黃 磊 ,吳麗芳,何飛飛,楊春梅,余蓉培,單芹麗,阮繼偉,汪國(guó)鮮,屈云慧
(1.云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院,云南 昆明 650091;2. 玉溪云星生物科技有限公司,云南 玉溪 653100;3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國(guó)家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650205)
滿天星染色體制片技術(shù)優(yōu)化及多倍體誘導(dǎo)
黃 磊1,吳麗芳2*,何飛飛1,楊春梅2,3,余蓉培2,3,
單芹麗2,3,阮繼偉2,3,汪國(guó)鮮2,3,屈云慧3*
(1.云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院,云南 昆明 650091;2. 玉溪云星生物科技有限公司,云南 玉溪 653100;3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國(guó)家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650205)
【目的】研究滿天星染色體鑒定方法,在對(duì)主栽品種進(jìn)行染色體鑒定的基礎(chǔ)上探討滿天星多倍體育種的可行性?!痉椒ā恳詽M天星品種‘云星75’組培苗的根尖和莖尖為試驗(yàn)材料,利用壓片法比較不同材料、不同預(yù)處理方法對(duì)滿天星染色體制片效果的影響,并對(duì)4個(gè)滿天星主栽品種進(jìn)行染色體倍性鑒定,還以二倍體品種‘千萬(wàn)星’為材料進(jìn)行了多倍體誘導(dǎo)試驗(yàn)?!窘Y(jié)果】采用對(duì)二氯苯對(duì)組培苗莖尖預(yù)處理4 h是滿天星最適合的染色體制片方法,‘云星75’、‘繁星’、‘日出’為四倍體(4n=68),‘千萬(wàn)星’為二倍體(2n=34);用0.05 %的秋水仙堿浸泡處理‘千萬(wàn)星’莖段48 h,多倍體誘導(dǎo)率最高,可達(dá)16 %?!窘Y(jié)論】采用染色體加倍技術(shù)培育滿天星多倍性新品種是可行的。
滿天星;染色體;倍性鑒定,多倍體誘導(dǎo)
【研究意義】滿天星(GypsophilapaniculataL.)又名圓錐花絲石竹、錐花霞草,系石竹科絲石竹屬的雙子葉草本植物[1]。花色以白色、粉紅色為主,花序?yàn)槎缇蹅慊ㄐ騕2],是世界上主要的切花配花種類。由于滿天星重瓣栽培品種存在空花粉囊、花粉活力不足、花粉敗育等問(wèn)題,導(dǎo)致采用傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)進(jìn)行新品種培育受到很大的限制[3],滿天星累計(jì)通過(guò)歐盟申請(qǐng)保護(hù)的品種只有78個(gè),與其它花卉每年保護(hù)上百個(gè)品種相比,相對(duì)較少,這與滿天星雜交育種難有關(guān)。通過(guò)多倍體選育獲得的品種多具有花器官變大、顏色艷麗、株型較矮、抗逆性好等特點(diǎn),目前,多倍體育種已廣泛應(yīng)用于蘭花、香石竹、馬蹄蓮、非洲鳳仙等觀賞植物的育種中[5-14],也有望成為滿天星育種的一種重要手段。滿天星倍性鑒定、評(píng)價(jià)和多倍體誘導(dǎo)技術(shù)的研究和應(yīng)用,可為進(jìn)一步開(kāi)展?jié)M天星倍性育種,獲得創(chuàng)新種質(zhì)提供系統(tǒng)的技術(shù)支持?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】石竹科植物染色體普遍較小(2~3 μm),且數(shù)目較多,染色體計(jì)數(shù)和鑒定難度大,國(guó)外僅有Vittori[3]等進(jìn)行過(guò)滿天星倍性鑒定的報(bào)道,國(guó)內(nèi)至今未見(jiàn)滿天星染色體鑒定及倍性育種相關(guān)研究報(bào)道。中國(guó)在育種方面,僅見(jiàn)車代弟[10]和趙培飛[4]通過(guò)田間無(wú)性系芽變選擇獲得新品種,并報(bào)道了通過(guò)芽變選育從滿天星品種‘百萬(wàn)星’獲得新品種‘千萬(wàn)星’。 國(guó)內(nèi)滿天星市場(chǎng)流行品種很少,每年僅有4~6個(gè)。其中‘千萬(wàn)星’[4],‘日出’和‘云星75’均是通過(guò)芽變選育獲得?!颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】針對(duì)國(guó)內(nèi)滿天星倍性育種相關(guān)技術(shù)缺乏,育種技術(shù)單一,品種倍性不清等現(xiàn)狀,研究建立滿天星染色體倍性鑒定和多倍體誘導(dǎo)技術(shù)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究對(duì)滿天星染色體倍性鑒定材料選擇、預(yù)處理?xiàng)l件、多倍體誘導(dǎo)劑及濃度進(jìn)行試驗(yàn)分析,旨在建立滿天星染色體倍性鑒定和多倍體育種技術(shù)體系,為培育大花型新品種提技術(shù)支持。
1.1 植物材料
以云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所提供的4個(gè)滿天星品種‘千萬(wàn)星’、‘云星75’、‘繁星’、‘日出’的組培苗為植物材料,組培苗培養(yǎng)條件:光照強(qiáng)度2000~2500 lx,溫度(25±2)℃。其中,染色體制片技術(shù)研究中所用品種為‘云星75’,多倍體誘導(dǎo)研究品種為‘千萬(wàn)星’。
1.2 染色體制片方法研究
1.2.1 取材部位 分別切取‘云星75’組培苗生長(zhǎng)旺盛的莖尖和根尖,長(zhǎng)度約為0.5 cm,莖尖要?jiǎng)冸x至露出葉原基,根尖取生根培養(yǎng)20 d的主根。
1.2.2 預(yù)處理和制片 預(yù)處理: 對(duì)莖尖和根尖分別預(yù)處理,并對(duì)預(yù)處理方法進(jìn)行篩選,3種預(yù)處理方法分別為0.0005 mol/L 8-羥基喹琳8 h、0.1 %秋水仙素8 h、飽和對(duì)二氯苯溶液4 h。制片: 預(yù)處理后用清水浸泡30 min,再用卡諾氏固定液I固定24 h(4 ℃)。固定后用清水沖洗3次,加入1 mol/L鹽酸溶液,在水浴鍋中(60 ℃)酸解10 min,再用水浸泡10~15 min。切取根尖或者莖尖部分約0.2 cm,卡寶品紅染色12 min,用45 %乙酸沖洗。
1.2.3 染色體裝片觀察 在顯微鏡DW2000下對(duì)制備好的染色體裝片進(jìn)行觀察,選擇分裂相較多的10個(gè)視野,統(tǒng)計(jì)細(xì)胞大小和有絲分裂指數(shù)。
1.3 4個(gè)滿天星主要栽培品種的染色體倍性鑒定
采用本研究1.2中篩選出的滿天星最適染色體倍性鑒定方法對(duì)‘千萬(wàn)星’、‘云星75’、‘繁星’、‘日出’等4個(gè)滿天星主要栽培品種進(jìn)行染色體制片,統(tǒng)計(jì)不同品種染色體數(shù)目。按照李懋學(xué)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)[15]在顯微鏡下找到50個(gè)較為清晰的分裂中期細(xì)胞,其中85 %以上細(xì)胞染色體數(shù)目一致,則此結(jié)果為此材料染色體數(shù)。
1.4 滿天星多倍體誘導(dǎo)
以倍性鑒定為二倍體的品種‘千萬(wàn)星’材料,切取無(wú)菌苗帶節(jié)莖段,分別在0.2 %、0.1 %、0.05 %、0.025 %的秋水仙堿溶液(均添加0.05 %二甲基亞砜)中浸泡液24、48、72 h,每處理100個(gè)莖段,處理后轉(zhuǎn)接到增殖培養(yǎng)基MS+BA 0.5+NAA 0.1 mg/L中,20 d后統(tǒng)計(jì)死亡率(死亡株/總株數(shù)),經(jīng)倍性鑒定后統(tǒng)計(jì)變異率(變異株數(shù)/總株數(shù))。
2.1 不同預(yù)處理液對(duì)染色體形態(tài)影響
通過(guò)對(duì)‘云星75’莖尖采用不同預(yù)處理液處理后染色體形態(tài)觀察表明:滿天星適宜的預(yù)處理方法為在飽和對(duì)二氯苯溶液中處理4 h。 0.0005 mol/L的8-羥基喹啉中預(yù)處理能夠較好的顯示出染色體縊痕,但是染色體收縮不明顯,部分相與粘連(圖1A);0.1 %秋水仙素能夠明顯收縮染色體,但主縊痕和次縊痕不清晰,分散度不好,不利于觀察(圖1B);用飽和的對(duì)二氯苯處理后染色體收縮明顯,4 h可以收縮到2~5 μm,且形態(tài)清晰、分散良好(圖1C)。
表1 莖尖與根尖分生細(xì)胞比較
注: *代表數(shù)據(jù)差異顯著 (P<0.05)。
Notes:* represented significant difference between the data (P<0.05).
表2 不同滿天星品種的倍性鑒定結(jié)果
2.2 莖尖和根尖染色體制片效果比較
從表1可看出,滿天星 ‘云星75’莖尖為材料的有絲分裂指數(shù)和分生細(xì)胞大小均顯著高于根尖。莖尖中期細(xì)胞分裂相多,有絲分裂指數(shù)1.9 %,最高可達(dá)到2.4 %,顯著高于根尖,且分生細(xì)胞大小平均值為25 μm,最大達(dá)30 μm,顯著大于根尖。莖尖可作為滿天星染色體倍性鑒定材料的適宜材料。
2.3 不同品種的染色體倍性鑒定結(jié)果
將莖尖材料采用飽和對(duì)二氯苯溶液處理4 h,對(duì)4個(gè)滿天星主要栽培品種染色體數(shù)目鑒定結(jié)果見(jiàn)表2:滿天星品種‘云星75’、‘ 繁星’、‘ 日出’的染色體數(shù)均2n=4x=68,為四倍體(圖2A、2C、2D),‘千萬(wàn)星’的染色體數(shù)為2n=2x=34,為二倍體(圖2B)。通過(guò)鑒定可見(jiàn),滿天星栽培品種中以四倍體為主,只有小花型品種‘千萬(wàn)星’是二倍體。
2.4 多倍體誘導(dǎo)研究結(jié)果
2.4.1 不同處理對(duì)死亡率和誘導(dǎo)率的影響 從表3可見(jiàn),秋水仙素浸泡處理的濃度和時(shí)間均與死亡率呈正相關(guān),隨處理時(shí)間和濃度的增加,死亡率明顯增加;在處理72 h時(shí),不同濃度(0.025 %~0.2 %)的死亡率達(dá)到89 %~100 %,在處理濃度0.2 %時(shí),不同時(shí)間(24~72 h)的死亡率達(dá)到91 %~100 %。變異率在處理48 h時(shí)較好,每個(gè)處理均有變異發(fā)生,其中以在0.05 %濃度中浸泡48 h,變異率最高,達(dá)到16 %。浸泡24 h的只在濃度為0.2 %時(shí),有2 %變異率;浸泡72 h,只有濃度0.025 %時(shí)發(fā)生變異,有1 %變異率。
A:0.0005 mol/L 8-羥基喹啉預(yù)處理8 h;B:0.1 %秋水仙素處理8 h;C:飽和對(duì)二氯苯溶液處理4 hA:Pretreated for 8 h ourswith 0.0005 mol/L 8-hydroxyquinoline;B:Pretreated for 8 h with 0.1 % colchicin;C:Pretreated for 4 h with saturated p-dichlorobenezene圖1 不同預(yù)處理劑預(yù)處理后‘云星75’莖尖中期染色體形態(tài)Fig.1 Chromosome morphology of metaphase in stem tips of ‘Yun Xing 75’pretreated by different pretreatment agents
A.‘云星75’2n=68 ;B.‘千萬(wàn)星’2n=34;C.‘繁星’2n=68;D.‘日出’2n=68A.’YunXing 75’2n=68; B.’QianWanxing’2n=34; C.’Fanxing’2n=68; D.’Sunrise’2n=68圖2 4個(gè)滿天星品種的染色體數(shù)目Fig.2 The chromosome number of 4 commercial varieties of gypsophila paniculataby
處理時(shí)間(h)Treatmenttime秋水仙素濃度(%)Colchicinesconcentration處理株數(shù)(株)Numberoftreatedplant死亡數(shù)(株)Deathnumber死亡率(%)Mortality變異株數(shù)(株)Numberofvariant變異率(%)Variantrate240.0251004343000.051006161000.11008888000.2100898922480.0251004949880.05100737316160.11008383770.2100919111720.0251009292110.051009797000.1100100100000.210010010000
表4 不同處理濃度對(duì)死亡率和誘導(dǎo)率的影響
注:相同字母間數(shù)據(jù)差異不顯著。
Notes: The same letter represented insignificant difference between the data.
對(duì)秋水仙素處理濃度與死亡率和變異率關(guān)系進(jìn)行方差分析(表4)。材料死亡率在秋水仙素濃度為0.1 %和0.2 %時(shí)顯著高于濃度為0.05 %,濃度為0.05 %時(shí)也顯著高于濃度為0.025 %,0.025 %時(shí)的平均死亡率最低,為61.3 %。誘導(dǎo)率在濃度為0.05 %時(shí)最高,達(dá)到5.30 %,顯著大于其他濃度處理的誘導(dǎo)率。
浸泡處理24和48 h時(shí),材料死亡率顯著低于浸泡72 h(表5)。誘導(dǎo)率則在浸泡48 h時(shí)顯著高于浸泡24和72 h,為8.00 %。
綜上所述,在采用秋水仙素進(jìn)行滿天星加倍誘導(dǎo)時(shí),處理表5濃度為0.05 %,處理時(shí)間為48 h時(shí),處理的組合死亡率適中,變異率最高。
2.4.2 變異材料形態(tài)評(píng)價(jià) 通過(guò)對(duì)形態(tài)變異植株葉片長(zhǎng)、葉寬和節(jié)間長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量,并進(jìn)行T檢驗(yàn)結(jié)果如表6。變異植株與對(duì)照植株相比形態(tài)變化如圖3(A、B、C):葉片長(zhǎng)和寬顯著變大,節(jié)間長(zhǎng)度顯著變短,節(jié)較多且整體株型較矮,葉片顏色較深,葉片數(shù)更多。
表5 不同處理時(shí)間對(duì)死亡率、誘導(dǎo)率的影響
注:相同字母間數(shù)據(jù)差異不顯著。
Notes:The same letter represented insignificant difference between the data.
表6 對(duì)照株與變異株形態(tài)對(duì)照
注:*表示數(shù)據(jù)差異顯著。
Notes:* represented significant difference between the data.
表7 變異植株氣孔、保衛(wèi)細(xì)胞和葉綠體數(shù)目
注:*代表數(shù)據(jù)差異顯著。
Notes:* represented significant difference between the data.
2.4.3 變異植株氣孔特征比較 如表7所示,變異植株保衛(wèi)細(xì)胞寬、保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)、氣孔寬度、氣孔長(zhǎng)度、葉綠體數(shù)目都顯著高于對(duì)照植株。變異植株氣孔長(zhǎng)度平均值為對(duì)照植株的1.86倍。經(jīng)過(guò)秋水仙素處理后的形態(tài)變異植株與對(duì)照植株相比,保衛(wèi)細(xì)胞更加厚實(shí),氣孔面積更大;葉綠體數(shù)量增加、且顏色更深、飽滿(圖4)。
2.4.4 ‘千萬(wàn)星’變異材料染色體鑒定 圖5A為對(duì)照材料的染色體圖片(2n=2x=34),圖5B為誘導(dǎo)加倍后的染色體圖片(2n=4x=68)。采用秋水仙素誘導(dǎo)處理,可以獲得滿天星多倍體材料。
A:變異株(左)、對(duì)照株(右);B:變異株(左)、對(duì)照株(右);C:變異株(左)、對(duì)照株(右)A:Variant(left);contrast(right);B:Variant(left),contrast(right);C:Variant(left),contrast(right)圖3 對(duì)照植株與變異植株形態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison between contrast and variant traits of Gypsophila paniculata
A‘千萬(wàn)星’二倍體;B‘千萬(wàn)星’四倍體A.’QianWanxing’ diploid;B’QianWanxing’ tetraploid圖5 ‘千萬(wàn)星’二倍體和四體倍染色體Fig.5 Diploid and tetraploid chromosomes of’QianWanxing’
通過(guò)對(duì)滿天星不同預(yù)處理方法和不同取材部位制片的比較,發(fā)現(xiàn)采用對(duì)二氯苯處理4 h的滿天星莖尖最適合進(jìn)行染色體制片。杜鵑花科、石竹科等植物中,莖尖也常作為染色體倍性鑒定的材料[16,22]。滿天星組培苗根系發(fā)達(dá),主根不明顯、須根系多,不易獲得主根尖,而組培苗生長(zhǎng)快速,莖尖分裂活躍,通過(guò)本研究結(jié)果也看出‘云星75’莖尖的有絲分裂指數(shù)和分生細(xì)胞大小均顯著高于根尖,莖尖細(xì)胞中期分裂相多??赡苁怯捎跐M天星根尖和莖尖由不同生發(fā)層分裂而來(lái),其二者的生長(zhǎng)活躍程度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量等都存在差異[24-25]。
預(yù)處理劑既可使染色體縮緊,利于觀察,又會(huì)抑制微管蛋白組裝成紡錘絲,阻止分裂中期細(xì)胞進(jìn)入后期,預(yù)處理劑選用對(duì)制片效果影響大[17-18]。目前在細(xì)胞學(xué)研究中,研究者常使用的預(yù)處理液主要包括秋水仙素、對(duì)二氯苯、8-羥基喹啉和冰水混合物等[19],目的是獲得較多中期分裂相,使染色體盡可能分散均勻,有利于進(jìn)行染色體計(jì)數(shù)與核型分析。本研究中,‘云星75’組培苗莖尖用飽和的對(duì)二氯苯處理4 h后,染色體形態(tài)清晰,且分散良好,可作為滿天星染色體鑒定預(yù)處理液,且飽和對(duì)二氯苯溶液具有簡(jiǎn)單易制、價(jià)格低廉、不易使材料染色體加倍等優(yōu)點(diǎn)[20],已經(jīng)應(yīng)用在多種植物的染色體計(jì)數(shù)中,并且取得了較好效果[21-24]。但是,飽和對(duì)二氯苯溶液處理后的染色體縊痕不如用8-羥基喹啉處理明顯,不適合進(jìn)行核型分析的研究[25]。
Vittori等[3]對(duì)‘百萬(wàn)星’倍性鑒定表明,其為二倍體(2n=34),品種‘千萬(wàn)星’是‘百萬(wàn)星(Million starts)’的芽變品種[4],雖然‘千萬(wàn)星’在花朵大小、花瓣數(shù)上均比 ‘百萬(wàn)星’有所增加,但兩者在染色體數(shù)目和倍性上仍然保持一致。采用秋水仙素0.025 %~0.05 %處理48 h可誘導(dǎo)多倍體發(fā)生,本研究可為滿天星的倍性育種提供技術(shù)支持。
滿天星以莖尖為材料,采用對(duì)二氯苯預(yù)處理4 h可獲得形態(tài)清晰、分散良好的染色體;主栽滿天星品種‘云星75’、‘繁星’、‘日出’為四倍體(4n=68),‘千萬(wàn)星’為二倍體(2n=34);采用滿天星莖段進(jìn)行0.05 %秋水仙堿誘導(dǎo)處理48 h可獲得多倍體材料。倍性育種是滿天星新品種培育的另一有效途徑。
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OptimizationofChromosomeSectioningTechniqueandPolyploidyInductioninGypsophilapaniculata
HUANG Lei1, WU Li-fang2*,HE Fei-fei1, YANG Chun-mei2,3, YU Rong-pei2,3, SHAN Qin-li2,3, RUAN Ji-wei2,3, WANG Guo-xian2,3, QU Yun-hui3*
(1.College of Agriculture, Yunnan University,Yunnan Kunming 650091, China; 2.Yuxi Yunxing Biotech Co.,Ltd, Yunnan Yuxi 653100, China;3.Flower Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yunnan Kunming 650205, China)
【Objective】The purpose of this research was to study the identification method of chromosome number forGypsophilapaniculata, and explore the possibility of polyploidy breeding based on the identification of chromosome number for currently cultivated cultivars. 【Method】The root tips and stem tips of in vitro plantlets ofgypsophilapaniculata‘Yun Xing 75’were used as materials to study the effects of different plant materials and pretreatment methods on the chromosomes sectioning by squashing technique, then identification of chromosome ploidy for 4 cultivars ofgypsophilapaniculatawas conducted. Moreover,gypsophilapaniculata‘Qian Wan Xing’, a diploid cultivar, was used as materials to conduct the polyploidy induction. 【Result】The results showed that the in vitro plantlet stem tips pretreated with p-dichlorobenzene for 4 hours was an optimal method for chromosome sectioning ofgypsophilapaniculata. ‘Yun Xing 75’,‘Fan Xing’and‘Ri Chu’ were tetraploid (4n=68) , and ‘Qian Wan Xing’ was diploid (2n=34). With the method that stem segments of ‘Qian Wan Xing’ were soaked with 0.05 % colchicine for 48 hours, polyploidy induction rate was highest, reaching to 16 %. 【Conclusion】Polyploidy breeding was reasonable forgypsophilapaniculataby chromosome doubling.
Gypsophilapaniculata; Chromosome; Ploidy identification; Polyploidy induction
1001-4829(2017)10-2327-07
10.16213/j.cnki.scjas.2017.10.028
2016-06-10
中央財(cái)政農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與服務(wù)補(bǔ)助資金項(xiàng)目(云財(cái)農(nóng)[2016]158號(hào));云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20161A001);云南省重大專項(xiàng)(農(nóng)業(yè))(2016ZA005)
黃 磊(1992-),男,研究生,從事花卉育種研究,E-mail:282950707@qq.com,*為通訊作者:吳麗芳,E-mail:568306407@qq.com;屈云慧,E-mail: quiyunhui404@163.com。
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(責(zé)任編輯 王家銀)