到形成再生植株的過(guò)程。
2.1.2 芥藍(lán)小孢子培養(yǎng)的植株倍性鑒定 對(duì)培養(yǎng)出來(lái)的植株,在移栽前用醋酸洋紅染色法進(jìn)行倍性鑒定。取100 mL 45%醋酸加熱至沸,移去火源,加入1 g洋紅,加熱回流2~24 h,過(guò)濾,加幾滴2%的鐵明礬,制成1%醋酸洋紅;取少許根尖于載玻片上,加1~2滴醋酸洋紅溶液,蓋上蓋玻片;將制片放在顯微鏡下觀察。從圖2最左側(cè)一個(gè)細(xì)胞中可以看出染色體條數(shù)為9,而芥藍(lán)是屬于十字花科蕓薹屬CC染色體組,染色體為2n=18,9條染色體說(shuō)明該植株是單倍體,用0.1%的秋水仙堿浸根10 h,再移栽至田間或花盆中栽培。
2.2 供體生理狀況對(duì)胚狀體誘導(dǎo)率發(fā)生的影響
試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,日照時(shí)間為11~12 h的供體植株小孢子胚狀體誘導(dǎo)率明顯高于日照時(shí)間為5~6 h的供體植株小孢子胚狀體誘導(dǎo)率。日照時(shí)間為11~12 h的供體植株小孢子胚狀體誘導(dǎo)率最高為紅腳黃花芥藍(lán)×612(58%),最低為香港中花芥藍(lán)(8%);日照時(shí)間為5~6 h的供體植株小孢子胚狀體誘導(dǎo)率最高為紅腳黃花芥藍(lán)×612(12%),最低為香港中花芥藍(lán)(2%)。據(jù)統(tǒng)計(jì),日照時(shí)間為11~12 h的供試植株的胚狀體誘導(dǎo)率是日照時(shí)間為5~6 h的3~7倍。日照時(shí)間為11~12 h的5份芥藍(lán)材料的胚狀體誘導(dǎo)率均高于日照時(shí)間為5~6 h的胚狀體誘導(dǎo)率。可見(jiàn)日照時(shí)間對(duì)胚狀體誘導(dǎo)率具有明顯的影響。
2.3 小孢子發(fā)育階段對(duì)小孢子胚狀體誘導(dǎo)率的影響
選取處于盛花期的植株采集花蕾,用醋酸洋紅染色法在顯微鏡下觀察小孢子的形態(tài),判斷小孢子所處的時(shí)期。結(jié)果如圖3、圖4所示。
采用紅腳黃花芥藍(lán)×612、孤老種、黃花芥藍(lán)、綠寶和香港中花芥藍(lán)5個(gè)芥藍(lán)材料不同發(fā)育階段的小孢子分別進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng)試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。單核靠邊期和雙核早期的胚狀體誘導(dǎo)能力強(qiáng),單核靠邊期的胚狀體誘導(dǎo)率最高的是紅腳黃花芥藍(lán)×612(52%),最低的是香港中花芥藍(lán)(12%);雙核早期的胚狀體誘導(dǎo)率最高的是紅腳黃花芥藍(lán)×612(54%),最低的是香港中花芥藍(lán)(10%)。而單核早期和雙核晚期的胚狀體誘導(dǎo)能力明顯降低,單核早期的紅腳黃花芥藍(lán)×612小孢子胚狀體誘導(dǎo)率為6%,而香港中花芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率為1%;雙核晚期紅腳黃花芥藍(lán)×612的胚狀體誘導(dǎo)率為2%,孤老種、黃花芥藍(lán)、綠寶、香港中花芥藍(lán)胚狀體誘導(dǎo)率均為0。芥藍(lán)不同發(fā)育階段的胚狀體誘導(dǎo)率差異明顯,單核靠邊期和雙核早期的胚狀體誘導(dǎo)率高,而單核早期和雙核晚期的胚狀體誘導(dǎo)率低。 結(jié)合芥藍(lán)小孢子形態(tài)及花蕾大小的相關(guān)性推測(cè),芥藍(lán)的花蕾大小為3.0~3.5 mm時(shí)處于單核靠邊期,也屬于單核晚期;介于4.0~4.5 mm時(shí),小孢子發(fā)育時(shí)期處于雙核期,雙核還未分開(kāi),屬于雙核早期,選擇這2個(gè)階段的花蕾作為小孢子培養(yǎng),效果最佳。
2.4 高溫預(yù)處理對(duì)小孢子胚狀體發(fā)生的影響
比較不同溫度(25、30、32.5、35 ℃)的高溫預(yù)處理對(duì)小孢子胚狀體發(fā)生的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表5顯示,對(duì)于材料紅腳黃花芥藍(lán)×612和孤老種,32.5 ℃處理24 h時(shí)胚狀體產(chǎn)量分別為59個(gè)和30個(gè);在30 ℃條件下培養(yǎng)的胚狀體誘導(dǎo)率均明顯低于經(jīng)過(guò)熱激處理的,胚狀體產(chǎn)量分別為12個(gè)和6個(gè),分別比在32.5 ℃處理?xiàng)l件下降低了79.7%和80.0%;25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)的小孢子沒(méi)有發(fā)生分化;35 ℃高溫處理的芥藍(lán)胚狀體產(chǎn)量分別為9個(gè)和4個(gè),較32.5 ℃處理?xiàng)l件下降低了84.7%和86.7%。結(jié)果表明,32.5 ℃條件下處理24 h最有利于胚狀體的形成。
在32.5 ℃條件下分別處理24、48、72 h,比較不同時(shí)間下的高溫預(yù)處理對(duì)小孢子胚狀體發(fā)生的影響,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。對(duì)于材料紅腳黃花芥藍(lán)×612和孤老種,處理24 h時(shí)胚狀體產(chǎn)量分別為56個(gè)和26個(gè);處理48 h時(shí)胚狀體產(chǎn)量分別為11個(gè)和9個(gè);處理72 h的小孢子沒(méi)有發(fā)生分化。結(jié)果表明,高溫預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)胚狀體發(fā)生影響顯著,處理時(shí)間過(guò)短效果不明顯,本次試驗(yàn)表明處理24 h左右最為適合。
3 討論與結(jié)論
3.1 基因型對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)的影響
不同基因型材料對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)中胚狀體的形成影響顯著,主要體現(xiàn)在胚狀體數(shù)量多少上。將40份芥藍(lán)材料在相同的條件下進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),只有紅腳黃花芥藍(lán)×612、孤老種、黃花芥藍(lán)、綠寶、香港中花芥藍(lán)等5份材料有胚狀體產(chǎn)生。嚴(yán)準(zhǔn)等[14]、張德雙等[22]在小孢子培養(yǎng)研究中也僅有個(gè)別基因型材料被誘導(dǎo)出胚狀體。李梅等[3]提出甘藍(lán)類蔬菜胚狀體誘導(dǎo)率是一種受基因調(diào)控的遺傳特性。說(shuō)明即使在合適的條件下也并非所有基因型都適于游離小孢子培養(yǎng),因此需要篩選出能夠通過(guò)游離小孢子培養(yǎng)產(chǎn)生胚狀體的芥藍(lán)。另外,基因型差異還表現(xiàn)在胚狀體誘導(dǎo)率上,紅腳黃花芥藍(lán)
×612小孢子胚狀體誘導(dǎo)率是香港中花芥藍(lán)的5.2倍。
3.2 供體生理狀況對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)的影響
供體生理狀況與小孢子胚狀體誘導(dǎo)率關(guān)系密切。通過(guò)改變供體植株的日照時(shí)間來(lái)改變供體生理狀況,日照時(shí)間為11~12 h的芥藍(lán)供體植株小孢子胚狀體發(fā)生能力明顯強(qiáng)于日照時(shí)間為5~6 h的供體植株小孢子胚狀體發(fā)生能力,日照時(shí)間為11~12 h的供試植株的小孢子胚狀體誘導(dǎo)率是日照時(shí)間為5~6 h的3~7倍??梢?jiàn)胚狀體的誘導(dǎo)率與供體材料的日照長(zhǎng)度密切相關(guān)。目前沒(méi)有關(guān)于日照時(shí)間對(duì)芥藍(lán)游離小孢子胚狀體誘導(dǎo)率影響的文獻(xiàn)報(bào)道,需要通過(guò)更多研究來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)果。
3.3 小孢子發(fā)育階段對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)的影響
采用不同發(fā)育階段的芥藍(lán)小孢子進(jìn)行培養(yǎng),胚狀體誘導(dǎo)率有較大差異。試驗(yàn)中采用單核靠邊期及雙核早期的小孢子培養(yǎng)時(shí)胚狀體誘導(dǎo)率明顯較采用單核早期及雙核晚期小孢子培養(yǎng)時(shí)高,采用單核早期或雙核晚期的小孢子進(jìn)行培養(yǎng),胚狀體誘導(dǎo)率大大降低甚至不能產(chǎn)生胚狀體,因此在進(jìn)行芥藍(lán)小孢子培養(yǎng)時(shí)應(yīng)采用單核靠邊期到雙核早期的小孢子進(jìn)行培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與趙前程等[20]的研究結(jié)果一致。在顯微鏡下觀察,單核靠邊期到雙核早期的芥藍(lán)花蕾大小為3.0~4.5 mm。
3.4 高溫預(yù)處理對(duì)芥藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)的影響
高溫預(yù)處理對(duì)小孢子胚狀體誘導(dǎo)率有顯著作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)處理溫度過(guò)低不能產(chǎn)生胚狀體,溫度過(guò)高胚狀體誘導(dǎo)率大大降低甚至不能產(chǎn)生胚狀體,處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)小孢子胚狀體誘導(dǎo)率降低或不能產(chǎn)生胚狀體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),32.5 ℃條件下對(duì)小孢子進(jìn)行高溫預(yù)處理24 h最有利于促進(jìn)胚狀體發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與趙前程等[20]的研究結(jié)果一致。
芥藍(lán)的小孢子培養(yǎng)效率極低,多數(shù)材料誘導(dǎo)不出胚狀體或胚狀體誘導(dǎo)率極低。因此,為解決這一問(wèn)題,一要加強(qiáng)胚狀體發(fā)生機(jī)理的研究,二要加強(qiáng)小孢子培養(yǎng)條件方面的研究。經(jīng)大量的試驗(yàn)研究,篩選出能夠通過(guò)游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)獲得單倍體的芥藍(lán)材料,將其應(yīng)用于新品種的選育,可大大縮短育種年限,為獲得芥藍(lán)新種質(zhì)資源開(kāi)拓新的途徑。
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