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雷公藤(Tripterygium wilfordii Hook.f.),卫矛科(Celastraceae)雷公藤属(Tripterygium),又称黄藤根、黄腊藤、水莽草、红药、断肠草、菜虫药等,多年生落叶蔓性灌木[1]。植物体内的碳素营养状况常以糖含量作为重要的指标,可溶性糖是植物光合作用的主要产物,在植物细胞内作为一种能源消耗及储藏物质,属于非结构性碳水化合物,参与着多种代谢活动,为代谢活跃的胚性细胞提供充足的能源[2,3]。可溶性糖中的蔗糖是植物有机物运输、贮藏及积累的主要形式[4],其代谢含量的变化反映了植物细胞对碳源及能源的吸收和利用情况。组织培养过程中,培养基中可溶性糖的消耗与植物种类、培养体系及所处生长状态状况密切相关,含量因生长阶段的不同而有所差异[5]。相关研究表明,碳水化合物中的可溶性糖类,可为大量植物不定根的形成提供必需的营养物质[6],是生根过程不可或缺的。目前,研究证明糖在细胞内是以一种信号分子存在的,其在植物的生长发育等许多过程中均发挥着调控的作用,其还可以作为细胞内许多基因表达的重要调节因子。因此,对植物组织培养各阶段的可溶性糖含量的测定,可为今后的研究工作提供一定的参考依据。
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雷公藤组织培养无菌外植体:即雷公藤外植体置于事先配制好的培养基上,培养至0、7、14、21、28、35 d时,取不同培养时期的外植体进行重复3次的可溶性糖含量测定。
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2011年8月,采用蒽酮法作为可溶性糖含量测定的方法[10],样品溶液测定方法见表1。
试剂/mL
Reagent (mL)编号Number 1 2 3 4 样品溶液Sample solution 0 1.0 1.0 1.0 H2O 1.0 0 0 0 蒽酮试剂Anthrone reagent 5.0 5.0 5.0 5.0 Table 1. Methods for preparing sample solution
说明:1. 温度控制在100℃;2. 从100℃开始准确计时20 min,然后迅速冷却,于室温中平衡10 min;3. 蒽酮注意避光保存,当天配制当天使用;4. 试管干燥清洁;5. 在冰浴条件下加入蒽酮,生成的颜色较稳定,在4 h内无明显变化;6. 每个试验重复3次[10]。
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以雷公藤组织培养各过程最佳配方对无菌外植体进行培养,每培养7 d,测定各处理可溶性糖含量变化,利用标准曲线及相关公式计算出可溶性糖含量值。经过35 d的6次测定后,对结果进行分析对比,探讨可溶性糖含量的变化。
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基本培养基为:MS+蔗糖∶30 g·L−1+琼脂∶8 g·L−1;pH=5.8;处理号Hy、Hyy、Hyz、Hld、Hzc、Hbd对应组织培养阶段中芽体诱导、愈伤组织诱导芽、芽体增殖培养、壮苗培养、1号生根培养和2号生根培养的培养阶段。
组织培养阶段
Tissue culture stage处理号
Treatment number培养基配方
Medium formula芽体诱导Bud induction Hy Ms+6-BA 1.5 mg·L−1+IBA 0.1 mg·L−1 愈伤组织诱导芽Callus-induced bud Hyy Ms+6-BA 1.0 mg·L−1+IBA 0.5 mg·L−1+KT 0.5 mg·L−1 芽体增殖培养Bud proliferation culture Hyz Ms+6-BA 1.0 mg·L−1+NAA 0.1 mg·L−1+KT 0.5 mg·L−1 壮苗培养Strong seedling culture Hld Ms+6-BA 0.5 mg·L−1+VB1 0.5 mg·L−1+蛋白胨 0.5 g·L−1 生根培养1 Rooting culture1 Hzc 1/2 Ms+NAA 2.0 mg·L−1+KT 0.5 mg·L−1+Ac 1.0 g·L−1 生根培养2 Rooting culture2 Hbd 1/2 Ms+NAA 1.0 mg·L−1+KT 0.1 mg·L−1+Ac 1.0 g·L−1 Table 2. Culture medium formula in different stages of tissue culture
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基本培养基为:1/2 MS+琼脂8 g·L−1;碳源:蔗糖、葡萄糖;pH值5.8;激素:NAA、KT。根据试验需要,建立6种培养基组合方式,对比可溶性糖含量变化,以处理号Z1、Z2、Z3、P1、P2、P3表示。
处理号
Treatment
number培养基组合方式
Medium combination modeZ1 1/2 Ms+NAA 1.0 mg/l+KT 0.1 mg·L−1+蔗糖10 g·L−1 Z2 1/2 Ms+NAA 2.0 mg/l+KT 0.5 mg·L−1+蔗糖20 g·L−1 Z3 1/2 Ms+NAA 2.0 mg/l+KT 0.5 mg·L−1+蔗糖30 g·L−1 P1 1/2 Ms+NAA 2.0 mg/l+KT 0.5 mg·L−1+葡萄糖10 g·L−1 P2 1/2 Ms+NAA 2.0 mg/l+KT 0.5 mg·L−1+葡萄糖20 g·L−1 P3 1/2 Ms+NAA 2.0 mg/l+KT 0.5 mg·L−1+葡萄糖30 g·L−1 Table 3. Effects of different carbon sources on soluble sugar content in culture medium formula
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雷公藤芽诱导分化阶段,对培养0、7、14、21、28、35 d的外植体进行可溶性糖含量测定。据图1显示,当芽诱导培养至第7 d时,可溶性糖含量上升,表明此时外植体正储备营养物质来满足芽体诱导;第14 d时,含量最低,表明在7~14 d时间段内,已完成芽体诱导过程;在第21 d出现第二次峰值表明此时外植体的分化增值需要大量营养物质。在14~21 d期间,外植体通过光合作用及培养基中的糖含量为可溶性糖合成提供一定基础,因而,第21 d出现峰值要高于第7d含量。第21~35 d期间,可溶性糖含量呈下降的趋势,表明此期间芽体营养和增粗生长同步进行。
愈伤组织诱导芽阶段,可溶性糖含量出现三次高峰值,当外植体培养至7 d过程中,愈伤组织逐渐吸收营养物质,表明愈伤组织诱导芽初期需要大量可溶性糖;当到第14 d时愈伤组织逐渐变大且愈伤组织表面有许多小芽分化,因而这两个时间段可溶性糖先上升后下降。由于芽体纵向生长需大量营养物质,因此14 d~21 d期间,外植体处于营养物资积累准备阶段而出现第二个峰值。
Hy、Hyz及Hld阶段可溶性糖含量比较发现,与芽体培养相关的这三个阶段,可溶性糖含量变化趋势基本是一致的,其峰值及低谷出现时间是一样的,所不同的是在第21~28 d培养时间段内,芽诱导可溶性糖含量下降幅度大于增殖及壮苗培养,而壮苗下降幅度大于增殖培养。可知,芽体处于营养生长时期的芽诱导阶段需要的糖含量大于增殖及壮苗培养阶段,壮苗培养对糖含量的需求大于增殖培养。图1所示,培养35 d后,壮苗培养的可溶性糖含量最低,其次为增殖培养,最后为芽诱导,因而在营养生长后期,应及时适度地增加营养物质以保证芽体的快速良好生长。
图1 Hzc和Hbd曲线所示,生根初期,可溶性糖是外植体进行正常的新陈代谢及保证根原基分化必不可少的营养及能量物质来源,该阶段,植物体内将淀粉转化为可溶性糖,引起第一次上升即培养的第7 d;根系诱导过程,对可溶性糖含量的吸收导致其下降,培养的第7 d−14 d;当根系诱导完成后,其需要吸收培养基内的碳源即将蔗糖转化为可溶性糖,同时植株本身进行正常的新陈代谢,随着光合作用增强,体内的可溶性糖的含量逐渐上升,且比第一次的峰值高。随着不定根的迅速伸长及增粗,促进了呼吸作用,加快外植体内可溶性糖转化利用,此时可溶性糖应处下降趋势,但1号生根培养在培养第21 d后,可溶性糖含量继续上升,比较两个生根方案发现,较高浓度外源激素对根系增殖分化起到促进作用,促使两种生根方案可溶性糖变化趋势不同。这也表明在21~28 d期间,1号生根培养外植体继续进行根系诱导过程。
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雷公藤生根培养阶段不同碳源及浓度处理,外植体生长结果如表4所示,可溶性糖含量趋势变化如图2所示。
处理号
Treatment number生根率/%
Rooting rate (%)平均根
量/条
Average root quantity per strip最早生根
时间/d
Earliest rooting time (d)长势
Growth conditionZ1 83.3 48 15 好 Good Z2 90 32 15 一般 Normal Z3 100 45 11 好 Good P1 73.3 25 15 好 Good P2 0 0 0 差,部分叶片发黄 Bad, partial leaves yellowing P3 0 0 0 差,部分叶片发黄 Bad, partial leaves yellowing Table 4. Observation results of tissue culture treatment
Figure 2. Variation curve of soluble sugar content under different carbon sources and concentrations
据表4数据可得,生根培养周期内,葡萄糖的添加雷公藤生根效果(生根率、最早生根时间)不佳且外植体长势差、根量低。且生根培养的最佳碳源是蔗糖,浓度以30 g·L−1最佳。
图2所示,除P2(20 g·L−1葡萄糖)处理外,其余处理均在0−35 d培养期间出现可溶性糖含量的双峰值,但峰值出现的时间不同。除Z3(30 g·L−1蔗糖)处理外,其余四个处理双峰值出现时间为培养的第14 d及第28 d,而Z3处理峰值出现于培养第7 d以及培养第28 d。第一个峰值出现时间意味着第一次根系诱导的开始。如表4所示,Z3处理的生根时间最早(培养第11 d)。培养第28 d峰值的出现是为了提供根系的增殖及营养生长,因而其可溶性糖含量高。同时,由图2可得,葡萄糖添加处理的在0−14 d培养时间段内,可溶性糖含量明显高于蔗糖处理,因而,葡萄糖是雷公藤组织培养前期的优质碳源来源,其利用转化率高。
可溶性糖虽能为外植体提供大量营养物质,但应处于最佳含量,过高或过低均不利于生根。P2(20 g·L−1葡萄糖)处理可溶性糖一直呈上升趋势,原因在于过高含糖量,导致植物细胞内外环境渗透压失调,抑制了植物对营养物质的吸收,导致了外植体因营养缺失而生长发育不良。同时从以上图2及表4可知,可溶性糖含量的变化7 d为一个周期,因而,对于雷公藤组织培养来说,7 d为其植物体生长发育的小周期,应适时根据实际情况更换培养基。
Study on Soluble Sugar Content in Tissue Culture Explants of Tripterygium wilfordii
doi: 10.12172/202204110004
- Received Date: 2022-04-11
- Available Online: 2023-02-24
- Publish Date: 2023-10-25
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Key words:
- Tripterygium wilfordii /
- Tissue culture /
- Soluble sugar
Abstract: In order to explore the effect of soluble sugar content in tissue culture of Tripterygium wilfordii Hook. f,