王玲仙,王 波,付 堅(jiān),邢佳鑫,肖素勤,張敦宇,鐘巧芳,柯 學(xué),陳 玲,殷富有,蔣 聰,程在全
(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 西南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650205)
野生稻資源是現(xiàn)代水稻育種中新基因的一個(gè)重要來源。特別是非AA染色體組野生稻這一次級(jí)基因庫中有利基因的利用前景更為誘人,并已有成功的報(bào)道[1]。野生稻長(zhǎng)期處于野生狀態(tài),經(jīng)受各種病蟲害和不利環(huán)境的自然選擇,具有豐富的遺傳多樣性,是天然的基因庫。在目前還不能大規(guī)模人工創(chuàng)造新基因的條件下,天然的野生稻資源在水稻育種中,特別是在抗病蟲、抗逆性育種中具有巨大的利用價(jià)值[2]。同時(shí)野生稻還具有優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)含量高、功能葉片耐衰老、特強(qiáng)的再生性、良好的茂盛性及生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),這些優(yōu)良特性已被廣泛用于水稻常規(guī)育種和雜交育種中,并取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。
緊穗野生稻Oryzaeichingeri經(jīng)查證,認(rèn)為O.eichingeri實(shí)際上是二倍體稻種, 有學(xué)者將其染色體組定為CC。它與栽培稻親緣關(guān)系較遠(yuǎn),同樣具有許多優(yōu)良特性,但緊穗野生稻結(jié)實(shí)率不高,種子落粒性強(qiáng),萌發(fā)率低,基本不能用種子進(jìn)行繁殖,嚴(yán)重妨礙了緊穗野生稻的保存保護(hù)、繁殖和利用。目前,緊穗野生稻的繁殖手段主要是莖稈扦插和分根移栽,其繁殖率低、繁殖時(shí)間長(zhǎng)。研究中發(fā)現(xiàn),緊穗野生稻種子種皮堅(jiān)硬,有一層釉質(zhì)包裹,種子極難吸水膨脹,造成種子萌發(fā)率極低,利用常規(guī)的浸泡和高溫催芽處理也很難提高緊穗野生稻種子的發(fā)芽率,利用種子誘導(dǎo)愈傷效率和成苗率也極低。本研究利用緊穗野生稻的幼胚活力強(qiáng)的特點(diǎn),應(yīng)用不同植物激素組合和培養(yǎng)條件變化對(duì)其進(jìn)行誘導(dǎo)分化,成功地誘導(dǎo)出了緊穗野生稻幼胚愈傷組織,并得到分化生根苗,為今后野生稻的資源保存、利用和雜交育種提供了技術(shù)支持和充分保障。
緊穗野生稻種質(zhì)材料從斯里蘭卡引進(jìn)。
2,4-D、6-BA、NAA、IAA、KT、ZT、TDZ與各類組織培養(yǎng)所用化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.3.1 幼胚采集 田間采集緊穗野生稻幼胚,用紙袋裝好,曬干,儲(chǔ)存于干燥通風(fēng)的地方。
1.3.2 幼胚處理 將曬干幼胚剝?nèi)?,置于滅菌的小錐形瓶?jī)?nèi),在超凈工作臺(tái)內(nèi)用蒸餾水清洗,再用75%的酒精表面滅菌1 min,加入0.1%的氯化汞分別處理15、10 min,用無菌水清洗4~5遍,將種子用濾紙吸干水分,待用。
1.3.3 胚性愈傷誘導(dǎo) 將待用幼胚接入不同的誘導(dǎo)培養(yǎng)基上,置于人工氣候箱28 ℃暗培養(yǎng),35 d后,長(zhǎng)出帶有粘液的胚性愈傷,換培養(yǎng)基一次,繼續(xù)培養(yǎng)10~16 d,使愈傷長(zhǎng)至直徑0.2 cm時(shí),N6和MS愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng)基為:N6和MS+2,4-D 3.0~15.0 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖30%, pH值6.0。
1.3.4 胚性愈傷繼代培養(yǎng) 將直徑0.2 cm的胚性愈傷從胚上分離下來,接入繼代培養(yǎng)基中,置于人工氣候箱中28 ℃暗培養(yǎng),每20 d換培養(yǎng)基一次,繼代2~3次后愈傷組織由白色變成淡黃色的緊實(shí)顆粒。愈傷繼代培養(yǎng)基為:N6+2,4-D 3.0 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖30%, pH值6.0。
1.3.5 胚性愈傷增殖培養(yǎng) 挑選直徑為0.2~0.5 cm的淡黃色緊實(shí)顆粒狀愈傷組織進(jìn)行增殖,每瓶接入20個(gè)愈傷,置于溫度為28 ℃、光照為2000 lx的培養(yǎng)箱中進(jìn)行弱光培養(yǎng),每7 d更換一次培養(yǎng)基;21~28 d后;愈傷組織大量增殖覆蓋整個(gè)培養(yǎng)基表面,并呈現(xiàn)黃綠色。愈傷增殖培養(yǎng)基為:N6+2,4-D 6.0 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖30%,pH值6.0。
1.3.6 胚性愈傷組織分化和繼代培養(yǎng) 將黃綠色緊實(shí)顆粒狀的愈傷組織分別接入不同分化培養(yǎng)基中,每瓶10~15個(gè),置于溫度為28 ℃、光照為4000 lx的培養(yǎng)箱中進(jìn)行光照培養(yǎng),10~12 d后,愈傷組織變?yōu)榈G、深綠色相間,換繼代培養(yǎng)基一次,繼續(xù)培養(yǎng)20~25 d,換增殖培養(yǎng)基一次,25~30 d后,愈傷分化出小苗,待小苗長(zhǎng)至2~3 cm長(zhǎng)時(shí),進(jìn)行壯苗培養(yǎng)。分化、繼代、增殖培養(yǎng)基為:N6+6-BA 2.0~12.0 mg/L+NAA 0.3 mg/L+KT 2.0 mg/L+ ZT 2.0 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖30%,pH值6.0。
1.3.7 壯苗培養(yǎng) 將2~3 cm長(zhǎng)的小苗從培養(yǎng)瓶中取出,接入壯苗培養(yǎng)基中,置于28 ℃、4000 lx的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)20~27 d,小苗莖稈增粗并長(zhǎng)至4~5 cm時(shí),進(jìn)行生根培養(yǎng)。壯苗培養(yǎng)基為:N6+6-BA 2.0 mg/L+NAA 0.3 mg/L+TDZ 2.0 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖30%,pH值6.0。
1.3.8 生根培養(yǎng) 將4~5 cm的健壯無根苗分別接入裝有N6與NAA和IAA的生根培養(yǎng)基試管中,每根試管接入6~8株,置于28 ℃、2000 lx的弱光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行生根培養(yǎng),3 d后根芽露白,培養(yǎng)20~25 d后,根長(zhǎng)至5~7 cm,苗長(zhǎng)至10~12 cm后進(jìn)行煉苗;生根培養(yǎng)基分別為:N6+NAA和IAA 0.1~1.2 mg/L+植物凝膠2.8 g/L+蔗糖15 g/L,pH值6.0。
1.3.9 煉苗與栽種 將長(zhǎng)至10~12 cm的生根苗揭掉試管膜,培養(yǎng)2 d后,用自來水將苗根部的培養(yǎng)基沖洗干凈,放入試管中,加水淹沒根部,置于28 ℃、2000 lx的光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行苗鍛煉,5 d后,將苗從光照培養(yǎng)箱中移出,定植到購于市場(chǎng)的營養(yǎng)基質(zhì)中,置于溫室進(jìn)行培養(yǎng),12 d后,葉片完全展開、新根長(zhǎng)出,再移栽至大田,在生長(zhǎng)中期注意水、肥管理,后期注意追施一次肥,直至種子成熟。
以N6為基本培養(yǎng)基,設(shè)置不同的2,4-D濃度梯度,緊穗野生稻幼胚誘導(dǎo)愈傷情況如圖1、表1所示。N6基本培養(yǎng)基在不加2,4-D的情況下(對(duì)照),緊穗野生稻幼胚沒有產(chǎn)生胚性愈傷。加入不同濃度2,4-D后,能夠誘導(dǎo)出幼胚愈傷,當(dāng)2,4-D濃度為5.0 mg/L時(shí),對(duì)胚性愈傷誘導(dǎo)率最強(qiáng),出愈率達(dá)到100%(圖2)。此時(shí)愈傷顆粒緊實(shí),淺綠,胚性愈傷生長(zhǎng)情況最好。當(dāng)2,4-D濃度為6.0 mg/L時(shí),出愈率達(dá)到90%,愈傷顆粒緊實(shí),淡黃、淡綠,胚性愈傷生長(zhǎng)情況次之。當(dāng)2,4-D濃度為15.0 mg/L,出愈率最低,只有26%,愈傷透明,粘性愈傷增多,品質(zhì)下降。結(jié)果說明:2,4-D在一定濃度范圍內(nèi)誘導(dǎo)并促進(jìn)了緊穗野生稻胚性愈傷組織的生長(zhǎng),但超過一定濃度之后,隨著2,4-D濃度的不斷增高,抑制了胚性愈傷生長(zhǎng),說明較低濃度和高濃度的 2,4-D不利于緊穗野生稻幼胚的愈傷組織誘導(dǎo)。
以MS為基本培養(yǎng)基,設(shè)置不同的2,4-D濃度梯度,緊穗野生稻幼胚誘導(dǎo)愈傷情況如圖1、表1所示。MS培養(yǎng)基在不加2,4-D的情況下(對(duì)照),幼胚沒有產(chǎn)生胚性愈傷。當(dāng)加入不同濃度2,4-D后,MS培養(yǎng)基與2,4-D的組合也能夠誘導(dǎo)出幼胚愈傷,當(dāng)2,4-D濃度為 7.0 mg/L時(shí),胚性愈傷出愈率最高,達(dá)到30%,愈傷成顆粒狀,淡黃淡綠相間;當(dāng)2,4-D濃度為 15.0 mg/L時(shí),胚性愈傷出愈率最低,只有10%,愈傷透明,粘性增多,說明當(dāng)2,4-D濃度高時(shí),在MS培養(yǎng)基中同樣抑制了胚性愈傷形成。MS基本培養(yǎng)基與2,4-D配比整體來看,出愈率普遍偏低,愈傷粘性較多,不適合作為胚性愈傷的誘導(dǎo)培養(yǎng)基。
以上結(jié)果說明N6培養(yǎng)基比MS培養(yǎng)基更適合誘導(dǎo)緊穗野生稻的胚性愈傷,N6培養(yǎng)基+2,4-D濃度為5.0 mg/L時(shí),愈傷誘導(dǎo)率最高,出愈率達(dá)到100%,此時(shí)愈傷顆粒緊實(shí),淺綠,胚性愈傷生長(zhǎng)情況最好。
圖1 不同誘導(dǎo)培養(yǎng)基下緊穗野生稻幼胚愈傷組織誘導(dǎo)情況
圖2 緊穗野生稻幼胚愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)
表1 緊穗野生稻在不同培養(yǎng)基中胚性愈傷的生長(zhǎng)情況
不同激素配比分化培養(yǎng)基對(duì)緊穗野生稻幼胚分化的影響如圖3、表2所示。以N6為培養(yǎng)基,添加NAA 0.3 mg/L、KT 2.0 mg/L和ZT 2.0 mg/L情況下,設(shè)置不同的6-BA濃度梯度,均能夠分化出苗。當(dāng)6-BA濃度為4.0 mg/L時(shí),愈傷分化率最高,達(dá)到88%(圖4);綠色凸起愈傷分化苗最多,苗油綠,莖稈粗,叢生苗多,長(zhǎng)出新愈傷。當(dāng)6-BA濃度為2.0 mg/L時(shí),愈傷分化凸起增殖減慢,分化苗生長(zhǎng)緩慢,用于分化繼代培養(yǎng)較好。當(dāng)6-BA濃度為2.0 mg/L時(shí),添加NAA 0.3 mg/L、TDZ 2.0 mg/L,作為壯苗培養(yǎng)基最適合,壯苗后,苗油綠,葉片硬扎,莖稈粗壯,植株矮壯。當(dāng)6-BA濃度為6.0 mg/L時(shí),愈傷分化漸降,苗綠,而新愈傷和芽增多,作為分化增殖培養(yǎng)最理想;當(dāng)6-BA濃度為12.0 mg/L時(shí),愈傷分化率最低,只有2%,極少有分化苗,苗色黃綠,莖稈纖細(xì),未見叢生苗和新愈傷長(zhǎng)出,愈傷褐化,分化最差,不適合用于分化培養(yǎng)。
圖3 不同激素配比分化培養(yǎng)基下緊穗野生稻幼胚分化情況
不同培養(yǎng)基對(duì)緊穗野生稻幼胚生根的影響如圖5、表3所示,以N6為基本培養(yǎng)基,設(shè)置不同的NAA和IAA濃度梯度,均能夠使緊穗野生稻幼胚分化苗生根。N6培養(yǎng)基與IAA的組合搭配,以IAA濃度為0.3 mg/L時(shí),幼胚生根率最高,達(dá)到96%;3 d時(shí)根芽露白,根芽露白早,主根吸收養(yǎng)分充足,主根、須根生長(zhǎng)快,根多、粗壯,用于生根最好(圖6)。以IAA濃度為0.4 mg/L時(shí),幼胚生根率次之,達(dá)到82%;3 d時(shí)根芽露白,主根粗、生長(zhǎng)快,主須根分生次之。以IAA濃度為1.2 mg/L時(shí),生根率最低,只達(dá)到15%;9 d以后根芽露白,主根生根減少,須根絨根曲卷,很難利用根系吸收足夠的養(yǎng)分和水分來滿足生根苗的生長(zhǎng)需要。也就是說:當(dāng)IAA濃度為 0.1~0.3 mg/L時(shí),生根率隨著激素濃度的提高而逐漸增高;當(dāng)IAA濃度為0.3~1.2 mg/L時(shí),生根率隨著激素濃度提高而降低;當(dāng)IAA濃度為1.0~1.2 mg/L時(shí),由于激素濃度偏高,苗根基部嚴(yán)重褐化。
圖4 緊穗野生稻幼胚分化培養(yǎng)
表2 不同6-BA濃度對(duì)分化培養(yǎng)基中愈傷分化的影響
N6培養(yǎng)基與NAA的組合搭配,當(dāng)NAA濃度為0.3 mg/L時(shí),5 d時(shí)幼胚根芽露白,主、須根出根增多,主根短,生根率最高,達(dá)到82%。當(dāng)NAA濃度為0.4 mg/L時(shí),7 d后幼胚主根長(zhǎng)出,主根短、粗,須根長(zhǎng)出、偏少,生根率次之,達(dá)到77%。當(dāng)NAA濃度為1.2 mg/L時(shí),9 d后根芽露白,主根生根減少,須根絨根曲卷,曲卷的須根不利養(yǎng)分和水分的吸收,因而滿足不了根的生長(zhǎng)需要,生根率最低,只達(dá)到23%。也就是說:當(dāng)NAA濃度為0.1~0.3 mg/L時(shí),生根率隨著激素濃度的提高而逐漸增高;當(dāng)NAA濃度為0.4~1.2 mg/L時(shí),生根率隨著激素濃度的增高而逐漸降低;當(dāng)IAA濃度為1.2 mg/L時(shí),苗根基部同樣出現(xiàn)嚴(yán)重褐化。說明以N6為基本培養(yǎng)基時(shí),設(shè)置不同的NAA和IAA的濃度配比,都能使緊穗野生稻幼胚分化苗生根。但是,IAA 較NAA更適合用于緊穗野生稻幼胚生根培養(yǎng)基。
生根苗揭膜后,在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d,用自來水沖洗掉生根苗根部培養(yǎng)基,加水將根基部淹沒,進(jìn)行苗鍛煉5 d,定植到營養(yǎng)基質(zhì)中,在溫室培養(yǎng)12 d,待葉片完全展開、新根長(zhǎng)出,再移栽至大田生長(zhǎng)20 d,統(tǒng)計(jì)苗的成活率。苗經(jīng)過煉苗和栽種,組培苗和自然生長(zhǎng)苗存在著很多差異,由室內(nèi)環(huán)境過渡到室外,生長(zhǎng)環(huán)境由無菌狀態(tài)變成有菌狀態(tài),培養(yǎng)溫度和光照條件發(fā)生了改變,整個(gè)煉苗和栽種,必須是一個(gè)逐步適應(yīng)過程,這樣有利于提高生根苗在田間的成活率。
圖5 不同培養(yǎng)基下緊穗野生稻幼胚生根情況
不同的培養(yǎng)基有不同的作用,分別可以誘導(dǎo)細(xì)胞分裂、控制愈傷組織生長(zhǎng)和分化生根,選擇適合的培養(yǎng)基是組織培養(yǎng)中最主要的因素。目前各種培養(yǎng)基無機(jī)鹽的含量一般都比較高,對(duì)植物組織和細(xì)胞的離體培養(yǎng)適用性更好,由Murashige和Skoog設(shè)計(jì)的MS培養(yǎng)基各元素比例合理,對(duì)雙子葉、單子葉、木本和草本的器官、組織、細(xì)胞及原生質(zhì)體培養(yǎng)有良好效果。而N6培養(yǎng)基銨離子濃度較低,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮比例合理,適合禾谷類的組織培養(yǎng)[4]。本研究中,通過N6和MS兩種培養(yǎng)基篩選,確定了緊穗野生稻幼胚愈傷組織誘導(dǎo)以N6為基本培養(yǎng)基效果較好,出愈率高,愈傷顆粒緊實(shí)。這與張智奇等認(rèn)為N6培養(yǎng)基比MS培養(yǎng)基更有效地促進(jìn)水稻幼穗的愈傷組織誘導(dǎo)及植株再生的結(jié)果一致[5]。張堯忠等的研究結(jié)果也表明,愈傷組織在N6分化培養(yǎng)基的再生綠苗率高于MS培養(yǎng)基[6]。
圖6 緊穗野生稻幼胚生根培養(yǎng)
表3 不同NAA和IAA濃度下緊穗野生稻幼胚生根苗的生長(zhǎng)情況
植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是影響水稻胚性愈傷組織誘導(dǎo)和形成的關(guān)鍵因素之一,其中2,4-D是誘導(dǎo)水稻愈傷組織不可缺少的關(guān)鍵激素。不同植物外植體對(duì)2,4-D的濃度要求不同[7-8]。通過對(duì)7組不同濃度梯度的2,4-D比對(duì)發(fā)現(xiàn),5.0 mg/L對(duì)緊穗野生稻胚性愈傷誘導(dǎo)最強(qiáng),出愈率最高達(dá)到100 %。以2,4-D濃度為3.0 mg/L時(shí)用于愈傷繼代培養(yǎng)較好。以2,4-D濃度為6.0 mg/L時(shí)用于愈傷增殖培養(yǎng)較好。2,4-D濃度過低和過高對(duì)胚芽啟動(dòng)效果很差,選擇適宜的濃度比才是突破胚芽萌發(fā)的關(guān)鍵。
植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是影響愈傷組織再分化的關(guān)鍵性因素之一,細(xì)胞分裂素在組織培養(yǎng)中促進(jìn)細(xì)胞分裂和分化,可促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和不定芽的形成,打破頂端優(yōu)勢(shì)形成叢生芽,有利于芽的增殖和繼代培養(yǎng)[9-11]。6-BA是誘導(dǎo)水稻愈傷組織再生植株時(shí)常用的細(xì)胞分裂素[12]。周玲艷等認(rèn)為,6-BA有利于水稻愈傷組織的分化[13]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:添加6-BA 4.0 mg/L,愈傷綠色凸起最多、分化最繁盛。選擇生長(zhǎng)素NAA與一定比例的細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)腋芽及不定芽的產(chǎn)生,也是相符合的[14]。王力等[15]研究表明:6-BA促進(jìn)分化而不利于成苗,添加KT、ZT促進(jìn)成苗而不利于分化。本文通過實(shí)驗(yàn)證明:選擇6-BA、NAA、KT、ZT多激素搭配和最適合的濃度配比,不僅愈傷綠色凸起增多、分化繁盛 ,而且苗油綠,莖稈粗,叢生芽、叢生苗增多,新愈傷長(zhǎng)出。實(shí)驗(yàn)得出:利用生長(zhǎng)素和幾種細(xì)胞分裂素進(jìn)行最適合的比例配合使用,用來作為緊穗野生稻幼胚分化改良培養(yǎng)基,成功將幼胚愈傷分化出健壯油綠的再生苗和叢生苗,并使分化率得到大幅提高。不同的品種材料在選擇基本培養(yǎng)基及激素搭配和比例配比時(shí),必須對(duì)癥下藥,方可見效,以免適得其反。
眾所周知,作為生長(zhǎng)素的NAA和IAA,其主要作用是誘導(dǎo)愈傷組織的形成、胚狀體的產(chǎn)生以及試管苗的生根,本實(shí)驗(yàn)對(duì)NAA和IAA各設(shè)置了9組梯度濃度比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出:以IAA 0.3 mg/L對(duì)根芽啟動(dòng)效果最好,對(duì)促進(jìn)主根根粗、主根生長(zhǎng)、須根出根率、須根長(zhǎng)具有顯著效果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:生根苗從揭膜、定植、煉苗到栽種,經(jīng)歷39 d,由組培苗過渡到自然生長(zhǎng)苗,從無菌狀態(tài)變成有菌狀態(tài),這樣一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,苗的田間成活率達(dá)到98%。苗在田間的生長(zhǎng)過程中,注意水、肥管理及病蟲害防治,后期追施一次肥,直至種子成熟。在本研究中,通過對(duì)緊穗野生稻幼胚愈傷誘導(dǎo)培養(yǎng),篩選出最適合的N6基本培養(yǎng)基,選擇最適宜的激素組合,根據(jù)不同生長(zhǎng)時(shí)期的要求來確定激素配比和培養(yǎng)基配方,成功地建立起一套高效高質(zhì)量的緊穗野生稻幼胚愈傷誘導(dǎo)、分化、生根培養(yǎng)基的再生體系,并將改良后的培養(yǎng)基在實(shí)踐中得到充分應(yīng)用,取得較好效果;突破了野生稻離體保存的關(guān)鍵技術(shù),為野生稻的培育奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。