李有清, 梁称福
(湖南环境生物职业技术学院 园林学院,湖南 衡阳 421000)
蓝莓(VacciniumSpp),杜鹃花科(Ericaeae)越橘属(Vaccinium)多年生灌木.其小浆果类果实皮较薄,其果肉酸甜可口,是一种具有很好的保健作用的水果,发祥地和主要的生产地都在北美洲地区.当前国内外的蓝莓主栽品种为高丛(Vacciniumcorymbosum),矮丛(Vacciniumangustifolium),兔眼(Vacciniumashei)三种.一方面,蓝莓果实中包含了许多种类活性功能成分,比如花色素苷、黄酮等物质,这些活性物质能够起到预防脑神经衰老[1]、糖尿病等疾病发生的功效,同时又能增强心脏功能;另一方面,相关研究已经证明,蓝莓在眼疾和癌症等疾病的预防上也具有很好的功效[2,3].蓝莓因其极好的保健治疗功能,在国际国内都具有较好的声誉[4].作为具有良好保健作用的水果之一,蓝莓的广泛栽培在二十一世纪具有很好的经济效益,能为解决农民增收问题提供一个比较稳定的产业项目[5].
二十世纪八十年代后期我国开始对蓝莓进行引种驯化[6].一直以来,蓝莓果实及其各种加工产品在海内外十分畅销,各大市场上的蓝莓产品都存在很大的需求缺口[7].就市场上受欢迎度较高的兔眼蓝莓来说,在我国除了江苏、浙江和贵州等几个省具备较大规模的集中栽培外,兔眼蓝莓在我国南方许多地区仍然还在进行引种试种的栽培适应性研究[8].由于蓝莓扦插繁殖系数较低,且扦插后生根速度慢,还有较高的概率携带病毒,不利于扩大蓝莓的栽培面积,常见的扦插繁殖方式很难满足国内市场对蓝莓种苗的需求[9].而利用植物组织培养技术需要的繁殖材料较少且繁殖系数较高,可以使用这种方法以快速繁殖种苗从而缓解目前苗木市场供应困难的局面[10].同时,我国学者近年来在蓝莓组培技术上的应用研究已取得一定的成果.该文拟从蓝莓组培无菌系建立的角度,分外植体的取材、灭菌方法和培养基的选择三个部分进行综述,以期整理目前为止国内无菌系建立的方法、成果,为蓝莓组培的进一步系统的发展提供思路及数据支持.
在植物的组织培养当中,外植体的选择是否合适会在很大程度上影响初代培养的成功率.已有的研究表明,在选取材料部位上,在取材时间的确定上,外植体的存活率都会受到极大的影响.
在蓝莓组培应用的研究中,学者们试验了蓝莓种子、休眠枝条、叶片和茎段或茎尖作为外植体的萌芽率、存活率、生根率等情况;而在实际的生产过程中,则通常会使用蓝莓当年萌发的带腋芽的茎段或顶芽作外植体[11].之所以如此,主要是由于选择茎段或顶芽作外植体具有操作简单,成活率和增殖率高,且可以保持相关蓝莓品种的种性等优势[12].另一方面,在国外,则使用蓝莓叶片作外植体做研究或生产实践所占比例较大[13].
国内使用各品种蓝莓茎段作为外植体的研究结果均表明,茎段适宜于用作蓝莓组培外植体材料.涂俊凡等[14]、沙玉芬等[15]和张凯等[16]以都克蓝莓为对象的研究表明,采用茎段作为外植体,都克蓝莓的萌芽率都达到80%以上.赵兴宇等[11]以大兴安岭野生蓝莓茎段作为外植体,同样有80%的茎段形成了愈伤组织.近几年也有使用其它部位作外植体的研究报道.阳翠等[12]等使用莱格西蓝莓品种一年生枝条做外植体,结果表明萌芽率能达到92.47%.
研究发现,田间材料的取材时间对能否成功建立蓝莓离体培养体系也存在很大的影响.在蓝莓离体培养的芽诱导初期,不同取材时间对诱导芽萌发的效果不同,这种差异可能来自于植物体内酚类化合物含量和多酚氧化酶活性的季节性变化.在芽萌发初期,叶片及新梢中酚类物质较少,随着新梢的生长,酚类物质积累,多酚氧化酶活性增强,取样外植体容易褐化,会影响初代培养效果.因此,探讨出合适的外植体取材时期是诱导蓝莓组培快繁成功与否的关键因素之一.
涂俊凡等[17]研究了兔眼蓝莓外植体取材时间对萌发诱导效果的影响结果表明,4月下旬到6月上旬为兔眼蓝莓茎段最佳取材时期,萌芽率为62.2%.王连润等[18]在蓝莓外植体取材时间对其诱导萌发率的影响研究中,发现选取蓝莓当年10月生,生长健壮,无病虫害的枝条以及长有隐芽的茎段材料污染率低.梁晓晶等[19]对取自当年不同时期的蓝莓材料做了系统的组培试验后得出结论,认为4月份是蓝莓组培外植体最佳的取材时期,并且还分析了这一结论的原因,主要是由于这段时间的茎段与4月以外的月份相比,分化出的愈伤组织不多,生长速度太快,形成的芽越发容易分化且同时褐变现象明显,比其它取材时期获得的材料减少.
在我国由于四季的更替比较显著,因此,在气温较高、病虫害比较容易爆发的6至9月间,用露地栽培的蓝莓材料进行组织培养会有污染率较高的缺陷;与此相对地,当年十月到第二年三月之间,尽管由于天气寒冷,蓝莓组培材料的污染率也相对不高,但此时的蓝莓长势也不太好,建立无菌系时无法获得较高的成苗率.因此,建议选择4月至6月气候条件适宜的时期作为外植体取材时间.
组织培养环节中,灭菌至关重要,直接关系到组培苗诱导的成功率.在进行外植体消毒处理时,所用消毒剂的种类,消毒时间长短等都影响着外植体的污染率.因此,国内外学者也做了许多相关研究,取得一定成果.
在植物组织培养技术中,常用的外植体消毒药剂主要有75%的酒精,0.1%的氯化汞溶液等.而在进行研究试验或者生产应用当中,选用灭菌剂的种类和灭菌时间的确定等,则一般根据不同情况及操作者的经验来掌握.通常的消毒程序是先用75%的酒精棉擦拭外植体材料,然后使用消毒药剂进行灭菌消毒,通常能获得较好的灭菌消毒效果.然而不同的研究者会使用不同的灭菌剂及不同的外植体和灭菌时间,从而得到不同品种蓝莓的最适宜的灭菌条件.常用消毒剂及其消毒效果见表1.
表1 常用消毒剂种类及消毒效果比较[22]
李丽容等[20]研究不同灭菌条件试验结果表明,蓝莓外植体(茎段)较好的灭菌方法为:70%酒精30 s+0.1%升汞6~8 min,其次是70%酒精30 s+2%次氯酸钠8~10 min.刘明群等[21]认为,对于蓝莓外植体的灭菌,推荐采用0.2%升汞灭菌,且灭菌前后均不去叶柄,灭菌时间可依枝条采集时间及老嫩情况而定,一般宜控制在6~8 min.结合现有的研究来看,最有效的蓝莓外植体材料灭菌程序一般是——剪取包含有强壮嫩芽的蓝莓树的休眠枝,拿自来水冲洗,这一步的主要目的是要除去蓝莓枝表面的异物;然后拿灭菌过的蒸馏水浸泡蓝莓枝20~30 min;随后使用室内插瓶水培的方法进行催芽,在长出的芽突破鳞片时,再把枝条剪成2~3 cm的茎段;接着,在超净工作台上用75%乙醇溶液进行处理,整个过程花费时间为3~4s,再用无菌水冲洗3~5次,然后用0.1%升汞溶液浸泡外植体约8 min,继续用无菌水冲洗1~2次,冲洗时应该要先快后慢;最后,将清洗消毒干净的新枝条剪成0.5~1.0 cm长的茎段并立即接入诱导培养基中培养.
在国内外的蓝莓组织培养试验及实际生产当中,蓝莓茎段培养使用得最多的基本培养基大体上是MS、1/2MS、White、WPM、改良WPM、knops培养基和B5等七类.Wolfe利用这七类培养基,通过比较它们的培养效果后发现,WPM培养基在蓝莓组织培养中作为基本培养基的效果是最好的[23].但是一般而言,都不会直接使用这几种培养基,而是会稍作改良,常常是把WPM培养基中的K2SO4、CaCl2、FeSO4和Na2EDTA等盐类用Ca(NO3)2·4H2O 684 mg/L、KNO3190 mg/L、C10H13FeN2NaO873.4 mg/L和盐酸硫胺素0.1 mg/L代替,这样的培养基被称为改良型WPM培养基.尽管有这样的改进,改良型WPM培养基以及基本培养基中的能量物质一般只够维持被培养物的基本生存所需,若是要得到较好的培养效果,必须得在基本培养基里添加相当数量的植物生长调节物质,如此方可诱导细胞的脱分化和再分化,从而最终发育为健康的试管苗.植物组织培养中用的较普遍的植物激素通常为生长素、细胞分裂素和赤霉素,而这些激素的种类、搭配比例等搭配方案对外植体的诱导效果间的差异是十分明显的.研究已经发现,培养基中较高的生长素/细胞分裂素比值适宜用作生根培养;而较低的比值则适用于进行新芽的诱导;而在两者的比例十分接近的情况下就更容易诱导产生愈伤组织.张力思等[24]进行的不同配比的营养物质培养基对4种蓝莓诱导效率的影响得出的结果是,在WPM基本培养基中加入玉米素(Zeatin)会提高增殖效率,加入反玉米素(Trans-Zeatin)则增殖效率适宜,加入反玉米素核苷(Trans-Zeatin Riboside)反而会降低增殖效率.董朝莉[25]试验发现,蓝莓茎段的离体增殖率会受到细胞分裂素种类、浓度的影响,并且发现使用ZT1~2 mg/L和2ip10~20 mg/L的效果较好.廉家盛[26]在使用美登蓝莓进行不定芽分化培养时,用B5培养基作为基本培养基,结果发现,加入2 mg/L ZT时诱导愈伤组织效率最高,进而分化出不定芽.在蓝莓外植体增殖培养研究中,添加BA时,外植体也增殖,但其增殖率和成苗率均低于ZT的影响[27].也有研究发现在组织培养时,需要黑暗条件下培养1~2周,然后才能见光;若预先没有在黑暗条件下进行培养,那么不管添加哪种细胞分裂素,分化率均比较低[28].
后期的初代培养基和继代培养基,都是以基本培养基为基础再配合各阶段对培养基的不同要求所进行的改良.刘作梅等[29]以一年生“南高丛”蓝莓所作的研究表明,丛生芽诱导最适宜培养基为改良WPM+ZT1.0 mg/L,萌动率达95%;丛生芽增殖培养最适宜培养基为改良WPM+KT0.5 mg/L,且增殖系数为4.1.范淑芳等[30]采用阳光蓝蓝莓作离体繁殖研究结果表明,阳光蓝组培苗的离体繁殖以带2个芽茎段在WPM+2.0 mg/L ZT+0.01 mg/L IBA中进行增殖培养、在1/2WPM+0.10 mg/L IBA+1 000.0 mg/L AC中进行生根培养效果较佳.
综上所述,在蓝莓组培无菌系建立的研究中,我国虽然取得了相当大的成就,研究内容比较广泛,但研究的深度以及系统性不够成熟,存在不少问题.具体表现在以下3个方面:
(1)一方面,在蓝莓组培的过程中还存在较高的污染率,且分化率、生根率和移栽后种苗成活率都需要通过改进培养技术来得到进一步提高;另一方面,大规模蓝莓组培过程中使用的大量甚至过量的消毒剂和杀菌剂等药品,会带来一系列的环境污染问题.因此,技术层面的创新,如寻找新的消毒剂杀菌剂等材料或者方法,进一步简化规范化组培操作过程中的程序以减少污染率,试验新的培养基组合以提高组培材料的分化率、生根率以及种苗的存活率等技术,将是日后蓝莓组培的重要任务.近几年已经有学者提出采用无糖培养微繁技术和开放式组培法两种组培技术代替传统的组培技术[31],以解决环境污染问题和组培种苗效率低下的缺陷.但这两种方法在具体实施过程中的效果以及可能存在的负面效应仍需积极探索,至少是值得尝试的新的方法和技术.
(2)国内研发的许多蓝莓品种的快繁体系在横向上没有系统的比较,还缺乏相同品种蓝莓在纵向上的组织培养技术各个环节与过程的深入总结归纳和理论构建.不同品种的蓝莓在组培的相关环节会存在技术规程的细微差异,这些差异将对组培的效果产生较大的影响.因此,针对某些优良品种的蓝莓,应当充分试验出其可靠标准的组培规程和方法,各个击破,建立优良蓝莓品种的系统化组培程序.
(3)尽管我国对已有品种的蓝莓组织培养获得了数量相当可观的无性系建立案例,但依靠组织培养技术力量来进行新品种选育的研究还很少见,需要更成熟完善的蓝莓组培技术体系或者操作规程.
因此,在未来的蓝莓组培研究中,首先要创建能够不受时空限制的国内主栽蓝莓品种离体再生和转化体系,并且用基因技术优化品种质量提供技术支撑建设完备的大平台.然后,增加对蓝莓组培中植物生理变化过程的深入研究.最后,在理论构建较完备,试验数据足够丰富的前提下,开展工厂化高效再生体系的研究以及基因转化育种等方面的研究.
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