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影响体细胞胚胎发生的因素

人阅读 发布时间:2019-03-12 11:51

体细胞胚的发生发育是多种内外因素综合作用的过程,其中外植体、培养基和植物生长调节物质以及培养的环境条件起决定作用。
1.外植体的选择
根据
细胞全能性的理论,植物体任何部分的细胞、组织和器官如根、茎、叶、种子等,都能在人工条件下脱分化,从而恢复到幼龄的胚胎性的细胞阶段。但是,由于技术和试验规模的限制,目前还不能轻而易举地使每一种植物的任何部位的任何一个细胞都恢复胚性,并重新开始它的胚胎发育。尽管全能性是客观存在的,但全能性的表达需要一定的条件和信号。不同植物、同一植物的不同部位对刺激等外界信号的感应程度不同,反应不同,其体细胞胚诱导的难易程度也就有所差异,这涉及分化和脱分化实质,即基因差别表达的问题。实践证明,大多数植物的幼胚都是组织培养和再生植株的最佳外植体(BorLga et al,1992)。受精卵是全能性最好的细胞,从受精卵到幼胚发育过程短,细胞特化少,而发育成熟的植株的各类体细胞经过长时间的生长发育,不断特化,其全能性也随之下降(黄璐等,1999)。
Merkle认为,森林树种的胚性培养只能来源于种子和幼苗,合子胚或种子的发育程度对诱导胚状体的影响是很大的。事实上,从营养器官诱导出体细胞胚的树种也有,但还是以胚或幼苗为外植体的居多。据Evans等1981年统计,在已成功体胚发生的63种木本植物中,有23种是用胚作外植体的。许多树种的研究表明,未成熟种子的胚比成熟种子或幼苗有更高的诱导潜能。总之,体细胞胚胎发生中外植体的筛选是培养成功的重要前提,以一定发育阶段的合子胚为材料。
2.
基本培养基及其附属成分
基本培养基成分及其状态等对体细胞胚的发生至关重要,常用的基本培养基有含盐量较高的B5、SH和MS培养基。据Evans等1981年统计,70%的植物体细胞胚胎发生用MS或改良的MS培养基。据Ammirato在1983年统计的92种植物体细胞胚胎发生中,有68种使用MS基本培养基(约占74%)。MS中较高浓度的NH+4、NO-3和螯合铁对体细胞胚发生有一定作用。但针叶树体细胞胚发生中,通常用DCR、LP、LM等培养基作体胚诱导培养基。培养基根据树种不同可用固体或液体的,有些树种在体细胞胚胎发生的不同阶段要求使用不同状态的培养基。
氮素的形态及K+对体细胞胚胎发生也起重要作用。通常含高浓度NH+4、NO-3的培养基对针叶树的体细胞胚发生不利,明显降低其含量,可促进体细胞胚的发生和发育。还原性氮对核桃等多个树种的体细胞胚发生具有促进作用。谷氨酰胺等酰胺类物质常被作为还原性氮源而加入培养基。培养基中添加椰乳(CW)、水解酪蛋白(CH)、酵母抽提物(YE)等天然复合物对许多木本植物体细胞胚的诱导也很有效。
碳水化合物一方面作为能源,另一方面又作为渗透调节剂对体细胞胚的诱导和发育产生重要作用。高频率诱导体细胞胚胎一般使用蔗糖,提高蔗糖浓度可增加可可生物碱、花青素、脂肪酸含量,有利于体细胞胚的成熟。苹果叶片离体培养时,在保证碳源供应的前提下,降低蔗糖浓度有利于直接体细胞胚胎发生,而在裸子植物的体细胞胚胎发生中,通常利用肌醇或乙二醇作渗透调节剂。
另外,调节、多胺等的生物合成均可改变愈伤组织的胚性及其体细胞胚发生能力。而 活性炭等则常被作为促进体细胞胚胎成熟或防止褐化的物质添加于培养基。
3.植物生长调节物质
很早人们就意识到,植物生长调节物质特别是生长素在植物体细胞胚胎发生中有重要作用。但由于有效的胚胎发生实验体系很少,至今人们对体细胞胚胎发生中植物生长调节物质的调控作用还缺乏足够的了解。尽管如此,生长调节物质仍是目前诱导体细胞胚最有效的一个因素,因此,在未弄清体细胞胚胎发生机制的情况下,用控制生长调节物质来提高体细胞胚胎发生的频率与质量在实践中是行之有效的方法之一。
生长素是诱导体细胞胚发生研究最多的植物生长调节物质,在不少植物中已证明是胚胎发生所必需的。2,4一D(;2,4-dichlorophenoxyacetic acid)是诱导多种植物离体培养的体细胞转变为胚性细胞的重要植物生长调节物质,其次是NAA(a一萘乙酸,1一naphthlcetic acid)。Evans等曾经在1981年统计有57.7%的双子叶植物以及所有单子叶植物在其体细胞胚发生的诱导阶段都使用2,4一D。2,4一D的作用十分重要而且微妙,一方面,它对胚性愈伤组织的产生必不可少,另一方面又抑制体细胞胚的进一步发育。所以,一般把体细胞胚发生分为两个阶段,一是诱导阶段,必须加2,4一D;二是体细胞胚发生阶段,此阶段降低或去除2,4一D(Zimmetman,1993)。事实上,有些植物在愈伤组织诱导与体细胞胚胎发生两阶段都需要或都不需要2,4一D,这可能与不同植物内源激素的状况有关。
早期的研究特别强调生长素的作用,但越来越多的研究表明,细胞分裂素在植物体细胞胚发生中的作用也很重要,许多材料要求生长素与分裂素结合使用,如红醋栗、檀香、桉树、油茶、桃等,有少数材料如茶树未成熟胚子叶、欧洲冷杉雌配子体、塞尔维亚云杉幼茎培养中,只用细胞分裂素就可诱导体细胞胚发生,而同时添加生长素可提高体细胞胚发生频率。许多裸子植物的研究表明,细胞分裂素在体细胞胚发生中起着比生长素更重要的作用。近年来人们又发现一种更高细胞分裂素活性的物质——TDZ(一种细胞分裂素类物质,thidiazuron),TDZ在木本植组织培养中作用相当明显,已在胡桃、美国白蜡、悬钩子等植物中相继用TDZ诱导了体细胞胚胎发生(Huetteman et a1,1993;孔冬梅等,2003)。
除生长素和细胞分裂素外,脱落酸(ABA,abscisic acid)对多数树种体细胞胚的发育特别重要,其作用主要是促进体细胞胚成熟,防止畸形胚的产生,抑制体细胞胚的过早萌发,防止针叶树中的裂生多胚现象。Misra等(1993)认为脱落酸对体细胞胚的促进机理可能在于脱落酸有利于外植体中贮藏库的增加,这些贮藏库包括贮藏蛋白、贮藏脂肪等。
总之,体细胞胚胎发生过程中,每种植物生长调节物质都各有其特异性。只有将各种植物生长调节物质交互配合使用,才能充分发挥植物生长调节物质平衡的调节作用,诱导出高质量的体细胞胚。
此外,植物生长调节物质与氮源、碳源作用之间也具有协同效应,在体细胞诱导中需合理配合使用。胡自华使用含不同浓度的脱落酸、赤霉酸和脯氨酸及三者不同浓度的组合诱导胡萝卜体细胞胚胎发生,发现三因素在适当浓度配合时,体细胞胚的质量比单独使用任何一种调节物都要明显。
4.培养的环境条件
培养基的状态,环境的光照、温度和气体状态等对体细胞胚发生都会产生不同程度的影响。
(1)培养基的物理状态培养基的物理状态可分为液体、固体和半固体,一般认为,培养基的物理状态对胚的形成和发育影响很小,但并非所有植物都如此。有些植物在体胚发生的不同阶段,对培养基物理状态的要求不同,如胡萝卜和石刁柏,在诱导愈伤组织形成时要求固体培养基,在细胞和体细胞胚增殖时采用液体培养基,在成株时采用固体培养基。而烟草愈伤组织需要从固体培养基转到液体培养基才能有效分化苗。
(2)渗透压许多实验表明,培养基中的渗透压对胚状体发生和植株再生有显著影响。一般体胚发生的较早时期通常要求较高的渗透压,但较高渗透压会抑制胚性愈伤组织的增殖。培养基中蔗糖、葡萄糖等浓度的改变可以引起渗透压的改变,从而改变培养效果。文颖通过低温处理结合渗透压调节法使甘蔗的体细胞胚发育达到了部分同步化。
(3)培养基pH值pH值的变化直接或间接地影响愈伤组织的生长及其形态建成。愈伤组织或体细胞胚发生均要求一个较为合适的pH值。烟草花粉诱导体细胞胚适宜的pH值为6.8,柑橘则以pH值5.6为好。pH值7.0处理1 d可显著提高水稻花粉愈伤组织分化绿苗的能力。Jay等发现,生物反应器中pH值4.3时胡萝卜体细胞胚发生频率高,但胚发育被抑制在鱼雷胚阶段前,只有在pH值5.8时体细胞胚才继续生长发育。目前pH值对愈伤组织形成和分化影响的规律还不是十分明确。
(4)光照 体细胞发生对光照的要求因植物种类而异,例如烟草和可可的体细胞胚发生要求高强度的光照,而胡萝卜、黄蒿、咖啡、水曲柳等的体细胞胚发生则在黑暗的条件下较为合适。对胡萝卜悬浮细胞培养,白光、蓝光抑制体细胞胚发生和生长,黑暗、红光、绿光下所得体细胞胚产率最高,蓝光还可促进心形胚中ABA的合成,而红光则促进心形胚的发育。蓝光有利于芽的分化,而红光、远红光抑制芽分化,同时促进根分化。
(5)温度和湿度各种愈伤组织增殖的最适温度有差异,从20~30℃不等,一般为(25±2)℃。如可可愈伤组织诱导的最适温度为27℃。在高温高湿的同时使用较高浓度的细胞分裂素,容易导致玻璃化苗的出现。培养温度一般为恒温,但夜晚适当降温对苗和根形成都有好处。
(6)气体通气状况对体胚的形成有一定影响,当封口膜的透气性差时容易产生玻璃化胚。一般,对体细胞胚的发生发育来说,培养容器内的气体成分比通气状况更为重要,而且气体成分在液体培养或生物反应器中的影响比固体培养中大。对胚发生影响较大的气体成分主要指氧气、二氧化碳和
、。
(7)电场 应用弱电流刺激能明显增强组织培养中器官发生和体细胞胚发生的潜能。Go1dsworthy曾报道,将两个电极分别插入烟草愈伤组织和琼脂培养基中,通过弱电流(微安培)几周后,处理的组织形成苗频率为对照的5倍。目前也有关于电流刺激原生质体融合的报道

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