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        西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存研究

        2011-12-27 01:05:32李亞璞張小兵閆靜輝
        河北省科學(xué)院學(xué)報 2011年4期
        關(guān)鍵詞:植物生長

        李亞璞,張小兵,閆靜輝

        (河北省科學(xué)院生物研究所,河北石家莊 050081)

        西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存研究

        李亞璞,張小兵,閆靜輝*

        (河北省科學(xué)院生物研究所,河北石家莊 050081)

        對西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存進(jìn)行了初步的研究,結(jié)果表明,首先將西洋參懸浮細(xì)胞在含8%蔗糖的西洋參液體培養(yǎng)基中預(yù)培養(yǎng)2天,然后經(jīng)過10%DMSO+8%萄葡糖的冷凍保護(hù)劑處理,以4℃(60min)、0℃(30min)、-20℃(2h)、-70℃(30min)的降溫程序處理,最后投入液氮中,西洋參懸浮細(xì)胞可以生長為愈傷組織,且愈傷組織長勢旺盛。

        西洋參;懸浮細(xì)胞;超低溫保存

        西洋參(Panax quinquefolium)是五加科(Araliaccae)多年生草本名貴藥材,原產(chǎn)于北美洲,一般需4-6年才能收獲入藥,其有效成分是人參皂甙,具有強(qiáng)心、鎮(zhèn)定等功效。組織培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于西洋參是解決其皂甙資源供應(yīng)不足的一條有效途徑[1]。但是在植物組織和細(xì)胞的長期培養(yǎng)過程中,不斷的繼代培養(yǎng)可能會引起染色體和基因型的變異,導(dǎo)致植物的一些寶貴的特殊性狀的丟失。利用液氮(-196℃)超低溫凍存是進(jìn)行植物組織和細(xì)胞長期、穩(wěn)定保存的一種有效方法。在液氮低溫條件下,所有的細(xì)胞分裂和代謝活動停止,植物材料在超低溫保存過程中應(yīng)該不會產(chǎn)生遺傳性狀的改變。因此它不僅可以解決組織、細(xì)胞培養(yǎng)過程中的變異問題,還可用于長期保存植物培養(yǎng)物的優(yōu)良株系[2,3]。該項(xiàng)工作始于20世紀(jì)70年代,迄今為止,國內(nèi)外已對近200種植物材料進(jìn)行了超低溫保存實(shí)驗(yàn)的研究。但是,關(guān)于藥用植物超低溫保存的研究還很缺乏,這種技術(shù)已在銀杏[4]、紅景天[5]、三分三[6]等藥用植物的離體培養(yǎng)物種質(zhì)保存中獲得了成功,但有關(guān)西洋參組織或細(xì)胞的超低溫保存研究少見報道。本文在西洋參懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的研究中,開展了對西洋參懸浮細(xì)胞超低溫保存的初步嘗試。

        1 材料和方法

        1.1 材料

        本室經(jīng)過多次篩選獲得的優(yōu)質(zhì)西洋參懸浮細(xì)胞系,選擇處于旺盛對數(shù)分裂期的懸浮細(xì)胞作為冷凍材料。

        1.2 方法

        (1)預(yù)培養(yǎng):在無菌條件下,將冷凍材料分為兩部分,一部分材料轉(zhuǎn)入到含8%蔗糖的西洋參液體培養(yǎng)基中預(yù)培養(yǎng)1、2、3天,另一部分材料未經(jīng)預(yù)培養(yǎng)作為對照。

        (2)冷凍保護(hù)劑處理:參考文獻(xiàn)[7],本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了5種組合的冷凍保護(hù)劑:①10%DMSO+8%葡萄糖;②10%DMSO+8%蔗糖;③10%DMSO+10%葡萄糖;④10%DMSO;⑤對照組。將西洋參懸浮細(xì)胞分別置于冷凍保存管中,加入預(yù)冷的冷凍保護(hù)劑,使之浸沒細(xì)胞,密封保存管,靜置預(yù)處理30min.

        (3)降溫冷凍處理:將冷凍保護(hù)劑處理的材料經(jīng)過以下3種方式的降溫冷凍處理后投入液氮中保存。①0℃→LN(液氮);②0℃(30min)→-20℃(2h)→-70℃(30min)→LN(液氮);③4℃(60min)→0℃(30min)→-20℃(2h)→-70℃(30min)→LN(液氮)。

        (4)解凍和洗滌:實(shí)驗(yàn)材料在液氮中凍存7天后,然后將材料從液氮取出,采用37℃水浴化凍。待冷凍管內(nèi)的冰剛?cè)诨?,立即加入正常的西洋參液體培養(yǎng)基進(jìn)行沖洗,吸去培養(yǎng)液,同樣的方法洗滌三次,每次停留5min。冷凍保護(hù)劑對植物細(xì)胞可能存在毒害作用,解凍后的植物材料在培養(yǎng)之前應(yīng)除去冷凍劑。

        (5)冷凍保存后細(xì)胞的恢復(fù)生長:將冷凍材料轉(zhuǎn)移到西洋參固體培養(yǎng)基上進(jìn)行再培養(yǎng),在再培養(yǎng)過程中,觀察愈傷組織恢復(fù)生長的時間及生長狀況,35天測定生長速率。(生長速率=收獲的愈傷組織量/接種的懸浮細(xì)胞量*100%)

        2 結(jié)果和分析

        2.1 不同預(yù)培養(yǎng)時間條件下西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        本實(shí)驗(yàn)將西洋參液體培養(yǎng)基的糖濃度提高到8%作為預(yù)培養(yǎng)基,然后將西洋參懸浮細(xì)胞經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)1、2、3天,再經(jīng)過相同的冷凍保護(hù)劑處理和降溫程序處理,結(jié)果見表1。由表1可以看出,與對照相比,經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)處理的懸浮細(xì)胞,其愈傷組織出現(xiàn)時間早,生長速度快??梢?,預(yù)培養(yǎng)對西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存有一定的影響。但是,預(yù)培養(yǎng)1、2、3天沒有顯著區(qū)別。這可能是將培養(yǎng)基的糖濃度提高對細(xì)胞的抗冰凍能力有一定的影響,從而使細(xì)胞的存活率得到提高。

        表1 不同預(yù)培養(yǎng)時間條件下西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        2.2 不同冷凍保護(hù)劑組合條件下西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        選擇預(yù)培養(yǎng)2天的西洋參懸浮細(xì)胞作為研究對象,經(jīng)過不同的冷凍保護(hù)劑處理后,結(jié)果差異較大。由表2可以看出,經(jīng)過10%DMSO+8%葡萄糖冷凍保護(hù)劑組合處理的西洋參懸浮細(xì)胞出現(xiàn)愈傷組織時間早,愈傷組織形態(tài)較好,生長速率最高;其它幾種組合的冷凍保護(hù)劑效果較差,沒有經(jīng)過冷凍保護(hù)劑處理的對照組沒有表現(xiàn)出愈傷組織的生長。可見,冷凍保護(hù)劑處理是西洋參懸浮細(xì)胞超低溫保存的關(guān)鍵步驟。

        表2 不同冷凍保護(hù)劑組合條件下西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        2.3 不同冷凍降溫程序處理西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        冷凍降溫程序處理對西洋參懸浮細(xì)胞的影響見表3。由表3看出,降溫程序?qū)ξ餮髤腋〖?xì)胞的超低溫保存影響差異較大。采用分步冷凍法,西洋參懸浮細(xì)胞的成活率較高,出現(xiàn)愈傷組織的時間較早,愈傷組織形態(tài)較好,生長速率較高。經(jīng)過4℃(60min)預(yù)處理,西洋參愈傷組織生長速率最高。直接從0℃投入液氮保存的西洋參懸浮細(xì)胞,其凍后出現(xiàn)愈傷組織的時間較晚,愈傷組織褐變嚴(yán)重,基本上沒有生長。在超低溫保存中,預(yù)凍的目的是使細(xì)胞內(nèi)的水分脫出,形成對細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷不大的細(xì)胞外結(jié)冰,這樣就可以避免細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰對原生質(zhì)的損害。結(jié)果表明,細(xì)胞經(jīng)過分步降溫要比一步直接投入液氮中對細(xì)胞的傷害小。從0℃直接投入液氮,對西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存是不適宜的,懸浮細(xì)胞復(fù)蘇后細(xì)胞活力太低,而在分步降溫過程中,在4℃環(huán)境中停留1 h預(yù)凍要比直接從0℃預(yù)凍的效果好。

        表3 不同冷凍降溫程序處理下西洋參懸浮細(xì)胞的恢復(fù)生長情況

        3 討論

        超低溫(-196℃)保存是目前長期而穩(wěn)定地保存植物種質(zhì)資源的最好方法,在液氮低溫下,所有的細(xì)胞分裂和代謝活動停止,因而植物材料在超低溫保存過程中不會產(chǎn)生遺傳性狀的改變。除一些對脫水不敏感的材料以外,幾乎所有的植物材料都需經(jīng)過冰凍保護(hù)劑處理,超低溫保存后都能存活。到目前為止,利用超低溫保存的植物材料涉及到懸浮細(xì)胞、原生質(zhì)體、愈傷組織、莖尖、芽、花粉、胚或體胚、種子等,大部分已成功地實(shí)現(xiàn)了植株再生[8].

        本試驗(yàn)表明,冷凍保護(hù)劑處理和降溫程序處理在西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存中起著關(guān)鍵的作用。西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存中較好的冷凍保護(hù)劑組合是10%DMSO+8%葡萄糖,較好的冷凍降溫程序是4℃(60min)→0℃(30min)→-20℃(2h)→-70℃(30min)→LN(液氮)。文獻(xiàn)[9]提出,超低溫保存材料在化凍時,再次結(jié)冰的危險溫度區(qū)大約是-5~10℃,因此化凍一般在30~40℃溫水浴中進(jìn)行,借助迅速的化凍速度通過此溫區(qū),避免細(xì)胞內(nèi)次生結(jié)冰對細(xì)胞的破壞。實(shí)驗(yàn)證明,本實(shí)驗(yàn)對保存材料直接采用37℃水浴化凍是可行的。

        目前,國內(nèi)外關(guān)于西洋參超低溫保存的研究較少,僅有張連學(xué)等[10]對西洋參花粉超低溫保存的研究報道。超低溫保存是一個非常復(fù)雜的過程,不同植物和同一植物不同類型的材料,其超低溫保存的難易可能有不同,因此一定要根據(jù)植物材料不同的特性,對影響超低溫保存的因素進(jìn)行研究。

        本文對西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存做了初步的探索性研究,僅是從形態(tài)學(xué)方面對生成的愈傷組織進(jìn)行了觀察,結(jié)果表明:西洋參懸浮細(xì)胞經(jīng)過一定時間的預(yù)培養(yǎng),然后經(jīng)過合適的冷凍保護(hù)劑處理和冷凍降溫程序處理,西洋參懸浮細(xì)胞可以生長為愈傷組織,證明了西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存是可行的。這就為西洋參懸浮細(xì)胞的保存提供了一條新途徑,從而解決了長期繼代保存的繁瑣性,減輕了工作量。但是種質(zhì)保存的根本目的是為了保持植物遺傳基因的穩(wěn)定及所控制的遺傳性狀不發(fā)生變化,這就要從細(xì)胞學(xué)和生理、生化方面對其進(jìn)行測定。細(xì)胞學(xué)主要鑒定染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的變化;生理、生化方面主要采用同工酶譜分析和RFLP、RAPD、AFLP等分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行鑒定。另外,選擇的凍存材料及其所處的生長狀態(tài),其它的冷凍保護(hù)劑組合和化凍方式以及在液氮中的凍存時間都是西洋參懸浮細(xì)胞超低溫保存的影響因素,因此對西洋參懸浮細(xì)胞的超低溫保存還需做更深入的研究。

        [1]閆靜輝,張小兵,李亞璞,等,西洋參細(xì)胞培養(yǎng)的研究進(jìn)展[J].河北省科學(xué)院學(xué)報,2006,23(2):79-83.

        [2]Matsumoto T,Mochida K,Itamura H,et al.Cryopreservation of persimmon(Diospyros kaki Thunb.)by vitrification of dormant shoot tips.Plant Cell Rep,2001,20:398-399.

        [3]Sakai A,Kobayashi S,Qiyama I.Cryopreservation of nucellar cells of navel orange(Citrus sinensis Osb.var.brasiliensis Tanaka)by vitrification.Plant Cell Rep,1990,9(1):30-33.

        [4]徐剛標(biāo),易文,李美娥,等.銀杏愈傷組織超低溫保存的研究[J].林業(yè)科學(xué),2001,37(3):30-34.

        [5]郭燕霞,劉玉軍.長鞭紅景天懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的玻璃化法超低溫保存研究[J].西北植物學(xué)報,2006,26(8):1605-1611.

        [6]鄭光植,何靜波,王世林.三分三愈傷組織及其懸浮細(xì)胞的冰凍貯藏[J].植物學(xué)報,1983,25(6):513-517.

        [7]羅士韋,唐惕.植物組織和細(xì)胞的超低溫保藏及其種質(zhì)庫建立的研究現(xiàn)狀[J].細(xì)胞生物學(xué)雜志,1983,5(1):1-7.

        [8]鄧旭,雷新濤,成明昊.超低溫保存果樹種質(zhì)資源研究進(jìn)展[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,26(4):50-54.

        [9]陳品良.植物組織培養(yǎng)物的超低溫保存[J].武漢植物學(xué)研究,1989,7(4):390-398.

        [10]張連學(xué),常維春,魏云潔,等.人參、西洋參花藥超低溫保存對花粉存活的影響[J].植物學(xué)通報,1993,10(2):58-59.

        The study on cryopreservation technique for Panax quinquefolium

        LI Yapu,ZHANG Xiao-bing,YAN Jing-h(huán)ui

        (InstituteofBiology,HebeiAcademyofSciences,ShijiazhuangHebei050081,China)

        The cryopreservation for suspension cells of panax quinquefolium is studied.The result shows that it is probable for the cryopreservation for suspension cells of panax quinquefolium.First,they are precultured for 2 days in MS with 8%Sucrose,and cryoprotectants processing with 10% DMSO and 8%Glucose,and are freezed with 4℃(60min)、0℃(30min)、-20℃(2h)、-70℃(30min),they were immersed immediately into liquid nitrogen directly at last.They can regenerate calli showing vigorous growth.

        Panax quinquefolium;Suspension cells;Cryopreservatio

        Q418

        :A

        1001-9383(2011)04-0032-04

        2011-05-25

        李亞璞(1980-),女,助理研究員,研究方向:細(xì)胞工程.

        閆靜輝

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