李鳳云,蔡興奎,盛萬民,王立春,田國奎,婁樹寶,徐洪巖,王海艷,姜俊鳳
(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院,黑龍江克山161606;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院,湖北武漢430070;
3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種研究所,黑龍江哈爾濱150086)
遺傳育種
二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng)及對(duì)葉肉原生質(zhì)體融合的影響
李鳳云1*,蔡興奎2,盛萬民3,王立春1,田國奎1,婁樹寶1,徐洪巖1,王海艷1,姜俊鳳1
(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院,黑龍江克山161606;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院,湖北武漢430070;
3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種研究所,黑龍江哈爾濱150086)
以35份二倍體馬鈴薯試管苗為試驗(yàn)材料,對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗培養(yǎng)的影響因素進(jìn)行研究,目的是使試管苗的葉片增大,葉面積增加,并有利于進(jìn)行葉肉原生質(zhì)體的融合。結(jié)果表明:含有AgNO3的培養(yǎng)基(MS +0.5 mg∕L NAA+1 mg∕L AgNO3)適合22份供試二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng);添加AgNO3比不添加AgNO3的試管苗的葉片明顯增大,葉面積顯著增加,添加2%蔗糖和2 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基的試管苗葉面積最大;以二倍體野生種S.chacoense和二倍體材料DY4-5-10為親本進(jìn)行電融合,以添加2%蔗糖和1 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基培養(yǎng)其試管苗,獲得的融合產(chǎn)物可再生出完整植株,該培養(yǎng)基適合用于分離原生質(zhì)體的二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng)。
二倍體馬鈴薯;AgNO3;葉肉原生質(zhì)體融合
二倍體馬鈴薯野生種、栽培種含有抗病蟲害、霜凍、干旱和病毒的基因,同時(shí),由普通四倍體栽培種經(jīng)花藥培養(yǎng)誘導(dǎo)出的雙單倍體品系具有早熟、高產(chǎn)和高淀粉等優(yōu)良農(nóng)藝性狀,它們均是重要的馬鈴薯育種材料。但在常規(guī)育種應(yīng)用方面存在一定困難。利用原生質(zhì)體培養(yǎng)及細(xì)胞融合將野生種資源及雙單倍體所具有的優(yōu)良性狀引入栽培種,并定向聚合有益基因是現(xiàn)代育種的重要途徑之一,但該技術(shù)受基因型的影響較大,能夠再生的基因型有限。
研究發(fā)現(xiàn),供體的生理狀態(tài)對(duì)原生質(zhì)體培養(yǎng)很重要,Shepard[1]建議用于分離原生質(zhì)體的馬鈴薯植株必須生長在光、溫、濕可控的條件下,否則無論采用何種培養(yǎng)基原生質(zhì)體也不能進(jìn)行分裂。而試管苗取材容易,不受季節(jié)限制,本身無菌,葉肉組織比較疏松,酶液容易起作用,獲得原生質(zhì)體在生理和遺傳特性上也比較一致,因此無菌試管苗葉片是分離馬鈴薯原生質(zhì)體最常用的供體材料[2-5]。但不同培養(yǎng)基對(duì)試管苗的影響也存在很大差異,何亞文等[6]報(bào)道了馬鈴薯野生種試管苗在MS培養(yǎng)基上普遍生長不好,主要表現(xiàn)為無菌苗生長快、莖段細(xì)、節(jié)間長,葉片小而稀,發(fā)根能力特弱,生長緩慢等。Perl等[7]認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是培養(yǎng)器皿中乙烯的積累。硝酸銀(AgNO3)作為乙烯生理作用拮抗劑,常被用來抑制乙烯的生理作用[8-11],被應(yīng)用于馬鈴薯試管苗長期保存和原生質(zhì)體供體材料培養(yǎng)上[12-14]。
本文旨在通過對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗培養(yǎng)的影響因素進(jìn)行研究,包括植物生長調(diào)節(jié)劑、硝酸銀和蔗糖對(duì)供體試管苗生長的影響,目的是篩選適合二倍體馬鈴薯試管苗擴(kuò)繁的培養(yǎng)基,使試管苗的葉面積增加,并有利于進(jìn)行葉肉原生質(zhì)體的融合,為更多地篩選出能夠再生的基因型奠定基礎(chǔ)。
1.1 供試材料
以35份二倍體馬鈴薯試管苗為試驗(yàn)材料,詳見表1。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 植物生長調(diào)節(jié)劑對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗生長的影響
以35份二倍體馬鈴薯試管苗為試驗(yàn)材料,各培養(yǎng)基成分見表2。
以MS培養(yǎng)基為對(duì)照(CK),試管苗采用單莖段繁殖,培養(yǎng)基中還需加入20 g∕L蔗糖和0.7%瓊脂,pH 5.8。培養(yǎng)條件為:每天光照16 h,光照強(qiáng)度3 000~4 000 lx,溫度(20±1)℃,相對(duì)濕度60%,培養(yǎng)3周。
表1 供試材料Table 1Experimental materials used
表2 培養(yǎng)基的組成Table 2Medium component of various treatments
1.2.2 AgNO3對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗生長的影響
以S.chacoense和二倍體材料DY4-5-10的試管苗為試驗(yàn)材料,單莖段分別接種在MS附加1,2,3和4 mg∕L AgNO3,以及20 g∕L蔗糖的固體培養(yǎng)基上繁殖,以不加AgNO3為對(duì)照,每處理6瓶,每瓶接種10個(gè)莖段,重復(fù)6次。
1.2.3 蔗糖和AgNO3對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗的葉面積的影響
以S.chacoense的試管苗為試驗(yàn)材料,單莖段接種在MS分別附加1%、2%、3%、4%蔗糖和1,2,3和4 mg∕L AgNO3,以及MS+0.5 mg∕L NAA+1 mg∕L AgNO3的固體培養(yǎng)基上繁殖,每處理6瓶,每瓶接種10個(gè)莖段,重復(fù)6次。
1.2.4 AgNO3對(duì)葉肉原生質(zhì)體融合的影響
生態(tài)文明建設(shè)是為了緩解人口與資源環(huán)境之間的矛盾,尤其是要改變?nèi)祟惿鐣?huì)發(fā)展進(jìn)程中所帶來的資源枯竭、環(huán)境污染破壞、生態(tài)失衡等現(xiàn)狀,最終實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生。
以二倍體材料DY4-5-10和S.chacoense的試管苗為試驗(yàn)材料,單莖段接種在MS分別附加1,2,和4 mg∕L AgNO3,并附加2%蔗糖的固體培養(yǎng)基上繁殖,以不加AgNO3為對(duì)照,試驗(yàn)重復(fù)3次。培養(yǎng)3周時(shí)取試管苗上部充分展開的3~4個(gè)葉片進(jìn)行酶解,原生質(zhì)體的分離和純化參照周宇波等[15]報(bào)道的方法,測定原生質(zhì)體產(chǎn)量和活力,電融合方法及參數(shù)參照田國奎等[16]報(bào)道的方法,融合產(chǎn)物的培養(yǎng)參照蔡興奎等[17,18]報(bào)道的方法,統(tǒng)計(jì)植板率、愈傷數(shù)量和再生植株數(shù)量。
1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析
莖高、單株鮮重和葉片數(shù)的測定:按常規(guī)方法測定。
葉面積的測定:利用數(shù)字圖像法測定試管苗葉面積,參照袁華玲[19]的方法。
莖高、單株鮮重、葉片數(shù)和葉面積的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件和EXCEL 2007進(jìn)行處理分析。
原生質(zhì)體產(chǎn)量的測定:用血球計(jì)數(shù)板測定原生質(zhì)體產(chǎn)量,依次逐個(gè)計(jì)數(shù)中央大方格內(nèi)25個(gè)中方格里的原生質(zhì)體。然后根據(jù)下式求出1 mL中的原生質(zhì)體數(shù),1 mL懸浮液中的原生質(zhì)體數(shù)=1個(gè)大方格懸浮液中的原生質(zhì)體數(shù)×10×1000。
原生質(zhì)體活力的測定采用0.1%伊文思藍(lán)染色法。
原生質(zhì)體活力(%)=(未染色的原生質(zhì)體數(shù)∕觀察到的原生質(zhì)體總數(shù))×100
原生質(zhì)體植板率(%)=培養(yǎng)10 d時(shí)形成的細(xì)胞克隆數(shù)∕培養(yǎng)的原生質(zhì)體總數(shù)×100
2.1 植物生長調(diào)節(jié)劑對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗生長的影響
以35份二倍體馬鈴薯試管苗為試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn),各處理最適合材料份數(shù)差別很大,④號(hào)培養(yǎng)基適合大多數(shù)二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng)(表3)。以4份試驗(yàn)材料為例,如圖1,S.jamesii的試管苗在④號(hào)培養(yǎng)基上苗壯且高,葉片大且葉色濃綠;‘白俄3 ANH3’的試管苗適于在③號(hào)培養(yǎng)基上生長,苗較高且葉色綠,而在④號(hào)培養(yǎng)基上葉片雖大,但黃化;‘訥16 ANH1’的試管苗在①和③培養(yǎng)基上均長滿瓶,苗高但葉片小,而在④號(hào)培養(yǎng)基上苗雖矮但葉片大且綠;S.bulbocastanum的試管苗在①~④號(hào)培養(yǎng)基上長勢均好,最好的是④號(hào)培養(yǎng)基,葉片大而濃綠。而S.etuberosum和‘克新21號(hào)ANH2’在6種培養(yǎng)基上均長勢不好,還需用其它的培養(yǎng)基培養(yǎng)。有5份材料在MS上長勢良好,添加植物生長調(diào)節(jié)劑后反而有不良影響??傊?,①~③號(hào)培養(yǎng)基適于切段擴(kuò)繁,④號(hào)培養(yǎng)基適于增大葉面積。
表3 不同處理培養(yǎng)基適合材料的份數(shù)Table 3Number of materials suitable in various media
圖1 二倍體馬鈴薯試管苗在不同處理培養(yǎng)基上的生長狀況Figure 1Growth of diploid potato plantlets in vitro in various media
圖2 5份試驗(yàn)材料在MS培養(yǎng)基上的葉片(CK)和各處理的葉片的比較Figure 2Comparison of treatment media with control medium for leaves of five materials
圖2是5份試驗(yàn)材料在MS培養(yǎng)基上的葉片和各處理中最大的葉片的比較,各處理的葉片明顯大于MS(CK),可能是AgNO3起作用的結(jié)果。⑤號(hào)培養(yǎng)基可能濃度過大而使試管苗矮化,僅有‘扎列娃ANH6’適合。
2.2 AgNO3對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗生長的影響
以二倍體材料DY4-5-10的試管苗為試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn),可以看出,2個(gè)材料試管苗苗長都以CK的苗長最長,添加AgNO3有使苗長下降的趨勢;葉片數(shù)以S.chacoense的CK最多;培養(yǎng)基中附加AgNO3也促進(jìn)試管苗單株鮮重的增加,單株鮮重以2 mg∕L AgNO3最重;培養(yǎng)3周后2個(gè)材料間的葉片大小差異很大,S.chacoense的葉片明顯大于DY4-5-10,培養(yǎng)基中附加1 mg∕L AgNO3對(duì)試管苗葉面積的促進(jìn)作用非常明顯,但2個(gè)材料均以添加2 mg∕L AgNO3的葉面積最大,而AgNO3在2~4 mg∕L濃度范圍內(nèi)對(duì)葉面積的影響差距不大(表4)。附加4 mg∕L AgNO3使試管苗有的葉片形成愈傷,有的葉片黃化(圖3)。
表4 AgNO3對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗生長的影響Table 4Effects of AgNO3concentration on shoot height,leaf number,fresh weight and callus of plantletsin vitro
圖3 ‘DY4-5-10’葉片上的愈傷和黃化Figure 3Callus and fading on leaf of‘DY4-5-10’
2.3 蔗糖和AgNO3對(duì)二倍體馬鈴薯試管苗的葉面積的影響
以S.chacoense的試管苗為試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表5,培養(yǎng)基中不加AgNO3時(shí),試管苗葉面積隨著蔗糖濃度的提高而提高,培養(yǎng)基中加AgNO3時(shí),試管苗葉面積隨著蔗糖濃度的提高先升后降,2%蔗糖濃度下試管苗葉面積最大。試管苗葉面積隨著AgNO3濃度的增加先升后降,AgNO3濃度對(duì)的葉面積的影響達(dá)顯著水平。2%蔗糖附加2 mg∕L AgNO3的處理葉面積最大,4%蔗糖附加1 mg∕L AgNO3葉面積最小,但都明顯比不加AgNO3時(shí)的葉面積大。圖4為2%蔗糖附加0~3 mg∕L AgNO3的試管苗的照片,下部分為該試管苗的俯視照片,可以看出2%蔗糖附加2 mg∕L AgNO3的試管苗葉面積最大,2%蔗糖附加1 mg∕L AgNO3的試管苗頂部有3~4個(gè)大葉片,可選為葉肉原生質(zhì)體的供體葉片。
表5 蔗糖和AgNO3對(duì)葉面積的影響Table 5Effect of medium added with AgNO3and sucrose on leaf area
2.4 AgNO3對(duì)葉肉原生質(zhì)體融合的影響
圖4 2%蔗糖和0~3 mg/L AgNO3對(duì)試管苗生長的影響Figure 4Effect of 2%sucrose and 0~3 mg/L AgNO3on growth of plantlets in vitro
以二倍體材料DY4-5-10和S.chacoense的試管苗為試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn),隨著AgNO3濃度的升高,植株生長越健壯,葉片明顯增大、葉肉肥厚、葉色濃綠、節(jié)間明顯縮短,表現(xiàn)為旺盛生長,因此,單位株數(shù)的葉片重量明顯高于對(duì)照處理,導(dǎo)致這兩個(gè)材料每克鮮重葉片的原生質(zhì)體產(chǎn)量顯著低于對(duì)照葉片(表6),但葉肉原生質(zhì)體的活力并沒有顯著差異。而不同處理的原生質(zhì)體在進(jìn)一步培養(yǎng)時(shí)卻表現(xiàn)出差異,附加1 mg∕L AgNO3的處理有利于原生質(zhì)體的初期培養(yǎng)和啟動(dòng)分裂,融合細(xì)胞的初次分裂時(shí)間較對(duì)照處理提前約24 h,培養(yǎng)10 d時(shí)統(tǒng)計(jì)的細(xì)胞植板率也顯著高于其它處理,為36.6%。當(dāng)AgNO3濃度升高到2~4 mg∕L時(shí),融合細(xì)胞卻失去分裂再生能力,很快就褐化死亡,導(dǎo)致第10 d時(shí)統(tǒng)計(jì)的細(xì)胞植板率為0。2%的蔗糖和1 mg∕L AgNO3處理獲得的融合產(chǎn)物,在選擇的263塊愈傷組織中有35塊分化成再生植株,分化頻率為13.3%。
圖5為分化出苗的愈傷和再生植株的照片。因此,添加2%的蔗糖和1 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基適于用于分離原生質(zhì)體的二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng),并有利于葉肉原生質(zhì)體融合和培養(yǎng)。
圖5 分化出苗的愈傷和再生植株Figure 5Callus and regenerated plants
表6 AgNO3對(duì)葉肉原生質(zhì)體產(chǎn)量、質(zhì)量及融合產(chǎn)物的影響Table 6Effects of AgNO3concentration on yield and quality of isolated protoplast from plantletsin vitroand electrofusion products
本試驗(yàn)所用的二倍體馬鈴薯試管苗在MS培養(yǎng)基上多數(shù)長勢不良,與何亞文等[6]報(bào)道的相同。用于原生質(zhì)體分離的培養(yǎng)基常添加NAA、6-BA、B9、麥芽糖提取物和AgNO3等[4,6,11,12],參考這些報(bào)道本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5種培養(yǎng)基,結(jié)果表明,④號(hào)培養(yǎng)基(MS+0.5 mg∕L NAA+1 mg∕L AgNO3)適合大多數(shù)二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng),試管苗葉片增大,濃綠脆嫩,是葉肉原生質(zhì)體分離的理想材料,這與何亞文等[6]和蔡興奎[3]報(bào)道的相同。但有兩個(gè)材料在5種培養(yǎng)基上長勢均不好,培養(yǎng)基還需改進(jìn)。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,添加2%蔗糖和2 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基的試管苗葉面積最大,而添加2%的蔗糖和1 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基適于用于分離原生質(zhì)體的二倍體馬鈴薯試管苗的培養(yǎng),這與蔡興奎[3]和袁華玲[19]報(bào)道的相似,但何亞文等[6]報(bào)道S.phureja在MS附加0.l mg∕L NAA和4 mg∕L AgNO3的培養(yǎng)基上繁殖長葉,經(jīng)原生質(zhì)體培養(yǎng)獲得再生植株,這與本試驗(yàn)的結(jié)果不同。因此,培養(yǎng)基中附加AgNO3的合適濃度可能與試管苗的基因型、生長條件和培養(yǎng)物生理狀態(tài)密切相關(guān)[11]。對(duì)于試驗(yàn)中的其它材料尤其是雙單倍體材料的原生質(zhì)體融合及培養(yǎng)正在進(jìn)行,期望能獲得新的再生基因型,應(yīng)用于育種實(shí)踐。
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《中國馬鈴薯》雜志編輯部
Culture of Diploid Potato Plantlets in vitro and Effect on Mesophyll Protoplast Fusion
LI Fengyun1*,CAI Xingkui2,SHENG Wanmin3,WANG Lichun1,TIAN Guokui1,
LOU Shubao1,XU Hongyan1,WANG Haiyan1,JIANG Junfeng1
(1.Keshan Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Keshan,Heilongjiang 161606,China;
2.College of Horticulture and Forestry,Huazhong Agricultural University,Wuhan,Hubei 430070,China;
3.Crop Breeding Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin,Heilongjiang 150086,China)
Thirty-five diploid potato materials were used to study the factors influencing the culture of diploid potato plantlets in vitro in order to increase their blade size and leaf area,and benefit the fusion of mesophyll protoplast.Twenty-two diploid potato plantlets in vitro could be cultivated in the medium MS+0.5 mg/L NAA+1 mg/LAgNO3.The blade size was increased obviously in the medium containing AgNO3than without it,and the leaf area was increased,significantly.The maximum leaf area was got in the medium added with 2 mg/L AgNO3and 2%sucrose.Plants were regenerated from the electrofusionproductusingmesophyllprotoplastisolatedfromdiploidwildspeciesS.chacoenseandadiploidcloneDY4-5-10, which were cultivated in the medium added with 1 mg/LAgNO3and 2%sucrose.So the medium is suitable for the culture of diploidpotatoplantletsinvitrousedfortheisolationofprotoplasts.
diploid potato;AgNO3;mesophyll protoplast fusion
S532
A
1672-3635(2014)05-0257-07
2014-08-12
黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程“二倍體馬鈴薯原生質(zhì)體融合創(chuàng)制抗晚疫病的新種質(zhì)”(2012ZD013)。
李鳳云(1972-),女,副研究員,從事馬鈴薯育種和生物技術(shù)研究。
李鳳云,lfypotato@163.com。