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        離體條件下2種除草劑誘導(dǎo)瀘定百合多倍體的比較研究

        2015-07-04 09:21:58周玲云高素萍
        西北植物學(xué)報(bào) 2015年7期

        周玲云,鄧 敏,高素萍

        (四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院,成都611130)

        植物新品種的選育是一個(gè)長(zhǎng)期漫長(zhǎng)的過(guò)程,采取組織培養(yǎng)技術(shù)與化學(xué)誘變技術(shù)相結(jié)合的途徑能夠縮短育種年限。這一技術(shù)在天山雪蓮[1]、菊花[2]等植物中已獲得成功。除了利用傳統(tǒng)的秋水仙素作為多倍體誘導(dǎo)劑外[3],除草劑類的誘變劑應(yīng)用越來(lái)越受到重視。除草劑類物質(zhì)一般通過(guò)抑制微管組裝從而干擾細(xì)胞分裂,因此也可以用作植物多倍體的誘導(dǎo)劑[4]。氟樂靈和二甲戊靈是一種新型除草劑,由于其與植物蛋白親和力高、動(dòng)物蛋白親和力低,從而具有誘導(dǎo)植物多倍體效率高、環(huán)境污染小的特點(diǎn),用此類除草劑已在大蒜[5]、毛新楊[6]、馬蹄蓮[7]等植物中成功獲得多倍體。為保護(hù)野生瀘定百合種質(zhì)資源以及培育優(yōu)良新品種,本試驗(yàn)選用價(jià)格低廉的氟樂靈和二甲戊靈作為誘變劑,從細(xì)胞學(xué)上鑒定其加倍效果,并從形態(tài)、氣孔特征上比較其誘導(dǎo)效果,為生產(chǎn)上尋求一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用可靠的育種方法。

        1 材料和方法

        1.1 材 料

        試驗(yàn)材料為瀘定百合組織培養(yǎng)的無(wú)菌生根苗的不定芽。為保證2種試劑處理結(jié)果的可比性,材料均選擇同一批次,培養(yǎng)基為MS+1.0mg/L 6-BA+0.15mg/L NAA+30g/L 蔗糖+7g/L 瓊脂,pH 5.8,溫度(25±1)℃,培養(yǎng)條件為光周期12h/d,光照強(qiáng)度為1 500~2 000lx。

        1.2 方 法

        1.2.1 多倍體誘導(dǎo)方法 根據(jù)預(yù)備試驗(yàn),設(shè)置氟樂靈(乳油480g/L,鎮(zhèn)江建蘇農(nóng)藥化工有限公司)和二甲戊靈(乳油330g/L,江蘇龍燈化學(xué)有限公司)的誘導(dǎo)濃度,采用溶液浸泡法處理材料。浸泡前選取不定芽,剪去葉片,切成大小相同(0.3cm×0.3 cm)的小塊。誘變?nèi)芤壕?jīng)過(guò)濾滅菌,設(shè)置二甲戊靈和氟樂靈(避光)溶液的濃度均為100、200和300 μmol/L,處理時(shí)間設(shè)置為12、24和36h,用無(wú)菌水和質(zhì)量百分比濃度為0.1%秋水仙素(99%Wolsen秋水仙素粉末)作為對(duì)照。每種誘變劑9個(gè)處理組合,每種組合處理90個(gè)外植體,放置搖床上輕輕搖動(dòng),使其與溶液充分接觸。處理完畢用無(wú)菌水沖洗4~5次,轉(zhuǎn)入培養(yǎng)基(MS+1.0mg/L 6-BA +0.15 mg/L NAA +30g/L蔗糖+7g/L 瓊脂,pH 5.8)繼續(xù)培養(yǎng),待長(zhǎng)勢(shì)恢復(fù)良好,得到完整植株后,用莖尖進(jìn)行染色體倍性鑒定。

        同時(shí),統(tǒng)計(jì)形態(tài)變異率。與對(duì)照相比,以株高、葉片厚度和寬窄、葉色等為指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。計(jì)算公式:

        形態(tài)變異率=形態(tài)變異株數(shù)/各處理總數(shù)×100%

        死亡率(%)=死亡數(shù)/接種數(shù)×100%

        死亡數(shù)指接種35d后死亡的總不定芽數(shù),形態(tài)變異株數(shù)指接種35d后誘變的總不定芽數(shù)。

        1.2.2 多倍體鑒定 (1)形態(tài)特征比較:待各處理植株長(zhǎng)出3片新葉(大約45d),選取對(duì)照和多倍體植株各20株,用游標(biāo)卡尺測(cè)定其葉長(zhǎng)、葉寬(葉片中間最寬部位)、葉厚(葉片中間最厚部位),每指標(biāo)數(shù)據(jù)連續(xù)測(cè)3次,取其平均值作為葉形指數(shù)(葉長(zhǎng)/葉寬)計(jì)算值。

        (2)細(xì)胞學(xué)鑒定:處理后,待植株長(zhǎng)出新根,切取對(duì)照與形態(tài)變異明顯植株約2mm 長(zhǎng)根尖,采用根尖細(xì)胞染色體計(jì)數(shù)法進(jìn)行倍性鑒定。具體方法:采用植物染色體常規(guī)壓片法,上午9:00~10:00選取生長(zhǎng)旺盛的1cm 左右長(zhǎng)新根,用0.05%秋水仙素室溫處理2h后,卡諾固定液(無(wú)水乙醇∶冰醋酸=3∶1)在4℃冰箱中固定24h。取出用蒸餾水洗凈,放入60 ℃的水浴鍋中預(yù)熱好的1mol/L 鹽酸解離液中解離8min后洗凈。改良卡寶品紅染液染色3 min,壓片、顯微鏡(上海光學(xué)XSP-15CA 顯微鏡,下同)鏡檢、鑒定、攝像。

        (3)葉片氣孔特征的觀察:誘變處理后第16~24周,撕取加倍苗與對(duì)照苗各20株的葉片下表皮制片。具體方法是:上午9:00~10:00,取頂部完全展開的葉子,用鑷子撕取下表皮置于載玻片上,加蓋玻片,在目鏡帶測(cè)微尺的普通顯微鏡下取3個(gè)視野測(cè)氣孔長(zhǎng)度、氣孔寬度、氣孔密度、保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度,觀察氣孔與倍性的關(guān)系,明確氣孔是否可作為多倍體快速鑒定的一個(gè)重要指標(biāo)。每個(gè)樣品測(cè)定3片葉,每葉重復(fù)觀測(cè)3次,計(jì)算平均值,統(tǒng)計(jì)并在4倍和10倍顯微鏡下攝影。

        1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)處理的顯著性;用LSD 法進(jìn)行處理間多重比較。用Microsoft Excel 2010制作圖表。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 2種除草劑誘導(dǎo)下瀘定百合的死亡率與形態(tài)變異率

        與對(duì)照(CK)相比,二甲戊靈的不同濃度及浸泡時(shí)間均能使瀘定百合產(chǎn)生一定程度的變異。以形態(tài)變異作為初步統(tǒng)計(jì)指標(biāo),隨二甲戊靈誘變濃度的提高,不定芽死率也明顯提高,部分不定芽變黑,生長(zhǎng)緩慢或死亡。本試驗(yàn)中考慮到在此濃度時(shí)形態(tài)變異植株生長(zhǎng)良好且變異率較高,可以確定二甲戊靈誘變不定芽的適宜濃度和處理時(shí)間為300μmol/L+36h,氟樂靈誘變不定芽的適宜濃度和處理時(shí)間為200μmol/L+36h(表1)。

        同時(shí)試驗(yàn)還表明:氟樂靈誘變后大部分瀘定百合不定芽恢復(fù)生長(zhǎng)與增殖均較困難,繼續(xù)培養(yǎng)容易出現(xiàn)褐化現(xiàn)象,并最終死亡,而二甲戊靈沒有發(fā)生此類現(xiàn)象(圖版Ⅰ,1A、1B)。與對(duì)照相比,秋水仙素的各不同處理也能產(chǎn)生一定程度變異。處理后生長(zhǎng)7 d左右一切正常,生長(zhǎng)到14d左右就開始出現(xiàn)“爛心現(xiàn)象”,其腐爛部分為褐色(圖版Ⅰ,1C)。且隨著濃度和時(shí)間的增加這種現(xiàn)象就出現(xiàn)的越早、越嚴(yán)重,這可能是秋水仙素對(duì)試管苗產(chǎn)生了毒害。在秋水仙素處理濃度和處理時(shí)間的最佳組合研究中,以秋水仙素濃度0.1%處理24h誘變率高達(dá)34.4%為宜,但死亡率已達(dá)40.0%(表1)。

        就2 種除草劑與秋水仙素處理的誘變效果比較,形態(tài)變異率差異并不顯著,但死亡率無(wú)論從整體還是個(gè)體上,都表現(xiàn)出秋水仙素處理比2種除草劑高,最高濃度處理相同時(shí)間秋水仙素死亡率高出除草劑處理17.3%。綜合3種誘變劑對(duì)瀘定百合處理后不定芽死亡率和形態(tài)變異率等各項(xiàng)指標(biāo)的分析結(jié)果,初步認(rèn)為,氟樂靈、二甲戊靈對(duì)植物傷害較小,但變異率可達(dá)到秋水仙素處理效果。

        2.2 多倍體的鑒定

        2.2.1 細(xì)胞學(xué)鑒定 二甲戊靈誘變處理后,產(chǎn)生形態(tài)變異的總168株,氟樂靈處理后形態(tài)變異177株,秋水仙處理后形態(tài)變異194株,抽取各組形態(tài)變異數(shù)的30%進(jìn)行染色體制片分析。取變異株與對(duì)照株根尖進(jìn)行染色體制片觀察,結(jié)果表明:經(jīng)二甲戊靈、氟樂靈和秋水仙素處理后,植物根尖染色體數(shù)目加倍,具有四倍體(2n=4x=48)染色體數(shù)特征(圖版Ⅰ,2A~2D)。部分變異植株同時(shí)存在二倍體和四倍體,或是非整倍體細(xì)胞,這是多倍體嵌合現(xiàn)象。

        2.2.2 形態(tài)特征比較 經(jīng)細(xì)胞學(xué)鑒定后,對(duì)四倍體植株與無(wú)菌水對(duì)照植株(非加倍二倍體)的形態(tài)學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),四倍體植株的株型矮化,莖粗壯,葉色濃綠,葉片較大、肥厚,葉邊呈不規(guī)則卷翹、皺縮,生長(zhǎng)較為緩慢。圖版Ⅰ,3A~3D 和表2是處理后生長(zhǎng)45d的二倍體與四倍體植株形態(tài)比較。

        表1 2種除草劑對(duì)不定芽死亡率與材料形態(tài)變異率的影響Table1 Effects of two herbicides on death rate and variation rate of Lilium sargentiae

        表2 瀘定百合二倍體與形態(tài)變異植株葉片特征比較Table2 Comparison of L.sargentiaeleaf trait between diploid and morphological variation plants

        表3 瀘定百合二倍體與四倍體植株氣孔差異比較Table3 Differences of stomata between diploid and tetraploid L.sargentiae

        比較2種誘變劑與秋水仙素處理形態(tài)指標(biāo)的差異,結(jié)果顯示不顯著,但前者處理后約15d就可逐漸恢復(fù)生長(zhǎng),而后者需要20d左右,個(gè)別還有爛心現(xiàn)象,表明秋水仙素對(duì)植物材料的傷害更大。

        2.2.3 氣孔特征的比較 2種誘變劑處理與秋水仙素處理后氣孔特征均表現(xiàn)出相似性,且無(wú)顯著差異,因此,本特征比較僅選擇二甲戊靈處理后葉片的氣孔特征為代表(圖版Ⅰ,4A~4D、表3)。與二倍體植物氣孔特征相比(圖版Ⅰ,4A、4B),四倍體植株的氣孔(圖版Ⅰ,4C、4D)明顯增大得多,厚度增加也明顯,且有些氣孔的外形不規(guī)則,四倍體氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞大小不一(圖版Ⅰ,4C),沒有二倍體氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞(圖版Ⅰ,4A)那樣均勻,同一物鏡下數(shù)量明顯減少,且同一個(gè)變異株同一個(gè)部位的氣孔大小等特征也表現(xiàn)得不盡相同,這種現(xiàn)象一般為嵌合體現(xiàn)象。由此,氣孔的變化可以作為多倍體快速鑒定的一個(gè)重要指標(biāo),其鑒定過(guò)程方便又快捷。

        3 討 論

        3.1 誘變劑的選擇

        氟樂靈和二甲戊靈作為誘變劑在大蒜[5]、辣椒[8]、甜瓜[9]、小麥[10]等植物育種中都有應(yīng)用,而在百合中的應(yīng)用報(bào)道極少,僅有封紫采用氟樂靈誘導(dǎo)百合2n花粉的研究。與秋水仙素相比,硝基苯胺類除草劑除具有低毒價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn),且在本實(shí)驗(yàn)中,誘導(dǎo)瀘定百合不定芽產(chǎn)生多倍體(四倍體)要優(yōu)于秋水仙素。此外,2種誘變劑誘導(dǎo)的多倍體無(wú)論在細(xì)胞學(xué)上還是在氣孔特征上,均表現(xiàn)出相似性,這與前人的研究大致相似?;诖耍婵紤]兩種誘變劑在生產(chǎn)中的安全性,成本及效果,可將二甲戊靈、氟樂靈作為秋水仙素的替代品在育種生產(chǎn)中應(yīng)用。

        3.2 倍性的早期鑒定

        染色體計(jì)數(shù)法是鑒定倍性最可靠的方法之一,但難度較大,不易得到典型制片。有學(xué)者用掃描細(xì)胞光度儀早期檢測(cè)倍性,但成本昂貴,不易普及[11]。Sari等[12]認(rèn)為根據(jù)保衛(wèi)細(xì)胞的大小、單位面積上的氣孔數(shù)及保衛(wèi)細(xì)胞中葉綠體數(shù),可以有效區(qū)分倍性。本實(shí)驗(yàn)中四倍體植株與二倍體相比,單位面積的氣孔數(shù)量,氣孔大小都有顯著差異。因此,進(jìn)一步驗(yàn)證了Sari的方法,將氣孔特征作為瀘定百合多倍體初步快速鑒定的有效方法。

        3.3 處理時(shí)間與誘變劑濃度的確定

        至于誘變劑處理的適宜時(shí)間,以處理材料完全被浸透,并有足夠的藥量進(jìn)入生長(zhǎng)點(diǎn)細(xì)胞為宜。一般來(lái)說(shuō),處理幼嫩的組織,如萌動(dòng)的種子及幼苗,處理的濃度要低,處理的時(shí)間不少于24h。劉歡等[13]在用二甲戊靈離體誘導(dǎo)虎眼萬(wàn)年青多倍體實(shí)驗(yàn)中,二甲戊靈濃度為800μmol/L,處理時(shí)間為24h,最高變異率達(dá)46.67%;而趙曉潘[14]通過(guò)氟樂靈浸泡半枝蓮腋芽48h誘導(dǎo)染色體加倍的最適濃度為20 μmol/L,變異率為64.7%。說(shuō)明二甲戊靈、氟樂靈藥液易于進(jìn)入虎眼萬(wàn)年青、半枝蓮、百合等草本植物生長(zhǎng)點(diǎn),從而易獲得加倍材料。

        確定誘變劑適宜的濃度要綜合考慮誘變的效果和對(duì)外植體的傷害程度,一般以半致死劑量為參考[15-16]。Bhagwat等[17]則認(rèn)為通過(guò)半致死劑量確定適宜的誘變濃度并不是絕對(duì)合適的,還要綜合考慮處理后材料的恢復(fù)情況、增殖率和再生情況。本試驗(yàn)結(jié)果不單一考慮變異率,在同等變異率下,還結(jié)合考慮了致死率、恢復(fù)時(shí)間及其恢復(fù)效果。因此,對(duì)瀘定百合多倍體誘導(dǎo),誘變劑二甲戊靈300μmol/L與氟樂靈200μmol/L是一個(gè)綜合各指標(biāo)后相對(duì)適宜的濃度。

        3.4 嵌合體問(wèn)題

        試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),誘變劑處理后直接誘導(dǎo)成功的多倍體大部分均為嵌合體,這與鄭思鄉(xiāng)等[18]研究結(jié)果相同。嵌合體是多倍體育種中一個(gè)普遍出現(xiàn)而又難以解決的問(wèn)題,根據(jù)喬永剛等[19]的論述,這可能是因?yàn)檠恐兴屑?xì)胞分裂的時(shí)間不同步,當(dāng)幼芽附著有誘變劑溶液時(shí),正在分裂的細(xì)胞就發(fā)生了加倍,變成四倍體細(xì)胞,而此期間該組織中一直處于G0期的細(xì)胞沒有發(fā)生分裂,繼續(xù)保持著原來(lái)的二倍體形式。一旦解除了誘變劑的抑制作用,誘導(dǎo)后的芽中各種倍性的細(xì)胞(包括尚未加倍的二倍體細(xì)胞)就保持競(jìng)爭(zhēng)性分裂狀態(tài)。嵌合體的分離是多倍體育種中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于嵌合體中同時(shí)存在著二倍體和更高倍性的細(xì)胞,倍性高的細(xì)胞自身復(fù)制和蛋白質(zhì)合成速度永遠(yuǎn)不及二倍體細(xì)胞快,因此加倍了的細(xì)胞分裂速度就放慢,若不及時(shí)分離,就會(huì)使組織中的多倍體細(xì)胞逐漸被二倍體細(xì)胞排擠或“淹沒”,目前應(yīng)用最多的方法是通過(guò)組織培養(yǎng)技術(shù)不斷切割繼代轉(zhuǎn)接再鑒定來(lái)得到純合多倍體,分離嵌合體。

        總之,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,2種除草劑在適宜的濃度和時(shí)間處理下都能誘導(dǎo)瀘定百合試管苗產(chǎn)生多倍體,由原來(lái)的二倍體變?yōu)樗谋扼w。從形態(tài)、結(jié)構(gòu)與染色體三個(gè)層次上與傳統(tǒng)誘變劑秋水仙素誘變結(jié)果無(wú)顯著差異。因此,綜合比較成本、對(duì)植物及人的毒性,二甲戊靈和氟樂靈可替代秋水仙素作為誘變劑誘導(dǎo)瀘定百合多倍體,是生產(chǎn)中值得推廣的誘變劑。

        圖版Ⅰ 1A.氟樂靈處理后的褐化現(xiàn)象;1B.二甲戊靈處理植株;1C.秋水仙素處理后的“爛心現(xiàn)象”;2A.二倍體(2n=24);2B.二甲戊靈加倍處理(2n=48);2C.秋水仙素加倍處理(2n=48);2D.氟樂靈加倍處理(3n=36);3A.左2株為對(duì)照植株,右4株為二甲戊靈處理后變異植株;3B.左為對(duì)照葉片,右為氟樂靈處理后變異葉片;3C.左5株為秋水仙素處理后變異植株,右2株為對(duì)照植株;4A、4B.二倍體氣孔(二甲戊靈處理);4C、4D.四倍體氣孔(二甲戊靈處理);每個(gè)刻度為1μm。PlatesⅠ Fig.1A.The browning phenomenon by trifluralin;Fig.1B.The pendimethalin treatment plants;Fig.1C.The“rotten heart phenomenon”by colchicine treatment;Fig.2A.Diploid(2n=24);Fig.2B.Chromosome doubled by pendinmethalin(2n=48);Fig.2C.Chromosome doubled by colchicines(2n=48);Fig.2D.Chromosome doubled by trifluralin(3n=36);Fig.3A.Left two of the control plants,right four of the variation pendimethalin treatment plants;Fig.3B.Left two of the control leaf,right two of the trifluralin mutation leaves after treatment;Fig.3C.Left five of the variability colchicine treatment plants,right two of the control plants;Fig.4A,4B.Diploid stomata(conducted by pendinmethalin);Fig.4C,4D.Tetraploid stomata(conducted by pendinmethalin);each scale indicates 1μm.

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