化学药剂诱导植物多倍体研究进展

秋水仙碱对哺乳动物微管的亲和性相对较高 ,因此这种药 剂也会对人产生毒害作用 ,在严重的情况下 ,还会使人致 癌。
除了秋水仙碱外 ,还有很多抗微管物质 ,如甲基胺草 磷 ,戊炔草胺 ,安磺磷和氟乐灵等在诱导染色体加倍时具 有很大的潜力 。它们诱导染色体加倍的机理和秋水仙碱 一样 ,都是作用于植物微管蛋白 ,使有丝分裂中断 ,染色体 复制而不能分开 ,从而实现染色体加倍 。甲基胺草磷是一 种含磷酰胺结构的除草剂 ,Morejohn和 Fosket用实验证明 了这种除草剂能直接作用于植物细胞的微管运动 ,导致有 丝分裂终止 ,并且这种除草剂在 10μmol/L 的浓度下对植 物微管蛋白具有较强的亲和性 ,而在 100μmol/L的浓度下 对人脑微管蛋白不具有亲和性 ,不会对人产生伤害 ,从而 显示出甲基胺草磷对植物微管蛋白的亲和性高 ,而对动物 微管蛋白的亲和性低 [ 3 ] 。 Falconer等人 , Sree Ramulu 等 人 , Stadler等人均在植物细胞的悬浮培养中 ,用 μmol/L 浓 度的甲基胺草磷能够完全解聚微管的排列 ,导致高水平的 中期分裂相 ,并且使中期分裂指数显著增长 [ 5, 6, 7, 8 ] 。戊炔 草胺是一种含苯甲酰胺结构的除草剂 ,同样能用和秋水仙 碱相似的方法使有丝分裂中断 ,这种药剂虽不能完全阻止 微管的聚合 ,但是能明显引起微管缩短 。安磺灵和氟乐灵 是两种含有二硝基结构的除草剂 ,也能抑制微管的形成 , 使有丝分裂中断 [9 ] 。在同等的浓度下 ,这两种药剂抑制植 物微管形成比抑制动物微管形成强得多 ,在 μmol/L 浓度 下所产生的效果和秋水仙碱在 mmol/L 浓度下所产生的 效果相当 [ 3 - 4, 8 ] 。
作者简介 :黄权军 (1976 - ) ,男 ,四川眉山人 ,硕士 ,讲师 ,主要从事植物遗传育种及植物形态学方面的研究 。 收稿日期 : 2009 - 02 - 10
安徽农学通报 , Anhui Agri1Sci1Bull12009, 15 (5)
下 ,用秋水仙碱处理 ,能产生 4个植株 ,而用氟乐灵处理却 能产生 34个植株 ,可见 ,秋水仙碱在较长时间处理的情况 下 ,对被处理材料产生了很大的毒害作用 ,而另外 2 种药 剂在较长时间处理的情况下 ,对被处理材料产生的毒害要 小得多 [10 ] 。 Stadler等人在处理玉米的悬浮培养细胞时 , 当秋水仙碱所用浓度为 015% ( 1215mmol/L ) 时 , 能使约 25%的有丝分裂细胞停留在中期 ,与之相比较 ,他们发现 甲基胺草磷比秋水仙碱更能有效的阻止悬浮培养细胞的 有丝分裂 ,当处理条件为浓度 50μmol/L,处理时间 21 28h时 ,也能产生约 25%的有丝分裂细胞停留在中期 ,当 把甲基胺草磷从培养基里移走以后 ,被处理的材料能正常 生长 ,没有产生毒害作用 ,而另一种除草剂氟乐灵 ,在处理 这种悬浮培养细胞时 ,没有产生任何效果 [8 ] 。W an等人采 用甲基胺草磷 、戊炔草胺安磺灵和氟乐灵处理玉米花药诱 导产生的愈伤组织发现 ,单倍体的愈伤组织在被 5μmol/L 或 10μmol/L的甲基胺草磷或 10μmol/L 的戊炔草胺处理 3d以后 ,超过 50%的细胞能够被加倍成二倍体 ,并且不会 抑制愈伤组织的生长 ,被处理的愈伤组织仍然能够产生较 多的再生植株 。在这 4种药剂中 ,加倍效率最高的是安磺 灵 ,但是这种药剂严重抑制再生愈伤组织和再生植株的生 长 。氟乐灵在低浓度时 ,能诱导低比率的染色体加倍 ,但 是在高浓度时 ,它也会同样阻碍再生愈伤组织和再生植株 的生长 。实验结果证明 ,在诱导玉米单倍体愈伤组织加倍 时 ,甲基胺草磷和戊炔草胺是比较有效的药剂 [11 ] 。Bouvi2 er用二种抗有丝分裂物质 —秋水仙碱和安磺灵 ,通过组织 培养的方法来诱导苹果幼芽单倍体加倍 。秋水仙碱采用 了三种处理水平 , 01025, 0125和 1125mmol/L,安磺灵也采 用了三种处理水平 , 5, 15, 30μmol/L, 用这二种药剂处理 后 ,植株的成活率和有效性均是经戊炔草胺处理后的效果 好 [12 ] 。Hansen等人分别用秋水仙碱 、甲基胺草磷 、安磺灵 和氟乐灵 4种药剂对蔓菁小孢子进行了处理 。采用 3 100μmol/L的秋水仙碱能使胚发生增加 ,而采用的浓度超 过 300μmol/L 时 ,则发生了毒害 。用 1mmol/L 的秋水仙 碱 ,处理时间为 24h,能产生高达 94%的二倍体植株 。另 外 3种药剂在诱导胚发生和染色体加倍方面和秋水仙碱 相似 ,但是其浓度比秋水仙碱浓度低了近 100倍 。虽然甲 基胺草磷比安磺灵和氟乐灵的毒害小 ,但是它们在诱导染 色体加倍方面差别不大 。这 3种除草剂在处理时间为 12h 后 ,最大能产生近 65%的二倍体植株 ,由于甲基胺草磷的 毒害作用小 ,因此它在诱导染色体加倍方面更有利 ,在延 长处理时间到 20 - 24h时 ,能诱导产生高达 95% - 100% 的二倍体再生植株 [ 13 ] 。Hansen等人用组织培养的方法诱 导甜菜胚珠染色体加倍时 ,效果最好的是在处理 5h的情 况下 , 采用 014%的秋水仙碱处理能使每 100个胚珠产生 5株二倍体植株 ,在得到的植株中 , 6211%的植株是二倍 体 [14 ] 。后来 ,他们又采用甲基胺草磷 、戊炔草胺 、安磺灵 和氟乐灵再次处理这种甜菜胚珠 ,当它们的处理浓度为 0 - 300μmol/L时 ,处理胚珠染色体加倍最好的药剂为甲基
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安徽农学通报 , Anhui Agri1Sci1Bull12009, 15 (5)
化学药剂诱导植物多倍体研究进展
黄权军
(三峡大学 ,湖北宜昌 443002)
摘 要 :阐述了秋水仙碱 、甲基胺草磷 、戊炔草胺 、安磺磷和氟乐灵五种化学药剂诱导植物多倍体的研究进展 。发现 秋水仙碱会对被处理的植物材料产生较大的毒害 ,而另外四种药剂和秋水仙素相比 ,其浓度低 ,效果好 ,毒性小 。 关键词 :化学药剂 ;植物多倍体 中图分类号 S335. 3 文献标识码 A 文章编号 1007 - 7731 (2009) 05 - 58 - 02
在植物育种史上 ,自 1937 年 B lakeslee和 Avery用人 工方法 ,利用秋水仙碱处理曼佗罗等植物获得多倍体植物 以来 [1 ] ,利用植物碱 ,异生长素 ,化学药剂等诱导多倍体的 研究日益增多 [2 ] 。在用化学方法诱导多倍体植物的药剂 选择中 ,秋水仙碱一直被广泛的利用 ,是诱导植物细胞染 色体加倍最普通的药剂 ,它的作用机理是通过和微管蛋白 (微管的蛋白质元件 )结合 ,抑制纺锤体的机械运动 ,使有 丝分裂中断 ,从而阻止微管形成和染色体向两极迁移 ,诱 导细胞染色体加倍 。在这个过程中 ,秋水仙碱显示出对微 管蛋白较强的亲和性 。
在植物细胞离体培养时 ,用甲基胺草磷 、戊炔草胺 、安 磺灵和氟乐灵处理小麦 (wheat) , 玉米 (maize ) , 马铃薯 (potato) ,蔓菁 ( turnip) ,甜菜 ( sugar beet)等材料的组织细 胞时均得到了可喜的结果 。Hassawi等人在诱导小麦双单 倍体时 ,用 010125% ( 313μmol/L ) , 01025% ( 626μmol/L ) 的秋水仙碱 , 5μmol/L 和 10μmol/L 的氟乐灵以及 5μmol/ L, 10μmol/L 的戊炔草胺处理小麦单倍体愈伤组织 48h 后 ,诱导染色体加倍效果最好的仍是秋水仙碱 ,它诱导产 生的双单倍体 (2n = 6x = 42)达 89%。在处理 72h的条件
植物多倍体主要是通过有性多倍化形成的 。植物细 胞在减数分裂形成配子时 ,有时会发生染色体不减数的现 象 ,所形成的配子不是单倍性配子而是 2n配子 。当这种 2n配子与单倍性配子或 2n配子结合时 ,就会形成各种倍 数的多倍体 。例如 :由二倍体未减数形成的 2n配子与单 倍性配子结合会产生三倍体 ;由 2n配子与 2n配子结合 , 产生四倍体 ;由四倍体未减数形成的四倍性配子与单倍性 配子结合 ,产生出五倍体 ,等等 。植物多倍体还可以通过 体细胞染色体加倍来形成 ,即可以通过组织培养等手段 , 加入一些加倍药剂 ,直接使体细胞染色体加倍 ,形成多倍 体植株 。通过倍性育种方法 ,诱导植物多倍体 ,在植物育 种中具有重要的意义 。多倍体植物的器官有巨大性或较 强的生理活性 ,能明显提高作物产量 ;利用三倍体的高度 不育性 ,能获得无籽果实 ;利用异源多倍体克服远缘杂种 不育性 ,能创造新的物种等 。因此 ,人工诱发多倍体在生 产中意义重大 。
在用秋水仙碱诱导植物细胞染色动物微管蛋白的亲和性 。因此 , mmol/L 浓度的秋水仙 碱通常能抑制植物细胞分裂 ,诱导染色体加倍 ,而 μmol/L 浓度的秋水仙碱却能很有效的和动物微管蛋白结合 ,阻止 微管形成 ,诱导动物细胞染色体加倍 。由于秋水仙碱对植 物微管的亲和性相对来说比较低 ,因此在诱导植物细胞染 色体加倍时则需要较高的浓度 ,而高浓度的秋水仙碱会对 被处理的植物材料产生较大的毒害 [3 - 4 ] 。另一方面 ,由于