体细胞胚发生与遗传变异的研究进展

2021-11-28陈菲

现代农业研究 2021年10期

陈菲

（河南农业职业学院河南，郑州 450002）

1 引言

植物细胞经过离体培养可引起体细胞胚胎发生，也被认为是植物再生的普遍现象。体细胞胚胎发生技术已经在大豆、苜蓿、玉米等一些草本植物上应用，在云杉和落叶松等一些针叶树也达到接近规模化应用的水平。随着对基础生物学知识了解的深入，人们对体细胞胚胎发生研究越来越深入，体细胞胚胎发生不仅会在植物生物学和遗传转化方面有着广泛的应用，在优良种质资源商业化繁殖方面也有着广泛的应用[1-3]。

2 体细胞胚发生的研究

2.1 植物体胚发生过程中的生理生化变化

2.1.1 多糖糖类是诱导植物体细胞胚胎发生不可缺少的重要成分。在植物体胚发生过程中，糖类不仅提供碳源、维持渗透压，而且可能还起信号分子的作用。有研究表明胡萝卜的外植体和非胚性愈伤组织，在所有体细胞胚发生过程中会产生2次多糖累积高峰，分别在胚性愈伤组织形成初期和球形胚后期，这2个过程均是高能耗过程，为胚体的进一步发育和成熟胚萌发以及植株再生储备能量[4]。

2.1.2 蛋白质植物体胚发生过程中既有特异的胚性蛋白质的形成或消失也有蛋白质含量上的变化[5]。有研究表明西洋参、香雪兰、光棘豆以及草木犀的胚性愈伤组织中存在非胚性愈伤组织中没有的特异蛋白质[6]；而体胚发生过程中非胚性愈伤组织的蛋白质含量和合成速率都低于胚性愈伤组织。如在石刁柏的体胚发生过程中，球形胚蛋白质含量最低，成熟胚最高，说明胚胎发生到球形胚期，可溶性蛋白质积累有高峰期，也是为胚胎下一步生长发育提供能能量保证[7]；另发现水稻胚性愈伤组织与非胚性愈伤组织相比，水溶性和盐溶性蛋白质含量都较高，醇溶性和碱溶性蛋白质含量较低于非胚性愈伤组织并且在继代中表现稳定[8]。另外在植物体细胞胚的发生、发育中，一种阿拉伯半乳聚糖蛋白会起到重要作用，它与植物细胞的生长、发育密切相关[9]。

2.1.3 核酸细胞分化与发育的本质是基因表达调控的结果，DNA是遗传信息传递者，在体细胞胚胎发生的过程中也会有一系列动态变化。崔凯荣等对小麦体细胞胚发生过程中DNA代谢动态的研究结果表明，当从愈伤组织转入体胚发生培养后，胚性细胞处于活跃的DNA复制中，DNA的合成速率在不断升高，到球形胚时DNA的合成速率达到最大值[10]。此外，研究中还发现，加入核酸合成抑制剂，可以抑制DNA的合成速率和胚性愈伤组织的增殖，在越早时期加入抑制效果就越明显。而在小麦体细胞胚发生过程中，体细胞向胚性细胞转化时表现有原体细胞中的大液泡变为大量小液泡，并且核大、多核仁，还具有核仁液泡，变化十分活跃[11]。

2.2 影响植物体细胞胚发生的因素

体细胞胚胎的发生发育需要外植体、激素和培养基等多种内外因素综合作用影响[12]。植物体全株的细胞、组织和器官，都可以通过人工培养，恢复到胚胎性的细胞阶段。胚型细胞在起始分化时期就已经有表达全株植物的基因信号，因此也可通过改造胚胎发生时期的基因来调控植株不同器官和组织的特异性表达[13]。但全能性的表达还需要一定的条件和信号，如对外界刺激信号的感应程度表现，相同植物或同一种植物的不同部位其反应都不同，对体细胞胚诱导就会产生不同的难易程度。其次体细胞胚的发生，可以通过多个途径诱导，如单倍性的小孢子、多倍性体细胞等。再次诱导体细胞转化为胚性细胞的关键是植物激素。针对不同植物不同部位的体细胞胚发生和发育所需的培养条件，外源生长调节物质的种类和浓度要有区别的进行调节[14]。然后培养基中所含各种元素和物质状态也会对体细胞胚胎的发生产生重要影响。体细胞胚的发生发育在低浓度的White培养基到高浓度的B5、SH等培养基上都可以适应良好。其原因是培养基中所含的营养元素对体细胞胚的的诱导产生了作用。其中对体细胞胚胎发生起到重要作用的是氮素的形态，最适氮素供应的形式可能与生长素浓度有相关联系。而碳水化合物对体细胞胚的发生发育也有重要影响，其既是能源，又是渗透调节剂。可通过种类和浓度的不同影响体细胞胚的生长发育，蔗糖是最有佳的还原碳源。或培养基中添加活性炭也有利于体细胞胚的发育，这在许多培养中得到证实。最后培养条件对体胚发生也有一定影响。

3 体细胞胚遗传变异的研究

体细胞无性系变异是其中重要的遗传变异来源，运用植物体细胞经过在离体培养，通过体细胞胚胎发生发育形成再生植株已是常见手段，是作物种质资源贫乏时期常用技术，因此，对体细胞胚胎发生中的遗传变异研究也变得非常有意义[15]。

3.1 体细胞胚胎发生变异的机理

3.1.1 变异的类型包括染色体数目和染色体结构变异体细胞胚组织培养中染色体数目变异是常见现象。如四倍体马铃薯叶片、茎段和块茎的再生植株中，大约有10%的非整倍体；对枸杞[16]、玉米[17]、伊贝母[18]、荔枝[19]的胚性愈伤组织、胚状体和再生植株的染色体数目研究发现，不仅有染色体数目的减少或增加，还出现了混倍体。这些在愈伤组织胚状体及再生植株中出现的染色体数目的变异，其原因可能与继代培养中形成大量多倍体及非整倍体细胞有关。

而在一种二倍体马铃薯中，除了观察到染色体数目变异外，还发现了缺失和互换等染色体结构的变异。有研究表明在5种不同基因型的玉米胚性愈伤组织继代过程中出现有染色体粘连、缺失、凝聚、易位、随体断裂、环状染色体以及同源染色体联会，部分细胞有微核现象出现。分析染色体结构变异是影响非整倍体细胞的形成的重要原因[17]。

3.2.2 体胚发生过程中变异主要影响因素外植体诱导体细胞胚发生的途径不同，变异频率也不同。由外植体诱导体细胞胚发生的途径有两种，一个是直接途径，另一个是间接途径，而两种途径所产生的植株在遗传变异方面也有不同的表现。如香蕉花序由外植体培养形成的再生植株，经过田间试验调查，植株性状表现良好，遗传稳定，变异率低，可实现大面积的生产应用[20]。对菠萝和花叶芋的根、茎、叶培养产生的再生植株进行田间试验发现，菠萝出现叶片差异，花叶芋出现叶片、株高、植株颜色等方面的差异[21]。这些都表明在体胚发生途径中，直接途径比间接途径在遗产稳定性方面表现更好，间接途径的遗产变异频率较高，其中的原因可能是因为间接途径是经过分化产生愈伤组织和愈伤组织继代，形成体细胞胚胎，所以导致了明显变异。

体细胞无性系变异具有对物种和基因型的依赖性，物种和基因型是影响体细胞无性系变异发生的重要因素，无关何种再生模式。即使经过长期继代后，植株的胚胎发生能力依然保持良好，如伊贝母[18]、青杆[22]、柳橙[23]、玉米[24]、龙眼[25]。但同一植物品种不同，其基因型就会存在差异，进而导致体细胞无性系变异的差异。

植物生长中生长调节剂是极其重要的，其在植株生长过程中可能是起一种诱变剂的作用。2,4一D是植物体胚诱导中使用最广泛的生长素。培养基中加入2,4一D，对体细胞分化、诱导等一系列体细胞胚发生过程产生重要的影响，但2,4一D的不良反应是易导致染色体变异[26]。如继代十七年玉米“八趟白”的胚性细胞不易多倍化以及宽皮柑橘品种的胚性愈伤组织未发生染色体数目变异都与2,4一D有关[24][27]。

长时间的继代培养会产生一些列不良影响，如增加愈伤组织和细胞的变异频率，再生能力降低或者完全丧失。草莓叶片的愈伤组织经过24周培养，就完全丧失再生能力；源于烟草髓外植体的由四倍体细胞和八倍体细胞组成的胚性愈伤组织，在培养6年后即丧失再生能力；对玉米、伊贝母、陆地棉以及荔枝胚性愈伤组织进行长时间继代，越容易出现染色体数目异常的细胞。同时随着胚性愈伤组织继代次数的增加，染色体变异频率也会明显提高，分化频率逐渐下降[26]。