半夏组织培养体系的建立
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第一作者简介:陶米林(1990-),女,湖南长沙人,本科,研究方向为植物细胞工程与遗传。
E-mail:xiaomi19900506@163.com.责任作者:黄红梅(1978-),女,湖南长沙人,博士,讲师,研究方向为植物细胞工程与遗传。
E-mail:hhm7418@163.com.收稿日期:2012-10-23
半夏组织培养体系的建立
陶米林,刘清波,黄红梅
(湖南农业大学生物科学技术学院,湖南长沙410128
) 摘 要:
以半夏块茎和顶芽为试材,对顶芽愈伤组织诱导、顶芽愈伤组织不定芽分化、块茎不定芽分化和不定芽诱导生根的最佳条件进行了研究。
结果表明:半夏最佳顶芽愈伤组织诱导培养基为MS+6-BA 2.0mg/L+NAA 0.2mg
/L;最佳顶芽愈伤组织不定芽分化培养基为MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.2mg/L;最佳半夏块茎不定芽分化培养基为MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.2mg
/L;最佳不定芽诱导生根培养基为MS+2,4-D 2.0mg/L+KT 1.0mg/L。
关键词:半夏;组织培养;顶芽;块茎
中图分类号:S 567.23+
9 文献标识码:
A 文章编号:1001-0009(2013)04-0113-05 半夏[
Pinellia ternata(Thunb.)Breit.]属天南星科半夏属多年生草本植物,主产于四川、湖北、河南、贵州、安徽等省。
半夏是中国中药宝库中一种重要及常用的药材,其入药首载于《神农本草经》,距今已有2 000多年的历史。
据统计,在558种中药处方中,半夏的使用频率居第22位。
半夏药用部分主要为块茎,含半夏蛋白、生物碱、半夏淀粉、甾醇类、氨基酸、挥发油、芳香族成分、有机酸类、黄酮类、鞣质以及多种微量元素等化学成分,具
燥湿化痰、降逆止呕、消痞散结之功能[
1-3
]。
由于长期过度采挖,半夏野生资源已近枯竭,远不能满足市场需求,现已进行人工种植。
半夏的人工栽培历史较短,始于20世纪70年代的山东和江苏等地。
半夏人工种植中通常以块茎作生产用种,产量品质逐年下降,而且种源退化严重。
而由于半夏是一种长期野生的
中药材,单株间差异很大。
为了选育优良的半夏品种(系),可以先从野生植株中选择性状优良的单株,通过半夏组织培养来快速、大规模繁殖优良品种和珍贵种质资源。
国内对半夏组织培养的研究,以叶片、叶柄作为外植体的居多。
有的研究了植物生长物质种类和浓度等因素对形成小块茎的影响,并分别筛选出合适的培养基配方;有的则比较了叶片、叶柄、顶芽、块茎等不同外
植体,诱导愈伤组织的效果[
4
]。
因此,在前人基础上,需要进一步探讨如何高效和最大限度地利用优良单株有限的组织器官进行大规模繁殖、遗传改良和次生代谢物开发利用问题。
该试验通过研究不同激素种类和浓度配比对半夏组织培养的影响,以期进一步完善半夏组织培养体系,更好地为后续相关研究奠定材料和技术基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
该试验以野生半夏为试材,采自湖南农业大学校园内,以半夏顶芽及块茎为外植体。
3
11
1.2 试验方法
1.2.1 试验材料的灭菌与外植体制备 接种前先用刀片将半夏块茎外皮去掉,清水洗净。
然后转入超净工作台,用体积分数为0.1%的HgCl2溶液浸泡20min,再用无菌水冲洗3~4次。
发芽的块茎,将顶芽完整切下后用清水洗净,转入超净工作台后用体积分数为0.1%的HgCl2溶液浸泡15min,再用无菌水冲洗3~4次。
在无菌滤纸上将块茎切成0.5~1cm2左右的小块,顶芽切成1~2cm左右的小段,备用。
1.2.2 愈伤组织诱导 无菌条件下,将上述顶芽外植体分别接种到含有不同植物生长调节剂配比的培养基上(表1)。
每个处理4瓶,每瓶接种4个顶芽外植体。
置于组织培养室中培养,定期观察愈伤组织生长情况,并对试验现象进行记录,28d后统计出愈率及出愈量。
1.2.3 愈伤组织的增殖与不定芽分化培养 将愈伤组织于增殖培养基中继代培养使其增殖。
待愈伤组织增殖到一定数量,以不同浓度植物生长调节剂组合(表2),诱导愈伤组织分化出不定芽以及对不定芽进行增殖,每个处理4瓶,每瓶2块愈伤组织,置于组织培养室中培养。
定期观察不定芽分化及不定芽生长情况,21d后统计不定芽增殖系数。
1.2.4 块茎的不定芽诱导 将块茎外植体接种至含有不同浓度植物生长调节剂组合的培养基(表3),诱导不定芽分化及对不定芽进行增殖,每个处理4瓶,每瓶4块,置于组织培养室中培养。
定期观察不定芽分化及不定芽生长情况,21d后统计不定芽增殖系数。
1.2.5 不定芽的生根培养 当不定芽生长至2~5cm高时,将其转移到添加不同植物生长调节剂的生根培养基中(表4),观察并记录不同的植物生长调节剂对植株生根的影响。
每个处理4瓶,每瓶1棵试管苗。
置于组织培养室中培养。
定期观察不定芽生根情况,14d后统计不定芽生根率。
1.2.6 练苗与移栽 待试管苗长至4~6cm高时,打开瓶口,于培养室中放置3~5d。
用镊子将试管苗轻轻取出,放入清水盆中,小心洗去根部培养基,然后涝出,放入干净的小盆中。
将小苗移栽入花盆中,轻轻覆盖、压实,置于阴凉、干燥、通风的培养环境中,常浇水,保持土壤湿润。
1.2.7 培养条件 以上培养基均为MS基本培养基,琼脂浓度均为7g/L,蔗糖浓度均为30g/L。
培养基的pH均为5.6,配制好的培养基经121℃,22min的高温高压灭菌后使用。
培养条件:培养室温度(26±2)℃,光照强度2 000~2 500μmol·m-2·s-1,光照时间12h/d。
1.3 数据分析
试验数据用Excel 2003软件工具栏中的数据分析
进行差异显著性分析。
其中,出愈率=产生愈伤组织的外植体数/外植体数×100%;不定芽增殖系数=出芽数/外植体数×100%;生根率=生根瓶数/接种不定芽数×100%;平均生根条数=总生根条数/接种不定芽数。
2 结果与分析
2.1 激素浓度配比对半夏顶芽愈伤组织诱导的影响以半夏顶芽为外植体诱导愈伤组织,在接种3~5d后,顶芽两端向上跷起,随后有切口的一端膨大(图1-1)。
接种10~12d后,可见顶芽有所增长,其切口端出现白色绒毛状物。
第15天后,渐渐出现淡黄或透明的松散型愈伤组织(图1-2)。
将愈伤组织切下于同样的培养基中进行增殖培养。
由表1可知,处理8顶芽出愈率最高,且出愈量较大。
从处理5~12的出愈率可以看出,当NAA浓度相同时,6-BA浓度越大,愈伤组织出愈率越高;当6-BA浓度相同时,NAA为0.2mg/L时,出愈率普遍较高,且试验中观察到6-BA与NAA组合较2,4-D与KT组合的愈伤组织更接近胚性愈伤组织。
经过差异显著性分析表明,各处理间的出愈率差异显著,其中出愈率最高的为处理8,即6-BA 2.0mg/L和NAA0.2mg/L为半夏顶芽愈伤组织诱导的最适宜激素浓度。
表1激素浓度配比对半夏顶芽
愈伤组织诱导的影响
Table 1Effect of hormone combinations on
the callus induction from the terminal bud of Pinellia tuber
处理
NAA
/mg·L-1
6-BA
/mg·L-1
2,4-D
/mg·L-1
KT
/mg·L-1
接种数
/个
出愈率
/%
出愈量
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0
0
0
0
0.2
0.2
0.2
0.2
0.5
0.5
0.5
0.5
0
0
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.2
0.2
0.5
0.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.0
2.0
1.0
2.0
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
32
32
32
32
0.0s
0.0s
0.0s
0.0s
12.5qr
43.8hij
68.8cd
87.5a
28.1op
40.6ijk
62.5e
71.9bc
31.3lmn
56.3f
46.9gh
75.0b
无
无
无
无
+
++
+++
++++
+
++
++
+++
+
++
++
+++
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
“+”表示愈伤组织发生量;“+”越多,表示愈伤组织发生量越多。
下同。
2.2 激素浓度配比对顶芽愈伤组织不定芽分化的影响将愈伤组织接种于培养基上,7d后发现,半透明的松散型愈伤组织上出现淡绿色芽点(图1-3);15d后淡绿色芽点渐渐密集;21d后愈伤组织长出大量嫩绿色的
411
不定芽,且愈伤组织不断增大,呈浅绿色(图1-4)。
由表2可知,处理2愈伤组织出芽数最多,且不定芽增殖系数最高。
当NAA浓度为0.2mg/L时,处理2的出芽数较多,且不定芽增殖系数最大。
当NAA为0.5mg/L,处理6的出芽数较多,且不定芽增殖系数较大。
比较处理2和处理6可以看出,处理2愈伤组织出芽数较多,且不定芽增殖系数较大,与处理6具有显著差异,同时颜色更为翠绿。
因而NAA 0.2mg/L与6-BA 1.0mg/L为半夏顶芽愈伤组织不定芽分化的最适宜激素浓度。
图1 半夏愈伤组织诱导与不定芽分化
(器官发生型途径)
注:1.切口处膨大;2.愈伤组织;3.愈伤组织上形成淡绿色芽点;4.愈伤长出不定芽。
Fig.1 Induction of callus and differentiation of adventitiousbuds fromPinellia tuber(Organogenesis type)Note:1.Incision enlarged;2.Callus;3.Light green buds formed in thecallus;4.Callus grew adventitious buds.
表2 激素浓度配比对愈伤组织不定芽分化的影响 Table 2
Effect of hormone combinations on the differentiation of
adventitious buds from the callus
处理
NAA
/mg·L-1
6-BA
/mg·L-1
接种数
出芽数
/个
不定芽增
殖系数
123456780.2
0.2
0.2
0.2
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
8
8
8
8
8
8
8
8
56
120
78
45
37
72
28
0
14.00c
30.00a
19.50b
11.25cd
9.25cd
18.00b
7.00de
0.00e
2.3 激素浓度配比对半夏块茎不定芽分化的影响
半夏块茎接种在培养基上7d后,块茎略微膨大,
表面渐黄,并呈现裂纹;第10天后,块茎由白色渐渐转
变成淡绿色,并出现嫩绿色的芽点,块茎体积有所增大
(图2-1);接种15d左右,块茎明显增大很多,出现大量
芽点,且芽点逐渐长大伸长;继代培养后,块茎不断长
大,形成大量不规则的绿色团块状组织,并长出大量新
芽(图2-2)。
由表3可知,各处理间不定芽增殖系数差异
显著,处理6块茎不定芽分化出芽数最多,且不定芽增
殖系数最大。
随着激素浓度的增加,块茎表面长出大量
根(图2-3),抑制了不定芽的分化。
且6-BA与NAA组
合较2,4-D与KT组合不定芽增殖系数普遍更高。
因而
NAA 0.2mg/L与6-BA 1.0mg/L为半夏块茎不定芽
分化的最适宜激素浓度。
图2 半夏不定芽诱导与植株再生
(不定芽型途径)
注:1.接种10d块茎长出芽点;2.块茎形成大量不规则绿色团状组
织;3.块茎表面长出根;4.不定芽;5.根;6.移栽成活。
Fig.2 Induction of adventitious buds and
plant regeneration(Adventitous bud type)
Note:1.Budding point formed on tubers after inoculated 10d;2.A large
number of irregular green tissue formed on tubers;3.Rooting produced on
the surface of tuber;4.Adcentious buds;5.Root;6.Successful transplanting.
5
1
1
表3激素浓度配比对半夏块茎
不定芽分化的影响
Table 3 Effect of hormone combinations on the differentiation ofadventitious buds from the tuber of Pinellia tuber
处理
NAA
/mg·L-1
6-BA
/mg·L-1
2,4-D
/mg·L-1
KT
/mg·L-1
接种数
/个
出芽数
不定芽增
殖系数
12345678910111213141516
0
0
0
0
0.2
0.2
0.2
0.2
0.5
0.5
0.5
0.5
0
0
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.2
0.2
0.5
0.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.0
2.0
1.0
2.0
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
48
32
32
32
32
0
0
0
0
9
168
72
27
12
20
53
38
63
13
25
0
0.0000j
0.0000j
0.0000j
0.0000j
0.5625bc
10.5000a
4.5000cd
1.6875e
0.7500hij
1.2500efg
3.3125cd
2.3750e
3.9375cd
0.8125hij
1.5625e
0.0000j
2.4 激素浓度配比对诱导半夏不定芽生根的影响将半夏不定芽接种于生根培养基上,每瓶接1个带有绿色团块状块茎的不定芽(图2-4)。
10d左右不定芽上长出大量白色、短小、粗壮的根(图2-5)。
由表4可知,处理12不定芽生根量最大,且根较其它处理的根更为短小粗壮。
以KT浓度为常数,2,4-D浓度为自变量,生根率为因变量,进行差异显著性分析,各处理组间的差异显著,因而2,4-D 2.0mg/L与KT 1.0mg/L为半夏不定芽诱导生根的最适宜激素浓度。
待半夏长至4~6cm时便可进行练苗和移栽,移栽10d后小苗已成活,并明显长高至10~12cm(图2-6)。
表4 激素浓度配比对诱导半夏不定芽生根的影响 Table 4Effect of hormone combinations on
the roots inducement from the adventitious buds of Pinellia tuber
处理
KT
/mg·L-1
2,4-D
/mg·L-1
接种数
/个
生根率
/%
平均生根
条数/条
生长状态
1234567891011120.2
0.2
0.2
0.2
0.5
0.5
0.5
0.5
1.0
1.0
1.0
1.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
0.00k
3.13ij
6.25hij
25.00fg
12.50h
25.00fg
53.13d
87.50bc
37.50efg
75.00c
84.38bc
93.75a
0.0
0.09
0.19
1.23
0.50
1.20
2.66
5.25
1.50
3.75
4.64
6.13
不生根
根少,细长
根少,细长
一般,粗细均匀
根少,细长
一般,粗细均匀
一般,粗细均匀,偏长
较好,数量较多
一般,偏细
较好,较多,粗细均匀
较好,数量较多
状态良好,根系健壮
注:“+”表示根的发生量;“+”越多表示根发生量越多。
3 讨论
激素对愈伤组织诱导和器官分化起着十分关键的作用,是影响植物形态建成及其调控的主要因子。
在该试验中,将顶芽接种在只含6-BA的培养基中,顶芽逐渐变黄或褐化,不能产生愈伤组织。
邱璐等[5]研究发现,2,4-D 1.5mg/L和ZET 1.5mg/L对半夏愈伤组织的诱导率可高达100%。
也有试验报道,2,4-D诱导半夏愈伤组织的能力强于其它激素[1]。
该试验证明,将不同激素(6-BA、NAA、2,4-D、KT)以一定浓度搭配,可以提高出愈率和出愈量,而6-BA与NAA的搭配出愈率要高于2,4-D与NAA,且在后续试验中愈伤组织分化的不定芽颜色更为翠绿,植株更健壮,可能该试验使用的半夏材料与前人所用的半夏材料的基因型不同,或者是因为使用的外植体类型不同,因而最适的激素种类不同。
目前,在愈伤组织分化不定芽中应用比较广泛的激素为6-BA、NAA等,但也有一些试验会使用ZET、TDZ等不常用的激素。
有试验报道,同种培养基使半夏的愈伤组织出苗的方式有2种:一种是直接由愈伤组织分化出小苗;另一种是由愈伤组织逐渐形成直径1~3mm珠芽,然后再从珠芽上长出小苗[1]。
在该次试验中不定芽多由愈伤组织直接分化而来,这可能与所使用的激素种类及愈伤组织的来源部位有关,该试验的愈伤组织来自于半夏顶芽,而前人试验的愈伤组织来自于块茎或叶片。
6-BA和KT作为一种细胞分裂素,对植物芽的形成具有显著的促进作用;2,4-D和NAA作为生长素,能有效促进不定根的生成。
近年来,这些激素广泛应用于植物组织离体培养。
涂轶[6]用NAA 0.1~1.0mg/L、6-BA 0.2~3.0mg/L、KT 0.05~0.5mg/L诱导半夏块茎,获得了再生芽。
王慧俐等[7]研究表明,适宜浓度的6-BA和NAA搭配可以促进块茎产生大量的不定芽。
该试验中,单独使用6-BA,使块茎表面长出大量根(图2-5),抑制了块茎的不定芽分化。
只有上述4种激素以一定比例搭配时才能对块茎的不定芽分化起到很好的效果,其中又以6-BA 1.0mg/L和NAA 0.2mg/L效果为最佳。
且随着激素浓度的不断增加,块茎长出大量根,这可能是由于激素极高的促进细胞分裂的能力,更适于根的生长。
因此选择适当的激素种类,且以一定的浓度搭配,有利于半夏块茎的不定芽分化。
在诱导试管苗生根的试验中,就试验结果来看,发现植物激素浓度越高,半夏生根量越大,且根更为短小健壮。
丁伟等[8]用NAA 0~1.5mg/L、IBA 0~1.0mg/L、KT 0~0.3mg/L成功诱导了不定芽生根,其中NAA0.2mg/L+IBA 0.4mg/L+KT 0.2mg/L生根率可达到96.67%,这可能是由于试验材料的来源、基因型等不同。
该试验综合考虑了2种植物生长调节剂的诱导效果后选择的最佳生根培养基是MS+2,4-D 2.0mg/L+KT 1.0mg/L。
611
该试验中通过器官发生型途径和不定芽型途径均可成功地获得半夏再生植株。
在以不定芽型方式培养块茎的过程中,繁殖系数高、培养周期短,较器官发生型途径更适合于工厂化育苗。
并且该研究发现,如果植物激素配比适当,可在一种培养基上直接同时长出不定芽和根,可一次性获得半夏试管苗。
经对一次性成苗的植物激素配比试验研究,认为以块茎为外植体,应用激素配比为MS+NAA 0.2mg/L+6-BA 1.0mg/L的培养基,可以实现一次成苗的目标。
因此,不定芽型途径不但缩短了培养时间,而且节约了成本,简化了试验程序,是工厂化生产半夏试管苗的首选途径。
而经历愈伤组织阶段的器官发生型途径繁殖系数更高,且为半夏遗传转化和药用成分等次生代谢物质的提取生产提供了必需的愈伤组织原材料。
因此,器官发生型途径对半夏遗传转化理论研究和细胞次生代谢产物生产实践具有重要的意义。
该试验建立了半夏快速繁殖体系,可大量提供优质半夏组培苗,同时对半夏的品种遗传改良、细胞代谢产物的高效生产具有一定的指导意义。
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Establishment of Tissue Culture System of Pinellia ternata(Thunb.)Breit.
TAO Mi-lin,LIU Qing-bo,HUANG Hong-mei
(College of Bioscience and Biotechnology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128)
Abstract:Taking terminal bud and tuber as explants,the optimal conditions for inducing callus from terminal bud,differentiating of adventitious buds from callus,differentiating of adventitious buds from tuber and rooting of test-tubeseedlings of Pinellia ternata(Thunb.)Breit.were studied.The results showed that the best medium to induce calluswas MS+6-BA 2.0mg/L+NAA 0.2mg/L,MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.2mg/L was the best differentiationadventitious bud medium from terminal bud callus or tuber,the optimal culture medium was MS+2,4-D 2.0mg/L+KT1.0mg/L for rooting.
Key words:Pinellia ternate(Thunb.)Breit.;tissue culture;terminal bud;tuber
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