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芒果是重要的热带水果之一,虽然其栽培面积和产量在最近几十年有了很大的发展,但生产中的一些问题,如商业栽培品种的匮乏、病虫害严重、不耐储运等却严重制约着芒果产业的发展。目前芒果在全球尚无一个具早熟、高产、优质和抗主要病虫害等优良性状的品种。究其原因一是大量芒果种质资源由于各种自然和人为的原因,以及传统种质保存方法的局限性而逐渐流失;二是由于芒果是基因高度杂合的木本植物,用传统的育种方法改良芒果比较困难。因此建立成熟的芒果离体培养再生植株技术体系不仅有利于芒果种质资源的搜集和保存,而且为以生物技术为基础的芒果种质的遗传改良提供了根本保障。
虽然近年来国际上一些芒果品种的通过体细胞胚胎发生途径获得再生植株的离体培养方法已经获得成功,但这距此方法的实用化仍有很大差距,许多问题仍制约着芒果离体培养技术的广泛应用。本研究希望以我国主栽的两个单胚品种紫花芒和红芒为试材,建立芒果的体胚发生体系,并对体胚发生过程中的各种影响因素进行研究,同时以此技术为基础研究芒果胚性培养物的离体和超低温保存方法及机理,以期为芒果离体培养和超低温保存技术的实用化提供理论和实验依据。现将本研究的主要结果综述如下:
首次以单胚芒果品种紫花芒和红芒的子叶和珠心组织为外植体同时诱导体胚发生,获得再生的植株。建立了子叶和珠心组织外植体的体细胞胚胎发生实验体系。这两种外植体在含有2,4-D和KT的MS诱导培养基上可诱导直接体胚发生。组织学观察表明芒果胚性培养物直接发生于外植体的表皮细胞,但子叶外植体只能由腹面与培养基接触的表皮细胞诱导获得,而珠心组织的两侧表皮细胞均可诱导胚性培养物。无论是子叶还是珠心组织为外植体,紫花芒的体胚发生能力(28.4和12.0%)均高于红芒(14.4和4.0%)。对同一基因型来说,子叶的体胚发生能力高于珠心组织。连续三年的实验表明,子叶外植体均保持了较稳定的体胚发生能力,而珠心组织只在其中一年诱导获得了体胚发生。同时诱导获得的胚性培养物可转到增殖培养基上稳定的增殖和保存。在悬浮培养条件下,胚性培养物可快速增殖并完全同步于原胚阶段。组织学观察表明胚性培养物细胞保持了明显的胚性特征。增殖的胚性培养物在转到体胚成熟诱导培养基上后可直接经体胚发生形成正常的子叶胚,并进一步萌发形成再生植株。
首次报道了紫花芒和红芒胚性培养物的超低温保存技术。研究表明芒果胚性培养物可以采用直接干燥法或玻璃化法进行超低温保存。采用直接干燥法脱水处理1小时,胚性培养物的含水量就降至58%,在超低温保存后的存活率为8.3%。然而进一步延长脱水处理时间却造成了对胚性培养物的致命伤害。玻璃化法对芒果胚性培养物的脱水速率最高,保护作用也是最好的。在脱水处理15分钟后,其含水量迅速降至40%,超低温保存后得到了91%的存活率。本实验中材料生理状态的调控是超低温保存成功的另一个重要因素。处于指数生长期的胚性培养物在超低温保存后的存活率均高于缓慢生长期。同时与固体培养的胚性培养物相比,由于悬浮培养的胚性培养物具有很高的同步性,组织均一性好,所以其超低温保存后的存活率也更高。本研究表明芒果胚性培养物超低温保存的最佳程序为:选取处于指数生长期的快速增殖的胚性培养物(悬浮培养)为试材,用低温保护剂PVS3(50%蔗糖+50%甘油)脱水处理15-30分钟后,更换新鲜的低温保护剂溶液,随后将胚性培养物直接投入液氮超低温保存。化冻后的胚性培养物在固体增殖培养基上再培养,约17天后即可观察到新的胚性培养物再生,胚性培养物的存活率最高可达100%。
为验证离体和超低温保存的安全性,对离体培养和超低温保存后的胚性培养物的遗传稳定性进行了研究。结果表明离体培养保存的胚性培养物虽然其细胞增殖活力和代表性的细胞次生代谢物芒果甙的含量在保存前后没有变化,但胚性培养物的体胚发生潜力却明显降低。这主要表现在其形成成熟子叶胚的数目降低和不正常子叶胚的出现。与此相对照,超低温保存后的胚性培养物虽然增殖活力有短暂的降低,但很快恢复,而胚性培养物体胚发生潜力和细胞次生代谢物的含量在超低温保存前后均保持稳定。同时流式细胞术和RAPD分析表明离体培养和超低温保存的胚性培养物在染色体倍性或DNA多态性上未发生变化。
以子叶为外植体可诱导获得两种类型的芒果组织培养物:胚性培养物和愈伤组织。组织学观察表明子叶外植体诱导的两种组织培养物的细胞学特性具有明显的差异,胚性培养物细胞的细胞质染色浓度深、核质比高、细胞密度大且细胞有大量内含物等,且胚性培养物在诱导培养基上可继续发育形成成熟的体胚,而愈伤组织则只能增殖形成白色的疏松组织。这种细胞学上的差异导致了胚性培养物与愈伤组织的脱水和低温耐力的差异。胚性细胞具有很强的耐脱水和低温能力。在经过5分钟的脱水处理或超低温保存后,其存活率分别为100%或77%。而愈伤组织细胞在经过5分钟的脱水处理后,其存活率降为46.6%,超低温保存后则全部死亡。这说明试材细胞的生理状态在超低温保存过程中起着决定性的因素。
本实验发现采用FDA荧光染色法和冷冻切片技术,不仅可以快速的检测芒果愈伤组织和胚性培养物细胞超低温保存后的存活率,而且可有效地用于观察超低温保存后胚性培养物内存活细胞所处的位置。采用低温保护剂(PVS3)脱水处理5分钟的胚性培养物,只有外部部分细胞存活。随着脱水处理时间的延长,其内部细胞存活率提高,脱水处理30分钟后,可观察到几乎胚性培养物的各个部位均有存活的细胞。这一结果对于更准确地评价超低温保存的效果以及确定最佳的超低温保存程序具有重要意义。