黎萍 李恒銳 楊海霞 梁振華 馬仙花 何文 劉連軍
摘要:以GR891木薯胚性愈傷組織為材料,常規(guī)保存(GD培養(yǎng)基+12.0 mg/L毒莠定+20 g/L蔗糖+6.5 g/L瓊脂)培養(yǎng)基為對(duì)照(CK),研究處理培養(yǎng)基中添加不同濃度蔗糖(25、30、35、40 g/L)、甘露醇(20、30、40、50 g/L)和多效唑(4.0、6.0、8.0、10.0 mg/L)對(duì)木薯胚性愈傷組織保存40 d時(shí)超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的影響。結(jié)果表明,在20 ℃條件下,處理組與對(duì)照組SOD、POD、CAT活性呈先升高后降低的趨勢(shì),甘露醇和多效唑處理比蔗糖處理的3種保護(hù)酶活性高,下降的速度也較緩慢。與對(duì)照相比,蔗糖和甘露醇濃度均為 30 g/L 脅迫時(shí),SOD、POD、CAT活性同時(shí)出現(xiàn)峰值,且一直維持較高水平;隨著多效唑濃度(4.0~8.0 mg/L)的升高,SOD、POD、CAT活性不斷升高,多效唑濃度為8.0 mg/L時(shí)木薯胚性愈傷組織中3種保護(hù)酶活性最高。說(shuō)明將木薯胚性愈傷組織保存在添加蔗糖或甘露醇30 g/L、多效唑8.0 mg/L的常規(guī)固體培養(yǎng)基上,可以有效地延長(zhǎng)木薯胚性愈傷細(xì)胞壽命,延緩保存時(shí)細(xì)胞的衰老。
關(guān)鍵詞:木薯;胚性愈傷組織;SOD;POD;CAT;蔗糖;甘露醇;多效唑
中圖分類號(hào): S533.01?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2019)20-0080-04
木薯是世界三大薯類作物(木薯、馬鈴薯、甘薯)之一[1]。傳統(tǒng)的田間種植保存易受病蟲害、自然災(zāi)害及經(jīng)費(fèi)短缺等弊端的困擾,這使得大量的木薯資源面臨流失的可能。緩慢生長(zhǎng)保存法是對(duì)木薯胚性愈傷組織進(jìn)行離體種質(zhì)保存的重要手段,其易于控制,且便于種質(zhì)交流,需要時(shí),能隨時(shí)將保存材料大量繁殖[2]。緩慢生長(zhǎng)保存是指通過(guò)添加滲透劑(蔗糖、甘露醇、山梨醇等)或生長(zhǎng)抑制劑(比久、多效唑、烯效唑等)提高培養(yǎng)基的滲透壓、改變植物生長(zhǎng)培養(yǎng)條件來(lái)限制培養(yǎng)物生長(zhǎng),使植物組織因缺水而減弱新陳代謝,導(dǎo)致植物的細(xì)胞壁酶活性受到抑制,最終實(shí)現(xiàn)延緩生長(zhǎng)的目的。
細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等。SOD是清除活性氧反應(yīng)過(guò)程中第1個(gè)發(fā)揮作用的抗氧化酶,且廣泛參與植物體在各種逆境脅迫下的生理生化反應(yīng),對(duì)抗衰老和抗干旱都起到積極的作用[3]。POD是廣泛存在于植物體內(nèi)且功能較多的酶類,可清除活性氧,降低活性氧對(duì)細(xì)胞膜過(guò)氧化程度,減少膜脂過(guò)氧化,穩(wěn)定膜系統(tǒng)[4]。CAT是植物體內(nèi)的保護(hù)酶之一[5],CAT和POD能作為愈傷組織生長(zhǎng)過(guò)程中增殖和衰老的標(biāo)志酶[6]。POD、CAT、SOD活性的變化與愈傷組織的生長(zhǎng)及分化過(guò)程密切相關(guān)。有關(guān)植物胚性愈傷組織離體保存與細(xì)胞內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)活性變化的研究已有報(bào)道,黎金燕等的研究表明,培養(yǎng)基中附加1種抑制劑(DPI)可以促進(jìn)尾葉桉胚性愈傷組織的誘導(dǎo),從而提高POD、CAT、SOD等抗氧化酶活性[7]。曾麗蘭等研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)濃度的甘露醇和蔗糖,不僅可以有效提高植物細(xì)胞活力,而且還可以提高植物胚性愈傷組織中SOD活性[3-8]。劉懷攀等研究發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基中添加聚乙二醇(PEG)-6000和脫落酸(ABA)可以顯著提高水生蘆葦胚性愈傷組織中的CAT、POD活性[9]。葉煒等的研究表明,較高濃度的甘露醇處理可使胚性愈傷組織的SOD活性升高,考慮延緩衰老,均在培養(yǎng)基中加入20 g/L甘露醇以有效提高植物SOD活性[10-12]。目前,除黎萍等的報(bào)道[8]外,有關(guān)培養(yǎng)基成分與木薯胚性愈傷組織中的抗氧化酶活性之間的聯(lián)系尚未見報(bào)道。為探討SOD、POD、CAT活性與木薯胚性愈傷組織抗衰老之間的關(guān)系,研究在不同培養(yǎng)條件下保存40 d時(shí)木薯胚性愈傷組織中SOD、POD、CAT活性的變化,以期尋求一種更適合木薯離體種質(zhì)的高效長(zhǎng)期保存方法。
1?材料與方法
1.1?試驗(yàn)材料
1.1.1?供試材料
以廣西亞熱帶作物研究所培育的木薯品種GR891為試驗(yàn)材料,對(duì)木薯嫩枝、側(cè)芽進(jìn)行水洗、滅菌,然后將其接種到MS+1.0 mg/L 6-芐氨基腺嘌呤(6-BA)+0.5 mg/L萘乙酸(NAA)+25.0 g/L蔗糖+6.5 g/L 瓊脂的固體培養(yǎng)基上,培養(yǎng)45 d后獲得木薯試管苗。對(duì)無(wú)菌試管苗的腋芽采用MS改良培養(yǎng)基(MS+2 mol/L CuSO4+12 mg/L 2,4-二氯苯氧乙酸+20 g/L蔗糖+6 g/L瓊脂)誘導(dǎo)胚性愈傷組織,然后用常規(guī)固體保存培養(yǎng)基(GD培養(yǎng)基+12.0 mg/L毒莠定+25.0 g/L蔗糖+6.5 g/L瓊脂)進(jìn)行增殖培養(yǎng),獲得繼代胚性愈傷組織。以上培養(yǎng)基pH值均為5.8,培養(yǎng)條件為(20±1) ℃,光照度為1 000~1 200 lx,光照時(shí)間為 16~18 h/d。
1.1.2?試驗(yàn)儀器
JJ500型電子分析天平,購(gòu)自常熟市雙杰測(cè)試儀器廠;SW-CJ-1FD型超凈工作臺(tái),購(gòu)自蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;YZM-60B高壓滅菌鍋,購(gòu)自廣州豪爾生醫(yī)療設(shè)備有限公司;T6新世紀(jì)紫外分光光度計(jì),購(gòu)自北京普析通用儀器有限公司;YR11-2A磁力攪拌器,購(gòu)自上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;LRH-400-G光照培養(yǎng)箱,購(gòu)自韶關(guān)市泰宏醫(yī)療器械有限公司;CT15RT型高速冷凍離心機(jī),購(gòu)自上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司。
1.1.3?試劑
愈創(chuàng)木酚,由天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所提供;氮藍(lán)四唑,由合肥博美生物科技有限責(zé)任公司進(jìn)口分裝;核黃素,購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠;甲硫氨酸,由合肥博美生物科技有限責(zé)任公司進(jìn)口分裝;Na3-乙二胺四乙酸(EDTA),購(gòu)自上海埃彼化學(xué)試劑有限公司;KH2PO4,購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠。
1.2?試驗(yàn)方法
1.2.1?培養(yǎng)條件對(duì)木薯胚性愈傷組織生長(zhǎng)保存的影響
在GD培養(yǎng)基+12.0 mg/L毒莠定+6.5 g/L瓊脂固體培養(yǎng)基中分別附加25、30、35、40 g/L蔗糖;在常規(guī)固體保存培養(yǎng)基上添加不同濃度甘露醇(20、30、40、50 g/L)和不同濃度的多效唑(4.0、6.0、8.0、10.0 mg/L)。選取繼代3~5代生長(zhǎng)良好的顆粒狀木薯胚性愈傷,接種在上述培養(yǎng)基中,以不添加任何物質(zhì)的常規(guī)培養(yǎng)基培養(yǎng)為對(duì)照(CK),每個(gè)處理接15皿,每培養(yǎng)皿接入胚性愈傷組織1 g,均放置在溫度為20 ℃,光照度為 1 500~2 000 lx,光照時(shí)間為16 h/d的溫室中培養(yǎng),40 d后,分別測(cè)定SOD、POD、CAT活性的變化,每個(gè)處理重復(fù)3次。
1.2.2?測(cè)定方法
1.2.2.1?粗酶液的提取
稱取愈傷組織材料0.5 g,加入7倍體積0.1 mol/L磷酸緩沖液(含1%聚乙烯吡咯烷酮,pH值7.0)和少量石英砂,置于冷凍好的研缽中研磨成勻漿,將勻漿液移入離心管中并低溫抽提1 h,然后于4 ℃、15 000 r/min條件下離心 20 min。將上清液移至5 mL離心管中低溫保存,并記錄上清液的體積(V),所得的上清液即為含游離態(tài)SOD、POD、CAT的粗酶液。
1.2.2.2?SOD活性測(cè)定?SOD活性測(cè)定參考黎萍等的方法[8]并略加改進(jìn),所需的反應(yīng)母液為0.05 mol/L pH值7.8磷酸緩沖液、130 mmol/L 甲硫氨酸(MET)溶液、750 μmol/L氮藍(lán)四唑溶液、100 μmol/L EDTA-Na2溶液、20 μmol/L核黃素溶液,其中,將EDTA-Na2溶液和核黃素溶液合并在一起配制,當(dāng)測(cè)定SOD活性時(shí),將該混合液稀釋100倍再使用。取3只對(duì)照管和1只樣品管,添加一定量上述反應(yīng)母液(磷酸緩沖液1.7 mL,MET溶液0.3 mL,氮藍(lán)四唑溶液0.3 mL,EDTA-Na2溶液0.3 mL,核黃素溶液0.3 mL,酶液0.1 mL),然后往樣品管中添加2.0 mL酶液,3只對(duì)照管添加1.0 mL提取緩沖液來(lái)代替酶液,反應(yīng)體系的總量為3.0 mL。將1支對(duì)照管置于暗處,其余各管置于4 000 lx日光燈下反應(yīng) 30 min,然后立即取出置于暗處終止反應(yīng)。以避光管作為空白參比調(diào)零,分別測(cè)定其他各管在560 nm處的D值。以 1 min、1 g愈傷組織抑制NBT光化還原的50%來(lái)作為1個(gè)酶活性單位,用U/g表示,3次重復(fù)。
SOD活性=(Dc-Dt)×V/(0.5×Dc×Vt×m)。
式中:Dc為對(duì)照管吸光度;Dt為樣品管吸光度;V為樣品提取液總體積,mL;Vt為測(cè)定時(shí)樣品用量,mL;m為愈傷組織鮮質(zhì)量,g。
1.2.2.3?POD活性測(cè)定
過(guò)氧化物酶(POD)活性參考朱廣廉等的方法[13]并略加改進(jìn),采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定,反應(yīng)混合液由50 mL 0.05 mol/L pH值6.0磷酸緩沖液、19 μL 30% H2O2、28 μL愈創(chuàng)木酚(原試劑)混合而成,配制時(shí)先將磷酸緩沖液與愈創(chuàng)木酚混合加熱溶解,冷卻后再加入H2O2混勻即可。當(dāng)進(jìn)行POD測(cè)定時(shí),先往一個(gè)測(cè)定管中添加反應(yīng)混合液3 mL,以1 mL提取緩沖液代替酶液加入到該混合液中,混勻后作為空白對(duì)照調(diào)零。同樣往另一測(cè)定管中添加反應(yīng)混合液3 mL,加入1 mL酶液(事先已將其濃度稀釋10倍),然后立即開啟秒表計(jì)時(shí),于 470 nm 條件下測(cè)D值,每隔30 s讀1次數(shù)值,讀數(shù)3 min,以1 min內(nèi)D值變化作為1個(gè)POD活性單位,3次重復(fù)。
POD活性=(D470 nm×V×K)/(1×m×Vt×T)。
式中:K為稀釋倍數(shù);D470 nm為樣品管吸光度;V為樣品液總體積,mL;Vt為測(cè)定時(shí)樣品用量,mL;m為愈傷組織鮮質(zhì)量,g;T為光照反應(yīng)時(shí)間,min。
1.2.2.4?CAT活性測(cè)定?過(guò)氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定參照李玲等的方法[14],酶促反應(yīng)體系由2.9 mL 20 mmol/L H2O2溶液和100 μL酶提取液組成,以蒸餾水為參比空白,在反應(yīng)15 s時(shí)開始記錄反應(yīng)體系在波長(zhǎng)為240 nm處的吸光度,作為初始值,然后每隔 30 s 記錄1次,連續(xù)測(cè)定6個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。以 1 g 木薯胚性愈傷組織(鮮質(zhì)量)1 min吸光度變化值減少0.01為1個(gè)CAT活性單位,3次重復(fù)。
CAT活性=ΔD240 nm×V/(0.01×Vs×m)。
式中:ΔD240 nm為樣品管吸光度變化量;V為樣品提取液體積,mL;Vs為測(cè)定樣品提取液體積,mL;m為愈傷組織鮮質(zhì)量,g。
1.3?數(shù)據(jù)處理與分析
采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,采用Duncan's新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。
2?結(jié)果與分析
2.1?不同濃度蔗糖處理對(duì)木薯胚性愈傷組織中3種保護(hù)酶活性的影響
蔗糖既是植物組織培養(yǎng)中的最主要碳源,也是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[3]。由表1可知,保存期間蔗糖處理的木薯胚性愈傷組織SOD、POD、CAT活性均高于對(duì)照組,表現(xiàn)出隨著蔗糖處理濃度的升高,SOD、POD、CAT活性先升高后下降的趨勢(shì),活性最高點(diǎn)均出現(xiàn)在蔗糖濃度為30 g/L時(shí),此時(shí)與其他處理差異顯著(P<0.05);表明在蔗糖滲透脅迫下,較高活性的保護(hù)酶系統(tǒng)能夠有效地清除木薯胚性愈傷組織內(nèi)過(guò)多的活性氧,維持活性氧產(chǎn)生與清除之間的動(dòng)態(tài)平衡。蔗糖濃度超過(guò)35 g/L時(shí),SOD、CAT活性開始緩慢下降,而POD活性表現(xiàn)急速下降,說(shuō)明活性氧的增加遠(yuǎn)大于正常清除能力,過(guò)多的氧自由基使細(xì)胞內(nèi)多種功能膜及酶系統(tǒng)遭到不同程度的破壞,生理代謝紊亂,POD活性就可能受到抑制而急速下降[15]。由此可以看出,適當(dāng)濃度的蔗糖可以提高木薯胚性愈傷組織的抗氧化酶活性。
2.2?不同濃度甘露醇處理對(duì)木薯胚性愈傷組織中3種保護(hù)酶活性的影響
甘露醇是活性氧清除劑[16],作為一種重要的多元醇,還可直接清除·OH,抵抗氧化反應(yīng)[17]。由表2可以看出,隨著甘露醇濃度(0~30 g/L)的不斷升高,木薯胚性愈傷組織中的SOD、POD、CAT活性不斷升高,其中20、30 g/L甘露醇處理與對(duì)照差異顯著。30 g/L甘露醇處理的3種保護(hù)酶活性維持在較高的水平上,SOD、POD、CAT活性值分別比對(duì)照升高63.27%、56.42%、59.81%,除濃度在30~40 g/L之間POD活性差異不顯著外,其他各處理之間的3種保護(hù)酶活性均差異顯著,說(shuō)明脅迫處理下胚性愈傷細(xì)胞中3種保護(hù)酶活性被誘導(dǎo)升高,直到濃度高達(dá)40 g/L時(shí)才開始呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì),這可能是由于高濃度處理超出了細(xì)胞的生理耐受和反應(yīng)極限,破壞了正常細(xì)胞生理活動(dòng)。由此可見,甘露醇濃度為30 g/L時(shí)可以有效增強(qiáng)木薯胚性愈傷組織的SOD、POD、CAT活性,且3種保護(hù)酶活性升高與愈傷組織抗衰老密切相關(guān),可作為愈傷組織生長(zhǎng)過(guò)程中增殖和衰老的標(biāo)志酶。
2.3?不同濃度多效唑處理對(duì)木薯胚性愈傷組織中3種保護(hù)酶活性的影響
多效唑作為高效低毒的植物生長(zhǎng)延緩劑,可以延長(zhǎng)培養(yǎng)物在試管中的保存時(shí)間[18]。由表3可以看出,木薯胚性愈傷組織在多效唑濃度為4.0、6.0、8.0、10.0 mg/L處理下,SOD、POD、CAT活性顯著高于對(duì)照,8.0 mg/L多效唑處理的3種保護(hù)酶活性維持在較高的水平上,分別比對(duì)照升高63.09%、63.73%、93.20%,SOD、POD、CAT活性的最高值是愈傷組織生長(zhǎng)高峰期到來(lái)的標(biāo)志。3種保護(hù)酶活性隨著多效唑濃度的升高呈先升后降的趨勢(shì),6.0 mg/L與8.0 mg/L多效唑處理下,木薯胚性愈傷組織中的SOD、POD活性差異不顯著,8.0 mg/L 多效唑處理的CAT活性與其他處理組差異顯著,10.0 mg/L濃度處理下,3種保護(hù)酶活性急速下降,說(shuō)明培養(yǎng)基添加多效唑在一定程度上使3種保護(hù)酶活性增強(qiáng),從而減弱膜脂過(guò)氧化作用,有效地延長(zhǎng)愈傷組織的繼代周期。綜合分析認(rèn)為,生長(zhǎng)延緩劑多效唑在木薯胚性愈傷保存中的適宜濃度為8.0 mg/L。
3?結(jié)論與討論
SOD、POD、CAT是抗氧化酶系統(tǒng)中控制植物體內(nèi)活性氧積累的最主要的3種保護(hù)酶,其活性變化與衰老密切相關(guān)??寡趸富钚缘奶岣哂欣跍p緩愈傷組織中活性氧對(duì)細(xì)胞的氧化損害,減緩其細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化并抑制褐化[19]。POD是廣泛存在于各種動(dòng)物、植物和微生物體內(nèi)的一類氧化酶,其與SOD共同作用能減輕或消除氧自由基對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的不良影響[20]。CAT廣泛存在于植物體內(nèi),其活性與植物體的成熟衰老關(guān)系非常密切[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在常規(guī)固體保存培養(yǎng)基(GD培養(yǎng)基+12.0 mg/L毒莠定+6.5 g/L瓊脂)上附加蔗糖30 g/L、甘露醇30 g/L、多效唑8.0 mg/L時(shí),木薯胚性愈傷組織的3種保護(hù)酶活性均有一定幅度的增強(qiáng),可在一定程度上延緩解木薯胚性愈傷細(xì)胞的衰老,有效地延長(zhǎng)愈傷組織的繼代周期,進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)保存時(shí)間的目的,是一種對(duì)木薯種質(zhì)資源離體保存的方法。
蔗糖是植物組織培養(yǎng)中不可缺少的碳源和能源,同時(shí)還起著調(diào)節(jié)滲透壓的重要作用[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)蔗糖處理保存的木薯愈傷組織的SOD、POD、CAT活性比常規(guī)保存的對(duì)照處理高,在30 g/L蔗糖濃度脅迫下,3種保護(hù)酶活性一直維持在較高的水平上,主要原因是添加蔗糖后,培養(yǎng)基碳源充足,細(xì)胞生命活動(dòng)旺盛,過(guò)快的生理反應(yīng)使活性氧的產(chǎn)生較多,高濃度(35~40 g/L)蔗糖迫脅下呈下降趨勢(shì),不利于木薯胚性愈傷離體保存。
在植物離體保存研究中,常利用甘露醇來(lái)延緩細(xì)胞衰老,以達(dá)到延長(zhǎng)繼代時(shí)間的目的。甘露醇在植物組織培養(yǎng)中是一種調(diào)節(jié)滲透壓的添加劑,通過(guò)給植物造成“饑餓”的作用,延緩植物代謝速率,達(dá)到延緩衰老的目的,在多種植物的保存試驗(yàn)中均取得了很好的效果[23-25]。不同植物培養(yǎng)物保存所需要滲透壓并不相同,本試驗(yàn)研究得出,30 g/L甘露醇能將木薯胚性組織的3種保護(hù)酶活性維持在較高水平。
離體保存成功的關(guān)鍵因素之一是使用合適的植物生長(zhǎng)抑制劑。多效唑(PP333)是一種生長(zhǎng)延緩劑,對(duì)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有較強(qiáng)的抑制作用,在荔枝胚性愈傷組織保存試驗(yàn)中取得較好效果[26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在常規(guī)保存培養(yǎng)基中添加不同濃度的生長(zhǎng)抑制劑多效唑,對(duì)木薯胚性愈傷組織保存試驗(yàn)中3種保護(hù)酶活性影響差異較大,其中8.0 mg/L多效唑處理顯著高于對(duì)照,3種保護(hù)酶活性一直維持較高水平,說(shuō)明能延緩細(xì)胞衰老,延長(zhǎng)繼代時(shí)間。綜合試驗(yàn)結(jié)果,8.0 mg/L多效唑處理較適合木薯愈傷組織中離體保存。
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