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氮素對(duì)印楝愈傷組織和懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的影響

2015-01-08 09:52韓廣建李興林別振宇張國(guó)運(yùn)
關(guān)鍵詞:銨態(tài)氮硝態(tài)氮素

韓廣建,李興林,別振宇,張國(guó)運(yùn)

(工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,天津 300457)

印楝(Azadirachta indica A.Juss),楝科楝屬植物,生長(zhǎng)于印巴次大陸,內(nèi)含多種生物活性物質(zhì),其中,活性最強(qiáng)的是印楝素[1].印楝素,四環(huán)三萜類化合物,屬于檸檬苦素類物質(zhì),主要存在于印楝種仁中,具有廣泛的生物殺蟲(chóng)效果.由于種仁的生產(chǎn)力有限,人們通過(guò)植物組織培養(yǎng)的技術(shù)對(duì)印楝素進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn).影響印楝組織培養(yǎng)的因素有很多[2-3],比如碳素、氮素、激素、溶氧量等.

氮素對(duì)植物生理代謝和生長(zhǎng)有重要作用.印楝細(xì)胞中氮素含量的多少及氮素的存在形式都直接影響著印楝組織的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的積累.氮素主要以硝態(tài)氮(-N)和銨態(tài)氮(-N)的形式被植物直接吸收和利用[4-5].在印楝的組織培養(yǎng)研究中,Prakash 等[6]指出,僅以硝態(tài)氮為氮素時(shí),培養(yǎng)物有較高的細(xì)胞生長(zhǎng)(7.1,g/L)和印楝素積累(每克細(xì)胞1.76,mg,每升培養(yǎng)物12.49,mg),而高銨態(tài)氮對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和印楝素形成有抑制作用.但是,同時(shí)以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為氮素時(shí),有利于印楝素在胞內(nèi)胞外積累的有效分配.Sujanya 等[7]研究表明,以MS 培養(yǎng)基[8]為基準(zhǔn),在其他成分及濃度相同條件下,當(dāng)硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的物質(zhì)的量比為4∶1 時(shí),印楝素從胞內(nèi)幾乎完全轉(zhuǎn)移到了胞外.然而,作者對(duì)產(chǎn)生這種結(jié)果的機(jī)理沒(méi)有探討.眾所周知,可溶性蛋白是植物中酶的重要組成部分,其直接或間接影響著植物生長(zhǎng)代謝活動(dòng),是重要的生理生化指標(biāo)之一.基于此,本文旨在探討不同氮素對(duì)印楝愈傷組織和懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的影響,主要通過(guò)考察細(xì)胞中生物量、可溶性蛋白、印楝素以及檸檬苦素類物質(zhì)(AZRL)含量篩選最佳氮素,為利用細(xì)胞工程手段生產(chǎn)印楝素提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 印楝來(lái)源

印楝種子購(gòu)于云南天宇種子公司,種植于天津科技大學(xué)泰達(dá)校區(qū).印楝幼葉采摘于印楝種子萌發(fā)生長(zhǎng)兩年后的幼株.

1.2 主要試劑及儀器

印楝素標(biāo)準(zhǔn)品,美國(guó)Sigma 公司;檸檬苦素標(biāo)準(zhǔn)品,上海純優(yōu)生物科技有限公司;考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清白蛋白(BSA)標(biāo)準(zhǔn)品,上海索萊寶生物科技有限公司.

TDL-40B 型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;TU-1810 型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;Agilent 1200 型高效液相色譜儀,安捷倫科技有限公司.

1.3 印楝愈傷組織的誘導(dǎo)

取幼嫩的葉片作為外植體,在流動(dòng)自來(lái)水下沖洗3~5,h.然后將外植體移至無(wú)菌超凈臺(tái)上,用2%,的NaClO 浸泡消毒約10,min,無(wú)菌蒸餾水沖洗3 次,再用75%,酒精消毒3 次,每次30,s,并且每次酒精消毒后均用無(wú)菌蒸餾水沖洗3 次.繼之,用無(wú)菌濾紙將外植體(幼葉)表面上的水珠吸干凈,并將葉片的鋸齒狀邊緣部分以及葉柄去除,之后再切割成約1,cm2的小塊,分別轉(zhuǎn)接到含有蔗糖3%,、瓊脂0.65%,的MS[8]+NAA(1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)、MS+NAA(1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)+KNO3(1.99,g/L)、MS+NAA(1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)+KNO3(3.98,g/L)固體培養(yǎng)基上,在(25±2)℃下進(jìn)行黑暗培養(yǎng)[9].經(jīng)20,d 后,分別將上述3 種愈傷組織在相應(yīng)的培養(yǎng)基上進(jìn)行繼代培養(yǎng).

1.4 印楝細(xì)胞培養(yǎng)的建立

在氮素的物質(zhì)的量比不同的培養(yǎng)基上,分別取第3 次繼代培養(yǎng)的淺黃松散愈傷組織適量,在無(wú)菌條件下切碎,稱取 5,g(以鮮質(zhì)量計(jì)),相應(yīng)地轉(zhuǎn)接到100,mL 含有3%,蔗糖的MS+NAA(1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)、MS+NAA(1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)+KNO3(1.99,g/L)、MS+NAA1.0,mg/L)+6-BA(3.0,mg/L)+KNO3(3.98,g/L)液體培養(yǎng)液中.然后在(25±2)℃、轉(zhuǎn)速125,r/min、光/暗周期8,h/16,h[7]的條件下進(jìn)行振蕩培養(yǎng).每隔12,d 繼代培養(yǎng)1 次,繼代培養(yǎng)接種量為30%,.

1.5 測(cè)定方法

1.5.1 印楝細(xì)胞生物量的測(cè)定

參考Raval 等[10]描述的生物量測(cè)定方法.將細(xì)胞懸浮液3,000,r/min 離心20,min,收集離心沉淀物,放入預(yù)稱量的鋁盤中稱質(zhì)量,與接種量相比,二者之差即為細(xì)胞鮮質(zhì)量.然后對(duì)鮮細(xì)胞進(jìn)行60,℃干燥至質(zhì)量恒定,即為細(xì)胞干質(zhì)量.

1.5.2 可溶性蛋白含量的測(cè)定[11-12]

最大吸收波長(zhǎng)掃描:精確稱取牛血清白蛋白(BSA)標(biāo)準(zhǔn)品0.020,0,g,用蒸餾水定容至100,mL,即得200,μg/mL 的BSA 標(biāo)準(zhǔn)溶液.然后分別量取BSA標(biāo)準(zhǔn)溶液 0.0、0.2、0.4、0.6,mL,用蒸餾水補(bǔ)充至1.0,mL,并加5,mL 的考馬斯亮藍(lán)G-250 溶液,充分混勻后靜置5,min,然后在400~600,nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描.結(jié)果在590,nm 處呈現(xiàn)最大吸收峰.

可溶性蛋白含量標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定:分別量取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,mL BSA 標(biāo)準(zhǔn)溶液于6 支10,mL 試管中,并用蒸餾水補(bǔ)充至1.0,mL.然后向各試管中加入5,mL 考馬斯亮藍(lán)G-250 溶液,混勻后靜置5,min,在590,nm 波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度.以吸光度對(duì)可溶性蛋白含量做回歸處理,得到回歸方程y=0.995,1,x+0.099,7,R2=0.993,6.

樣品液的制備:稱取印楝組織或細(xì)胞鮮樣0.5,g,加入3,mL 磷酸緩沖液(PBS)和適量石英砂,冰浴研磨后移入10,mL 離心管中,再用5,mL pH 7.8 緩沖液沖洗,一并轉(zhuǎn)入10,mL 離心管中,于4,℃、12,000g離心15,min,收集上清液即為可溶性蛋白質(zhì)提取液,4,℃冰箱保存?zhèn)溆?

樣品液中可溶性蛋白含量的測(cè)定:取上述提取液1.0,mL,加5,mL 的考馬斯亮藍(lán)G-250 溶液,在旋渦混合器上混合處理,靜置5,min,在590,nm 處測(cè)定吸光度.結(jié)合回歸方程和式(1)計(jì)算出鮮樣中可溶性蛋白質(zhì)含量(mg/g).

式中:m1為查標(biāo)準(zhǔn)曲線所得的每管可溶性蛋白的質(zhì)量,mg;V1為提取液總體積,mL;V2為測(cè)定所提取液體積,mL;m2為取樣量,g.

1.5.3 印楝素含量的測(cè)定[13]

印楝素標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定:精確稱取印楝素標(biāo)準(zhǔn)品0.002,0,g,用色譜純甲醇定容至 10,mL,即得0.2,mg/mL 的印楝素標(biāo)準(zhǔn)溶液.然后分別量取印楝素標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,mL,用色譜純甲醇補(bǔ)充至1.0,mL,過(guò)膜(0.22,μm)后用高效液相色譜儀進(jìn)行測(cè)定.以吸收峰面積對(duì)印楝素含量做回歸處理,得到回歸方程y=1.611,x+62.231,R2=0.991,3.依據(jù)回歸方程可計(jì)算樣品中印楝素的含量.

印楝素高效液相測(cè)定條件:固定相為C18 柱(250,mm×4.6,mm,45,℃),流動(dòng)相為甲醇與水(體積比為55∶45),流量1.0,mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng)217,nm,出峰時(shí)間約為4.8,min.

樣品中印楝素含量的測(cè)定:稱取1.0,g(以干質(zhì)量計(jì))愈傷組織(或懸浮細(xì)胞),浸泡于10,mL 甲醇中進(jìn)行提取,并按體積比60∶40 的比例向甲醇提取液中添加無(wú)菌蒸餾水,然后用與甲醇提取液體積相同的二氯甲烷萃取15,min,萃取兩次,合并兩次萃取液,之后進(jìn)行40,℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā).旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后的產(chǎn)物用5,mL 色譜純甲醇重溶并過(guò)膜(0.22,μm),運(yùn)用高效液相色譜(HPLC)法進(jìn)行印楝素含量測(cè)定.由回歸方程計(jì)算樣品溶液中印楝素的含量.

1.5.4 檸檬苦素含量的測(cè)定

檸檬苦素標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定:精確稱取檸檬苦素標(biāo)準(zhǔn)品5.00,mg 置于50,mL 容量瓶中,用二氯甲烷定容,即得0.1,mg/mL 的檸檬苦素標(biāo)準(zhǔn)溶液.分別量取0.0、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.4,mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液置于7 支10,mL 試管中,用二氯甲烷分別定容至1.4,mL;加入0.02,g/mL 香草醛甲醇溶液0.4,mL,混勻后室溫放置2,min;添加0.6,mL 濃硫酸,并迅速振蕩10,s,再加入1.4,mL 的甲醇溶液;靜置10,min 后于579,nm 處測(cè)定其吸光度.以吸光度對(duì)檸檬苦素含量做回歸處理,得到回歸方程 y=2.696,5,x-0.120,4,R2=0.993,0.依據(jù)回歸方程計(jì)算樣品中檸檬苦素的含量.

樣品中檸檬苦素含量的測(cè)定[14]:將印楝組織在40,℃下烘干至質(zhì)量恒定;稱取樣品0.15,g(以干質(zhì)量計(jì)),浸泡于10,mL 甲醇中進(jìn)行提取,并按體積比60∶40 的比例向甲醇提取液中添加無(wú)菌蒸餾水,然后用與甲醇提取液體積相同的二氯甲烷萃取15,min,萃取兩次,合并兩次萃取液,之后進(jìn)行40,℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā).旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后的產(chǎn)物用5,mL 二氯甲烷重溶,即得樣液.取1.4,mL 樣液于試管中,加入0.02,g/mL 香草醛甲醇溶液0.4,mL,混勻后室溫靜置2,min;然后加入 0.6,mL 濃硫酸,并迅速振蕩10,s;再加入1.4,mL 的甲醇溶液,以二氯甲烷作為空白對(duì)照,測(cè)定其吸光度.由回歸方程計(jì)算樣品溶液中檸檬苦素的含量.

1.5.5 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Excel 和SPSS 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和顯著性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 氮素對(duì)生物量的影響

硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比對(duì)生物量的影響見(jiàn)表1.在3 種不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比下,印楝愈傷組織和懸浮細(xì)胞中的生物量均隨硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而增加,并在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為4∶1 時(shí)達(dá)到最大,分別為35.85,g/L和92.13,g/L.硝態(tài)氮含量增加的同時(shí)培養(yǎng)系統(tǒng)中的氮素含量也增加,而氮素的增加有利于生物量的增加.這與Rodrigues 等[15]所報(bào)道高氮素增加了生物量的結(jié)果相同.

表1 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比對(duì)生物量的影響(n=3)Tab.1 Effect of the ratio of nitrate to ammonium on the biomass of Azadirachta indica A.Juss (n=3)

同時(shí),由表1 也可以看出:在3 種不同硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的情況下,懸浮細(xì)胞的生物量?jī)蓛砷g有顯著性差異;但是愈傷組織的生物量,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為2∶1 和3∶1 時(shí)沒(méi)有顯著性差異.這可能是由于印楝細(xì)胞呈懸浮狀態(tài)時(shí),有利于細(xì)胞對(duì)氧的吸收,有利于細(xì)胞的新陳代謝,從而有利于細(xì)胞的生長(zhǎng).溶氧量對(duì)細(xì)胞生物量的影響在多種文獻(xiàn)中[15-16]也有報(bào)道.

2.2 氮素對(duì)可溶性蛋白含量的影響

如表2 所示,在3 種不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比下,印楝愈傷組織中的可溶性蛋白含量隨硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而增加,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為4∶1 時(shí)達(dá)到最大(12.67,mg/g),但在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 和4∶1 時(shí),二者的可溶性蛋白含量幾乎相同,并沒(méi)有顯著性差異.

印楝懸浮細(xì)胞中的可溶性蛋白隨硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而先升高再降低,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 時(shí)達(dá)到最大(10.18,mg/g).并且,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為4∶1 的懸浮細(xì)胞中的可溶性蛋白比2∶1 的少,但也沒(méi)有顯著性差異.

表2 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比對(duì)可溶性蛋白含量的影響(n=3)Tab.2 Effect of the ratio of nitrate to ammonium on soluble protein content of Azadirachta indica A.Juss(n=3)

可溶性蛋白質(zhì)是植物所有蛋白質(zhì)組分中最活躍的一部分,包括各種酶源、酶分子和代謝調(diào)節(jié)物[17].硝酸鹽含量的增加,可能刺激了印楝愈傷組織中代謝酶的活性,從而使得硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 和4∶1 的愈傷組織中可溶性蛋白含量提高.但是,同種植物不同組織的生物特性也不盡相同,因此,即使都是由幼葉產(chǎn)生的在相同氮素比例下的愈傷組織和懸浮細(xì)胞,二者中的可溶性蛋白變化趨勢(shì)不同,含量也不同.

2.3 氮素對(duì)印楝素含量的影響

在3 種不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比下,印楝愈傷組織中的印楝素含量隨硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而增加,并在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為4∶1 時(shí)達(dá)到最大(37.55,μg/g,以鮮質(zhì)量計(jì)),硝態(tài)氮的增加提高了代謝物印楝素的含量(表3),這與Prakash 等[6]所報(bào)道的硝酸鹽有利于印楝素的積累結(jié)果相似.但是,印楝懸浮細(xì)胞中的印楝素含量卻是隨著硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而先升高再降低,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 時(shí)達(dá)到最大(35.61,μg/g,以鮮質(zhì)量計(jì)),這與Sujanya 等[7]所報(bào)道的當(dāng)硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 時(shí)胞內(nèi)印楝素含量達(dá)到最大的結(jié)果相近.

由印楝素在愈傷組織中的遞增變化以及在懸浮細(xì)胞中先增后減的變化結(jié)果可以看出,相同的誘導(dǎo)源,不同的印楝組織細(xì)胞,其生理特性也不同.這與Kumar 等[18-19]所報(bào)道的生理特性和環(huán)境因素影響印楝組織中的印楝素含量結(jié)果相一致.

表3 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比對(duì)印楝素含量的影響(n=3)Tab.3 Effect of the ratio of nitrate to ammonium on azadirachtin content of of Azadirachta indica A.Juss (n=3)

2.4 氮素對(duì)檸檬苦素含量的影響

如表4 所示,在3 種不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比下,印楝愈傷組織中的檸檬苦素含量隨硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而增加,并在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為4∶1 時(shí)達(dá)到最大(116.10,μg/g,以鮮質(zhì)量計(jì)),而在懸浮細(xì)胞中的檸檬苦素含量卻隨著硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比的增加而先升高再降低,在硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比為3∶1 時(shí)達(dá)到最大(123.20,μg/g,以鮮質(zhì)量計(jì)).但是,無(wú)論在愈傷組織中還是在懸浮細(xì)胞中,印楝素含量與檸檬苦素含量表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì),并且在各個(gè)不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比下,印楝素含量總保持低于檸檬苦素含量水平,并呈正相關(guān),這由印楝素屬于一種檸檬苦素類物質(zhì)[20]的性質(zhì)決定.

表4 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮物質(zhì)的量比對(duì)檸檬苦素含量的影響(n=3)Tab.4 Effect of the ratio of nitrate to ammonium on limonoid content of of Azadirachta indica A.Juss(n=3)

盡管培養(yǎng)物中可溶性蛋白含量與印楝素和檸檬苦素含量的變化趨勢(shì)相同,但同樣的可溶性蛋白含量,在愈傷組織和懸浮細(xì)胞中卻表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).在愈傷組織中表現(xiàn)出遞增趨勢(shì),而在懸浮細(xì)胞中表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),這可能與其組織中相關(guān)代謝酶的活性變化有關(guān)[21].

3 結(jié)論

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