景天科多肉植物组织培养研究进展

作者: 李玥莹 赵云杰 栾宇佳 吴天洋 潘汝佳

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[摘 要] 多肉植物因其观赏性高、抗逆性强、品种多样等特点颇得人们的青睐。然而,随着多肉植物种植规模和市场需求的不断扩大,其优良性状难以稳定继代的弊端逐渐成为产业持续发展的瓶颈。以景天科(Crassulaceae)这类代表性多肉植物为例,对外植体的选择和预处理、培养基的选择和植物生长调节剂的作用、炼苗移植等研究现状进行梳理总结,并针对外植体的选择与消毒问题,固体培养基混合不均匀、硬度不同,组织培养过程中发生褐化等问题提出相应的解决方案,为推动多肉植物快繁技术的发展提供参考。

[关键词] 多肉植物;景天科;快速繁殖

[中图分类号] S68 [文献标志码] B [文章编号] 1674-7909(2022)12--4

0 引言

多肉植物(Succulent Plant)最早是由瑞士的植物学家琼·鲍汉在1619年提出,指的是根、茎、叶3种营养器官肥厚多汁,且具备贮藏大量水分功能的植物,园艺上也称之为肉质植物、多浆植物[1]。近年来,其因形态美丽、品种丰富和更好打理等优点而广受消费者的青睐,并逐渐成为绿植的主流。其中,景天科多肉植物若因浇水、日照、温度、药物等因素形成锦斑化等稀有性状[2],则往往售以高价,颇具收藏价值。

叶插和分株是多肉植物繁殖的主要传统方式,但常常发生优良性状分离、亲本固有特性不易保存、产生变异等不良状况,同时繁殖系数较低、增殖生长速度较为缓慢[3]。20世纪初,随着植物生理学理论的不断发展,植物组织培养技术逐渐开始显露头角。近十几年,市场对锦华等变异多肉植物品系的需求不断增加,快速繁殖技术应运而生。基于此,笔者对我国景天科多肉植物的快速繁殖研究现状进行综述,并就发展过程中已经存在或可能出现的问题以及未来发展进行讨论。

1 外植体的选择和预处理

外植体是多肉植物快速繁殖中的离体培养材料,其选择对组培试验的结果至关重要。根据植物细胞全能性学说,任何植物细胞在一定条件下都具有分化成完整个体的能力。然而,相同植物的不同组织、器官中细胞的全能性会因为植物大小、生长时间及理化性质的不同而不同。在景天科多肉植物的组织培养过程中,大部分研究人员选择以叶片、茎尖段等作为外植体取材部位。陈伟等[4]以红宝石幼嫩叶片为外植体,诱导出红宝石再生植株;闫金国等[5]以成熟、完整、无病害的大和锦叶片作为外植体诱导出大和锦的不定芽;邢苗苗等[6]以松塔景天和粗壮景天的幼嫩茎尖段为试验材料,通过初代分化、继代培养、生根培养及炼苗移植建立了组织培养体系。因此,选择合适的外植体是组织培养成功的必要条件。

外植体的消毒是多肉植物组织培养预处理的关键步骤。外植体大部分都取自田间,其上所携带的泥土和大量微生物是植物组织培养过程的一大障碍[7]。研究结果显示,在保证把植物表面上的各种细菌、微生物及泥土消除的同时,需要尽量避免破坏植物的内部细胞,否则将影响其后续的培养分化。张晓艳等[8]进行了一系列试验,得到了相对成熟的外植体消毒流程:将外植体用蒸馏水冲洗15 min后,依次使用10% NaClO溶液冲洗30 s、70%乙醇溶液冲洗30 s、0.1% HgCl2浸泡5 min,每一步骤完成后均需用无菌水冲洗三四次。这种消毒方式较为彻底,也能够满足科研和商业生产中对外植体的要求。汤久杨等[9]研究结果显示,消毒后的外植体需要使用消毒滤纸吸干残余水分,并切成1 cm×1 cm左右接种于已经灭菌的培养基中,每个培养基中加入四五个外植体为佳,接入深度大概0.5 cm,保证外植体不脱落,并且获得足够的营养。

2 培养基的选择和植物生长调节剂的作用

对景天科多肉植物诱导不定芽最常使用培养基为MS培养基,而对于不定根的诱导的常常采用1/2 MS培养基。根据试验目的,需要在培养基中分别添加不同质量浓度的植物生长调节剂,如萘乙酸(NAA)、6-苄氨基腺嘌呤(6-BA)、吲哚乙酸(IBA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、激动素(KT)等。这些外源性的植物生长调节物质能够在一定程度上促进外植体细胞的诱导和分化,科学的植物生长调节剂配比也可以指向性地调节植物的生长发育情况。同时,组织培养方式大大降低了时间、空间、季节对多肉植物繁殖的影响,也减少了传统繁殖方式所需要的时间成本。

不同植物生长调节剂配比对外植体及愈伤组织脱分化和再分化进程有明显影响。同时,不同植物的外植体根据部位、器官、年龄的不同,所要求的植物生长调节剂配比也不同,需要视研究目的和研究方向而定。为了明确所需植物生长调节剂配比,常常在试验前进行外植体的预试验[10-11]。景天科多肉植物的组织培养条件如表1所示。

2.1 叶片愈伤组织的诱导及培养条件

研究结果显示,景天科多肉植物进行愈伤组织诱导的适宜培养基配方为MS+2.42 mg/L 6-BA+0.67 mg/L NAA+2.15 g/L AC,在这种配方下,愈伤组织诱导率的理论值达到94.70%[12]。为了更好地完成诱导过程,在培养基配方的基础上可以额外控制外界条件,如光照度和培养时间等。一般培养温度控制在(25±1)℃,空气相对湿度控制在70%~80%[13]。愈伤组织诱导阶段需要避光培养,目的是防止光的作用使愈伤组织分化为筛管、维管等组织,同时避光条件更加稳定,能给组织提供更好的环境来完成脱分化和再分化,降低诱导失败率。此外,还可以适当增大外植体的体积,提高外植体与培养基的接触面积大小,增强外植体的活力[14]。

黄利辉等[12]研究表明,培育景天科多肉植物的过程中,NAA、6-BA等植物生长调节剂配比对愈伤组织的诱导较为关键,最适宜的培养基配方为MS+0.70 mg/L NAA+2.00 g/L AC+2.40 mg/L 6-BA;借助这种培养基,景天科多肉植物姬胧月、新玉缀、虹之玉的诱导率分别为100%、91.7%、83.3%,该试验结果与理论值较为接近,证明这种培养基配方对以上多肉植物快速繁殖具有一定可操作性及可靠性。在后续试验中,可根据此参数对培养基进行植物生长调节剂配比调整,能够大大减少试验人员的工作量。

2.2 不同植物生长调节剂配比对愈伤组织分化的影响

适合的植物生长调节剂配比对愈伤组织的增殖分化有重要影响。将桃美人愈伤组织切割成0.5~0.8 cm的组织块,接种到添加3.0 mg/L 6-BA 、1.00 mg/L NAA的MS培养基中,40 d后统计结果发现,愈伤组织基部形成大约0.6 cm的丛生状不定芽,该培养基的植物生长调节剂配比较适合桃美人愈伤组织的诱导分化[10]。在景天科大和锦的增殖分化过程中,大和锦幼芽在接入添加 1.0 mg/L 6-BA、0.10 mg/L NAA的MS培养基中长势较弱,生长情况较差;接入添加3.0 mg/L 6-BA 、0.10 mg/L NAA的MS培养基上增殖分化出的大和锦幼芽生长情况更好,冠幅相对更大,植株高度较高[5]。值得注意的是,质量浓度过高的NAA会使得幼芽玻璃化,因此,在景天科其他多肉植物的增殖分化研究中,不仅要注意NAA和6-BA两种植物生长调节剂的配比,更要根据所选择外植体的不同部位适当调整植物生长调节剂比值,避免愈伤组织玻璃化的形成。

2.3 生根培养

在完成增殖分化后,各种植物愈伤组织材料需要在无菌条件下按需切割。在切割过程中,尽量保证愈伤组织上单株芽或叶等结构的完整性,同时切掉残叶、败叶和部分褐化部分、老化组织,仅保存幼嫩部分,并将其切割分开成单一试验材料[15]。在此基础上,按照形态学上部朝上、形态学下部向下的原则,将外植体接种在生根培养基上,每一培养基中所接种的数量依照植物体的大小而定,尽量使形态相近的材料接种在同一培养基中。这样可以保证在后续移植过程中,每个培养基中植株大小相对一致。在景天科多肉植物褐斑伽蓝的生根培养过程中,将增殖分化所得到的试管苗移植到添加 1.0 mg/L IBA的1/2MS培养基中,其生根效果最好,移植完成后2周左右根原基产生,20~30 d即可形成完整的根系,每个植株的平均根数为5.3条左右,根的长度可以达到2.7 cm;当培养基中不添加任何植物生长调节剂时,褐斑伽蓝仍旧能生根,但是生长状态和生根数不及前者[16]。

3 炼苗移植

炼苗移植是多肉植物组织培养的最后阶段,是植物组织培养过程中的关键,决定了植物组织培养过程的成败。随着多肉植物生产规模的扩大,人们对多肉植物品质和活力的要求也逐步上升[17]。因此,保障多肉植物在快速繁殖方式下再生植株的存活率,同时维持其原有品相,是炼苗移植过程中需要注意的重点。

在景天科多肉植物炼苗移植过程中,要根据不同多肉植物的生长习性,选择不同配比的珍珠岩、沙子、泥炭土、蛭石来制备栽培基质。组培苗移植时,应当先在温室中打开瓶口炼苗三四天,将生根的幼苗取出,将基部残余的培养基洗净,在通风干燥处晾干后,插入特定栽培基质中。多肉植物红景天的栽培基质按照珍珠岩和沙子质量比1∶1混合,同时用营养液浇透,在这种保湿营养基质中根能够正常生长。特玉莲移栽在泥炭土和珍珠岩质量比1∶1的基质中,根系能够正常生长。松塔景天组培苗移栽在蛭石、草炭土和珍珠岩质量比为1∶2∶1的混合保湿混合基质中,成活率达到93.75%[18]。将组培苗移栽到基质后,14~21 d可以长出新叶,同时注意炼苗环境(如温度、湿度、光照条件等外界条件)的稳定性。

4 组织培养存在问题及对策

首先,外植体的选择与消毒问题。在对外植体进行灭菌的同时保存植物细胞活性是很多实验人员所面临的挑战。为解决这一问题,往往需要配制不同的消毒剂,并找出适合该植物的消毒剂及使用方法。其中,常见的消毒剂为乙醇、次氯酸钠、升汞溶液、新洁尔灭及过氧化氢等[19]。乙醇较为常见,但由于其消毒不充分,一般与其他消毒剂配合使用。次氯酸钠具有强氧化性,消毒能力强,但易对材料造成破坏。升汞溶液的常用浓度为0.1%~1.0%,可使蛋白质变性,消毒效果极好,但对环境危害较大,使用后需进行回收处理。新洁尔灭是一种表面活性消毒剂,对外植体伤害较小,消毒较为充分,因此常用于外植体消毒。过氧化氢的常用浓度为11%~12%,消毒效果较好,处理较为方便,常用于对叶片的消毒。此外,在操作过程中要注意控制消毒时间,防止消毒剂破坏植物细胞,及时采用无菌水冲洗干净消毒剂。

其次,固体培养基存在混合不均匀、硬度不同等突出问题。配制培养基时操作不当是产生该问题的主要原因。因此,配制培养基从称量药品、配制母液、高温灭菌直至等待凝固的整个过程都必须严格遵守技术标准[20]。

最后,在植物组织培养过程中常见的问题还有褐化现象。褐化在某种意义上是制约植物快速繁殖技术的最大障碍[21-22]。张宏平等[23]从光照、温度、植物生长调节剂、添加剂、pH值、培养基、外植体材料等7个方面论述了在这些条件下可能产生褐化的原因,并且指出在不同的组织培养阶段需要根据褐变所发生的条件和特点等因素选用不同的处理方式。例如,选取生长年龄较低的外植体、接种前对母株进行避光处理、缩短灭菌时间和减少培养基中酚类物质等来避免褐化发生。

如此种种问题的存在,使得我国多肉植物组织培养商业化生产系统还未建立相关完整的体系。为了建立相对完善的植物组织培养流程,还需要科研人员们不断创新和努力。

5 研究展望

由于自然环境的不可控性,在自然条件下繁育多肉植物特别是珍稀物种,所需要支付的综合成本和风险要比环境相对可控的室内养殖方式高出很多。采用组织培养方式不仅可以使多肉植物的特定性状得以保存,还能够减少所需成本[24]。但即便如此,如白皮月界、万象锦、出锦冰魄玉露等某些珍稀多肉物种在繁育、组织培养的道路上仍旧困难重重,其珍稀性也造成市场价格居高不下。

为了进一步优化多肉植物快速繁殖技术,扩大其生产,满足市场日益增长的需求,缓解市场压力,应从以下几个方面进一步开展深化研究。①扩大研究范围,尤其加强对珍稀多肉植物种类的研究,探究并完善珍稀植物种类快速繁殖的培养流程,在一定程度上缓解珍稀植物种类价格居高不下的现象。②针对已经完成离体培养的多肉植物种类,应验证其大规模培养的可行性,并进一步提高组织培养效率,建立一套完整的繁殖体系[25]。在此基础上推动这些植物种类大规模繁殖,为试验研究提供一定数量的试验材料。③推动多肉植物组织培养规模化进程,需要将研究结论应用到社会生产实践中。目前,对组织培养的研究通常集中在植物生长调节剂的配比对愈伤组织的诱导分化影响上,而忽略了该技术在生产生活中的应用。因此,需要优化组织培养技术,精简组织培养的步骤,降低多肉植物大规模培养的难度,保证该技术能够在商业化生产中推广使用。

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