俞 玲,馬暉玲
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070;3.中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)
植物生產(chǎn)層
甘肅隴西野生草地早熟禾植株的再生體系
俞 玲1,2,3,馬暉玲1,2,3
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070;3.中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)
以甘肅隴西野生草地早熟禾(Poapratensis)成熟種子為外植體,研究不同激素及其濃度組合對愈傷組織誘導(dǎo)及分化的影響。結(jié)果表明,不同濃度2,4-D處理下,愈傷組織的誘導(dǎo)率差異明顯。MS+1.0 mg·L-12,4-D是隴西野生草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)的最佳培養(yǎng)條件,誘導(dǎo)率為41.40%;單獨(dú)使用2,4-D,愈傷組織的誘導(dǎo)率和質(zhì)量要優(yōu)于2,4-D和6-BA配合使用的情況。2 mg·L-16-BA適合甘肅隴西野生草地早熟禾愈傷組織的分化,在MS+2 mg·L-16-BA基礎(chǔ)上添加0.5 mg·L-1NAA和0.2 mg·L-12,4-D,綠苗率顯著提高(P<0.05),分別為22.88%和19.72%。生根培養(yǎng)基同分化培養(yǎng)基,生根率為100%。
野生草地早熟禾;甘肅隴西;愈傷組織誘導(dǎo);分化;植株再生
草地早熟禾(Poapratensis)是禾本科早熟禾屬主要的冷季型草坪草,喜冷涼氣候,在種群競爭中具強(qiáng)侵占力,是高寒草甸退化草地恢復(fù)與重建的先鋒草種[1]。它不僅是優(yōu)良的牧草,并且由于其質(zhì)地纖細(xì)、色澤誘人、抗寒能力強(qiáng)、耐修剪等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于城市綠化、運(yùn)動場建設(shè)和生態(tài)環(huán)境改善等方面,是寶貴的草坪資源。
甘肅地處三大高原和西秦嶺山地的交匯處[2],境內(nèi)地形、氣候復(fù)雜,有豐富的早熟禾屬植物資源,甘肅特有種就有6種[3]。甘肅的早熟禾屬資源主要分布在甘南、阿爾金山、祁連山等寒冷高海拔地帶,其中以甘南地區(qū)數(shù)量最多[4]。隴西地處黃河最大支流渭水上游,即甘肅省東南部渭水流域,定西市中部,自然地域開闊,渭水流經(jīng)全境,為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,日照充足,氣候溫和。年平均降水量445.8 mm,蒸發(fā)量1 440 mm。年平均氣溫7.7 ℃,年平均無霜期146 d。其南山為溫寒半濕潤區(qū),野生草種質(zhì)資源較豐富。充分利用本土優(yōu)良野生早熟禾種質(zhì)資源,發(fā)掘和培育本土早熟禾新品種,其研究意義深遠(yuǎn),應(yīng)用價值極高。
組織培養(yǎng)技術(shù)是生物技術(shù)育種的主要組成部分和基礎(chǔ)[5],建立野生草地早熟禾高效再生體系,可為早熟禾抗逆新品種的育成提供優(yōu)良的親本材料及其育種途徑,具有重要的研究價值。迄今為止,關(guān)于草地早熟禾再生體系建立的研究已有很多報道:McDonnell和Conger[6]首次用成熟種子誘導(dǎo)出胚性愈傷組織,然而植株再生率很低,僅有6%;Nielsen和Knudsen[7]建立了胚性細(xì)胞懸浮再生體系,獲得了再生植株;Jeffrey和Margarent[8]建立了Baron再生體系,并且獲得6株轉(zhuǎn)基因植株。與此相關(guān)的研究在國內(nèi)起步較晚,朱根發(fā)和余毓君[9]利用草地早熟禾幼穗誘導(dǎo)出愈傷組織,并且認(rèn)為,幼穗是愈傷組織誘導(dǎo)的最佳外植體;馬忠華等[10]初步建立了草地早熟禾的基因轉(zhuǎn)化體系;余建明等[11]報道,可以通過外源激素的調(diào)控使愈傷組織長期保持再生植株的能力;馬暉玲等[12]對草地早熟禾午夜2號進(jìn)行了體外植株再生的研究,其愈傷組織經(jīng)過增殖分別在相應(yīng)的分化培養(yǎng)基上誘導(dǎo)出芽、根,進(jìn)而再生出完整植株,建立了高頻再生體系。雖然草地早熟禾再生體系已經(jīng)發(fā)展成熟,但其野生材料的研究報道甚少。同時,體細(xì)胞胚的形成率較低,且隨著愈傷組織繼代保存時間的增長,其再生能力減弱甚至喪失,這制約著草地早熟禾資源的應(yīng)用和育種進(jìn)程。
本試驗(yàn)以甘肅隴西野生草地早熟禾的成熟種子為材料,研究了不同激素配比對其愈傷組織誘導(dǎo)及分化的影響,建立了野生草地早熟禾再生體系,為進(jìn)一步開展甘肅野生草地早熟禾材料和商用品種體細(xì)胞雜交奠定了研究基礎(chǔ)。
1.1 材料和培養(yǎng)基
野生草地早熟禾種子采自甘肅隴西。
愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)基:MS+7 g·L-1瓊脂+30 g·L-1蔗糖,pH為5.8,添加不同濃度的2,4-D和6-BA(表1和2)。
分化培養(yǎng)基:MS+7 g·L-1瓊脂+30 g·L-1蔗糖,pH為5.8,添加的激素類型和組合處理詳見表3。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 外植體處理 將野生草地早熟禾成熟種子,浸泡過夜,在超凈工作臺內(nèi)滅菌,75%酒精滅菌30 s,用無菌水沖洗2~3次,10% NaClO滅菌25 min,無菌水沖洗3~4次,最后用無菌濾紙吸干水分,待用。
1.2.2 愈傷組織的誘導(dǎo) 將已滅菌的種子接種于添加不同激素種類和濃度的MS培養(yǎng)基上。每皿接種50粒種子,每個處理10個重復(fù)。愈傷組織的誘導(dǎo)條件為(25±1) ℃,暗培養(yǎng)。在此期間觀察并記錄愈傷組織的生長狀態(tài),統(tǒng)計愈傷組織的誘導(dǎo)率。
出愈率=(愈傷組織數(shù)/接種外植體總數(shù))×100%。
1.2.3 愈傷組織的繼代培養(yǎng) 50 d后,將愈傷組織轉(zhuǎn)移到繼代培養(yǎng)基上培養(yǎng),繼代培養(yǎng)基激素濃度同誘導(dǎo)培養(yǎng)基。
1.2.4 愈傷組織的分化 選擇顏色、質(zhì)地較好的愈傷組織在分化培養(yǎng)基上進(jìn)行分化培養(yǎng)。每個激素組合設(shè)定5個重復(fù)。觀察并統(tǒng)計分化的愈傷組織數(shù)。培養(yǎng)條件:光強(qiáng)度2 000 lx,光照16 h,暗照8 h,(25±1)℃。20 d后統(tǒng)計綠色芽點(diǎn)數(shù)。
體細(xì)胞胚形成率(綠芽率)=(形成綠芽的愈傷數(shù)/愈傷總數(shù))×100%;
綠苗率=(形成綠色植株的愈傷數(shù)/愈傷總數(shù))×100%。
1.2.5 移栽成苗 打開三角瓶口,將已生根的再生苗植株煉苗3 d后,移栽到花盆中。基質(zhì)為無菌營養(yǎng)土和蛭石,3∶1混勻。
1.3 數(shù)據(jù)分析
利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。
2.1 激素配比對隴西野生草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)的影響
將成熟種子接種到愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)基上培養(yǎng),15 d后初始愈傷組織形成,呈乳白色、質(zhì)地堅硬,50 d后,愈傷組織呈淡黃色,顆粒狀明顯(圖1-Ⅰ)。繼代培養(yǎng)后,愈傷組織體積增大,呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)(圖1-Ⅱ~圖1-Ⅳ)。
2.1.1 2,4-D濃度對草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)率的影響 在誘導(dǎo)培養(yǎng)基中加入不同濃度的2,4-D(表1),50 d 后統(tǒng)計出愈率,本試驗(yàn)設(shè)置11個2,4-D濃度梯度,每0.5 mg·L-1為一個梯度。當(dāng)2,4-D濃度為0時,種子只發(fā)芽而無愈傷組織的產(chǎn)生,添加2,4-D有愈傷組織的產(chǎn)生,可見,2,4-D對愈傷組織的誘導(dǎo)起著關(guān)鍵作用;當(dāng)2,4-D濃度為1.0 mg·L-1時,愈傷組織的誘導(dǎo)率為41.40%,均顯著高于其他濃度下的誘導(dǎo)率,并且愈傷組織呈淡黃色,顆粒狀,質(zhì)地致密,增殖速度快;當(dāng)2,4-D濃度為0.5 mg·L-1時,愈傷組織的誘導(dǎo)率為30.00%,且愈傷組織乳白色,透明狀,水漬化;當(dāng)2,4-D濃度為4.0~5.0 mg·L-1時,愈傷組織的誘導(dǎo)率很低,只有10%左右,愈傷表面有大量的毛狀根出現(xiàn),經(jīng)繼代培養(yǎng)后愈傷組織多褐化,后期很難再生??傮w而言,愈傷組織的誘導(dǎo)率隨著2,4-D濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。培養(yǎng)基中添加1.0 mg·L-12,4-D時,隴西野生草地早熟禾出愈率最高。
2.1.2 6-BA濃度對草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)率的影響 在MS培養(yǎng)基中添加1.0 mg·L-1的2,4-D和不同濃度的6-BA時,愈傷組織的誘導(dǎo)率存在明顯差異(表2)。結(jié)果表明,當(dāng)6-BA濃度為0時,愈傷組織的誘導(dǎo)率顯著高于其他濃度的誘導(dǎo)率(P<0.05)。隨著6-BA濃度的增加,愈傷組織的誘導(dǎo)率反而降低。因此,在隴西野生草地早熟禾愈傷組織的誘導(dǎo)培養(yǎng)中不宜添加6-BA。
2.2 不同激素處理對隴西野生草地早熟禾愈傷組織分化的影響
將繼代培養(yǎng)1次的愈傷組織轉(zhuǎn)移至分化培養(yǎng)基中。經(jīng)過觀察,生長狀態(tài)較好的愈傷組織5~7 d后開始出現(xiàn)綠色芽點(diǎn)(圖1-Ⅴ),即體細(xì)胞胚,20 d 后有綠色芽點(diǎn)的愈傷組織體積明顯增大,有的已分化成綠色小苗(圖1-Ⅵ)。
表1 2,4-D濃度對隴西野生草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)的影響
注:同列不同小寫字母表示在 α=0.05水平上差異顯著。下表同。
Note:Different lower case letters within the same column mean significant difference at 0.05 level. The same below.
表2 6-BA濃度對愈傷組織誘導(dǎo)的影響
在培養(yǎng)基中加入不同的激素及其濃度組合,綠苗率存在明顯差異(表3)。單獨(dú)加入6-BA能夠促進(jìn)愈傷組織的分化,并且隨著6-BA濃度的升高,綠苗率提高,由5.83%提高到9.17%。在2 mg·L-16-BA誘導(dǎo)下,綠苗率大于1 mg·L-16-BA的處理下的綠苗率,但差異不顯著(P>0.05)。
分別在0.1和0.2 mg·L-1的2,4-D基礎(chǔ)上,添加2 mg·L-16-BA,其綠苗率高于添加1 mg·L-16-BA處理下的綠苗率,前者綠苗率為19.43%~19.72%,而后者為12.86%~14.19%。在0.5 mg·L-1NAA的基礎(chǔ)上,隨著6-BA濃度的增加,綠苗率提高,但差異不顯著(P>0.05)。
在6-BA的基礎(chǔ)上添加NAA和2,4-D較之單獨(dú)使用6-BA,其綠苗率明顯提高,2,4-D和6-BA配合使用時綠苗率為單獨(dú)使用6-BA時的2.12~2.43倍,NAA和6-BA配合使用時綠苗率為單獨(dú)使用6-BA時的2.43~2.50倍。當(dāng)培養(yǎng)基中添加0.5 mg·L-1NAA+2 mg·L-16-BA時,綠苗率高達(dá)22.88%;添加0.2 mg·L-12,4-D+2 mg·L-16-BA時,綠苗率為19.72%,二者沒有顯著差異。
2.3 再生苗的生根移栽
待綠色芽點(diǎn)生長至2 cm左右時,轉(zhuǎn)至生根培養(yǎng)基中,生根培養(yǎng)基同分化培養(yǎng)基,25 d左右生根率達(dá)到100%,再生出完整的植株(圖1-Ⅶ),此時打開三角瓶口,煉苗3 d,洗去根表面的愈傷組織及培養(yǎng)基,移栽至花盆中(圖1-Ⅷ),放置在室外培養(yǎng)。
3.1 成熟種子可作為誘導(dǎo)愈傷組織的適宜外植體
大量研究表明,草地早熟禾的很多組織和器官(種子、幼穗、葉片、匍匐莖等)均能產(chǎn)生愈傷組織[13-16]。其中,幼穗作為外植體,再生率最高,被認(rèn)為是理想的外植體材料[9,14],但是,受生長季節(jié)和發(fā)育階段的影響,幼穗無法提供大量外植體,具有一定的局限性。而以草地早熟禾成熟種子誘導(dǎo)愈傷組織作為遺傳轉(zhuǎn)化受體,有取材方便、不受生長季節(jié)限制等優(yōu)點(diǎn),是目前通常采用的方法。本研究顯示,以成熟種子為外植體在植株再生方面有著良好的表現(xiàn)。
表3 不同激素配比對愈傷組織分化的影響
圖1 甘肅隴西野生草地早熟禾植株再生的各發(fā)育階段
注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ分別為從成熟種子誘導(dǎo)出愈傷組織、繼代培養(yǎng)的愈傷組織、愈傷組織水漬化、愈傷組織褐化、愈傷組織形成體細(xì)胞胚、分化出幼苗、再生出植株、移栽后的植株。
Note: Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ and Ⅷ show Callus induced from seeds, Callus subculture, Water-soaked callus, Brown callus, Somatic embryo formation, Plantlet differentiation, Plants regeneration, and Regenerated plants in pot, respectively.
3.2 外源激素對隴西野生草地早熟禾愈傷組織誘導(dǎo)的影響
影響植物組織培養(yǎng)成功的因素是多方面的,而植物激素是愈傷組織誘導(dǎo)和分化的關(guān)鍵性因素[17-19]。2,4-D作為一種常用激素,能夠誘導(dǎo)禾本科植物體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榕咝约?xì)胞,調(diào)整和平衡體內(nèi)生長素的水平,啟動細(xì)胞的分裂和胚的早期發(fā)育[20]。本試驗(yàn)中,2,4-D濃度為1.0 mg·L-1時,愈傷組織的誘導(dǎo)率為41.40%,達(dá)到最高,隨2,4-D濃度的繼續(xù)增加,愈傷組織的誘導(dǎo)率反而下降,并且愈傷組織表面出現(xiàn)毛狀根,影響愈傷組織的增殖生長和再生。而馬忠華等[10]研究表明,隨著2,4-D濃度的增加,草地早熟禾品種nuble愈傷組織的誘導(dǎo)率提高,當(dāng)2,4-D濃度為7 mg·L-1時,愈傷組織的誘導(dǎo)率高達(dá)91.1%。丁路明等[21]認(rèn)為,2,4-D和6-BA配合使用時,肯塔基草地早熟禾愈傷組織的誘導(dǎo)率要高于單獨(dú)使用2,4-D時的誘導(dǎo)率。但在本研究中,在2,4-D的基礎(chǔ)上,6-BA的加入并沒有促進(jìn)隴西野生草地早熟禾愈傷組織的形成,反而顯著降低了愈傷組織的誘導(dǎo)率,這可能與其基因型有關(guān)。不同的品種或材料,其細(xì)胞內(nèi)內(nèi)源激素水平不同,致使其再生出植株的能力有所不同[22]。植株的再生往往有賴于本身內(nèi)源激素水平和外源激素的平衡和協(xié)調(diào),在相同的外源激素刺激下,其形態(tài)的建成主要取決于植物體本身內(nèi)源激素的形成和作用濃度[23]。
3.3 外源激素對隴西野生草地早熟禾愈傷組織分化的影響
在愈傷組織的繼代培養(yǎng)過程中,保持愈傷組織的胚性是建立其高頻再生體系的前提。本研究表明,顆粒狀愈傷組織具有較好的胚性,在后續(xù)的分化培養(yǎng)中表現(xiàn)良好。
單獨(dú)使用6-BA時愈傷組織能夠分化成幼苗,2 mg·L-16-BA處理下,隴西野生草地早熟禾綠苗率為9.17%。若在2 mg·L-1的6-BA的基礎(chǔ)上添加0.2 mg·L-12,4-D和0.5 mg·L-1NAA,可以提高體細(xì)胞胚的形成率,分別為19.72%和22.88%。在其他草地早熟禾品種中也得到了相似的結(jié)論[24]。
單獨(dú)使用2,4-D,隴西野生草地早熟禾成熟的種子能夠誘導(dǎo)出愈傷組織,且愈傷組織的誘導(dǎo)率顯著高于2,4-D和6-BA配合使用時愈傷組織的誘導(dǎo)率;單獨(dú)使用6-BA能夠促進(jìn)隴西野生草地早熟禾愈傷組織的分化,并且2 mg·L-16-BA有利于隴西野生草地早熟禾愈傷組織的分化,但是綠苗率低于6-BA與2,4-D以及6-BA與NAA配合使用時的綠苗率。
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(責(zé)任編輯 武艷培)
Plant regeneration system of wild Kentucky bluegrass in Longxi, Gansu Province
YU Ling1,2,3, MA Hui-ling1,2,3
(1.College of Pratacultural, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2.Key laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education, Lanzhou 730070, China;3.Sino-U.S. Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability, Lanzhou 730070, China)
The present research studied the influence of different hormones and their concentrations on callus induction and differentiation of mature seeds from wild Kentucky bluegrass in Longxi, Gansu. Callus induction rate had significant difference (P<0.05) with different regeneration medium and with different concentrations of 2,4-D. MS medium supplemented with 1.0 mg·L-12,4-D was optimum for callus induction which had a callus induction rate of 41.40%. When 2, 4-D used alone, callus induction had higher frequency and better quality compared with the combination of 2,4-D and 6-BA. MS medium supplemented with 2 mg·L-16-BA was optimum for callus differentiation. The green plant frequency increased significantly (P<0.05) after adding 0.5 mg·L-1NAA and 0.2 mg·L-12,4-D to MS medium with 2 mg·L-16-BA which was 22.88% and 19.72%, respectively. The optimum medium for rooting differentiation was the same as the medium for callus differentiation which has 100% rooting frequency.
wild kentucky bluegrass; longxi Gansu; callus induction; differentiation; plant regeneration
MA Hui-ling E-mail: mahl@gsau.edu.cn
10.11829j.issn.1001-0629.2013-0321
2013-06-21 接受日期:2013-09-08
國家自然科學(xué)基金——草地早熟禾種間體細(xì)胞雜交的研究(31160482)
俞玲 (1987-),女,甘肅景泰人,在讀碩士生,研究方向?yàn)椴莘N質(zhì)資源及其育種。E-mail: 503379294@qq.com
馬暉玲(1966-),女(回族),甘肅蘭州人,教授,博士,研究方向?yàn)椴莘N質(zhì)資源及其育種。E-mail: mahl@gsau.edu.cn
S812;S543+.9;Q945.39
A
1001-0629(2014)06-1063-07*1