荊茹月,霍 坤,李志輝
(1.中南林業(yè)科技大學 林學院,湖南 長沙 410004;2.湖南省汨羅市玉池國有林場,湖南 汨羅 414400)
香樟Cinnamomum camphoraL.為樟科樹種。是我國亞熱帶常綠闊葉林的代表種,國家二級保護的鄉(xiāng)土樹種,是天然香料提取、南方道路綠化、園林植物配置的首選樹種[1]。20世紀后期體細胞胚胎作為植物組織培養(yǎng)中的重要技術(shù)手段應用于香樟的離體培養(yǎng),在體細胞胚胎發(fā)生方面有杜麗等[2]以香樟未成熟合子胚為外植體通過誘導胚性愈傷組織產(chǎn)生完整植株。施雪萍等[3]在其基礎上進一步完善了體胚發(fā)生體系并且研究了如何保持次生胚胚性。楊柳等[4]在此基礎上研究了不同種源間香樟體細胞胚胎發(fā)生各個階段所需的激素濃度的差異。目前已建立了較為完善的香樟組織培養(yǎng)及植株再生體系,為研究香樟胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織提供了實驗材料。
植物體細胞胚胎誘導過程中會出現(xiàn)多種不同類型的愈傷組織,盡管不同的愈傷組織可以根據(jù)外觀、質(zhì)地、顏色的不同加以區(qū)別,但在體胚發(fā)生中需要快速且準確地篩選出具有胚性、能進一步增殖成熟的胚性愈傷組織。為保證體細胞胚胎發(fā)生途徑的后續(xù)步驟,對胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織進行早期識別是十分重要的環(huán)節(jié)。近年來,對于植物體胚誘導階段胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織的研究從多個方面進行展開,如對棗[5]、荔枝[6]、香榧[7]進行的組織細胞學觀察,在麻櫟[8]、楸樹[9]等樹種中進一步發(fā)展為掃描電鏡及透射電鏡觀察,以及在栓皮櫟[10]等多個樹種的體胚發(fā)生過程中的生理生化機理的研究都曾有報道。但在香樟體細胞胚發(fā)生過程中,僅有少數(shù)對于體細胞胚發(fā)生過程的切片觀察,而對胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織的掃描電鏡觀察和生理生化的研究未有報道。
本文通過對香樟4 種愈傷組織進行形態(tài)、石蠟切片及掃描電鏡觀察,從組織細胞水平對胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織作了外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異的比較;與此同時利用生物化學技術(shù),探究胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織間的可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、淀粉、抗氧化物酶含量的差異,通過兩者的生理生化差異為香樟胚性和非胚性愈傷組織的區(qū)分提供可靠的判斷依據(jù),進一步優(yōu)化誘導培養(yǎng)基的成分、提高體胚誘導率,為建立起愈傷組織的胚性發(fā)生能力與生化代謝間的關(guān)系提供了理論基礎。
2018年7月上旬,在湖南省長沙市中南林業(yè)科技大學校園內(nèi)選擇20年生,胸徑24~26 cm,長勢一致且無病蟲害的1 株香樟優(yōu)樹為材料供體,采集外表嫩綠、光滑,無明顯機械損傷,直徑在0.6 cm 左右的未成熟果實,去除果皮果肉,洗凈種子保存于4 ℃冰箱內(nèi)備用。
1.2.1 愈傷組織的誘導
選取百粒重超過130 g 的種子,流水沖洗10 min,去除浮于水面上的種子,瀝水后放入事先滅菌過的燒杯中置于超凈工作臺上,75%的酒精浸泡60 s,無菌水沖洗3 次后,轉(zhuǎn)入0.1% HgCl2溶液中搖晃滅菌8 min,無菌水沖洗3~5 次。在超凈工作臺上劃開種殼中部,取出未成熟合子胚以全胚胚根向下接種于香樟體胚發(fā)生誘導培養(yǎng)基上(MS+1.0mg/L 6-BA+0.3 mg/L 2,4-D+1.0 mg/L 鏈霉素+6.5 g/L 瓊脂+700 mg/L 水解酪蛋白+30 g/L蔗糖),14 d 轉(zhuǎn)1 次,培養(yǎng)溫度為(23±2)℃,培養(yǎng)濕度為50%~60%,pH 值調(diào)至5.8~6.0,在121 ℃下消毒滅菌20 min,采用暗培養(yǎng),每瓶接入2 個外植體,每個處理接種15 瓶,3 次重復。在接種10 d 后開始,根據(jù)顏色、形態(tài)、質(zhì)地特征,分別選取胚性和非胚性愈傷組織,作為研究的材料,并對其進行拍照記錄(圖1)。
1.2.2 愈傷組織的細胞學觀察
實驗采用常規(guī)石蠟切片[11],新鮮材料用50%酒精配制的FAA 固定液固定并用注射器進行抽氣,切片厚度為9 um;用甘油和蛋清3∶2 的比例制作粘片劑,在載玻片上按照同方向拍打蛋液,烤片并烘干;進行脫蠟和染色時,采用0.5%的固綠染色7 min,在95%的酒精中沖洗去多余的固綠,中性樹膠封片,將制作好的玻片放置于蔡司倒置顯微鏡下觀察拍照記錄。
1.2.3 愈傷組織的掃描電鏡觀察
掃描電鏡樣品的制作參照Fowke[12]的方法,挑選新鮮的胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織材料固定在4%戊二醛中4 h,經(jīng)過一系列處理,在(CPD)臨界點干燥,粘臺,離子濺射儀噴金,在SEM-500 Philips 下進行觀察拍照記錄。
1.2.4 愈傷組織的透射電鏡觀察
透射電鏡樣品的制作出去參照Fowke[12],用乙醇逐級脫水每次30 min,環(huán)氧丙烷過渡3 次,每次30 min,調(diào)節(jié)環(huán)氧丙烷∶包埋劑比例為3∶1、1∶1、1∶3 進行滲透,滲透時間分別為1、2、3 h,在純樹脂包埋劑中過夜。在恒溫箱中經(jīng)歷35 ℃~45 ℃~60 ℃分段升溫,在LKB-V 超薄切片機上切片,醋酸雙氧鈾染色,在Hitachi H-600型透射電鏡下觀察拍照。
1.2.5 愈傷組織的生理生化指標測定
可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法測定[13],稱取胚性和非胚性愈傷組織0.2 g,放入25 mL 刻度試管中,加入10~15 mL蒸餾水,塑料薄膜封口,沸水浴30 min,浸提2 次,在630 nm 波長下測其吸光度。
淀粉含量的測定[13]是向提取過可溶性糖的沉淀中加入10 mL 蒸餾水,沸水浴15 min,冷卻至室溫后加入4 mL 的9.2 mol·L-1HClO4,4 000 r/min 離心10 min,浸提2 次,在630 nm 波長下測其吸光度。
可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250 染色法[13],準確稱取胚性和非胚性愈傷組織各0.2 g,放入研缽,加入5 mL 磷酸緩沖液,冰浴中研磨成勻漿,4 000 r/min 離心10 min,浸提2 次,上清液即為蛋白質(zhì)提取液,在595 nm 處測量吸光值,計算可溶性蛋白含量。
過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)含量測定采用單一提取法,準確稱取胚性和非胚性愈傷組織各0.2 g 加入磷酸緩沖液7 mL,冰浴研磨后,轉(zhuǎn)入離心管中,并于4 ℃下12 000 r/min 離心15 min,取上清液分別進行各項酶活性測定。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑還原法測定[13],過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定[13],過氧化氫酶(CAT)活性采用還原過氧化氫的方法測定[13]。每項指標均重復測定3 次,取平均值。
利用Excel 2013 對數(shù)據(jù)進行處理,利用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析,平均數(shù)在P=0.05水平上進行鄧肯多重比較。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。
香樟未成熟合子胚接種后,子葉連接處最先誘導出愈傷組織,愈傷組織類型與激素、碳源及溫度、光照等環(huán)境因素緊密相關(guān)。依據(jù)愈傷組織形態(tài)和細胞特征可分為4 種類型(表1)。
表1 4 類愈傷組織的特征分析?Table 1 Characteristic analysis of four types of Cinnamoumum camphora callus
第1 類愈傷組織(圖1A)由1 mm 的小顆粒團塊狀組成,細胞大形態(tài)不規(guī)則,細胞壁薄,細胞內(nèi)含物少,僅含有少量的淀粉粒。愈傷組織呈灰色半透明,質(zhì)地松軟部分呈水漬化,含水量高,和母體聯(lián)系緊密,不易分離。生長速度快,能在培養(yǎng)基中多次增殖,但隨著增值次數(shù)的增多,生長速度逐漸減慢,最終褐化死亡,不能發(fā)育為體胚細胞,屬于非胚性愈傷組織。第2 類愈傷組織(圖1B)由5 mm 的大顆粒凸起組成,細胞體積大壁薄多為橢球形,細胞空泡化明顯。愈傷組織為白色不透明,質(zhì)地緊密光滑,和母體連接緊密不易分離。生長速度緩慢,在培養(yǎng)基中多次轉(zhuǎn)接并沒有很大的變化,連續(xù)轉(zhuǎn)接5 次后仍然維持原樣,隨著繼代次數(shù)的增加,白色塊狀結(jié)構(gòu)越來越緊實,不能誘導出體胚細胞,屬于非胚性愈傷組織。第3 類愈傷組織(圖1C)由2 mm 的顆粒分散組成,細胞多數(shù)已經(jīng)衰老、破碎開始解體,在少數(shù)衰老細胞中能看到淀粉粒的積累。愈傷組織為深黃色大顆粒狀,組織脆性疏松,和外植體連接十分松散不需要外力即可分離。生長速度較緩慢,生活力低下,繼代培養(yǎng)1~2 次即褐化死亡,不能誘導出體胚細胞,屬于非胚性愈傷組織。第4 類愈傷組織(圖1D)由2 mm 的球狀凸起組成,細胞壁厚質(zhì)濃、細胞體積較小、細胞內(nèi)含物多,愈傷組織整體呈現(xiàn)白色,表面散布淡黃色顆粒,愈傷組織與外植體聯(lián)系較少,生長速度較快并能多次繼代,培養(yǎng)1 個月后愈傷組織發(fā)育出肉眼可見白色子葉胚,可以誘導出體胚細胞,屬于胚性愈傷組織。
圖1 香樟愈傷組織的類型Fig.1 Types of Cinnamomum camphora callus
顯微觀察胚性愈傷組織可以看到其中有多個分化中心,分化中心內(nèi)部是胚細胞,其外部是非胚性細胞(圖2A)。胚細胞較小約為13~30 um,橢球型,排列緊密,易被染色:一種為細胞質(zhì)濃厚,細胞核位于中間,淀粉粒含量多,細胞多位于分化中心的邊緣,另一種為細胞質(zhì)濃厚,但細胞核位于邊緣且淀粉粒含量較少,該類胚性細胞一般處于分化中心的中央,推測該類胚性細胞已經(jīng)完成了初步的分化,隨后將發(fā)育成特定的胚組織(圖2B)。
分化中心周圍由于細胞質(zhì)濃厚、細胞體積大、淀粉粒含量較多、具有中央大液泡、幾乎不含有細胞器的非胚性細胞包圍,在這類非胚性細胞的外圍分布著只含有少數(shù)細胞質(zhì),除此以外幾乎不含有任何營養(yǎng)物質(zhì),細胞體積很大呈現(xiàn)空泡狀的第二種非胚性細胞(圖2C)。
圖2 香樟胚性細胞與非胚性細胞間的差異Fig.2 Differences between embryonic and non-embryonic cells of Cinnamomum camphora
從愈傷組織的掃描電鏡觀察中可以看出4 種愈傷組織表面的差異明顯,第一類愈傷組織表面細胞不飽滿大部分死亡破裂,呈雪花狀分布,表面粗糙,細胞之間結(jié)合較緊密,幾乎看不到空隙,細胞表面有大量絮狀附著物(圖3A),屬于非胚性愈傷組織;第二類愈傷組織表面細胞形成較大的凸起,形狀呈不規(guī)則的球形或橢球型,在大的凸起上分布著不明顯的小凸起,細胞之間結(jié)合較緊密,幾乎看不到空隙,其中部分的細胞老化,存在小的凹陷(圖3B),屬于非胚性愈傷組織。第三類愈傷組織表面細胞排列整齊,細胞表面有少量附著物,大部分以單個細胞存在,絕大部分細胞老化,凹陷明顯(圖3C),屬于非胚性愈傷組織。第四類愈傷組織表面細胞凸起,呈規(guī)則的顆粒狀突起或皺褶凸起,容易成團分布,大小近似,成團的細胞間結(jié)合十分緊密,而細胞團與細胞團之間存在空隙,細胞表面有少量絮狀附著物,邊緣部分表面細胞老化死亡破裂(圖3D),屬于胚性愈傷組織。
圖3 香樟愈傷組織的掃描電鏡觀察Fig.3 Scanning observation of Cinnamomum camphora callus
從愈傷組織的透射電鏡觀察圖4中可以看出4種愈傷組織間的差異明顯,第一類愈傷組織的細胞沒有明顯的形狀,細胞間排列緊密,有較大的液泡,細胞質(zhì)較少且分布在細胞四周,內(nèi)部只有零星的小物質(zhì),沒有細胞核和其它細胞器,細胞壁變形,有輕微的質(zhì)壁分離現(xiàn)象(圖4A),屬于非胚性愈傷組織。第二類愈傷組織有明顯的中央大液泡,細胞質(zhì)很少分布于細胞的邊緣,存在少量的淀粉粒及零星的小物質(zhì),沒有細胞核和其他細胞器,質(zhì)壁分離現(xiàn)象不明顯(圖4B),屬于非胚性愈傷組織。第三類愈傷組織只有少量的細胞質(zhì)和液泡,液泡皺縮,質(zhì)壁分離現(xiàn)象明顯(圖4C),屬于非胚性愈傷組織。第四類愈傷組織有濃厚的細胞質(zhì),細胞核大,核仁明顯,內(nèi)含物很豐富,在靠近細胞膜的胞質(zhì)區(qū)域里有較多的淀粉粒和線粒體,還可觀察到其內(nèi)含有淀粉粒的葉綠體,有很多脂體分布在靠近細胞膜的區(qū)域(圖4D),屬于胚性愈傷組織。
圖4 香樟愈傷組織的透射電鏡觀察Fig.4 Ultrastructure of Cinnamomum camphora callus
香樟胚性和非胚性愈傷組織的生理生化特性測定結(jié)果見表2,結(jié)果顯示第四類愈傷組織內(nèi)的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、淀粉以及抗氧化物酶(除POD 酶外)的活性均明顯高于前三類愈傷組織中各成分的含量,結(jié)合組織細胞學觀察的結(jié)果再次驗證第一類、第二類、第三類愈傷組織為非胚性愈傷組織,而第四類愈傷組織為胚性愈傷組織。
表2 香樟胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的生理生化特性測定Table 2 Physiological and biochemical characteristics of embryogenic and non-embryogenic callus of Cinnamomum camphora
香樟胚性愈傷組織的可溶性糖的含量約為非胚性愈傷組織中的3 倍,胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的可溶性糖的含量差異顯著(P<0.05),在三種非胚性愈傷組織可溶性糖的含量差異不明顯(P>0.05)。
香樟胚性愈傷組織中可溶性蛋白質(zhì)的含量顯著大于非胚性愈傷組織,兩者相差約4.7 倍。胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的可溶性蛋白含量差異顯著(P<0.05),說明香樟胚性愈傷組織可溶性蛋白含量極顯著高于非胚性愈傷組織,而在非胚性愈傷組織間三者差異不顯著(P>0.05)。
香樟胚性愈傷組織的淀粉的含量約為非胚性愈傷組織中的3.6 倍,胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的淀粉的含量差異顯著(P<0.05),而三種非胚性愈傷組織淀粉的含量差異不明顯(P>0.05)。
香樟胚性愈傷組織中過氧化氫酶(CAT)活性明顯高于非胚性愈傷組織,其活性大小約為非胚性愈傷組織的2.4 倍,胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的CAT 的含量差異顯著(P<0.05),在三種非胚性愈傷組織中CAT 的含量差異不明顯(P>0.05)。
香樟胚性愈傷組織中過氧化物酶(POD)活性非胚性愈傷組織的活性明顯高于胚性愈傷組織中POD 活性,約為胚性愈傷組織中的1.4 倍,胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的POD 酶含量差異顯著(P<0.05),而三種非胚性愈傷組織POD的含量差異不明顯(P>0.05)。
香樟胚性愈傷組織中超氧化物歧化酶(SOD)活性表現(xiàn)為胚性愈傷組織仍明顯高于非胚性愈傷組織,其活性為非胚性愈傷組織中的3 倍,胚性愈傷組織與非胚性愈傷組織的SOD 酶含量差異顯著(P<0.05),而三種非胚性愈傷組織SOD 酶的含量差異不明顯(P>0.05)。
對于胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織發(fā)生的位置來說,從圖5可以看出,非胚性愈傷組織先發(fā)生在兩片子葉的中間,向外部不斷擴增。胚性愈傷組織的發(fā)生位置有三種:一種是發(fā)生在胚根端(圖5A),直接發(fā)生方式形成的胚性愈傷組織多發(fā)生在此;第二種發(fā)生在已形成的愈傷組織的外側(cè)(圖5B),愈傷組織邊緣細胞通過有絲分裂活動形成胚性細胞,胚性細胞進一步分裂、增殖,形成顆粒團塊狀的胚性愈傷組織,位于愈傷組織外側(cè)。第三種情況較特殊是極少數(shù)非胚性愈傷組織在多次轉(zhuǎn)接接近褐化或衰退的時候其邊緣會出現(xiàn)極少量的胚性愈傷組織(圖5C),這種轉(zhuǎn)化與培養(yǎng)基中所使用的激素關(guān)系很大,外植體脫分化形成的愈傷組織體積越大,其表面的細胞受到外植體內(nèi)激素的制約越小,多次繼代后,隨著愈傷組織內(nèi)部2,4-d的積累,極少部分細胞脫分化在褐化的表面形成了胚性愈傷組織。
圖5 香樟愈傷組織的發(fā)生位置Fig.5 Location of Cinnamomum camphora callus
本研究通過對4 種愈傷組織進行組織細胞學觀察、掃描電鏡觀察可以看出,不同愈傷組織的組織學形態(tài)不同,其細胞學觀察也存在著明顯的差異。這與蒙古黃榆[14]、柑橘[15]、黃山欒樹[16]等木本植物的研究結(jié)果類似。掃描電鏡的結(jié)果與香雪蘭[17]、西洋參[17]、人參[17]、光棘豆[17]的研究結(jié)果類似。但在對楸樹[9]的研究中還發(fā)現(xiàn)紫色愈傷組織表面細胞呈現(xiàn)線形條紋,以及楸樹褐色愈傷組織及麻櫟非胚性愈傷組織表面細胞形態(tài)為長條形,這在香樟的掃描電鏡觀察中還沒有發(fā)現(xiàn),可能是由于樹種間的不同和培養(yǎng)基中的激素種類、濃度引起愈傷組織的發(fā)育情況不同造成的。
本研究通過對4 種愈傷組織進行組織細胞學觀察、掃描透射電鏡觀察可以看出,胚性愈傷組織細胞質(zhì)濃,細胞核大,細胞器豐富,而非胚性愈傷組織只有大液泡和稀薄的細胞質(zhì),幾乎不含有細胞器,本研究與在石刁柏[18]、楸樹[9]、山杏[19]、早實核桃[20]中得到的結(jié)果類似。
研究表明淀粉含量是決定胚胎發(fā)生能力的關(guān)鍵因素,在對馬唐愈傷組織的組織學研究中可以得出,胚性組織中淀粉粒含量是非胚性中的10~40 倍[21]。這與本研究的結(jié)果相符。
有關(guān)體細胞胚發(fā)生中胚性和非胚性組織中可溶性蛋白質(zhì)含量已有大量的研究報道,其中胚性愈傷組織代謝活性明顯高于非胚性。對連香樹[22]等植物體細胞胚的研究過程中發(fā)現(xiàn)胚性愈傷組織的可溶性蛋白質(zhì)含量和合成速率遠高于非胚性愈傷組織。鄭曉峰等[17]對西洋參、香雪蘭、光棘豆和人參4種植物的胚性、非胚性愈傷組織及胚狀體的可溶性蛋白進行了分析,結(jié)果表明,這4 種植物的胚性愈傷組織中可溶性蛋白含量遠遠超過非胚性愈傷組織.這與本研究中香樟的胚性愈傷組織的可溶性蛋白含量大約是非胚性的4.7 倍的結(jié)果相符。
可溶性糖含量水平標志著源端的同化物供應能力和庫端對同化物的轉(zhuǎn)化、利用能力[23]。在本實驗中,香樟胚性愈傷組織可溶性糖含量顯著高于非胚性愈傷組織,這與Neves 等[24]在甘蔗、孟姣等[10]在栓皮櫟中的研究相符,表明胚性愈傷組織新陳代謝速率高于非胚型愈傷組織,高濃度的可溶性糖為胚性愈傷組織產(chǎn)生體細胞提供能量。而在張獻龍等[25]對陸地棉的研究以及李茜等[26]在對白皮松體細胞胚的研究發(fā)現(xiàn)表明其胚性愈傷組織中可溶性糖含量會接近或低于非胚性愈傷組織,這是因為胚性愈傷組織已經(jīng)將可溶性糖轉(zhuǎn)化成誘導體細胞胚所需的RNA 和蛋白質(zhì)。因此取樣的時間不同很可能會導致胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織的可溶性糖含量的差異。
抗氧化酶常作為植物生理代謝活動的指標酶,其活性的變化可以反映出外植體生理代謝水平的變化及胚胎發(fā)育情況[27]。一般認為,POD 在體胚誘導階段起主要作用,而SOD 和CAT 在體胚的發(fā)育和成熟中發(fā)揮主要作用[28]。杜虹等[29]研究大白菜子葉培養(yǎng)過程中觀察到,再分化時期POD 活性較高,酶的反應活躍。崔凱榮等[30]測定枸杞的體胚發(fā)生中發(fā)現(xiàn),抑制SOD 活性后,體胚發(fā)生頻率會降低,抑制CAT 活性后,體胚發(fā)生頻率會升高。本實驗結(jié)果與上述結(jié)果類似:胚性愈傷組織中SOD、CAT 酶的活性均高于非胚性愈傷組織,且POD 酶的活性在胚性愈傷組織中占有主要作用,說明胚性愈傷組織細胞的適應性、抗逆性強于非胚性愈傷組織,為誘導出體細胞胚做好了準備。
在本研究中已經(jīng)從組織學、細胞學以及生理生化三個方面分析了香樟胚性愈傷組織和非胚性愈傷組織之間的差異,在但對體細胞胚胎發(fā)生過程中的特異性蛋白、同工酶的活性未做更深層次的研究。之后的研究過程中還可以繼續(xù)分析測定完整的體細胞胚胎發(fā)生過程中的生理生化特性以及蛋白質(zhì)的動態(tài)變化,找出體細胞胚胎發(fā)生的分子標志物,對體細胞胚胎發(fā)生發(fā)育過程進行調(diào)控,更深入的揭示體細胞胚胎發(fā)生的分子機理。