1 光果甘草植株再生体系的建立
光果甘草(Glycyrrhiza glabra L.)又称欧甘草,在组织培养方面,仅报道光果甘草下胚轴和子叶的愈伤组织诱导率分别为:96.3%、66.0%(杨英等,2007),而对于光果甘草完整的组培体系的研究却未见报道。本研究以光果甘草无菌苗的胚根、下胚轴、子叶、真叶、芽及节间为外植体,在不同激素水平下,筛选出诱导愈伤组织的形成、芽分化与增殖及根系分化的最佳条件,从而建立光果甘草植株再生体系。
1.1 材料与方法
1.1.1 无菌苗的获得
选取饱满的光果甘草种子,用98%浓硫酸流处理40min,蒸馏水冲洗种子3~5次。在无菌条件下,将处理好的种子用无菌水冲洗3次,75%乙醇浸泡20~30s,无菌水冲洗3次,用0.1%升汞消毒8min,无菌水冲洗4次,用无菌滤纸吸去种子表面水分,接种于MS培养基。暗培养,待种子萌发后,转入光下培养,获得无菌苗。
1.1.2 诱导愈伤组织
取无菌苗的胚根、下胚轴、子叶、真叶、芽及节间(长为0.5cm),分别接入含有不同激素水平的MS培养基中,诱导愈伤组织。暗培养5d后转到光下培养。每7d观察一次, 28d为一个周期。
1.1.3 诱导分化
取生长良好、色泽均匀的6种不同来源愈伤组织,分别接入含有不同激素水平的MS培养基上,诱导愈伤组织分化。暗培养5d后转入光下培养。每7d观察一次。
1.1.4 芽的增殖
选取光果甘草芽(0.5cm)在无菌条件下接入含有不同KT水平的MS培养基中,培养28d后,计算外植体的成活率及芽的增殖倍数。
1.1.5 植株生根
将生长健康的分化苗,接入含有不同IBA水平的MS培养基中,培养生根。28d后,计算生根数。
1.1.6 移栽
选取生长旺盛的生根苗,经炼苗后,移栽入经过灭菌的基质中。28d后计算成活率。
1.1.7 培养条件
光照培养温度(25±2)℃,光照强度为40μmol/(m2·s),光照时间12h/d。
1.1.8 数据处理与分析
各激素组合设3次重复,每次重复接种6瓶,每瓶接种材料为5个。用Excel统计、处理数据,用SPSS 17.0软件进行方差分析。
1.2 结果与分析
1.2.1 不同激素组合对6种外植体诱导愈伤组织的影响
(1)6-BA和NAA组合对外植体诱导愈伤组织的影响。
表1 6-BA和NAA组合诱导6种外植体出愈的多重比较
注:相同外植体在不同激素环境中出愈率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
表2 6-BA和NAA组合对6种外植体诱导愈伤组织的影响
续 表
方差分析显示,6种外植体在5种激素水平下都表现出极显著差异(表1)。该激素组合下,光果甘草6种外植体愈伤组织的质地好,颜色较绿。表2显示,根在MS+6-BA 3.0mg/L+NAA 1.0mg/L上培养时,出愈率最高达100%。下胚轴在MS+6-BA 0.5mg/L+NAA 1.0mg/L时,出愈率达97.5%。但在MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 1.0mg/L时,下胚轴愈伤质地好并有绿色芽点。子叶和真叶在MS+6-BA 3.0mg/L+NAA 1.0mg/L时,出愈率最高,分别为100%和93.94%。芽的出愈率在5组激素水平下均较高,在MS+6-BA 0.5mg/L+NAA 1.0mg/L和MS+6-BA 3.0mg/L+NAA 1.0mg/L时,高达100%。节间在MS+6-BA 3.0mg/L+NAA 1.0mg/L时,出愈率为100%,愈伤组织质地疏松。在6-BA和NAA激素组合下,下胚轴、真叶和子叶的愈伤组织颜色呈绿色,质地较其他外植体的愈伤组织好。5组激素水平下,子叶的愈伤组织质地均致密。
(2)6-BA和2,4-D组合对外植体诱导愈伤组织的影响。
表3 6-BA和2,4-D组合诱导6种外植体出愈的多重比较
续 表
注:相同外植体在不同激素环境中的出愈率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
表4 6-BA和2,4-D组合对不同外植体诱导愈伤组织的影响
方差分析显示,6种外植体在4种激素水平下出愈率之间呈极显著差异(表3)。在6-BA和2,4-D的激素组合中,6种外植体获得的愈伤组织质地疏松,呈白色或黄色,且易褐化。在外植体诱导2周左右时,部分材料开始褐化。表4显示,以光果甘草根为外植体,随着6-BA浓度升高,根的出愈率随之降低,MS+6-BA 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L是根的最佳诱导培养基,出愈率最高,为84.62%。下胚轴在MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率最高,为94.59%。子叶在6-BA和2,4-D激素组合下,愈伤组织致密,呈黄绿色,在MS+6-BA 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率达100%。真叶在MS+6-BA 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率最高,为94.12%,但在MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,真叶的愈伤组织质地最好,愈伤组织呈绿色。芽在MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率高达100%。节间在MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率达69.57%,愈伤组织质地疏松。
(3)KT和2,4-D组合对外植体诱导愈伤组织的影响。
表5 KT和2,4-D组合诱导6种外植体出愈的多重比较
注:相同外植体在不同激素环境中的出愈率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
表6 KT和2,4-D组合对不同外植体诱导愈伤组织的影响
方差分析显示,6种外植体在4种激素水平下出愈率之间呈极显著差异(表5)。在KT和2,4-D的激素组合中,6种外植体愈伤组织质地疏松,呈白色或黄色。表6显示,光果甘草根、下胚轴、真叶和节间,随着KT浓度升高,出愈率降低。在MS+KT 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,根、下胚轴、真叶和节间的出愈率最高,分别为91.18%、97.37%、80.65%和72.73%。在KT和2,4-D激素组合下,子叶主要在切口处产生愈伤组织,呈颗粒状,愈伤组织致密,当MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,出愈率高达100%。在MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,真叶的愈伤组织呈黄绿色,愈伤组织质地疏松。芽在MS+6-BA 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,达96.3%。
1.2.2 愈伤组织的分化
(1)不同激素水平对芽愈伤组织分化影响。
表7 6-BA和NAA对芽愈伤组织分化的影响
注:芽来源愈伤组织在不同激素环境中的分化率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
表7显示,愈伤组织在MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.1mg/L时,芽的诱导分化率为97.87%。愈伤组织在该激素水平下,10天左右产生绿色芽点。诱导愈伤组织分化产生芽时,6-BA的浓度要适中,低浓度时,愈伤组织易分化产生不定根;浓度过高,在25天左右时,芽基部的愈伤组织易褐化。
(2)不同激素水平对其他5种外植体来源的愈伤组织分化的影响。
表8 6-BA和NAA对下胚轴愈伤组织分化的影响
注:下胚轴来源愈伤组织在不同激素环境中的分化率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
在5种来源愈伤组织中,根和节间的愈伤组织疏松,在5种分化培养基中,未分化出甘草植株。子叶的愈伤组织虽然致密,但在分化培养基上培养,易褐化。真叶的愈伤组织易不定向分化,易分化出根。由表8可知,下胚轴来源的愈伤组织分化率很低,仅在6-BA(0.5mg/L~2.0mg/L)阶段时,下胚轴来源愈伤组织分化出不定芽。在6-BA 1.0mg/L时,分化率最高,为9.80%。
1.2.3 KT对光果甘草芽增殖的影响
表9 不同KT浓度对光果甘草芽增殖的影响
注:光果甘草芽在不同KT浓度下的成活率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
KT是细胞分裂素,促进细胞分裂、生长,诱导愈伤组织生芽。由表9可知,芽在KT 1.0mg/L时,成活率最高,为89.1%。在KT 0.5mg/L时,芽的增殖倍数最高,为3.5倍。
1.2.4 生根
表10 IBA对组培苗生根的影响
注:分化苗在不同IBA浓度下的生根率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
生根培养基中主要加入不同浓度生长素IBA。表10显示,当IBA 1.0mg/L时,生根率最高,为80%。植株在该激素水平下不但生长旺盛,根也较粗壮,平均根数也较多。
1.2.5 移栽
挑选已生根,生长茁壮的组培苗,放在自然光下,炼苗2d;封口膜揭去一半,继续炼苗1d;揭去封口膜,炼苗2d;取出植株,仔细清洗根部残存的培养基,移栽入经过灭菌处理的基质(沙土∶蛭石=1∶1)中。保持空气湿度为85%,移栽培养28d后,生根苗的成活率达到95%。
1.3 讨论
光果甘草的6种外植体(根、下胚轴、子叶、真叶、芽和节间)都可以诱导出愈伤组织。诱导愈伤组织的激素主要为生长素(NAA、2,4-D)、细胞分裂素(KT、6-BA)。实验证明,6-BA与NAA组合是光果甘草诱导愈伤组织的最佳激素组合,6种外植体在此激素组合下的出愈率均较高,且愈伤组织呈绿色或黄绿色。在KT与2,4-D组合中,诱导外植体产生的愈伤组织量少,且愈伤组织质地疏松,呈白色或黄色。在6-BA与2,4-D组合中,愈伤组织为黄色或白色,质地疏松,仅真叶在6-BA 1.0mg/L时,愈伤组织质量较好呈黄绿色。在3种激素组合中,根在细胞分裂素浓度低时,出愈率最高。其他的外植体的出愈率与细胞分裂素浓度之间的关系不明显,说明根较其他5类外植体对细胞分裂素的要求低。
在愈伤组织诱导分化时,实验证明芽来源的愈伤组织较其他5种外植体来源的愈伤组织易分化。芽愈伤组织在MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.1mg/L上培养时,10天左右产生绿色芽点,分化率为97.87%。诱导愈伤组织分化时,细胞分裂素浓度低时,愈伤组织易产生不定根;细胞分裂素浓度高时,愈伤组织基部易褐化。同时,培养时间长短对愈伤组织分化也有一定的影响。培养愈伤组织的天数过长,分化过程中也易褐化。
芽的增殖对甘草的组织培养或扩大组培苗生产有很大的意义。在预实验中,将6种外植体(根、下胚轴、子叶、真叶、芽和节间)接入含有不同KT水平的培养基中。观察发现,6种外植体在7d后,切口均有明显黄色褐化的痕迹;14d时部分子叶明显膨大,无愈伤化;个别真叶的主叶脉处有零星愈伤组织;芽的节数明显增加;根、下胚轴和节间褐化严重。发现KT有很强的促进光果甘草芽增殖的作用。实验发现,芽在KT 0.5mg/L时,芽的增殖倍数最高,为3.5倍。
在MS+IBA 1.0mg/L时,生根苗生长茁壮,根系较长,平均根数多。在移栽生根苗时,炼苗很关键,可以提高组培苗对外界环境的适应能力,也提高苗移栽成活率。组培体系的建立,为光果甘草的进一步研究提供了新的资料。
2 光果甘草多倍体的诱导
多倍体育种是获得植物新品种的主要途径之一。多倍体药用植株的人工获得主要通过化学试剂的诱导,使其染色体组加倍。多倍体植株主要表现为器官的巨大型,抗逆性强,药材生物产量高等。本文主要运用3种方法(秋水仙素浸种法、秋水仙素琼脂涂抹法、秋水仙素浸泡茎段法)来处理光果甘草,以寻求诱导光果甘草多倍体的最佳方法。
2.1 材料与方法
2.1.1 无菌苗的获得
选取饱满的光果甘草种子,用98%浓硫酸处理40min,蒸馏水冲洗种子3~5次。将种子晾干备用。在无菌条件下,将浓硫酸处理好的光果甘草种子用无菌水冲洗3次,75%乙醇浸泡20~30s,无菌水冲洗3次,0.1%升汞浸泡8min,无菌水冲洗4次,用无菌滤纸吸去种子表面水分,接种于MS培养基。先暗培养,待种子萌发后,转入光下培养,获得无菌苗。
2.1.2 多倍体诱导方法
秋水仙素浸种法:将浓硫酸处理好的种子用蒸馏水浸泡2~3h,使种子微微膨胀,处于萌动状态。随机将种子分为5组,分别于0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L秋水仙素溶液中浸泡48h。无菌条件下,用无菌水冲洗处理过的种子3次, 75%乙醇浸泡20~30s,无菌水冲洗3次,0.1%升汞浸泡8min,无菌水冲洗4次,用无菌滤纸吸去种子表面水分,接种于MS基本培养基。先暗培养,待种子萌发后,转入光下培养。28d后,记录出芽株数。
秋水仙素琼脂涂抹法:选取培养10d的无菌苗,随机分为4组。一组为对照;其中3组分别用灭菌处理过的移液管移取等量溶化态含有200mg/L秋水仙素的0.2%琼脂涂抹光果甘草的芽尖,分别于1d、2d、3d后将芽尖的琼脂处理干净。记录原株高,并每7d测量株高。
秋水仙素浸泡茎段法:在无菌条件下,取无菌苗的茎段于0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L秋水仙素溶液中分别浸泡12h、24h、36h、48h,取出后用无菌滤纸吸取茎段表面的残液,接种于MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.1mg/L上培养。28d后,计算茎段的成活率。
2.1.3 实验材料发生变异的判断标准
实验材料与对照组比较有明显变化特征,与对照组的株高有明显差异,整株表现粗壮,子叶肥厚以及颜色浓绿等特征,以此判断实验材料是否发生变异。
2.1.4 愈伤组织的诱导及取材
将成活的茎段转入MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 1.0mg/L上诱导愈伤组织。暗培养5d后转到光下培养。每7d观察记录一次,培养28d。培养条件:温度(25±2)℃,光照强度为40μmol/m2·s,光照时间12h/d。待愈伤组织培养10天左右,用镊子夹取少量生命力旺盛的组织以待用。在早上8:00—10:00取材。
2.1.5 染色体数目核查
待用的愈伤组织材料用蒸馏水冲洗数次,0.002mol/L的8-羟基喹啉处理4h,卡诺固定液(无水酒精:冰醋酸=3∶1)中固定4h,1mol/L盐酸60℃下解离5min,蒸馏水冲洗数次,卡宝品红染色6min,常规压片,轻敲至雾状。随机选取100个以上处于分裂期的细胞,计数染色体数目。
2.1.6 数据处理与分析
各处理设3次重复,每次重复处理种子或种子苗25株、节间35个。用Excel统计、处理数据,用SPSS 17.0软件进行方差分析。
2.2 结果与分析
2.2.1 秋水仙素浸种法诱导效果
表11 秋水仙素对光果甘草种子的诱导效果
注:光果甘草种子在不同秋水仙素浓度处理下的萌发率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
接种5天左右,种子开始萌发。无秋水仙素处理的种子萌发率为100%。从表11可知,当秋水仙素浓度为100mg/L时,种子的萌发率最高。大部分种子苗与对照苗没有明显差异,10%植株明显较对照组的种子苗矮壮、子叶肥厚、深绿色。在25天左右时,种子苗根部开始呈水渍状腐烂,仅个别植株矮化较明显,大部分种子苗初期矮化明显,后期与对照组无较大差别。
表12 秋水仙素琼脂涂抹法对光果甘草苗的诱导效果
注:光果甘草种子苗在相同浓度秋水仙素处理不同时间下的增高率、变异率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
由表12可知,植株随200mg/L秋水仙素处理时间的增加,种子苗的增高率降低,矮化度提高。植株的变异率随着秋水仙素处理天数的增加而增加。200mg/L秋水仙素处理3d时,种子苗的变异率最高,为35.71%。培养2周后,有少数顶芽枯萎,随着培养天数的增加,顶芽枯萎的株数增多,并逐渐死亡。在培养28d后,有40%的顶芽死亡,10%的顶芽枯萎。发生变异植株的涂抹部位明显膨大,子叶明显呈深绿色,明显矮于其他植株。
2.2.2 秋水仙素浸泡茎段法的诱导效果
表13 秋水仙素浸泡茎段的诱导效果
注:光果甘草茎段在不同浓度秋水仙素及不同处理时间下的存活率、变异细胞平均比率之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
由表13可知,在100mg/L秋水仙素处理12h,茎段的成活率最高,为84.13%。对照组成活率为91.14%。同一秋水仙素浓度下,茎段浸泡12h的成活率较其他处理高。在50mg/L和100mg/L秋水仙素下,随着处理时间增加成活率下降,但在48h时,略有回升。200mg/L和400mg/L秋水仙素下,整体呈下降趋势,处理36h时,略有回升。对照组较处理组的节间伸长程度大,纤细。当400mg/L秋水仙素处理24h,愈伤组织中变异细胞平均比例最高,为38.89%。其中,部分外植体成活率太低,获得的愈伤组织量少,呈水渍状或褐化,导致无法进行核型分析,在表13中标记为“/”。
2.3 讨论
由种子的萌发率、顶芽的枯萎和死亡、茎段的成活率说明秋水仙素对植株材料有一定的毒害作用(鲍智娟等,2009)。3种方法中,秋水仙素浸泡茎段法是最可行的方法,便于观察,且变异率也较秋水仙素浸种法和秋水仙素琼脂涂抹法高。后两种方法处理植株初期具有明显多倍体特征,但后期多倍体特征不稳定。有可能是因为四倍体细胞所占比例低,分裂速度慢,二倍体细胞比例有明显的上升,发生回复突变(张蜀敏等,2008)。
秋水仙素诱导植株易产生嵌合体(武振华等,2005),本实验中400mg/L秋水仙素处理24h,愈伤组织中变异细胞为38.89%,其中单倍体占4%,三倍体占21.11%,四倍体占13.78%。秋水仙素的处理,可能打破了光果甘草染色体组正常的复制和分裂,导致得到单倍体和三倍体细胞。在其他药用植株通过秋水仙素诱导获得的多倍体材料中,未发现有关单倍体和三倍体细胞的报道。
药用植物由于染色体的加倍,使得染色体上基因调控有效化学成分含量较正常二倍体高,从而使次生代谢产物含量明显增加,进一步提高了药用植物的质量(李富雄等, 2009)。若能保证加倍的光果甘草中有效化学成分的含量,运用到实际生产中,将解决我国目前对甘草资源亟需的现状。
3 愈伤组织中总黄酮含量的测定(www.xing528.com)
组织培养具有生产周期短、繁殖速度快以及可应用于工厂化生产等特点,日益受到人们关注。研究了不同激素组合与不同激素水平对光果甘草无菌苗的胚根、下胚轴、子叶、真叶、芽及节间为外植体诱导的愈伤组织中总黄酮的含量,以期筛选出黄酮高产的最佳外植体和最适培养基激素条件,为光果甘草的进一步研究和高效利用提供可靠的参数指标。
3.1 实验方法
3.1.1 无菌苗的获得(同2.1.1)
3.1.2 不同外植体愈伤组织的获得
将无菌苗的根、下胚轴、子叶、真叶、芽和节间切成0.5cm左右,在无菌条件下分别接入含有不同浓度激素组合的MS培养基中,诱导愈伤组织。暗培养5d后转到光下培养。每7d观察记录一次。培养28d,收获愈伤组织并置于60℃烘箱中烘干至恒重。研磨待用。
3.1.3 多倍体材料的获得
在无菌条件下,取无菌苗的茎段于不同浓度秋水仙素溶液中分别浸泡不同时间,取出后接种于MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.1mg/L上培养。28d后进行核型分析,获得的多倍体材料为嵌合体(单倍体4%,二倍体61.11%,三倍体21.11%,四倍体13.78%)。
3.1.4 多倍体愈伤组织的获得
将经过秋水仙素处理的成活的茎段转入MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 1.0mg/L培养基上诱导愈伤组织。暗培养5d后转到光下培养。每7d观察记录一次。培养28d后,愈伤组织置于60℃烘箱中烘干至恒重。
培养条件:温度(25±2)℃,光照强度为40μmol/(m2·s),光照时间12h/d。
3.1.5 标准曲线的建立
总黄酮含量的测定以芦丁为参比标准,用分光光度法测定。黄酮类化合物提取后,在碱性条件下,与铝盐(Al Cl3或Al(NO3)3)络合,可呈现红色的络合物反应,在500nm处测定其吸光度。标准曲线建立的方法依据《中华人民共和国药典》(2005版)中槐花总黄酮的测定方法。
精密称取于120℃下干燥恒重的芦丁对照品50mg,置于25m L容量瓶中,加甲醇适量,置水浴上微热,使溶解,放冷,加甲醇至刻度,摇匀。精密量取10m L置于100m L容量瓶中,加水至刻度,摇匀,即得芦丁标准溶液(每1m L含无水芦丁0.2mg)。精密量取上述溶液1m L、2m L、3m L、4m L、5m L、6m L,分别置25m L容量瓶中,各加水至6.0m L,加5%亚硝酸钠溶液1m L,混匀,放置6min,加10%硝酸铝溶液1m L,混匀,放置6min,加1mol/L氢氧化钠试液10m L,再加水至刻度,摇匀,放置15min,以相应试剂为空白。在500nm处测吸光度。
3.1.6 愈伤组织中总黄酮的提取
精密称取已研磨的光果甘草愈伤组织0.20g,以75%乙醇作为提取溶剂,料液比为1∶50,浸泡样品30min后超声提取40min,过滤。滤渣以1∶30料液比超声提取30min,过滤。合并两次滤液,置于25m L容量瓶中,75%乙醇定容。采用王磊等(2007)提取甘草中总黄酮的方法,并加以改进。
3.1.7 愈伤组织中总黄酮的测定
精密吸取提取液5m L,加入1m L水,其次如标准曲线的做法,在500nm处检测,平行测定3次。公式如下:
式中:P为总黄酮含量(mg/g);A为吸光度值;5为稀释倍数;V为提取液体积(m L);m为愈伤组织干重(g)。
3.1.8 数据处理与分析
所有待测定数据设3次重复,用Excel统计、处理数据,用Origin 7.0绘制标准曲线,用SPSS 17.0软件进行方差分析。
3.2 结果与分析
3.2.1 标准曲线的建立
以吸光度(A)为纵坐标,芦丁浓度为横坐标,用Origin 7.0绘制标准曲线,得回归方程:Y=0.010 705 X-0.001 93,R=0.999 9。可见,在8~48μg/m L范围内芦丁浓度与吸光度之间呈良好的线性关系。
图1 芦丁标准曲线
3.2.2 不同外植体愈伤组织中总黄酮含量测定的结果与分析
(1)6-BA与NAA组合对愈伤组织中总黄酮的影响。
表14 6-BA与NAA组合对愈伤组织总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=22 023.057,P<0.01)、外植体(F=3 065.834,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=2 641.019,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体在5种激素水平下,其愈伤组织中总黄酮含量之间都具极显著差异(表14),但不同外植体愈伤组织黄酮含量随激素水平的变动格局存在差异。在6-BA 0.5~4.0mg/L+NAA 1.0mg/L的激素组合中,MS+6-BA 2.0mg/L+NAA 1.0mg/L为根、下胚轴、子叶和真叶的最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮含量最高,分别为19.453±0.003mg/g、17.709±0.003mg/g、18.426mg/g、19.841±0.003mg/g。芽和节间愈伤组织中总黄酮含量随着6-BA浓度升高而升高,当MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L时,总黄酮含量最高,分别为19.085±0.003mg/g、23.155±0.015mg/g。在6-BA与NAA组合中,MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L为最佳激素水平,芽和节间为最佳外植体。
(2)6-BA与2,4-D组合对愈伤组织中总黄酮的影响。
表15 6-BA与2,4-D组合对愈伤组织总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=3297.928,P<0.01)、外植体(F=5 200.114,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=410.093,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体之间达到极显著差异。6种外植体在4种激素水平下,愈伤组织中总黄酮含量都呈极显著差异(表15)。在6-BA 0.5~3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L的激素组合中,MS+6-BA 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L为根和真叶的最佳培养条件,根和真叶愈伤组织中总黄酮含量最高,为11.353±0.009mg/g、11.928±0.006mg/g。芽和节间随着6-BA浓度的升高,总黄酮含量增加。在MS+6-BA 3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,下胚轴、子叶、芽和节间的总黄酮含量最高,为9.918±0.003mg/g、11.546±0.007mg/g、15.926±0.006mg/g和15.132±0.003mg/g。在6-BA与2,4-D的激素组合中,MS+6-BA 3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L为最佳激素水平,芽为最佳外植体材料。
(3)KT与2,4-D组合对愈伤组织中总黄酮的影响。
表16 KT与2,4-D组合对愈伤组织总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=5 426.494,P<0.01)、外植体(F=5 140.473,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=483.973,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体之间达到极显著差异。6种外植体在4种激素水平下,愈伤组织中黄酮含量都呈极显著差异(表16)。在KT 0.5~3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L的激素组合中,随KT含量的增加根、子叶、真叶、芽和节间愈伤组织中的总黄酮含量均呈极显著递减趋势。MS+KT 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L为根、子叶、真叶、芽和节间的最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮的含量最高,分别为11.430±0.003mg/g、11.003± 0.009mg/g、10.422±0.003mg/g、11.643±0.003mg/g和11.246±0.003mg/g。下胚轴在MS+KT 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L时,愈伤组织中总黄酮含量较高,为7.709±0.003mg/g。在KT与2,4-D组合中,MS+KT 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L为最佳激素水平,芽、根、节间、子叶为理想培养材料。
(4)添加物对光果甘草不同外植体愈伤组织中总黄酮含量的影响。
表17 6-BA和NAA激素组合中添加水解乳蛋白对愈伤组织中总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=52 078.458,P<0.01)、外植体(F=4 176.176,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=3 098.878,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体在添有水解乳蛋白的5种激素水平下,其愈伤组织中总黄酮含量之间都具极显著差异(表17)。在6-BA 0.5~4.0mg/L+NAA 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L的激素组合中,MS+6-BA 2.0mg/L+NAA 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为根、下胚轴、子叶、真叶和芽的最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮含量最高,分别为22.345±0.007mg/g、20.918±0.006mg/g、20.962±0.003mg/g、20.048± 0.005mg/g和22.897±0.003mg/g。节间愈伤组织中总黄酮含量随着6-BA浓度升高而升高。当MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L时,愈伤组织中总黄酮含量最高,为28.328±0.009mg/g。在6-BA与NAA组合中,MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为最佳激素水平,节间为最佳外植体。
表18 6-BA和2,4-D激素组合中添加水解乳蛋白对愈伤组织中总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=7 615.245,P<0.01)、外植体(F=5 375.374,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=752.473,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体在添有水解乳蛋白的4种激素水平下,其愈伤组织中总黄酮含量之间都具极显著差异(表18),但不同外植体愈伤组织黄酮含量随激素水平的变动格局存在差异。在6-BA 0.5-3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L的激素组合中,MS+6-BA 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为根、子叶、芽和节间的最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮含量最高,分别为16.657± 0.003mg/g、12.452±0.006mg/g、23.121±0.007mg/g和23.267±0.009mg/g。MS+6-BA 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为下胚轴的最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮含量最高,为16.488±0.003mg/g。真叶在MS+6-BA 3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L时,愈伤组织中总黄酮含量最高,为14.215±0.005mg/g。在6-BA与2,4-D组合中,MS+6-BA 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为最佳激素水平,节间为最佳外植体。
表19 KT和2,4-D激素组合中添加水解乳蛋白对愈伤组织中总黄酮含量的影响
注:相同外植体愈伤组织在不同激素环境中的黄酮含量之间进行比较,相同字母代表数据之间不存在极显著差异(P=0.01)。
方差分析显示,激素水平(F=8 434.017,P<0.01)、外植体(F=4 937.174,P<0.01)、激素水平与外植体的互作(F=675.473,P<0.01)对愈伤组织中总黄酮含量均有极显著的影响。6种外植体在添有水解乳蛋白的4种激素水平下,其愈伤组织中总黄酮含量之间都具极显著差异(表19),但不同外植体愈伤组织黄酮含量随激素水平的变动格局存在差异。在KT 0.5~3.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L的激素组合中,根、真叶、芽和节间在MS+KT 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L时,愈伤组织中总黄酮含量最高,分别为15.899±0.003mg/g、11.915± 0.007mg/g、13.542±0.003 mg/g和14.143±0.009 mg/g。下胚轴在 MS+KT 2.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L时,愈伤组织中总黄酮含量最高,为14.547±0.005mg/g。MS+KT 0.5mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为子叶最佳培养条件,愈伤组织中总黄酮含量为12.143±0.003mg/g。在KT与2,4-D组合中,MS+KT 1.0mg/L+2,4-D 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为最佳激素水平,根为最佳外植体。
3.2.3 多倍体中甘草总黄酮含量的测定
表20 不同秋水仙素浓度及处理时间对黄酮含量的影响
注:愈伤组织中总黄酮含量的单位为mg/g。
以无菌水代替秋水仙素浸泡茎段,由成活茎段诱导的愈伤组织中总黄酮含量为19.473mg/g。而经过秋水仙素处理的茎段愈伤组织中总黄酮含量都在30~40mg/g。当200mg/L秋水仙素处理茎段12h时,其愈伤组织中总黄酮含量最高,为41.915mg/g。其中,部分茎段在经过秋水仙素处理后,芽呈水渍状或褐化,在培养过程中相继死亡,在培养28d后无法获得愈伤组织,导致无法测定愈伤组织中总黄酮含量,在表20中标记为“/”。
3.3 讨论
植物激素通过调节植物细胞中各种酶的合成和活性来影响总黄酮的产量。生长素和细胞分裂素可以调节蛋白质的代谢,并且对植物基因的表达有显著的调节作用(慕桂娟, 2005),从而调控黄酮类化合物合成中某些关键酶的合成。在6-BA与NAA的激素组合中,总黄酮含量明显高于6-BA与2,4-D、KT与2,4-D、两个激素组合。随着6-BA浓度升高,节间愈伤组织中总黄酮含量也随着上升,为23.155±0.015mg/g。由实验结果可知,6-BA与NAA组合是获得光果甘草次生代谢产物总黄酮的最佳激素组合。6种外植体中,节间是最佳诱导外植体,MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L为最佳激素水平。
在添加水解乳蛋白后,对外植体的出愈数及愈伤组织质地影响不大,但6种外植体愈伤组织中总黄酮含量均有显著增加。在6-BA与NAA的激素组合中,添加水解乳蛋白的节间愈伤组织中总黄酮的含量为28.328±0.009mg/g;在6-BA与2,4-D的激素组合中,添加水解乳蛋白后节间愈伤组织中总黄酮的含量为23.267±0.009mg/g;在KT与2,4-D的激素组合中,添加水解乳蛋白后根愈伤组织中总黄酮的含量为15.899± 0.003mg/g。MS+6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L+水解乳蛋白500mg/L为最佳激素诱导水平,节间为最佳处理材料。所以,水解乳蛋白的添加,可以有效地增加愈伤组织中总黄酮的含量。
药用植物由于染色体组加倍,使得染色体上调控有效化学成分含量的基因较正常二倍体多,使次生代谢产物含量明显增加,进一步提高了药用植物的品质(李富雄等,2009)。实验证明,经过秋水仙素处理的茎段愈伤组织中总黄酮含量显著地高于未进行处理的愈伤组织。当200mg/L秋水仙素处理茎段12h时,其愈伤组织中总黄酮含量为41.915mg/g。由茎段的死亡,说明秋水仙素对植株的毒害作用很强,在多倍体的育种过程中,要掌握好秋水仙素的用量。
4 愈伤组织中甘草酸的测定
甘草酸是甘草重要的有效化学成分之一。研究了不同激素对光果甘草根、下胚轴、子叶、真叶、芽及节间6种外植体愈伤组织中甘草酸含量的影响,以期筛选出甘草酸高产的最佳外植体和最适培养基激素条件,为光果甘草的进一步研究和高效利用提供可靠的依据。
4.1 材料与方法
4.1.1 不同外植体愈伤组织的获得(同3.1.1)
4.1.2 多倍体愈伤组织的获得(同3.1.2)
4.1.3 色谱条件
色谱柱:Diamonsil(钻石)C18(250mm×4.6mm);流动相:甲醇-0.2mol/L醋酸铵-冰醋酸为(67∶33∶1);柱温:25℃;流速:1m L/min;检测波长:250nm。该色谱条件依照《中华人民共和国药典》(2005版)甘草中甘草酸的检测方法。
4.1.4 对照品溶液的制备
精密称取甘草酸单铵盐对照品10mg,置于50m L容量瓶中,用流动相溶解并稀释至刻度,摇匀,得到对照品溶液(每1m L含甘草酸单铵盐0.2mg,折合甘草酸0.195 9mg)。分别吸取0m L、1m L、2m L、3m L、4m L和5m L置于10m L容量瓶中,用流动相定容至刻度,摇匀。
4.1.5 供试剂的提取
精密称取样品0.1g,置于20m L离心管中,加入10m L流动相,超声提取60min,取出,放冷,过滤,滤液取出待用。
4.1.6 愈伤组织中甘草酸的检测
精密进样体积为10μL,记录保留时间及峰面积,平行测定3次。
4.1.7 数据处理与分析
所有待测定组合设3次重复,用Excel统计、处理数据,用Origin 7.0绘制标准曲线,用SPSS 17.0软件进行方差分析。
4.2 结果与分析
4.2.1 标准曲线的建立
以峰面积为纵坐标,甘草酸单铵盐浓度为横坐标,用Origin 7.0绘制标准曲线,得回归方程:Y=5.944 87 X+71.907 2,R=0.999 7。可见,在20~100μg/m L的范围内,甘草酸单铵盐浓度与峰面积之间呈良好的线性关系(图2)。
图2 甘草酸单铵盐标准曲线
4.2.2 愈伤组织中甘草酸的测定
在不同激素组合及水平下诱导的愈伤组织及多倍体愈伤组织中均未检测出甘草酸。
4.3 讨论
目前,有关通过甘草细胞培养技术来获得甘草酸的报道结果不一(周旭莉,2007)。Ko等(1989)在乌拉尔甘草的毛状根培养物中检测到了甘草酸。Henry(1984)报道在光果甘草愈伤组织和悬浮培养细胞中未到检测甘草酸,与本文的检测结果一致。Toivonen等(1995)用培养3周的光果甘草种子苗的根尖,在暗培养4~6周后获得毛状根,建立毛状根培养;培养一个月后,在获得的毛状根中未检测到甘草酸。这可能是不同种甘草属植物的种间差异所致。
5 结论与展望
系统研究光果甘草的组织培养,建立其相应的组织培养体系。并筛选出最佳培养条件,及定向产生有效化学成分。无论是通过组织培养技术来生产所需的有效化学成分,还是将光果甘草的快繁优良品质苗应用到人工种植等中,对保护野生光果甘草资源都具有重要的意义。
5.1 结论
(1)建立了光果甘草的再生体系。
本文主要通过在附加不同激素的培养基上接种6种外植体(光果甘草无菌苗的根、下胚轴、子叶、真叶、芽及节间),确定最佳诱导愈伤组织的激素组合为6-BA和NAA组合。芽为最佳诱导材料,最佳诱导芽愈伤组织形成的培养基是MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 1.0mg/L。芽愈伤组织易分化,在MS+6-BA 1.0mg/L+NAA 0.1mg/L上分化培养,愈伤组织产生绿色丛生芽,分化率为97.87%。试管苗在培养基MS+IBA 1.0mg/L中,生根率高达80%。生根苗移栽时,使用蛭石∶沙土=1∶1的混合基质。在移栽28 d后,成活率达到95%。
(2)诱导光果甘草的多倍体。
本文研究发现,秋水仙素浸泡茎段的诱导方式是诱导光果甘草多倍体行之有效的方法。该方法操作简便,变异率高。当400mg/L秋水仙素处理茎段24h时,芽变异率最高,选取10天左右分裂旺盛的愈伤组织做核型分析,变异率为38.89%。
(3)愈伤组织中总黄酮含量的测定。
6种外植体接种于附加不同激素的培养基上诱导愈伤组织。结果表明,获得总黄酮含量较高的激素组合为6-BA和NAA组合。6种外植体中,节间是最佳外植体。随着6-BA浓度升高,节间愈伤组织中总黄酮含量也随着上升,为23.155±0.015mg/g。6-BA 4.0mg/L+NAA 1.0mg/L为获得总黄酮的最佳激素水平。
在添加水解乳蛋白后,6种外植体愈伤组织中总黄酮含量均有显著增加。6-BA与NAA的组合中,添加水解乳蛋白的节间愈伤组织中总黄酮的含量高达28.328± 0.009mg/g。水解乳蛋白的添加,有效地增加了愈伤组织中总黄酮的含量。
药用植物由于染色体的加倍,使得染色体上基因调控有效化学成分含量较正常二倍体高,从而使次生代谢产物含量明显增加,进一步提高了药用植物的质量(王丽艳等, 2009)。实验证明,经过秋水仙素处理的茎段愈伤组织中总黄酮含量显著地高于未进行处理的愈伤组织。当200mg/L秋水仙素处理茎段12h时,其愈伤组织中总黄酮含量为41.915mg/g。由茎段的死亡,说明秋水仙素对植株的毒害作用很强,在多倍体的育种过程中,要掌握好秋水仙素的用量。
(4)愈伤组织中甘草酸含量的测定。
不同激素组合及水平、多倍体诱导获得的6种外植体愈伤组织中未检测到甘草酸的存在。可能也与培养时间太短,以致在本文甘草酸检测范围内检测不出。
5.2 展望
(1)期望能将光果甘草的组织快繁技术推广应用到人工种植中。遗传因素对甘草中有效化学成分(甘草总黄酮、甘草酸)的积累有很大的影响(周旭莉,2007;Arystanova et al.,2001)。可将试验筛选出具有高有效化学成分含量的植株,通过芽增殖,获得一批和母株相同基因型的植株,再进一步进行芽增殖,可获得大量的克隆植株。若将这些组培苗代替人工种植苗,将有效地提高药材的使用率,同时也为药农增加收入。
(2)期望能进一步研究光果甘草的多倍体诱导技术,获得纯合的多倍体植株。进一步将甘草多倍体应用到细胞悬浮培养、毛状根的培养及人工种植等方面。
附:缩略词表
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