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        油葵嫁接及其在離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因中的應(yīng)用

        2016-10-20 14:40:30焦展安勝軍邵鐵梅
        江蘇農(nóng)業(yè)科學 2016年7期
        關(guān)鍵詞:油葵嫁接轉(zhuǎn)基因

        焦展 安勝軍 邵鐵梅

        摘要:以油葵為試材,用實生苗砧木和接穗進行嫁接試驗,比較斜接、插接、劈接和合接4種方法以及不同品種、苗齡的砧木、嫁接后綁縛方法的嫁接效果,并試驗離體培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因接穗嫁接效果。結(jié)果表明,劈接法最為適宜,砧木選用在1對真葉期和2對真葉期的恢復系嫁接效果較好;嫁接后用棉線繩綁縛,濕報紙包裹,最后用嫁接夾固定,實生嫁接成活率可達80%以上。采用子葉節(jié)侵染和去1片子葉侵染2種轉(zhuǎn)基因方法,獲得轉(zhuǎn)基因陽性接穗經(jīng)壯苗培養(yǎng)后嫁接,得到完整植株的成活率可達60%和81.11%,明顯高于用生根移栽的方法和直接嫁接的方法,而且嫁接植株能夠正常開花結(jié)籽。從結(jié)果可以看出,劈接法為油葵最適宜的嫁接方法,可顯著提高離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因研究中獲得完整植株的概率,且能夠應(yīng)用于油葵基因工程育種研究中。

        關(guān)鍵詞:油葵;嫁接;劈接法;離體培養(yǎng);轉(zhuǎn)基因

        中圖分類號: S565.504.3;S339.4+5 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)07-0143-04

        嫁接技術(shù)是一門應(yīng)用廣泛的園藝技術(shù),也是近年來基因工程育種研究領(lǐng)域的常用技術(shù)之一[1-2]。油葵即油用向日葵(Helianthus annuus L.),是我國乃至世界重要的油料作物。向日葵離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因方面的研究已有幾十年的歷程[3]。通過基因轉(zhuǎn)化將有益基因?qū)胱魑锸强共?、抗蟲和抗逆育種的有效手段,同時也是轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥用蛋白不可缺少的重要基礎(chǔ)[4-6]。然而,多年來在向日葵離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因研究中發(fā)現(xiàn),油葵離體培養(yǎng)和遺傳轉(zhuǎn)化研究中常遇到諸如離體生根困難,移栽成活率低,再生或轉(zhuǎn)化植株易早花敗育、結(jié)實困難等問題[7-8]。這些問題已成為該植物轉(zhuǎn)基因研究中獲得完整植株并繁育后代的嚴重障礙[3]。已有研究指出,利用嫁接可獲得完整轉(zhuǎn)基因植株[4,9-13]。但是關(guān)于油葵嫁接的具體技術(shù)方面的研究還未見報道。本試驗詳述了一種油葵嫁接新技術(shù),可有效解決這一難題,為油葵離體培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因研究中獲得完整植株開辟了新的途徑。同時,該技術(shù)也適用于其他栽培研究方面,能夠為向日葵遠緣雜交、品種改良等研究提供新的方法。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 試驗材料 本試驗以羅馬尼亞“精選”恢復系為試材,進行離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究。在嫁接試驗中砧木選用羅馬尼亞“精選”恢復系(種子由河北省半干旱研究中心提供)和雜交種“矮大頭”(從種子公司購買),接穗選用 “精選”恢復系及其離體培養(yǎng)材料。

        1.1.2 培養(yǎng)基 種子萌發(fā)培養(yǎng)基MS+0.1 mg/L 6-BA,去1片子葉離體培養(yǎng)基:MS+0.1 mg/L 6-BA。子葉節(jié)再生培養(yǎng)基MS+B5有機物+肌醇0.1 g/L+KNO3 5 g/L+水解酪蛋白0.5 g/L+6-BA 1.0 mg/L+IAA 0.07 mg/L+TIBA 0.02 mg/L+苯丙氨酸5.0 mg/L+AgNO3 7.0 mg/L。培養(yǎng)基中含蔗糖30 g/L,瓊脂7.0 g/L,pH值5.8。

        1.1.3 試劑 所用試劑購自上海生工公司;培養(yǎng)土為北京大漢公司培養(yǎng)土,與蛭石1 ∶ 1混合。

        1.2 方法

        1.2.1 油葵的離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因 油葵去1片子葉再生和轉(zhuǎn)化:油葵種子消毒后,放于培養(yǎng)基中萌發(fā)3~4 d,用解剖刀去掉1片子葉并劃傷生長點部位。將制備好的外植體放于預先制備好的農(nóng)桿菌(含有胰島素基因)懸菌液中浸泡0.5~1 h,共培養(yǎng)3 d。然后轉(zhuǎn)入含卡那霉素(Kan) 50 mg/L和頭孢霉素(Cef) 250 mg/L篩選培養(yǎng)基中篩選3周得到抗性芽,每周更換1次培養(yǎng)基。最后取葉片經(jīng)PCR檢測,結(jié)果為陽性的抗性芽用于嫁接。

        油葵子葉節(jié)的離體再生和轉(zhuǎn)化:油葵種子消毒后,置于無菌瓶中,搖床振蕩培養(yǎng)6 h(135 r/min,27 ℃)。在超凈工作臺上用解剖刀將種子2片子葉分開,適當去除1 mm左右胚軸,并確保去除生長點和幼芽,最后切除子葉遠離生長點的1/2部分,剩余部分作為離體再生的外植體。侵染方法同上。侵染后3 d轉(zhuǎn)入含Cef 250 mg/L的再生培養(yǎng)基中生長10 d,然后轉(zhuǎn)入含Kan 50 mg/L 和Cef 250 mg/L篩選培養(yǎng)基中篩選3周,每周更換1次培養(yǎng)基。最后將得到的抗性芽取葉片作PCR檢測,結(jié)果為陽性的用于嫁接。

        轉(zhuǎn)基因方法由農(nóng)桿菌介導,使用的菌株為含有胰島素基因的LBA4404。PCR檢測所用引物序列為:上游引物5′-CGGGGTACCTCGTCTAAATTTCAGCCTATCGACG-3′;下游引物5′-CGAGCTCTTAGTTGCAGTAATTTTCTAG-3′。

        1.2.2 接穗和砧木的選擇 接穗的準備方法:挑選健壯種子播種,待幼苗長至1對真葉時取上胚軸以上部位作為接穗供嫁接使用。離體培養(yǎng)的再生芽和轉(zhuǎn)基因試驗中的陽性芽也作為接穗使用。

        砧木的準備方法:將油葵種子(品種為羅馬尼亞“精選”恢復系和雜交種“矮大頭)用濕播法播種于10 cm營養(yǎng)缽里,每穴1株。用子葉期至2對真葉期的幼苗在子葉節(jié)處、上胚軸處或1對真葉和2對真葉的莖節(jié)之間切去上半部位丟棄,余下部分作為砧木。

        1.2.3 嫁接方法的比較 本試驗比較4種嫁接方法(圖1),砧木切割部位均為第1對真葉以上2.0~3.0 cm處,并將以上部位除去,4種嫁接方法分別為:(1)斜接法,挑選莖粗相近的接穗和砧木,在接穗的下端和砧木的上端均斜向削出 10 cm 左右等長的平整斜面,將兩斜面對接整齊。(2)插接法,取尖銳竹簽從砧木橫截面上插孔,將接穗下端削成適合砧木凹槽和深度的形狀,插入砧木孔中。(3)劈接法,用鋒利刀片于砧木莖中間豎直劈開1.0 cm左右的切口;在接穗下端削出兩面各1.0 cm長的斜面,將接穗插入切開的砧木,使二者的形成層部分對齊。(4)合接法[14],自上而下將砧木的莖削成平滑的斜面,斜面長度為 1.0~1.5 cm,自斜面順莖中軸垂直將莖切開至斜面底部,切口深度0.5~1.0 cm。將接穗削成與砧木同樣大小的斜面并沿中軸垂直切開,刀口深度 0.5~1.0 cm。將砧木和接穗內(nèi)切面部位的莖相互交錯插至切面底部。統(tǒng)計嫁接后5、10 d成活率,每種嫁接方法試驗30株,重復3次。

        1.2.4 砧木不同苗齡和不同品種的比較 砧木不同品種和苗齡的試驗采用6個處理,分別為子葉期恢復系、1對真葉期恢復系、2對真葉期恢復系、子葉期“矮大頭”、1對真葉期“矮大頭”和2對真葉期“矮大頭”。接穗均為恢復系實生植株的1對真葉期的頂芽。每處理30株,重復3次,嫁接后10 d統(tǒng)計成活率。

        1.2.5 嫁接綁縛和嫁接后的管理 嫁接綁縛的4種方法相比較:(1)用棉線繩綁縛接口,并用保鮮膜保濕;(2)用濕報紙包裹接口并用嫁接夾固定;(3)用濕報紙包裹接口并用棉線繩綁縛固定;(4)用濕報紙包裹、棉線繩綁縛,最后用嫁接夾固定。每處理30株,重復3次。嫁接后,用保鮮袋覆蓋植株,并保證每天開袋透氣2次,每次10 min左右,并噴水保濕。5 d 后拆除綁縛和嫁接夾,但仍需注意保濕,循序漸進摘除保濕袋,7~10 d后檢查嫁接成活。14 d后將嫁接成活株移至大盆。

        1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

        嫁接后5~10 d觀察傷口愈合情況和生長狀態(tài),統(tǒng)計嫁接苗成活率,計算平均值。數(shù)據(jù)用DPS進行統(tǒng)計分析,方法為鄧肯氏新復極差法,顯著水平為α=0.05。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同嫁接方法的嫁接效果

        本試驗為更科學地比較4種嫁接方法的優(yōu)劣,用“精選”恢復系實生苗接穗進行嫁接試驗。嫁接后5 d成活率分別為:斜接法和劈接法成活率較高,分別為84.44%和88.89%,而插接法和合接法成活率較低,分別為60.00%和62.22%。而嫁接后10 d統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示劈接法成活率最高(82.22%),是油葵嫁接最理想的方法,其次為斜接法62.22%,而插接法和合接法成活率較低,分別為33.33%和37.78%(圖2)。通過與非嫁接苗的生長狀況進行比較,嫁接后10 d,嫁接苗長勢明顯偏弱,生長速度緩慢,但經(jīng)過20 d左右的生長,砧木和接穗結(jié)合良好后,嫁接苗會迅速生長,最終與非嫁接苗相比,莖肝略細,花盤略小,可正常結(jié)實,籽粒飽滿。

        2.2 砧木品種和苗齡對嫁接的影響

        本嫁接試驗用“精選”恢復系作為接穗,比較了同品種砧木和雜交種“矮大頭”2種砧木對嫁接的影響。結(jié)果表明,“精選”恢復系的嫁接成活率明顯高于“矮大頭”的嫁接成活

        率,說明砧木“矮大頭”與接穗的親和力較差。而比較不同苗齡對嫁接的影響,1對真葉期和2對真葉期的恢復系砧木嫁接效果最好,成活率均高于80%,且兩者沒有顯著性差異。因此,本研究中其他試驗均選用1對至2對真葉期的恢復系實生苗作為嫁接砧木使用(圖3)。

        2.3 綁縛方法對嫁接成活率的影響

        試驗結(jié)果表明,用棉線繩綁縛并用保鮮膜保濕的方法在4種方法中成活率最低,僅為11.11%;而報紙保濕并用嫁接夾固定和報紙保濕用棉線繩固定2種方法的成活率沒有顯著性差異,分別為38.89%和42.22%;成活率最高的綁縛方法為,用棉線繩綁縛,然后用報紙保濕最后用嫁接夾再次固定。這種方法嫁接成活率顯著高于其他方法,成活率為84.44%(圖4)。

        2.4 離體培養(yǎng)再生苗或轉(zhuǎn)基因苗的嫁接

        2.4.1 離體培養(yǎng)再生芽或轉(zhuǎn)基因芽的獲得 侵染后的子葉節(jié)外植體3~5 d開始吸水膨脹,10 d左右可用肉眼觀察到在子葉節(jié)處有膨脹的芽點。多數(shù)情況下芽點出現(xiàn)在子葉節(jié)處,后期分化出再生芽。去1片子葉實生株經(jīng)農(nóng)桿菌侵染后,10 d 后也可見新的幼芽萌發(fā)。通過2種方法,并經(jīng)過3次抗生素篩選,均可得到抗性芽,PCR結(jié)果如圖5所示。將陽性芽作為接穗嫁接于砧木上,成活后即可初步得到完整的轉(zhuǎn)基因植株。

        2.4.2 離體培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因芽的嫁接 預試驗研究中發(fā)現(xiàn),通過子葉節(jié)和去1片子葉的轉(zhuǎn)化方法,獲得轉(zhuǎn)基因芽后進行生根移栽以期獲得完整植株,成活率相當?shù)停?0%和17.78%)。即使獲得完整植株,植株瘦弱,早花現(xiàn)象嚴重,幾乎不能獲得種子。依靠嫁接技術(shù)獲得完整植株,成活率可達40%和 56.67%。而嫁接前,對接穗進行壯苗培養(yǎng),將轉(zhuǎn)基因陽性芽移至不含Kan的培養(yǎng)基中,并在培養(yǎng)基中添加少量的PP333,培養(yǎng)7 d,然后開瓶鍛煉3 d。結(jié)果表明,經(jīng)壯苗培養(yǎng)的接穗嫁接成活率明顯高于直接嫁接的接穗,成活率可達60%和 81.11%(圖6)。

        由子葉節(jié)和去1片子葉2種方法轉(zhuǎn)化得到的轉(zhuǎn)基因芽,經(jīng)過壯苗培養(yǎng)和開瓶鍛煉,作為接穗,采用劈接法嫁接于實生苗砧木,10 d后接口愈合良好,20 d后莖稈變粗生長迅速,35 d 后可開花,最終能夠獲得種子(圖7)。

        3 討論與結(jié)論

        本試驗系統(tǒng)研究了油葵嫁接技術(shù),并將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因研究中獲得了完整的轉(zhuǎn)基因植株,并能夠開花結(jié)籽。嫁接技術(shù)能夠提高離體培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因苗的成活率,這和前人研究結(jié)果[15-16]一致。研究結(jié)果顯示,劈接法為油葵最適宜的嫁接方法。這與王彥霞等、吳慎杰等在棉花上的結(jié)果[14,16]不同。原因可能與植物本身生長特性和生理狀態(tài)相關(guān)。棉花幼苗的莖

        較粗較硬,而油葵幼苗的莖較為纖細柔嫩,因此,適宜棉花的合接法對于油葵來說,操作不便,操作過程過長會造成莖的失水萎蔫,不利于接口愈合。而劈接法操作簡便,且更為直觀,容易使接口形成層對準,因而更利于接口愈合[17-18]。但有研究指出,嫁接成活后砧木和接穗可能會相互影響,還有可能發(fā)生遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移[1,19-20],本研究未做探討,有待進一步深入研究。

        需要注意的是,在嫁接傷口愈合前,砧木和接穗都靠自身的養(yǎng)分積累提供營養(yǎng)物質(zhì)[1,19]。因此,砧木和接穗在嫁接前需要去除多余的葉片,以減少養(yǎng)分的消耗。研究中比較了4種不同的嫁接后綁縛方式。棉線繩、保鮮膜和嫁接夾都具有一定的固定功能,保鮮膜和報紙則用來對接口進行保濕。保鮮膜保濕效果較好,但容易造成接口處通氣不良,接口易壞死。而棉線繩綁縛并用濕報紙保濕,既能起到良好地固定作用使接口較好的接合,又能使接口處于濕潤狀態(tài),由于每天噴水并開袋透氣,所以保濕效果良好,接口愈合快。另外,嫁接夾不可過緊,否則影響接口養(yǎng)分運輸,造成結(jié)合不良。嫁接時可將嫁接夾的環(huán)放松一點,以能夠固定嫁接綁縛物并且莖稈接口處不變形為準,可達到良好的效果。

        該嫁接技術(shù)可顯著提高離體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因研究中獲得完整植株的概率,且嫁接后的轉(zhuǎn)基因植株能夠正常開花結(jié)實。該方法可應(yīng)用于油葵基因工程育種研究中。

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