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辣椒营养器官离体培养中体胚发生研究进展

2013-01-28

中国蔬菜 2013年22期
关键词:胚轴子叶外植体

(西南大学园艺园林学院,南方山地园艺学教育部重点实验室,重庆市蔬菜学重点实验室,重庆400715)

辣椒属(Capsicum)起源驯化于美洲热带和亚热带地区,有5个栽培种:C.annuumL.,C.frutescensMill.,C.baccatumL.,C.chinenseJacquin 和C.pubescensRuiz & Pavon(Kothari et al.,2010),其中C.annuumL.是亚热带和温带地区栽培最广泛的种。辣椒在我国的种植面积居蔬菜作物第2位,有着重要的社会意义和经济意义(马艳青,2011)。

辣椒对各种生物和非生物胁迫敏感,其产量和品质受环境胁迫、病虫危害等威胁严重。传统的育种方法周期较长,而且辣椒的遗传背景相对狭窄,一些性状在自然界中很难被发现,难以通过传统的育种方法获得具有较强适应性的辣椒新品种。利用植物离体培养和遗传转化技术进行辣椒植株性状改良,培育新品种,可以克服物种间基因交流障碍,并且性状改良针对性强、目的明确,具有较高的研究价值和应用价值。通过离体培养实现植株再生,建立稳定、高效的离体再生体系是遗传转化的先决条件。辣椒属于再生顽拗型植物,同烟草、番茄、马铃薯等其他茄科作物相比,植株再生率低,实现离体再生相对较困难。辣椒离体再生有器官发生和体胚发生两种途径,器官发生是辣椒离体再生的常规途径,而体胚发生途径获得的再生植株遗传一致性好,且再生周期短(Kothari et al.,2010)。辣椒体胚发生是指外植体产生类似合子胚结构的胚状体(又叫体胚)的过程。体胚经发育、成熟、萌发、生根可形成再生植株。辣椒体胚发生又分为直接体胚发生和间接体胚发生两种方式,直接体胚发生是指外植体直接产生胚状体;而间接体胚发生外植体需经过愈伤组织阶段再产生胚状体(Nagar,2012)。

本文对辣椒离体培养体胚发生途径的相关研究进行了综述。由于前人对辣椒花药和小孢子离体培养体胚发生的研究做了较多的论述(苏维和常彩,2010;Solís-Ramos et al.,2011),所以本文关于体胚发生的论述中将不再赘述辣椒花药和小孢子离体培养体胚发生方面的内容。

1 体胚发生影响因素

1.1 外植体

前人已经证实,辣椒下胚轴、未成熟合子胚、成熟合子胚、萌发合子胚、幼苗子叶、种子子叶及真叶等外植体均能形成体胚(Khan et al.,2006;López-Puc et al.,2006;Zapata-Castillo et al.,2007;Kaparakis & Alderson,2008;Avilés-Viñas et al.,2012;Nagar,2012)。体胚发生分为6个时期:原胚、球形胚、椭圆形胚、心形胚、鱼雷胚和子叶胚。椭圆形胚有清晰的原形成层,而子叶胚具有顶端分生组织、子叶原基和叶原基。体胚发生能力一般用出胚率和平均每外植体出胚数来衡量,研究者认为辣椒下胚轴外植体较茎尖、种子子叶、果实切片等外 植 体 出 胚 率 高(Khan et al.,2006;López-Puc et al.,2006;Zapata-Castillo et al.,2007)。López-Puc 等(2006)的研究表明,在黑暗或者16 h 光周期条件下辣椒下胚轴出胚率达100%,幼苗子叶、已萌发合子胚体胚发生率都在80%以上,而合子胚出胚率仅为40%~50%。下胚轴平均每外植体出胚数为175个,但只有去除表皮后才能出现体胚;已萌发合子胚平均每外植体出胚数达到87个,且大部分能发育到鱼雷胚时期;幼苗子叶虽然平均每外植体出胚数只有45个,但能得到更多具有进一步发育、萌发能力的体胚;而合子胚平均每外植体出胚数只有10个;以种子子叶为外植体时,只有子叶切口处的胚性组织产生体胚,且平均每外植体只能产生5个体胚,所以种子子叶最不适合作为体胚发生的外植体。Kintzios 等(2000)以辣椒幼嫩真叶为外植体时,发现第1、2片叶比第2片叶产生的体胚多,但是叶的生长位置对体胚从球形胚至子叶胚或者鱼雷胚时期的发育无影响。Zapata-Castillo 等(2007)研究发现辣椒果实切块不能诱导产生愈伤组织,节间、节和下胚轴外植体都能产生愈伤组织,但只有下胚轴外植体才能产生体胚。

Santana-Buzzy 等(2009)、Solís-Romos 等(2010)和Avilés-Viñas 等(2012)分别以下胚轴和成熟合子胚为外植体,对辣椒体胚发生进行了解剖学研究。以下胚轴为外植体时,原形成层细胞经48 h 培养之后形成胚性细胞,经过急剧有丝分裂形成分生组织中心,然后沿维管束形成胚性组织,培养10~14 d,下胚轴表皮纵向开裂,裂口处出现乳脂色的胚性细胞团,之后可观察到不同发育时期的体胚;而以合子胚作为外植体时,表皮的远轴端先开始有丝分裂,增殖生成瘤状组织,瘤状组织细胞大小相同,细胞核与核仁明显,细胞质浓厚,带有淀粉粒,细胞壁薄,此瘤状组织即为胚性愈伤组织,胚性愈伤组织的边缘出现分生组织细胞,经进一步分裂形成原胚。

1.2 基础培养基

研究者们多用MS 培养基作为辣椒外植体体胚发生的基础培养基,体胚诱导、发育和萌发也可选用固体、半固体、液体MS 培养基(Kintzios et al.,2000;Steinitz et al.,2003;Zapata-Castillo et al.,2007;Solís-Romos et al.,2010;Avilés-Viñas et al.,2012)。间接体胚发生诱导愈伤组织时有些研究者选用固体MS 培养基(Kintzios et al.,2000,2001;Zapata-Castillo et al.,2007),也有研究者选用半固体MS 培养基(Solís-Romos et al.,2010)。Zapata-Castillo等(2007)的研究表明,MS 培养基由于无机盐含量较SH、B5、D 培养基高,所以胚性愈伤组织产生量较大,而B5培养基不能诱导外植体产生胚性愈伤组织。Aboshama (2011)比较了WPM和MS 两种基础培养基对辣椒体胚发生的效果,试验结果表明WPM 培养基的平均每外植体出胚数显著高于MS 培养基;由于WPM 与MS 两种培养基的磷含量与钙含量相近、氮含量不同,所以推测基础培养基的氮含量是辣椒体胚发生的重要影响因素之一;试验结果还表明1/2 MS 培养基比MS 培养基更有利于辣椒体胚的萌发。

1.3 生长调节剂及其他物质

外源生长素2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)可以促进胚性细胞的极化,也是外植体合成内源生长素的一个刺激因子,所以2,4-D 对辣椒体胚发生起决定作用,但体胚发生后高浓度的2,4-D 会阻止体胚的进一步发育(López-Puc et al.,2006;Zapata-Castillo et al.,2007)。辣椒外植体间接体胚发生时诱导胚性愈伤组织需要较高浓度(2 mg·L-1)的2,4-D,而胚性愈伤组织的解聚和增殖则需要将2,4-D 浓度降低一半(Kintzios et al.,2001;Zapata-Castillo et al.,2007)。Solís-Ramos 等(2010)在半固体MS 培养基中加入1.65 mg·L-1萘乙酸(NAA)、2 mg·L-1吲哚乙酸(IAA)和2 mg·L-16-苄氨基嘌呤(BA),也成功诱导合子胚外植体产生胚性愈伤组织。Zapata-Castillo 等(2007)的研究表明,诱导胚性愈伤组织产生体胚需用苯基噻二唑基脲(TDZ)替换掉2,4-D;TDZ 不仅能促进体胚形成,还能促进体胚发育和萌发,且能使所有胚性愈伤组织形成体胚。Kintzios 等(2001)则用2.9 mg·L-1BA+2 mg·L-12,4-D 诱导胚性愈伤组织产生体胚。直接诱导体胚发生时,一般采用2 mg·L-12,4-D 诱导体胚(López-Puc et al.,2006;Kaparakis & Alderson,2008;Aboshama,2011),Steinitz 等(2003)则用1 mg·L-12,4-D 诱导辣椒体胚发生。Avilés-Viñas 等(2012)将辣椒下胚轴外植体植入2 mg·L-12,4-D 液体培养基中培养15 d,继而转移至1 mg·L-12,4-D 培养基中继续培养15 d,然后再转接至不含2,4-D 的培养基中培养30 d,出胚率达100%,但所得体胚均不能进一步发育,逐渐畸形、死亡;而将下胚轴外植体在2 mg·L-12,4-D 液体培养基中培养30 d,然后将2,4-D 浓度降低一半再培养30 d,出胚率虽只有33.2%,但所得体胚均能发育到子叶胚时期,且能萌发。Steinitz 等(2003)研究了IAA、NAA、苯乙酸(PAA)、麦草畏(Dicamba)、毒莠定(Picloram)、盐酸甲氯酚酯(Centrophenoxine)、快杀稗(Quinclorac)等对辣椒体胚发生的作用,发现仅有2,4-D、Centrophenoxine 和Quinclorac 3种生长调节剂能诱导辣椒体胚发生。使用2,4-D 和Centrophenoxine 进行辣椒体胚诱导时,出胚率均能达到95%,其中Centrophenoxine可诱导10种基因型辣椒体胚发生,其中5种基因型的出胚率为82%~100%;而Quinclorac 的诱导效果不如2,4-D 和Centrophenoxine。Kaparakis 和Alderson(2008)比较了BA、玉米素(ZT)、激动素(KT)、异戊烯基腺嘌呤(2ip)等细胞分裂素对辣椒直接体胚发生的影响,发现KT 和2ip 对辣椒体胚发生影响不显著,而BA 与ZT 抑制辣椒体胚发生。总的来讲,这4种细胞分裂素对辣椒体胚发生抑制效应为:ZT >BA >KT >2ip。但是有研究者指出,2 mg·L-1TDZ 对辣椒外植体直接体胚发生有促进作用,不过其作用效果不如2 mg·L-1的2,4-D 显著(Aboshama,2011;Nagar,2012)。

辣椒体胚的萌发则需要在培养基中加入0.38 mg·L-1赤霉素(GA3)(López-Puc et al.,2006;Solís-Romos et al.,2010;Avilés-Viñas et al.,2012);Khan 等(2006)则直接在MS 培养基上诱导辣椒茎段和茎尖外植体体胚萌发,萌发率38%~80%。

除添加生长调节剂外,也有研究者在诱导辣椒体胚发生时在基础培养基中添加0.5 mg·L-1盐酸硫胺(Kintzios et al.,2001)或10 mg·L-1盐酸硫胺+100 mg·L-1肌醇+25 mg·L-1半胱氨酸盐酸盐(Zapata-Castillo et al.,2007)。多数研究者以3%(m∶V,下同)蔗糖为诱导辣椒体胚发生的碳源(López-Puc et al.,2006;Zapata-Castillo et al.,2007;Solís-Romos et al.,2010;Nagar,2012),不 过 也 有 以7%(Steinitz et al.,2003)、8%(Kintzios et al.,2001)、10%(Kaparakis & Alderson,2008)为蔗糖浓度的,还有研究者在不添加糖的培养基上成功诱导辣椒体胚发生(Santana-Buzzy et al.,2009)。Aboshama(2011)研究表明,3% 蔗糖与6%蔗糖对辣椒体胚的诱导效果无差异,8%蔗糖的诱导效果最好,但蔗糖浓度大于8%时会因为培养基渗透压过高而抑制体胚发生。Steinitz 等(2003)研究表明,培养基中加入活性炭能减轻外植体褐化,但由于活性炭具有吸附性,当培养基中加入活性炭时需增大生长调节剂的添加量,蔗糖也最好过滤除菌。Quinclorac 由于水溶性很差,其活性会被活性炭完全抑制。Aboshama(2011)研究表明,1.0 mg·L-1AgNO3能够增加辣椒外植体体胚的出胚率和平均出胚数,但是AgNO3含量增加至1.5~2.0 mg·L-1时则会降低外植体体胚发生能力。Kintzios 等(2001)研究了维生素和微量元素对辣椒真叶间接体胚发生的影响,发现含有0.5 mg·L-1VB6或者100 mg·L-1肌醇的培养基能产生更多的愈伤组织,而在含有0.1 mg·L-1烟酸的培养基上可产生更多数量的球形胚,甘氨酸对辣椒愈伤组织的增长和体胚形成的促进作用最小。以MS 培养基为对照,发现锰为正常含量时,铜增至正常含量的10倍能促进辣椒愈伤组织产生和体胚发生;而钴含量增至正常含量的10倍对辣椒体胚发生的影响同锰含量有关:当锰含量为正常含量的1/10时,球形胚产量增大,否则球形胚产量降低;而当锰、锌、碘等微量元素的含量降低至正常含量的1/10 时对辣椒愈伤组织产生和体胚发生无显著影响(Kintzios et al.,2001)。Kaparakis 和Alderson(2008)研究表明培养基中添加10%(V∶V)椰汁对辣椒体胚发生无促进作用。

1.4 培养条件与预处理

辣椒体胚发生多采用25℃、光周期16 h 进行培养(Kaparakis & Alderson,2008;Santana-Buzzy et al.,2009;Aboshama,2011),光 子 流 密 度 为40~50 μmol·L-1·m-2·s-1或200~250 μmol·L-1·m-2·s-1(Kintzios et al.,2000;Khan et al.,2006;Kaparakis &Alderson,2008;Solís-Romos et al.,2010)。不同的是,Avilés-Viñas 等(2012)采用40~50 μmol·L-1·m-2·s-1连 续 光 照 培 养,而Kintzios 等(2001)、Steinitz 等(2003)先 采 用 黑暗培养21~28 d 诱导辣椒体胚发生,然后转至16 h 光周期、250 μmol·L-1·m-2·s-1或10 μmol·L-1·m-2·s-1光子流密度的光照条件下促使体胚发育和萌发。

有研究者认为在辣椒胚性愈伤组织诱导体胚发生前或在体胚发育的较高阶段(球形胚或子叶胚)诱导萌发前,需添加一个预处理阶段。将辣椒胚性愈伤组织在用柠檬酸钾替换硝酸钾的MS 培养基上预处理21 d,然后进行体胚发生诱导,可促进体胚发生、发育和萌发,推测可能是由于柠檬酸钾降低了体胚中酚类物质的含量从而减轻了其对体胚发生的抑制作用(Zapata-Castillo et al.,2007)。López-Puc 等(2006)在诱导辣椒体胚萌发前将子叶胚或鱼雷胚在含0.5 mg·L-1ABA 的1/2 MS 液体培养基中黑暗预处理21 d,并指出只有经过此预处理辣椒体胚才能萌发出子叶。

1.5 外源体胚发生相关基因

BBM(BABY BOOM)、LEC1(LEAFY COTYLEDON 2)、LEC2(LEAFY COTYLEDON 2)和WUS(WUSCHEL)等基因与植物体胚发生有关。BBM基因可编码能诱导分化细胞进行体胚发生的AP2型转录因子,AP2型转录因子是植物体胚发育的关键调控因子(Irikova & Denev,2008)。LEC1、LEC2和WUS则是细胞维持胚性的关键调节因子。LEC1可能建立了一个细胞环境,这种细胞环境可以促使胚胎形态发生和成熟的相关基因协同表达,从而促进胚胎的发育(Stone et al.,2001)。LEC2可以直接调控生长素合成基因YUC4的表达,同时还激活了生长素响应基因的表达,从而激活了生长素信号途径(Sandra et al.,2008)。LEC2、WUS则是LEC1上游可调控细胞向胚性转变的基因(Wang et al.,2009)。LEC2可能通过以下两种机制诱导体细胞胚胎的发生:首先,LEC2激活了胚胎发生相关基因的表达,从而使体细胞成为“感受态细胞”;其次,LEC2在“感受态细胞”中激活了生长素信号传导途径,从而促使“感受态细胞”向胚性细胞转变(Sandra et al.,2008)。Irikova 等(2012)在甜椒基因组中鉴定出了BBM和LEC基因,发现BBM和LEC在体胚发生的4个时期大量表达。通过遗传转化将这些体胚发生相关基因导入辣椒也可促使辣椒外植体体胚发生,Solís-Romos 等(2009)通过导入WUS基因,发现表达WUS基因的辣椒茎段外植体产生了较多的球形胚,但是培养45 d后逐渐坏死。Heidmann 等(2011)将BBM基因转入甜椒,BBM的表达促进了外植体体胚发生,生成了转基因植株。

2 问题与展望

辣椒体胚发生中,较难克服的问题就是形成畸形胚和胚难以萌发。畸形胚通常有3种:一是由成簇的胚在纵端基部连在一起形成的混合胚;二是缺子叶、单子叶、子叶畸形的胚;三是缺少顶端分生组织的胚。这些畸形胚不能进一步发育、萌发形成正常植株。Steinitz 等(2003)利用Centrophenoxine 诱导10种基因型辣椒体胚发生,虽然其中的5种基因型出胚率均达到82%以上,但没有得到再生植株。推断体胚发生再生植株畸形可能源于球形胚时期的发育紊乱,解决畸形问题要从研究初始培养条件着手。Zapata-Castillo 等(2007)在辣椒体胚发生前采用预处理取得一定的效果,初步验证了Steinitz 等(2003)的推断,将MS 培养基中的硝酸钾替换为柠檬酸钾的预处理方法促进了体胚发生且体胚发育同步性较好,能发育到子叶胚时期且形态正常,只是萌发率较低,仅有20%~30%。关于改善初始培养条件、减少畸形胚的发生、提高体胚萌发率以及植株形成率的研究还需要大量的工作。并且关于畸形胚发生和体胚发育不同步性的机理尚不清楚,Lecona-Guzmán 等(2012)研究了辣椒体胚发生、发育过程中蛋白质含量的变化,指出子叶胚时期总蛋白含量低可能是植株形成率低的一个重要影响因子。但是关于辣椒体胚发生的生理生化机理研究仍处在起步时期,有待大量研究。

从以上论述可知,关于辣椒体胚发生途径植株再生国内几乎未见报道,国际上对于与体胚发生相关基因在辣椒中的鉴定以及在导入辣椒外植体后对体胚发生途径影响的研究也比较少,对BBM和LEC基因在辣椒中的鉴定目前仅有两篇报道(Irikova & Denev,2008;Irikova et al.,2012),对BBM和WUS基因导入辣椒外植体对体胚发生途径影响的研究也只有两篇报道(Romos et al.,2008;Heidmann et al.,2011)。对辣椒体胚发生基因的鉴定以及体胚发生基因导入外植体对体胚发生植株再生的影响都有待进一步深入研究。

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