一、基本培養(yǎng)基
在對(duì)植物進(jìn)行組織培養(yǎng)研究時(shí),首先需考慮培養(yǎng)基選擇的問(wèn)題,而基本培養(yǎng)基的選擇是在研究中優(yōu)先被考慮。現(xiàn)今,依照基本培養(yǎng)基的成分與元素的濃度,大致分為4個(gè)類型:富集元素平衡培養(yǎng)基(包括 MS、LS、BL、ER等), 高硝酸鉀含量培養(yǎng)基(包括 B5、N6、SH等),中等無(wú)機(jī)鹽含量的培養(yǎng)基(包括 H、Nitsch、Miller等)和低無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基(包括White、WS、HE等) 。在絕大多數(shù)的植物組織培養(yǎng)中,通常選擇MS培養(yǎng)基作為基本培養(yǎng)基,但也需要參照目標(biāo)植物的近緣物種的相關(guān)研究成果進(jìn)行選擇基本培養(yǎng)基。不過(guò),在一般情況下,植物能夠適應(yīng)多種基本培養(yǎng)基,但不同的誘導(dǎo)培養(yǎng)目的,選擇最佳的基本培養(yǎng)基不同。
在對(duì)麻瘋樹(shù)的組織培養(yǎng)研究中,以幼胚為外植體,去除胚乳,接種MS、LM、WPM、N6 4種未添加任何植物激素的培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)N6早生出胚根,而MS與WPM能夠大量誘導(dǎo)出愈傷組織,并且WPM培養(yǎng)基上的分化不定芽數(shù)量最多,在不定芽生根中,以LM與WPM培養(yǎng)基的生根誘導(dǎo)率最高,不過(guò)WPM培養(yǎng)基上的主根較少,側(cè)根系發(fā)達(dá),因此WPM培養(yǎng)基是最佳培養(yǎng)基。雖然基本培養(yǎng)基在植物組織培養(yǎng)中起到支撐作用,但各種培養(yǎng)基都包含了植物生長(zhǎng)所需的基本元素,只是其濃度比例不一,并且在實(shí)際培養(yǎng)中仍需添加激素、抗氧化劑或一些物質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充,使得培養(yǎng)效果達(dá)到最佳。
二、植物激素
在1905年德國(guó)植物學(xué)家Haberlandt提出植物細(xì)胞具有全能性的概念時(shí),植物組織培養(yǎng)技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展,不過(guò)其技術(shù)發(fā)展歷程十分艱辛與緩慢,很大的原因是當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)植物細(xì)胞生長(zhǎng)分化起著促進(jìn)作用,但其濃度很低的物質(zhì),后來(lái)這類物質(zhì)被稱為植物激素。目前,天然植物激素因其主要的調(diào)控作用,被分為5類:生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、乙烯和脫落酸。由于天然植物激素在植物體內(nèi)含量極微,因此想從天然來(lái)源提取激素十分困難且不經(jīng)濟(jì)。在了解天然植物激素化學(xué)結(jié)構(gòu)后,現(xiàn)如今已經(jīng)可以大量人工合成植物激素,并對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變,制成活性更強(qiáng)的植物激素類似物,如常用的2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)、NAA(萘乙酸)與KT(激動(dòng)素)等物質(zhì)。自植物激素運(yùn)用以來(lái),植物組織培養(yǎng)技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)不同品種植物的離體再生,獲得完整植株。
1 生長(zhǎng)素
生長(zhǎng)素是最早被發(fā)現(xiàn)的一類植物內(nèi)源激素,參與了植物根和莖的發(fā)育、器官的衰老與維管束組織的形成等方面的植物生長(zhǎng)分化過(guò)程。在植物組織培養(yǎng)研究中,常用的生長(zhǎng)素主要包括IAA(吲哚乙酸)、IBA(吲哚丁酸)、NAA、2,4-D,其中以2,4-D的活性最強(qiáng),濃度過(guò)高,易引起遺傳變異。并且過(guò)高的生長(zhǎng)素濃度會(huì)對(duì)木本植物誘導(dǎo)芽增殖起到抑制作用。
在對(duì)不同生長(zhǎng)素影響喜樹(shù)組培苗生根的研究中發(fā)現(xiàn),IBA比NAA對(duì)誘導(dǎo)生根效果要好,但兩者濃度過(guò)高都會(huì)對(duì)生根造成抑制效果,最佳的濃度為IBA 0.5 mg/L。而在對(duì)紅松的組織培養(yǎng)研究中,也獲得了相似的結(jié)果,在生長(zhǎng)素類激素含量較高時(shí)發(fā)生不定根。在對(duì)棗樹(shù)愈傷組織形成的不定芽進(jìn)行不定根誘導(dǎo)的研究中發(fā)現(xiàn),IBA效果最好 ,其次是 IAA,NAA生根率低,并且仍會(huì)有大量愈傷組織生成,而2,4-D主要以愈傷組織誘導(dǎo)為主。
2 細(xì)胞分裂素
細(xì)胞分裂素是在組織培養(yǎng)中另一種重要的植物內(nèi)源激素,通常與生長(zhǎng)素一起使用,兩者相輔相成,能夠達(dá)到更好的培養(yǎng)效果。細(xì)胞分裂素大致可分成兩類,一類是嘌呤型細(xì)胞分裂素(CTK),另一類是苯基脲型細(xì)胞分裂素(PUD)。植物組織培養(yǎng)中常用的第一類嘌呤型細(xì)胞分裂素,包括BA(芐基腺嘌呤,又稱 6-BA,BAP),KT(激動(dòng)素,KIT,KIN),2IP(2-異戊烯基腺嘌呤),ZEA(玉米素,即異戊二烯腺嘌呤,又稱ZT)。苯基脲型細(xì)胞分裂素是新型的細(xì)胞分裂素,其中TDZ(噻苯隆)是人工合成的一種植物激素,因具有高度的細(xì)胞分裂素活性,也常被使用。在對(duì)紅松和棗樹(shù)的組織培養(yǎng)研究中,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素BA對(duì)誘導(dǎo)不定芽的效果較好,不過(guò)BA會(huì)抑制不定根的產(chǎn)生。在防止酸櫻桃組培苗玻璃化的研究中,發(fā)現(xiàn)BA會(huì)提高玻璃化率,而KT對(duì)玻璃化無(wú)影響。在探討TDZ對(duì)于木本植物組織培養(yǎng)中的影響認(rèn)為,TDZ能夠促進(jìn)許多再生困難的木本植物品種完成微繁殖過(guò)程,在濃度低于1 μmol/L時(shí),能夠使腋芽增殖,但可能抑制芽的伸長(zhǎng);在濃度高于1 μmol/L時(shí),能夠刺激愈傷組織的形成、誘導(dǎo)叢生芽與體細(xì)胞胚發(fā)生。
3 赤霉素
赤霉素至今已發(fā)現(xiàn)100多種,總稱為赤霉素類(GAs)。其中只有少數(shù)赤霉素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有生物活性,在木本組織培養(yǎng)的研究中應(yīng)用較多的是GA3。GA3的作用類似于生長(zhǎng)素,但與其不同的是,GA3對(duì)完整植株的作用要強(qiáng)于對(duì)離體器官或組織的作用。GA3可刺激器官的生長(zhǎng),卻抑制器官的發(fā)生,如GA3對(duì)不定根的產(chǎn)生具有抑制作用,但在根原基形成以后,則不對(duì)不定根的發(fā)生造成影響。
在對(duì)龍眼和荔枝的組織培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn),GA3對(duì)兩者的愈傷組織誘導(dǎo)具有抑制作用,應(yīng)該省去不用。在對(duì)白木香組織培養(yǎng)技術(shù)及植株再生的研究中發(fā)現(xiàn),GA3僅對(duì)種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用,其余誘導(dǎo)器官發(fā)生的部分都不宜使用。而在對(duì)于美國(guó)月桂櫻組織培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn),GA3對(duì)芽的伸長(zhǎng)沒(méi)有效果。據(jù)相關(guān)報(bào)道,赤霉素能促進(jìn)植物開(kāi)花,但對(duì)于植物離體再生作用較小,尚沒(méi)有廣泛運(yùn)用。
4 乙烯
乙烯是一種氣態(tài)的植物激素,廣泛存在于植物成熟的果實(shí)果皮中,對(duì)催化果實(shí)成熟有促進(jìn)作用。而乙烯對(duì)于植物組織培養(yǎng)作用方面的研究尚少。 都對(duì)乙烯在愈傷組織誘導(dǎo)、體細(xì)胞胚發(fā)生、不定芽與不定根的誘導(dǎo)等相關(guān)研究進(jìn)行了概述,表明了乙烯在不同植物品種中具有起到的作用不一,而在木本組織培養(yǎng)中,乙烯的作用很少涉及。謝耀堅(jiān)在對(duì)歐洲云杉胚性愈傷組織培養(yǎng)中乙烯的釋放及其作用的研究中,發(fā)現(xiàn)乙烯釋放量的變化對(duì)胚性愈傷組織的誘導(dǎo)率無(wú)明顯促進(jìn)或抑制作用。乙烯在木本植物組織培養(yǎng)方面的作用仍需進(jìn)一步研究。
5 脫落酸
脫落酸作為五大類激素之一,對(duì)植物細(xì)胞分裂擴(kuò)增起著重要調(diào)控作用,而且經(jīng)常在組織培養(yǎng)方面,通過(guò)提高愈傷組織的干燥耐受性和防止提早發(fā)芽,從而促進(jìn)體細(xì)胞胚的發(fā)生與提高體細(xì)胞胚的質(zhì)量。脫落酸不只調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育,還在植物細(xì)胞受到脅迫時(shí)發(fā)揮作用。因此,脫落酸以其在植物生長(zhǎng)發(fā)育中所起的獨(dú)特作用,近年來(lái)不斷受到科學(xué)家的青睞,研究深度與廣度逐步增加。
進(jìn)行了脫落酸對(duì)棕櫚樹(shù)體細(xì)胞胚發(fā)生的影響研究,發(fā)現(xiàn)添加0.1 mg/L脫落酸時(shí),促進(jìn)的體細(xì)胞胚發(fā)生量最大,濃度過(guò)高則會(huì)減少體細(xì)胞胚的發(fā)生量。同樣以棕櫚樹(shù)為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)運(yùn)用懸浮培養(yǎng)方式,與添加50~100μmol/L的脫落酸濃度對(duì)同步化誘導(dǎo)體細(xì)胞胚具有促進(jìn)作用。在利用未成熟的椰子種子為外植體,進(jìn)行愈傷組織誘導(dǎo)后,以添加7.5 μmol/L的脫落酸濃度,體細(xì)胞胚發(fā)生量最大,但無(wú)法進(jìn)一步萌發(fā)出芽,而5~5 μmol/L的ABA濃度,可以成功生出芽。
三、碳源
在對(duì)植物細(xì)胞進(jìn)行組織培養(yǎng)時(shí),除了需要添加植物激素,與基本培養(yǎng)基所提供的基本營(yíng)養(yǎng)元素外,生長(zhǎng)發(fā)育主要所需的能量物質(zhì)是由碳源物質(zhì)所提供的。碳源一般是糖類物質(zhì),常用的碳源物質(zhì)有蔗糖、葡萄糖、果糖與半乳糖等。其中蔗糖與果糖,在植物組織培養(yǎng)中最為廣泛運(yùn)用。碳源不只是為植物細(xì)胞提供能量物質(zhì),還能為植物細(xì)胞提供滲透壓,提供細(xì)胞吸取養(yǎng)分的動(dòng)力,而滲透壓與碳源的種類與濃度密切相關(guān)。
蔗糖是植物組織培養(yǎng)中,最常用的碳源物質(zhì),屬于非還原性二糖。蔗糖在供能外,還能促進(jìn)愈傷組織的再分化。由于植物細(xì)胞對(duì)蔗糖的吸收速率較慢,因此蔗糖能夠長(zhǎng)期保持較穩(wěn)定的滲透壓,為植物細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育提供穩(wěn)定的環(huán)境。而且蔗糖一般不能被微生物直接利用,對(duì)微生物的污染有一定程度的減輕效果。
利用不同碳源對(duì)桑樹(shù)莖尖進(jìn)行培養(yǎng)時(shí),發(fā)現(xiàn)果糖是桑樹(shù)誘導(dǎo)芽尖與繼代培養(yǎng)效果最佳的碳源,而葡萄糖可在繼代培養(yǎng)中替代果糖,達(dá)到更好的培養(yǎng)效果。利用不同碳源對(duì)獼猴桃的組織培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn),蔗糖和葡萄糖對(duì)芽的分化效應(yīng)無(wú)明顯差異,不過(guò)低濃度的碳源不能很好地進(jìn)行芽分化和生長(zhǎng),而高濃度的碳源雖能較好地誘導(dǎo)芽分化,但抑制了后期芽的生長(zhǎng)。在植物組織培養(yǎng)中,一般多用蔗糖作為培養(yǎng)基碳源,對(duì)于個(gè)別植物的組織培養(yǎng)則以葡萄糖與果糖這些單糖作為碳源更佳。因此,對(duì)植物組織培養(yǎng)中碳源種類與濃度的選擇也是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
四、pH值
pH值在植物組織培養(yǎng)研究中,通常代表著培養(yǎng)基中的酸堿度。大多數(shù)植物在離體培養(yǎng)中,pH值的要求5.0~6.2。適宜的pH值,是植物組織離體再生過(guò)程中能夠正常吸取生長(zhǎng)養(yǎng)分的重要影響因素。并且pH值能夠影響培養(yǎng)基的凝固程度,當(dāng)pH較低(≤4.0)時(shí),加入一定量的凝固劑,培養(yǎng)基都難于凝固。而培養(yǎng)基的凝固程度對(duì)培養(yǎng)物的支撐作用,對(duì)其保證正常生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。
在鈣離子與pH值對(duì)柚木組培苗生長(zhǎng)和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收影響的研究中發(fā)現(xiàn),pH值對(duì)苗高生長(zhǎng)及愈傷組織生物量積累有顯著影響,適宜pH值為6.0,只有穩(wěn)定在最適pH值上,增加鈣離子濃度,才會(huì)增加柚木組培苗的營(yíng)養(yǎng)元素吸收。對(duì)3個(gè)越橘品種組培苗在pH值5~9條件下培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),不同越橘品種在相同pH值條件下生長(zhǎng)狀況不一致。因此,表明pH值是影響植物組織培養(yǎng)的關(guān)鍵因素之一,而且不同植物品種的最適pH值都有所不同。
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