趙元增,王永剛,竇瑩霞,孫海燕
(河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)
利用組培技術(shù)培育甘薯脫毒苗并進行規(guī)?;瘮U繁,仍是國內(nèi)外防治甘薯病毒病、提高甘薯產(chǎn)量與品質(zhì)的最有效方法[1-3].目前,雖然甘薯脫毒苗繁育技術(shù)體系已經(jīng)趨于成熟,但生產(chǎn)成本高、快繁效率低仍然是制約組培苗工廠化生產(chǎn)的瓶頸,這不僅影響甘薯脫毒苗原種的生產(chǎn)與供應(yīng),也直接影響了種苗的價格、用戶的經(jīng)濟承受能力、脫毒苗的普及程度和生產(chǎn)單位的經(jīng)濟效益[4].因此,以降本增效為目的,不斷優(yōu)化培養(yǎng)條件,持續(xù)改進培養(yǎng)方法,提高組培苗快繁效率,仍是建立成熟高效的甘薯脫毒苗繁育技術(shù)體系的重要任務(wù)[5-7].
脫毒苗組培一般采用瓊脂固化的培養(yǎng)基,瓊脂通常占培養(yǎng)基成本的50%以上,且配制時需要熬煮,接種時需要扦插,移栽時需要洗凈培養(yǎng)基,費電、費工、費時[8].為規(guī)避應(yīng)用瓊脂粉帶來的高成本,許多研究運用相對廉價的替代物,如用卡拉膠[9-10]、魔芋粉[11]來代替瓊脂,或采用一些疏松多孔的材料,如蛭石[12]、珍珠巖[13]、濾紙橋[14]、脫脂棉[15]、沙土[16]等作為支撐物用于組培.以上方法不僅操作繁瑣、降本幅度有限,且培養(yǎng)效果不一,難以在組培苗的工廠化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.去除培養(yǎng)基中的瓊脂,直接采用液體培養(yǎng),可最大限度地降低培養(yǎng)基的固化成本[17].有研究表明,采用液體培養(yǎng)快繁甘薯、馬鈴薯、甘蔗等的脫毒苗的效果優(yōu)于固體培養(yǎng)及以脫脂棉等作為支撐物的兩相培養(yǎng)[4,18,19].但是,采用液體培養(yǎng)時,由于外植體長期浸泡于培養(yǎng)液,會因通氣不良而導(dǎo)致成苗率降低,這在甘薯、馬鈴薯等植物的組培快繁中均有報道[20,21].另外,也有研究認(rèn)為,液體培養(yǎng)雖有利于組培苗根的形成與生長,但組培苗一般低矮、整齊度差、繁殖系數(shù)低,且容易污染[15].為解決組培苗液體培養(yǎng)中存在的問題,本文從培養(yǎng)基分裝量、接種莖段長度與形態(tài)等方面,對甘薯脫毒苗液體培養(yǎng)快繁技術(shù)進行了優(yōu)化,以期為完善甘薯脫毒苗快繁技術(shù)體系、降低生產(chǎn)成本提供參考.
甘薯品種龍薯9 號、洛薯13 號的脫毒組培苗.
1.2.1 接種莖段長度與形態(tài)試驗采用液體培養(yǎng),擴繁培養(yǎng)基的組成為MS+IBA(0.1 mg/L)+蔗糖(30 g/L),使用容積為300 mL 的玻璃廣口瓶盛裝,分裝量為30 mL/瓶.
選取生長茁壯、葉片與葉柄無黃枯、節(jié)間長度盡可能一致的甘薯組培苗,依據(jù)截取莖段的長短、保留葉柄(葉片)與否的不同,將組培苗莖節(jié)截成不同長度與形態(tài)的莖段,設(shè)置a~f 六個處理,不同處理的接種莖段長度與莖段形態(tài)如表1 所示.將截好的莖段極性向上或平放,分散接種于液體淺層.拿取培養(yǎng)瓶時要輕拿輕放,盡量避免接種的莖段聚集到一起.每一處理接種15 瓶,每瓶6 個莖段.
表1 不同處理的接種莖段長度與莖段形態(tài)Tab.1 The length and shape of stem segments used in different treatments
1.2.2 培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量試驗采用固體培養(yǎng)、液體培養(yǎng)、玻璃棉(硅酸鋁棉)作支撐物的三種液體培養(yǎng)方式,擴繁培養(yǎng)基的組成均為MS+IBA(0.1 mg/L)+蔗糖(30 g/L).根據(jù)培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量的不同,設(shè)置A~E 五個處理,不同處理的培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量如表2 所示.固體培養(yǎng)是在培養(yǎng)基中加入6 g/L 的瓊脂粉加以固化,玻璃棉作支撐物的液體培養(yǎng)是將厚度為1.0 cm 的玻璃棉鋪到培養(yǎng)瓶底,再加入液體培養(yǎng)基,使培養(yǎng)基液面剛好觸及玻璃棉上表面.培養(yǎng)瓶均采用容積為300 mL 的玻璃廣口瓶.
表2 不同處理的培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量Tab.2 The culture methods and medium volume of different treatments
選用長勢良好、培養(yǎng)周期一致的甘薯試管苗,將莖節(jié)截成1.5~2.0 cm 長且?guī)в邪虢厝~柄的莖段(同上處理b).接種固體培養(yǎng)基時,將莖段斜插于培養(yǎng)基,保持莖段的節(jié)處外露;液體培養(yǎng)的莖段接種方法同上;玻璃棉支撐培養(yǎng)的接種是將莖段平放或斜插到玻璃棉表面.每一處理接種15 瓶,每瓶6 個莖段.
培養(yǎng)溫度25±1 ℃,光照強度2 000~3 000 lx,光照時間12 h/d.
離體培養(yǎng)結(jié)束時,調(diào)查各處理的成苗率、單瓶成苗數(shù)、大多數(shù)組培苗的株高、較高植株的株高、單瓶黃枯葉片數(shù)、根系生長狀況等結(jié)果.之后,將組培苗截成1.5~2.0 cm 長的莖段,統(tǒng)計每一處理所截取的莖段總數(shù),據(jù)此計算增殖系數(shù),增殖系數(shù)=每一處理培養(yǎng)結(jié)束后截取的莖段總數(shù)(段)/接種的莖段總數(shù)(段).最后,采用SPSS20.0 進行數(shù)據(jù)處理與單因素方差分析.
經(jīng)過30 d 的培養(yǎng),龍薯9 號不同類型的接種莖段對甘薯組培苗生長的影響見表3,各處理的組培苗培養(yǎng)30 d 的生長差異如圖1 所示.
圖1 龍薯9 號a-f 處理的組培苗培養(yǎng)30 d 時的生長差異Fig.1 Growth difference of tissue culture plantlets of sweet potato cultivar Longshu 9 among different treatments cultured for 30 days
表3 不同類型的接種莖段對甘薯組培苗生長的影響Tab.3 Effects of different inoculated stem segments on the growth of tissue culture plantlets of sweet potato
由表3、圖1 可以看出,當(dāng)接種莖段僅保留半截葉柄時,莖段的長短對組培苗的成苗與生長有顯著影響.莖段長度最短的a 處理,多數(shù)接種的莖段膨脹未萌發(fā),成苗率僅有48.96%,生根率和單瓶成苗數(shù)也在所有處理中最低.隨著接種莖段長度的增加,組培苗整體生長狀況趨優(yōu):植株生長茁壯,株高明顯增高,莖段的成苗率、單瓶成苗數(shù)、增殖系數(shù)、生根率和單株生根數(shù)均呈增加趨勢.不過,處理b 和處理c 的成苗數(shù)、組培苗株高、增殖系數(shù)及根系生長狀況等性狀指標(biāo)表現(xiàn),在兩種處理間并無顯著差異.這表明,在僅保留半截葉柄的情況下,接種莖段長度為1.5~2.0 cm 或2.5~3.5 cm 都是適宜的,但從提高繁殖效率而言,接種的莖段長度保持在1.5~2.0 cm 更適宜.
由表3 和圖1 可以看出,當(dāng)莖段長度保持1.5~2.0 cm 不變,葉柄、葉片的保留與否對莖段的成苗和組培苗的生長也有顯著影響.將葉柄與葉片全部去除的d 處理,形成的組培苗低矮,多數(shù)株高在1.0~2.5 cm之間,最高株高也僅有3.0~3.5 cm,其成苗率、平均株高、增殖系數(shù)、生根率均顯著低于保留半截葉柄的b處理和保留全長葉柄的e 處理,也顯著低于保留全部葉柄與葉片的f 處理.對于b、e 與f 處理,莖段的成苗率、生根率及組培苗的長勢并無顯著差異,不同之處僅表現(xiàn)在:f 處理產(chǎn)生的黃枯葉片數(shù)顯著增多,根系較其他處理更發(fā)達.
綜上可知,接種莖段的長度與形態(tài)對莖段的成苗、組培苗的生長都有顯著影響,接種莖段的長度過短或切除莖段上的全部葉柄和葉片,都導(dǎo)致接種莖段成苗率、生根率顯著降低,組培苗的生長變差.在保持接種莖段長度1.5~2.0 cm 的條件下,保留半截葉柄、全長葉柄和保留完整葉柄葉片的處理方法,均有利于莖段的成苗和組培苗的茁壯生長,且三種處理方式對莖段成苗和組培苗生長的影響并無顯著差異.從提高接種效率考慮,刻意保留全長葉柄或完整葉柄、葉片的莖段截取方法,需要小心仔細(xì)的操作,費工費時,使莖段的截取與接種效率降低,不宜采用;而隨意截斷葉柄僅保留半截葉柄的莖段截取方法,簡便快捷,可大幅提高莖段截取與接種的效率.綜合考慮,當(dāng)以液體培養(yǎng)方式擴繁甘薯組培苗時,接種莖段的長度保持在1.5~2.0 cm 且保留半截葉柄是最適宜的.
2.2.1 培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量對龍薯9 號組培苗生長的影響經(jīng)過50 d 的培養(yǎng),絕大多數(shù)接種莖段均已萌發(fā)成苗,組培苗形成的根呈青綠色,相互纏繞分布于培養(yǎng)瓶底,形成發(fā)達的根系網(wǎng)絡(luò),各處理之間無明顯差異.龍薯9 號A~E 處理的組培苗培養(yǎng)50 d 的生長情況見表4,A~E 處理間的組培苗生長差異如圖2 所示.
圖2 龍薯9 號A~E 處理的組培苗培養(yǎng)50 d 時的生長差異Fig.2 Growth difference of tissue culture plantlets of sweet potato cultivar Longshu 9 among different treatments cultured for 50 days
表4 龍薯9 號A~E 處理的組培苗培養(yǎng)50 d 時的生長情況Tab.4 Growth of tissue culture plantlets of sweet potato cultivar Longshu 9 of different treatments after 50 days of culture
由表4、圖2 可以看出,各處理97%以上的接種莖段都能萌發(fā)成苗,成苗率和單瓶成苗數(shù)在處理之間無顯著差異,但不同處理之間的組培苗長勢卻存在顯著差異.在所有處理中,E 處理的組培苗長勢最佳,多數(shù)植株的株高在3.5~5.0 cm,較高株可達7.0~10 cm,株高4.0 cm 以上的植株占比達到54.17%,遠(yuǎn)高于其他處理.當(dāng)培養(yǎng)基分裝量同為30 mL 時,與E 處理相比,固體培養(yǎng)的A 處理和以玻璃棉作支撐物的B 處理,大多數(shù)植株相對低矮,多數(shù)株高在2.0~4.0 cm,最高株也僅有4.0~6.0 cm,株高4.0 cm 以上的植株占比很低.A 處理的增殖系數(shù)顯著高于B 處理,兩者都顯著低于E 處理.由此可知,相較于固體培養(yǎng)和玻璃棉支撐培養(yǎng),液體培養(yǎng)更適合甘薯組培苗的生長與快繁.
由表4、圖2 還可以看出,同為液體培養(yǎng),不同培養(yǎng)基分裝量對組培苗的長勢也有顯著影響.與E 處理相比,C、D 處理的組培苗長勢明顯變差,D 處理的多數(shù)植株株高在2.5~4.0 cm,C 處理的組培苗更低矮,多數(shù)株高僅有2.0~3.5 cm.D 處理的增殖系數(shù)大于C 處理,但差異不顯著,兩者的增殖系數(shù)均顯著低于E處理.因此,當(dāng)采用液體培養(yǎng)擴繁甘薯組培苗時,液體培養(yǎng)基的分裝量以30 mL/瓶為宜.
綜上可知,不同培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量顯著影響龍薯9 號組培苗的生長,采用液體培養(yǎng)基且分裝量為30 mL/瓶的培養(yǎng)方式,最有利于甘薯組培苗的生長與擴繁.
2.2.2 培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量對洛薯13 號組培苗生長的影響洛薯13 號A~E 處理的組培苗培養(yǎng)50 d時的生長情況見表5,各處理間的組培苗生長差異如圖3 所示.
表5 洛薯13 號A~E 處理的組培苗培養(yǎng)50 d 時的生長情況Tab.5 Growth of tissue culture plantlets of sweet potato cultivar Luoshu 13 among different treatments after 50 days of culture
由表5、圖3 可以看出,除單瓶成苗數(shù)在處理之間不存在顯著差異外,龍薯13 號組培苗的成苗率、增殖系數(shù)等性狀在處理之間差異顯著.對于培養(yǎng)基分裝量相同而培養(yǎng)方式不同的A、B、E 處理,組培苗整體長勢由優(yōu)到差依次表現(xiàn)為E 處理>A 處理>B 處理.液體培養(yǎng)的E 處理的組培苗生長狀況表現(xiàn)最優(yōu),大多數(shù)植株生長茁壯,株高達到4.0~7.0 cm,株高超過4 cm 的植株占比高達81.25%,遠(yuǎn)高于其他處理.以玻璃棉作為支撐物培養(yǎng)的B 處理,組培苗生長狀況表現(xiàn)最差,不僅成苗率、增殖系數(shù)顯著低于其他處理,且植株低矮,多數(shù)植株的株高在2.5~4.0 cm,較高的植株株高也僅有5.0~6.0 cm,株高超過4.0 cm 的植株占比遠(yuǎn)低于A、E 處理.因此,相較于固體培養(yǎng)和玻璃棉支撐培養(yǎng),液體培養(yǎng)更適合洛薯13 號組培苗的快繁培養(yǎng).由表5、圖3 還可以看出,同為液體培養(yǎng)的C、D、E 處理,隨著培養(yǎng)基分裝量的增加,組培苗增殖系數(shù)升高,株高增加,較高植株的占比增大,植株整體長勢趨優(yōu).當(dāng)培養(yǎng)基分裝量為30 mL 時,組培苗的生長狀況達到最優(yōu),增殖系數(shù)也達到最大,并顯著高于C、D 處理.
綜上可知,不同培養(yǎng)方式與培養(yǎng)基分裝量顯著影響洛薯13 組培苗的生長和快繁,并且洛薯13 號組培苗在各處理中的性狀差異特征及其表現(xiàn)規(guī)律與龍薯9 號在各處理中的表現(xiàn)呈現(xiàn)一致性.總之,洛薯13 號組培苗最適宜的擴繁方式,同龍薯9 號一樣,采用液體培養(yǎng)基且培養(yǎng)基分裝量為30mL/瓶是最佳選擇.
培養(yǎng)基的形態(tài)(固體還是液體)影響組培苗的生長與增殖,在保證組培苗質(zhì)量與快繁效率的前提下,擴繁組培苗優(yōu)選液體培養(yǎng)方式.本研究表明:在甘薯脫毒苗的快繁培養(yǎng)中,液體培養(yǎng)的組培苗生長更茁壯,其株高、增殖系數(shù)等均優(yōu)于同等條件下的固體培養(yǎng)和玻璃棉支撐培養(yǎng),這與閆明明等的研究結(jié)果一致[4].植物組培一般采用固體培養(yǎng),這主要得益于固體培養(yǎng)便于操作和保存,且培養(yǎng)材料位置固定,便于跟蹤觀察.但從有利于培養(yǎng)物的生長發(fā)育出發(fā),固體培養(yǎng)由于培養(yǎng)材料與培養(yǎng)基接觸面有限,養(yǎng)分的吸收受限,同等條件下的固體培養(yǎng)效果一般低于液體培養(yǎng)[18-19].與固體培養(yǎng)相比,液體培養(yǎng)的營養(yǎng)成分流動性強,更易被植物吸收利用;由于省去了瓊脂粉,培養(yǎng)成本得到了有效降低;培養(yǎng)基制作和接種過程方便快捷,移栽時更容易清除根部培養(yǎng)基[14].在本研究中,培養(yǎng)結(jié)束時,液體培養(yǎng)的甘薯組培苗出現(xiàn)的黃枯葉數(shù)顯著高于固體培養(yǎng)及玻璃棉支撐培養(yǎng).這是因為,在液體培養(yǎng)中,莖段腋芽一旦萌發(fā)其生長速度明顯快于固體培養(yǎng),營養(yǎng)消耗迅速[22],待到培養(yǎng)后期,液體培養(yǎng)的植株莖葉更繁茂,相互遮蔽,從而影響培養(yǎng)瓶內(nèi)的氣體流通,導(dǎo)致液體培養(yǎng)的組培苗提早出現(xiàn)黃枯葉[23].由于黃枯葉出現(xiàn)于培養(yǎng)的后期,對組培苗的生長和增殖影響很小,可忽略不計.玻璃棉支撐培養(yǎng)的組培苗生長較差,應(yīng)該是因為棉纖維束縛了培養(yǎng)基中營養(yǎng)元素的自由流動,且莖段與玻璃棉的接觸面較小所致[4].相較于液體培養(yǎng),固體培養(yǎng)成苗慢、生長慢,但不易早衰,因此可用于組培苗的保存[21].
采用液體培養(yǎng)快繁甘薯脫毒苗,培養(yǎng)基的分裝量是影響組培苗成苗與生長的重要因素,過多或過少均不利于組培苗的培養(yǎng).本研究表明:培養(yǎng)基分裝量為30 mL 的處理,組培苗的整體生長狀況表現(xiàn)最佳,其株高、增殖系數(shù)均顯著高于分裝量為15 mL 和20 mL 的處理.培養(yǎng)基分裝量的確定,既要保證接種莖段能夠正常萌發(fā)成苗,成苗率高,又要滿足培養(yǎng)周期內(nèi)組培苗生長的需要,并且不會造成額外的浪費.培養(yǎng)基分裝量過多,外植體長期浸沒于培養(yǎng)液,會因通氣不良而造成成苗率和成苗數(shù)降低[19,21],這一問題在甘薯、馬鈴薯等組培苗的液體培養(yǎng)中均出現(xiàn)[23-24].在保證成苗率的前提下,培養(yǎng)基的分裝量還應(yīng)滿足一個生長周期內(nèi)組培苗生長的需要:分裝過多,培養(yǎng)結(jié)束還剩余大量營養(yǎng),造成額外的浪費;分裝過少,造成營養(yǎng)和激素供應(yīng)不足,從而抑制組培苗的正常生長[19,21].此外,過多的培養(yǎng)基,還會造成組培苗含水量過高,影響移栽后的成活[25].本研究采用容積300 mL 的培養(yǎng)瓶,當(dāng)培養(yǎng)基分裝量為30 mL 時,成苗率、成苗數(shù)不受影響,且組培苗的生長表現(xiàn)最佳。這說明30 mL 的培養(yǎng)基已經(jīng)滿足培養(yǎng)周期內(nèi)組培苗生長對營養(yǎng)的需要.當(dāng)將培養(yǎng)基分裝量降低到20 mL 或15 mL 時,雖然對成苗率與成苗數(shù)沒有顯著影響,但組培苗的生長已顯著變差,說明培養(yǎng)基分裝量過少,已無法滿足組培苗正常生長的需要.
采用液體培養(yǎng)快繁甘薯組培苗,接種莖段的長短和形態(tài)也是影響其成苗與生長的重要因素.本研究表明:若接種莖段太短或去除莖段上全部的葉柄與葉片,不僅成苗率、生根率顯著降低,且形成的植株也生長緩慢,植株低矮,增殖系數(shù)顯著降低;適當(dāng)保留莖段節(jié)處的葉柄或全葉,對莖段腋芽萌發(fā)成苗和組培苗的生長都有利.究其原因,過短或光禿的莖段,接種后完全浸泡于培養(yǎng)液,致使腋芽不能正常萌發(fā)或延緩萌發(fā);而對于保留半截葉柄、全長葉柄或全葉的莖段,接種后受葉柄或葉片的支撐,莖段并未淹沒于培養(yǎng)液,從而腋芽的萌發(fā)與生長不受影響或影響較小.從接種操作的實際出發(fā),刻意保留莖段的全長葉柄或整個葉片,必然使莖段截取的效率降低,遲滯接種的速度.接種過程中也發(fā)現(xiàn),保留整葉的莖段,不僅操作中葉柄容易折斷,且由于葉片大而重,接種于培養(yǎng)液后莖段容易發(fā)生傾翻或懸于培養(yǎng)基之外,需要再次調(diào)整,將莖段擺正,使接種效率大大降低.本研究發(fā)現(xiàn),保留半截葉柄的莖段,其培養(yǎng)效果與保留全長葉柄或完整葉片的處理并無顯著差異.綜合考慮,當(dāng)采用液體培養(yǎng)方式擴繁甘薯脫毒苗時,保留半截葉柄且長度為1.5~2.0 cm 的莖段是最適宜的接種材料,不僅便于切割與接種,還能提高接種效率,且成苗率高,組培苗生長茁壯迅速.
采用液體培養(yǎng)方式擴繁組培苗,需要綜合考慮培養(yǎng)瓶大小、接種外植體數(shù)量等影響因素,協(xié)調(diào)好培養(yǎng)基分裝量與接種外植體大小的關(guān)系.培養(yǎng)基分裝量的確定,應(yīng)以滿足組培苗成苗、生長的營養(yǎng)需要又不造成額外浪費為準(zhǔn)則,以此為據(jù),必須綜合考慮組培苗培養(yǎng)周期的長短、單瓶接種外植體的數(shù)量、培養(yǎng)瓶的大小、外植體的大小和形態(tài)等.以培養(yǎng)瓶大小為例,同樣體積的培養(yǎng)基,分裝到容積越大的培養(yǎng)瓶,形成的液層深度越淺,對外植體萌發(fā)成苗的不利影響就越?。煌坏囊簩由疃?容積越大的培養(yǎng)瓶,可分裝更多的培養(yǎng)基,接種的培養(yǎng)材料就可以越多.從外植體大小與形態(tài)來講,在培養(yǎng)基液層深度既定的條件下,外植體越小,浸沒于培養(yǎng)基中就越深,對成苗與生長的不利影響就越大;反之,外植體越大(長),雖然可以規(guī)避培養(yǎng)液腌漬的不利影響,但造成組培苗的快繁效率降低.本研究采用的是容積為300 mL 的廣口瓶,加注30 mL 培養(yǎng)基后,液層的厚度約0.6 cm.當(dāng)將長度為0.7~1.0 cm 的短莖段或1.5~2.0 cm 長且全部去除葉柄葉片的莖段接種于培養(yǎng)基后,莖段完全沉沒培養(yǎng)液內(nèi);而將1.5~2.0 cm 甚至更長,且?guī)Р糠只蛉L葉柄以及帶有完整葉片的莖段放于培養(yǎng)基后,莖段仍有部分外露于培養(yǎng)液之外.兩大類莖段接種后在培養(yǎng)液中的淹沒如否,恰恰是兩大類莖段經(jīng)離體培養(yǎng)后,組培苗成苗和長勢出現(xiàn)顯著差異的原因.
綜上可知,在保證甘薯組培苗質(zhì)量與繁殖效率的前提下,為了降低培養(yǎng)基成本,提高接種效率,甘薯脫毒苗的快繁優(yōu)選液體培養(yǎng),即在容積為300 mL 的培養(yǎng)瓶中盛裝30 mL 培養(yǎng)基,接種1.5~2.0 cm 長并保留半截葉柄的莖段,經(jīng)過一個培養(yǎng)周期的離體培養(yǎng),不但莖段腋芽萌發(fā)不受影響,成苗率與成苗數(shù)高,而且組培苗生長迅速,增殖系數(shù)高.