李春玲, 楊世海
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130118)
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水飛薊組織培養(yǎng)的研究進(jìn)展
李春玲, 楊世海*
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130118)
對(duì)水飛薊組織培養(yǎng)中外植體來(lái)源、愈傷組織誘導(dǎo)、再生植株誘導(dǎo)、毛狀根誘導(dǎo)以及組織培養(yǎng)物中活性成分等方面進(jìn)行了綜述,以期為解決水飛薊的資源需求以及以組織培養(yǎng)為基礎(chǔ)的基因與代謝工程研究提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。
水飛薊;組織培養(yǎng);愈傷組織;毛狀根
水飛薊Silybummarianum(L.)Gaertn.又名水飛雉、奶薊、老鼠筋,為菊科水飛薊屬植物,以其干燥成熟果實(shí)入藥[1-2],原產(chǎn)于南歐、北非,在歐洲作為治療肝膽疾病的民間用藥已有2 000多年歷史[3]。1952年,北京植物園從英國(guó)引進(jìn)做觀賞植物栽培,1972年由中國(guó)土產(chǎn)畜產(chǎn)進(jìn)出口公司天津土產(chǎn)分公司從德國(guó)引種作為藥用植物栽培[4]。研究發(fā)現(xiàn),水飛薊素具有較強(qiáng)的抗氧化功能,能保護(hù)肝臟細(xì)胞免受自由基破壞;促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成,加快制造新的肝臟細(xì)胞,或使已受損的肝臟細(xì)胞自行修復(fù)。因此被稱為“天然的保肝藥”。除具有預(yù)防和治療肝膽疾病外,還具有抗氧化、抗輻射、抗腫瘤、提高免疫力等功能[5-8]。水飛薊素已被FDA作為營(yíng)養(yǎng)品和治療攝入肝臟毒性的藥物收錄。除藥用價(jià)值外,水飛薊在油料、飼料、蜜源、觀賞及食品保健等方面也有廣泛應(yīng)用。
水飛薊是近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)新發(fā)展的一個(gè)藥材品種,目前國(guó)內(nèi)數(shù)十家制藥廠用來(lái)提取水飛薊素,主要出口德國(guó)、美國(guó)、日本,用于制藥和用作食品添加劑,年需求水飛薊原料5萬(wàn)t左右。國(guó)內(nèi)有些藥廠用以制成治療肝病的藥品如水飛薊素膠囊、水飛薊賓膠囊、水飛薊賓葡甲胺片等[9]。雖然利用微生物和化學(xué)方法可以人工合成藥用化合物,但其價(jià)格昂貴,有副作用[10]。人們?cè)噲D通過(guò)多種手段來(lái)解決水飛薊資源問(wèn)題。藥用植物組織培養(yǎng)技術(shù)作為中藥生物工程的核心內(nèi)容之一,在藥用植物的資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面具有重要作用。目前,藥用植物細(xì)胞的大量培養(yǎng)主要用來(lái)生產(chǎn)藥物和次生代謝物質(zhì),如抗癌藥物、生物堿等。關(guān)于水飛薊生物技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外都有研究,但國(guó)外研究較多。藥用植物的細(xì)胞培養(yǎng),克服了藥用植物生長(zhǎng)緩慢、有效成分積累有限、種植季節(jié)限制等問(wèn)題。筆者對(duì)近20年的水飛薊組織培養(yǎng)研究進(jìn)行綜述, 以期為水飛薊組織培養(yǎng)研究提供參考和理論指導(dǎo)。
研究表明,在對(duì)水飛薊進(jìn)行離體培養(yǎng)時(shí),最常用的外植體材料為水飛薊種子無(wú)菌培養(yǎng)后所獲得的無(wú)菌苗。水飛薊的種皮上常附有各種微生物, 其種皮內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)生菌,一旦被帶入培養(yǎng)基,即會(huì)迅速繁殖滋生,造成感染,培養(yǎng)失敗,因此,培養(yǎng)前通常需進(jìn)行消毒處理,以提高其發(fā)芽率,避免污染。無(wú)菌苗培養(yǎng)一般是挑選成熟飽滿的水飛薊種子,在超凈工作臺(tái)內(nèi)用溫水浸泡20~60 min后,用無(wú)菌水沖洗3次,70%~75%乙醇消毒30~60 s,無(wú)菌水沖洗3次,再用0.1%~0.5%HgCl2浸泡1~7 min,無(wú)菌水沖洗5次;或者將30%左右的次氯酸鈉替換HgCl2浸泡20 min。最后用滅菌濾紙將種子表面的水分吸干,接種在MS固體培養(yǎng)基中,置于溫度(26±2)℃、光強(qiáng)強(qiáng)度2 000 lx、光照時(shí)間12 h/d的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d左右,萌發(fā)水飛薊無(wú)菌幼苗。
在誘導(dǎo)水飛薊愈傷組織時(shí),常用水飛薊無(wú)菌苗的葉、莖、根部作為外植體材料。生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素在水飛薊愈傷組織誘導(dǎo)過(guò)程中共同起決定性作用,單一細(xì)胞分裂素不能誘導(dǎo)水飛薊產(chǎn)生愈傷組織。因此,多以NAA、6-BA和ZT等激素混合協(xié)同作用,在25 ℃、黑暗條件下誘導(dǎo)愈傷組織的發(fā)生。但不同研究者對(duì)以上具體條件的報(bào)道有所差異。
傅瑜[11]研究發(fā)現(xiàn),不同外植體誘導(dǎo)情況存在明顯差異。將水飛薊的莖、葉、根為外植體材料,接種于MS+NAA 1.0 mg/L+ 6-BA 1.0 mg/L+ZT 1.5 mg/L和MS+ZT1 1.5 mg/L+NAA 1.0 mg/L的固體培養(yǎng)基上誘導(dǎo)愈傷組織。其中,莖的誘導(dǎo)率是100%,葉的誘導(dǎo)率是95%,根的誘導(dǎo)率是60%,莖的愈傷組織為乳白色,半透明,是較好的誘導(dǎo)愈傷的材料,葉黃綠色,表面光滑,是較好的愈傷增殖材料。
姜婷婷[12]研究認(rèn)為,以B5為基本培養(yǎng)基,根為外植體接種后無(wú)明顯的分化跡象,節(jié)部、葉片和節(jié)間在B5+1.0 mg/L NAA+0.5 mg/L 6-BA+0.5 mg/L ZT培養(yǎng)基中可以誘導(dǎo)出不同程度的愈傷組織團(tuán)塊。其中,葉片誘導(dǎo)出的愈傷組織增殖最快。
姜鴻運(yùn)等[13]對(duì)水飛薊愈傷組織懸浮培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基種類對(duì)水飛薊細(xì)胞增長(zhǎng)量具有明顯的作用,MS培養(yǎng)基最有利于水飛薊懸浮細(xì)胞增長(zhǎng)量的大幅增加,其次為B5、N6、White。
Cacho等[14]研究發(fā)現(xiàn),生長(zhǎng)10 d的水飛薊幼苗在pH 5.6的MS+1 mg/L 2,4-D +0.5 mg/L BA固體培養(yǎng)基上暗培養(yǎng)30 d誘導(dǎo)出水飛薊愈傷組織。
Rady等[15]研究發(fā)現(xiàn),水飛薊誘導(dǎo)愈傷組織的最佳培養(yǎng)基為MS+0.25 mg/L 2,4-D+0.25 mg/L KT,愈傷組織增殖的最佳培養(yǎng)基為MS+0.25 mg/L BA+0.25 mg/L NAA。
Guinea等[16]研究發(fā)現(xiàn),黑暗條件下在MS+0.1 mg/L 2,4-D+0.1 mg/L KT固體培養(yǎng)基中能獲得質(zhì)地疏松的愈傷組織,也是建立細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的最佳培養(yǎng)基。Bekheet等[17]以葉片、葉柄和莖段作為外植體,在MS培養(yǎng)基中添加5 mg/L KT+0.5 mg/L IAA誘導(dǎo)愈傷組織,以葉片為外植體誘導(dǎo)率最高。研究還發(fā)現(xiàn),在5 mg/L KT+ 0.5 mg/L IAA + 0.1 mg/L GA3培養(yǎng)基中培養(yǎng)的愈傷組織能得到最大的生長(zhǎng)量。Becker等[18]研究發(fā)現(xiàn),用NAA和KT組合也能誘導(dǎo)出愈傷組織,但這些愈傷組織的存活時(shí)間不超過(guò)90 d。
在節(jié)部和節(jié)間外植體愈傷組織的誘導(dǎo)過(guò)程中,愈傷組織形成速度較慢,21~28 d后所形成的團(tuán)塊也較小。經(jīng)繼代培養(yǎng)后,生長(zhǎng)速度明顯加快。3種誘導(dǎo)愈傷組織培養(yǎng)基的誘導(dǎo)率由高到低依次為1/2MS、MS、改良white,節(jié)部外植體愈傷組織的誘導(dǎo)率高于節(jié)間外植體。ZT對(duì) NAA與BA的綜合效果可能有一定的促進(jìn)作用[19]。
研究表明,水飛薊根組織的分化程度較高,葉和莖組織分化程度較低,最易脫分化,產(chǎn)生愈傷組織。在誘導(dǎo)愈傷組織的試驗(yàn)中,水飛薊葉和莖是較為理想的材料,根組織分化程度較高,脫分化產(chǎn)生愈傷組織困難。這說(shuō)明誘導(dǎo)水飛薊愈傷組織常用的基本培養(yǎng)基為MS。
1900年,Stewart等[20]第一次提出“毛狀根(hairy root)”的概念。1977年,Ackermann[21]首先成功地用發(fā)根農(nóng)桿菌侵染高等植物獲得毛狀根。直到20世紀(jì)80年代,毛狀根培養(yǎng)體系作為基因工程和細(xì)胞工程相結(jié)合的一項(xiàng)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前,已有近百種藥用植物成功誘導(dǎo)出毛狀根,其中,大部分為草本植物,也有少量木本及藤本植物。水飛薊毛狀根培養(yǎng)體系國(guó)外研究最早,文獻(xiàn)報(bào)道也最多。
Rahnama等[22]和Kim等[23]以胚軸、幼苗葉和子葉為外植體,在pH 5.8的MS培養(yǎng)基上預(yù)培養(yǎng)3 d。預(yù)培養(yǎng)后的外植體浸入發(fā)根農(nóng)桿菌ATCC15834菌液侵染10 min,然后用無(wú)菌濾紙擦干,共培養(yǎng)3 d后,轉(zhuǎn)移至含有250 mg/L頭孢噻肟的MS培養(yǎng)基中培養(yǎng)28~35 d,產(chǎn)生水飛薊毛狀根。另一種方法是在整個(gè)苗期使用胰島素注射器將發(fā)根農(nóng)桿菌菌液注射在下胚軸。毛狀根主要從外植體的切割面出現(xiàn),長(zhǎng)至4~5 cm后進(jìn)行分離,在黑暗中以無(wú)激素的MS液體培養(yǎng)基為繼代培養(yǎng)基,在25 ℃、搖床轉(zhuǎn)速130 r/min黑暗條件下,每14 d繼代一次。
Bekheet等[17]用發(fā)根農(nóng)桿菌A4侵染水飛薊子葉10 min,在28 ℃黑暗條件下,搖床轉(zhuǎn)速為100 r/min的MS培養(yǎng)基上培養(yǎng)21~28 d,獲得大量水飛薊毛狀根。研究表明,不同年齡段的外植體均表現(xiàn)出不同比例的毛狀根誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化率,用新鮮的水飛薊葉片為外植體誘導(dǎo)毛狀根轉(zhuǎn)化率更高。
Rahnama等[22]研究發(fā)現(xiàn),用發(fā)根農(nóng)桿菌AR15834接種水飛薊下胚軸、子葉和葉片,接種7~10 d后,在外植體受傷的部位誘導(dǎo)出水飛薊毛狀根。其中,150個(gè)子葉外植體接種,28 d后經(jīng)β-葡萄糖醛酸染色鑒定有45(30%)個(gè)水飛薊毛狀根成功誘導(dǎo)。水飛薊下胚軸誘導(dǎo)率為7.9%,子葉為21.6%,采用注射的方法對(duì)整株水飛薊植物體的誘導(dǎo)率為20%。
張淑麗[24]采用R15834、R1601、R1000、1025、A4、R1 6種發(fā)根農(nóng)桿菌對(duì)水飛薊的根、葉片、莖段3種外植體進(jìn)行誘導(dǎo),結(jié)果6種發(fā)根農(nóng)桿菌都能夠侵染并產(chǎn)生毛狀根。發(fā)根農(nóng)桿菌A4、1601、15834、R1和1025誘導(dǎo)率具有顯著性差異(P<0.05),其中,A4誘導(dǎo)率最高(84.83%)。莖段只有A4、1601、15834 3種發(fā)根農(nóng)桿菌誘導(dǎo)產(chǎn)生毛狀根,其中,1601的誘導(dǎo)率最高(20.00%)。葉片只有A4、1025和R1 3種發(fā)根農(nóng)桿菌能夠誘導(dǎo)毛狀根,其中,A4誘導(dǎo)率最高(29.00%)。6種發(fā)根農(nóng)桿菌中,A4菌株能夠成功誘導(dǎo)水飛薊根段、莖段、葉片3部分產(chǎn)生毛狀根,其中,根段誘導(dǎo)產(chǎn)生的毛狀根誘導(dǎo)率高,分枝多,證實(shí)A4發(fā)根農(nóng)桿菌侵染水飛薊根段產(chǎn)生毛狀根為最佳方法。
利用發(fā)根農(nóng)桿菌對(duì)水飛薊的下胚軸、子葉、葉片、莖段、根進(jìn)行毛狀根的誘導(dǎo),均能獲得毛狀根。國(guó)內(nèi)外研究表明,大多以發(fā)根農(nóng)桿菌AR15834和A4為誘導(dǎo)水飛薊毛狀根所用菌液。水飛薊毛狀根無(wú)論是預(yù)培養(yǎng)、共培養(yǎng)還是繼代培養(yǎng)幾乎均采用MS為基本培養(yǎng)基。
植物體外形態(tài)受到多種因素的影響,如外植體初始類型、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、培養(yǎng)條件、基因型與營(yíng)養(yǎng)成分。導(dǎo)致整個(gè)植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生、芽的形成及根的產(chǎn)生即獲得再生植株的途徑主要有2個(gè):直接產(chǎn)生植物再生器官過(guò)程,沒(méi)有形成愈傷組織的中間階段;間接培養(yǎng)成愈傷組織,再分化成再生植株。而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素之間的配比是形成不定芽和不定根最主要的方法。
Pierik[25]研究表明,6-BA對(duì)獲得水飛薊直接再生器官有很強(qiáng)的作用,KT和NAA配合使用能更有效地獲得愈傷組織,進(jìn)而形成再生植株。MS培養(yǎng)基中添加1 mg/L 6-BA+2 mg/L NAA能獲得水飛薊不定芽,2 mg/L KT+2 mg/L NAA配比可以更好地獲得愈傷組織。Abbasi等[26]研究表明,將同種外植體轉(zhuǎn)移至MS+2.0 mg/L GA3+1.0 mg/L NAA培養(yǎng)基中,30 d后獲得較多數(shù)量的再生芽組織器官。John等[27]研究表明,在添加2 mg/L NAA+1.5 mg/L BA的培養(yǎng)基上,水飛薊愈傷組織全部轉(zhuǎn)化成不定芽。
劉四清等[28]將1 cm長(zhǎng)的無(wú)菌苗下胚軸置于MS+0.5 mg/L 6-BA+0.8 mg/L NAA+水解酪蛋白200 mg/L的固體培養(yǎng)基上誘導(dǎo)愈傷組織,隨后轉(zhuǎn)移至MS+0.8 mg/L NAA+2.0 mg/L 6-BA的分化培養(yǎng)基上,分化出不定芽后將芽從愈傷組織表面切下移入MS+0.5 mg/L NAA+0.1 mg/L IBA+200 mg/L水解酪蛋白的固體培養(yǎng)基上誘導(dǎo)生根。得到的完整植株用自來(lái)水沖洗除去瓊脂,并浸泡1 d,移栽至土壤中。
姜婷婷[12]研究發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)不定芽最適培養(yǎng)基組合為B5+1.0 mg/L NAA+0.5 mg/L 6-BA,而誘導(dǎo)培養(yǎng)不定根的最適培養(yǎng)基為B5+1.0 mg/L NAA。
Bekheet等[17]研究表明,以葉片為外植體直接獲得再生芽器官的最佳培養(yǎng)基為1 mg/L 6-BA+2 mg/L NAA,相同的外植體在2 mg/L KT+2 mg/L NAA的培養(yǎng)基上間接形成芽器官。為了進(jìn)一步研究器官形成和試管苗增殖的能力,以葉片為外植體在MS培養(yǎng)基中添加6-BA、KT、NAA不同組合的培養(yǎng)基,經(jīng)過(guò)35 d的培養(yǎng),獲得直接(芽)和間接(愈傷組織)再生器官組織。結(jié)果發(fā)現(xiàn),直接和間接芽器官的形成主要取決于培養(yǎng)基中加入生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。培養(yǎng)基中含有NAA和6-BA更適合直接芽的形成。然而,KT和NAA組合是形成間接器官最合適的激素種類。在此培養(yǎng)基中愈傷組織培養(yǎng)35 d后變成綠色,顯示出器官親葉和莖形態(tài),在1 mg/L 6-BA+2 mg/L NAA的培養(yǎng)基中直接器官發(fā)生的比例高達(dá)60%。在添加2 mg/L KT+2 mg/L NAA培養(yǎng)基中有50%間接器官形成。
水飛薊再生植株我國(guó)研究較早,但文獻(xiàn)報(bào)道較少,只有在20世紀(jì)90年代有一些研究,且研究?jī)?nèi)容不包括再生植株的水飛薊素含量測(cè)定。水飛薊愈傷組織誘導(dǎo)及再生植株分化培養(yǎng)基多以MS為基本培養(yǎng)基,也有少部分用B5培養(yǎng)基。
Cacho等[14]對(duì)水飛薊體外培養(yǎng)體系研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞懸浮培養(yǎng)和愈傷組織培養(yǎng)中水飛薊素積累量高于植物子葉中水飛薊素的含量。Alikaridis等[29]對(duì)水飛薊毛狀根與未轉(zhuǎn)化的植物根部進(jìn)行檢測(cè)和鑒定,發(fā)現(xiàn)未轉(zhuǎn)化的根部含有水飛薊賓、異水飛薊賓、水飛薊亭、水飛薊寧;水飛薊毛狀根中含有異水飛薊賓、水飛薊亭、水飛薊寧。
Iqbal等[30]以葉、莖尖、莖段為外植體獲得水飛薊再生幼苗,經(jīng)測(cè)定再生植株中水飛薊賓的含量高于原植物。將試管苗移栽至土壤中,隨著栽培時(shí)間和培養(yǎng)基成分的不同,水飛薊賓的產(chǎn)量也隨之變化。培養(yǎng)56 d后水飛薊賓達(dá)最高積累量。
Rahnama等[22]建立水飛薊毛狀根培養(yǎng)的8種體系并測(cè)定了水飛薊素各個(gè)黃酮類化合物的積累量,與未轉(zhuǎn)化的根進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),水飛薊毛狀根產(chǎn)生的水飛薊賓含量為0.007 mg/g DW、異水飛薊賓為0.011 mg/g DW、水飛薊亭為0.041 mg/g DW、水飛薊寧為0.042 mg/g DW和花旗松素為0.009 mg/g DW。這均明顯高于水飛薊根部含量。其中,水飛薊素最高產(chǎn)量為1.000 mg/g DW。
Rady等[15]對(duì)不同基因型水飛薊愈傷組織中水飛薊素含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明,水飛薊愈傷組織中水飛薊亭含量在0.09~2.01 mg/g,水飛薊寧為0.02~0.25 mg/g,水飛薊賓為0.01~0.61 mg/g,總水飛薊素最高積累量達(dá)2.1 mg/g。
Alikaridis等[29]對(duì)生長(zhǎng)28 d的水飛薊植物注射發(fā)根農(nóng)桿菌產(chǎn)生的毛狀根與相同生長(zhǎng)齡的水飛薊植物根部黃酮類化合物進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)水飛薊植物根部主要含有的黃酮類化合物為水飛薊賓17.9%和水飛薊亭8.1%,水飛薊誘導(dǎo)的毛狀根中含量最多的黃酮類化合物為異水飛薊賓17.7%。
Alikaridis等[29]研究結(jié)果與其他研究者有所差異,這可能是由于用HPLC洗脫時(shí)間不同有關(guān),洗脫時(shí)間減少有可能導(dǎo)致單峰合并,所以水飛薊毛狀根中黃酮類化合物只檢測(cè)到異水飛薊賓、水飛薊亭、水飛薊寧。
該研究對(duì)水飛薊的組織培養(yǎng)進(jìn)行了歸納和總結(jié),對(duì)水飛薊組織培養(yǎng)過(guò)程中外植體來(lái)源及預(yù)處理、愈傷組織誘導(dǎo)、再生植株誘導(dǎo)、毛狀根誘導(dǎo)以及組織培養(yǎng)產(chǎn)物中活性成分4個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)與分析。隨著水飛薊組織培養(yǎng)的發(fā)展,以望通過(guò)懸浮細(xì)胞培養(yǎng)或者毛狀根培養(yǎng)來(lái)直接生產(chǎn)水飛薊賓、水飛薊素黃酮等活性化合物;培養(yǎng)再生植株,與大田栽培相結(jié)合,旨在培育出單位面積產(chǎn)量更高的水飛薊品種。
目前,水飛薊組織培養(yǎng)過(guò)程中仍存在許多問(wèn)題,如水飛薊毛狀根和愈傷組織中生產(chǎn)的黃酮類化合物比水飛薊種子中的含量低,需要尋求一種新的方法來(lái)提高毛狀根中黃酮木脂素類化合物的生產(chǎn)水平。但隨著水飛薊組織培養(yǎng)的深入研究,以期這些問(wèn)題能得到解決,為以后其他研究的開展奠定基礎(chǔ)。
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Research Progress of Tissue Culture ofSilybummarianum(L.) Gaertn.
LI Chun-ling, YANG Shi-hai*
(College of Chinese Medicinal Materials, Jilin Agricultural University, Changchun, Jilin 130118)
We summarized the explant source, callus induction, regeneration induction, hairy roots induction and active components in tissue culture ofSilybummarianum(L.) Gaertn.This research aimed to provide theoretical and technical guidance for the resource demand ofS.marianumand the genetic and metabolic engineering research based on tissue culture.
Silybummarianum(L).Gaertn.; Tissue culture; Callus; Hairy roots
吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目 (20126046)。
李春玲(1990- ),女,吉林長(zhǎng)春人,碩士研究生,研究方向:中藥學(xué)。*通訊作者,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事中藥生物技術(shù)方面的研究。
2016-05-07
S 503.53
A
0517-6611(2016)17-187-03