小麦幼穗培养
以小麦幼穗为外植体进行离体培养的报道较幼胚晚一些,最早是在1977年Chin等进行的研究,其成功实现了愈伤组织的诱导,但并未获得再生植株。
直到1982年Ozias-Akins等的研究中才成功分化出植株,并且发现基因型对幼穗愈伤组织的诱导及植株再生具有较大影响,林刚等对14个小麦品种的幼胚、幼穗、成熟胚的培养效果进行了比较研究,发现部分品种的幼穗的愈伤组织诱导及分化成苗能力比幼胚和成熟胚高。
以小麦幼穗为外植体进行离体培养,具有污染率低,材料易获取,可长时间继代等特点,与幼胚同理,幼穗的大小及发育阶段也会对愈伤组织的诱导及再生能力造成一定程度的影响。
郑企成等认为,以状态良好的幼穗诱导出的愈伤组织,其分化成苗的能力可以超越幼胚,并且更耐继代,关于最适进行离体培养幼穗的状态已有很多报道,但研究结果不尽相同。
一些研究人员以长度作为指标进行取材,如何勇刚等]认为0.3~0.5cm的幼穗培养效果最好,长度达到1cm以上的幼穗虽然也具备诱导愈伤组织的能力,但往往直接分化根,很难再生出植株。
而R.Yadava等[63]的研究表明,幼穗长度在1~2cm范围内适宜进行离体培养,此时的幼穗愈伤组织诱导及植株再生能力较高。
还有研究人员以小麦幼穗的发育时期为指标进行取材,郑企成等、舒理慧等认为在护颖分化期的幼穗最适进行离体培养,而肖海林等则认为供体植株发育到雌雄蕊分化期的幼穗分化率最高,赵林姝等认为在小麦植株形成护颖原基到形成雄蕊原基之间取材,均可获得较好的培养效果。
刘香利等以幼穗为外植体对8个基因型的小麦进行离体培养研究,结果表明,基因型对诱导率无显著性影响,但对幼穗分化能力影响显著。
刘录祥等对近90个品种的未成熟胚及幼穗的培养效果进行了统计分析后指出,与未成熟胚相比,不同品种间幼穗的培养效果相差较小,以幼穗为试材可能会消除或减少基因型依赖。
与其他外植体相比,小麦幼穗诱导愈伤组织的及分化成芽的能力较高,但愈伤组织往往生根较为困难,这种情况限制了植株成活率的提高。
与未成熟胚相比,小麦幼穗的组织培养研究起步较晚,培养体系还不够成熟,许多品种的幼穗培养效率还不高,不能满足生物技术研究的需要,但随着研究的不断深入,幼穗的再生体系逐步完善,以幼穗为外植体进行的转基因研究也取得了一定的进展,成功培育出了转基因植株。
小麦花药培养
花药离体培养是获得单倍体植株的最有效途径之一,七十年代初,我国率先以小麦花药为外植体率先获得离体培养的成功,引起了各国科学家的高度关注,并迅速在国际上推广应用。
经过50多年的发展,小麦花药离体再生的研究取得了卓越的进步,培养效率得到了大幅度的提高。
小麦花药诱导愈伤组织的能力是限制其单倍体植株产量的主要因素,因此完善花培体系,提高再生率是保障单倍体育种的重中之重。
大量研究表明,小麦花药的培养效果存在显著的基因型差异,不同品种间的愈伤组织形成、分化绿苗与白苗的比率差异显著。
小麦花药离体培养中常用到的N6、C17、W14等诱导培养基均为我国科研人员所研制,杨雪等以花药为外植体进行C17和K培养基的对比研究。
结果表明K培养基对不同基因型具有更稳定性诱导愈伤组织的能力,平均比C17提高了90.2%。
吕学莲等对花药在不同培养基上的培养效果进行比较,发现C17诱导花药愈伤组织的能力显著优于W14培养基,但W14所诱导的愈伤组织具有更强的绿苗分化能力,与对照相比,高温培养具有提高愈伤组织诱导能力的效果,但最适培养时间存在基因型差异。
欧阳俊文等的研究结果表明:基因型对培养温度的影响为多基因控制的数量性状遗传。花药接种前进行短时间的低温预处理可以显著提高花药的培养能力。
宋运贤等以多个品种为研究对象,探究低温处理对花药离体培养效果的影响,结果表明,0.5d为最佳的低温处理时间,且每个品种最佳低温预处理时间不同。
与其他外植体不同,花药的培养过程中一般需要较高的温度(28~30℃),有研究表明,在花药培养过程中进行短时间的高温培养(33~36℃)更有利于促进培养效率的提高。
王培等对不同发育时期花药的培养效果进行了比较研究,结果表明发育到单核中晚期的花药具有更高的诱导愈伤组织及再生植株的能力。
花药离体培养技术,具有克服远远杂交不亲和性,大幅缩短育种时间等优点,受到国内外科研人员的广泛关注,为小麦育种做出重要贡献,应用前景广阔。
迄今,我国科学家已通过花培育种的方式培育出小麦新品种50多个,但在应用过程中也遇到了许多问题,如基因型对培养效果的具有较大影响,形成白化苗的比率高,染色体加倍失败率较高,再生植株成活率低等,这些因素限制了花培技术在种质创新和转化中的应用。
小麦成熟胚培养
为提高小麦成熟胚再生能力,研究人员在取材方式,培养基成分配比等方面进行了研究。
最初,成熟胚的离体培养采用的是整粒种子直接接种的方法,但培养物往往脱分化困难,并生成大量的胚根和胚芽,阻碍了愈伤组织的形成。
随后,胚乳支持法、刮胚法、胚切伤法等取材方式被一一开发,促进了成熟胚培养效率的提高。
Deplort等以尼龙网将成熟胚破碎后进行接种,发现这种方法能有效抑制胚芽的发生,有利于胚性愈伤组织的形成。
Yin等以4种不同基因型的成熟胚为试材,对刮碎法与整胚法的培养效果进行了对比,发现多数基因型的成熟胚刮碎后接种,比完整胚直接接种效果更好。
林国梁等以甘春24为试材,对不同接种方法的进行了比较,发现不同取材方式之间对愈伤组织的诱导无显著性差异,相比之下刮胚法诱导的愈伤组织质量更高,其愈伤组织诱导率及分化率分别达到了98.33%和62.04%。
与完整胚直接接种相比,对种子胚进行一定程度的创伤有利于减少胚根、胚芽的萌发,并且愈伤组织的诱导率、质量、生长速度及分化率都得到了提高。
张东武等对成熟胚采取沿着胚轴纵切一刀,接种全胚的方式使西农928、宁春16、西农889的植株再生率分别达到了77.6%、52.7%和36.9%,这种方式诱导的愈伤组织仅需1~2d即可出愈,且脱分化表现良好。
相对于沿胚轴完全切开的纵切法,垂直于胚轴的横切法和刮胚法都存在脱分化及出愈速度慢,愈伤组织质量不高的问题。
Zale等应用此法,对一些农艺性状优良的品种及部分模式品种进行了成熟胚离体培养,发现此法可获得理想的诱导率与再生率。
张小红等的研究表明,对成熟胚进行十字切割法时虽会形成少量的胚根和胚芽,但诱导的愈伤组织质量最好,分化率最高,达到了刮胚法的2.1倍,整胚接种法的4.3倍。
在成熟胚培养中携带部分胚乳有利于分化能力的提高,这种现象可能是因为胚乳会向胚胎提供某种信号或更易吸收的养分,所以诱导出的愈伤组织质量较高。
zgen等首次以胚乳支持法实现成熟胚离体培养的成功,即将灭菌后的种子以无菌水浸泡2h,以解剖刀移动胚的位置,但不取下种胚,以完整籽粒为外植体接种在培养基上,通过这种方式使成熟胚诱导出了高质量的愈伤组织并获得了较好的培养效果。
王海波等对整粒种子直接接种和挖胚接种进行了对比,发现带有一定胚乳的接种方式利于提高愈伤组织的活力。
王军虹等对胚切伤略带胚乳法、刮胚法、完整胚法的培养效果进行了比较,发现不同接种方法之间虽然诱导率无显著性差异,但是分化率之间存在极显著性差异,表现为胚切伤略带胚乳法>刮胚法>整胚法。
小麦的遗传转化研究与其他植物相比还远远滞后,基因型依赖及转化受体的单一性成为了主要限制因素。
虽然与其他外植体相比,小麦成熟胚的再生率还比较低,还不能满足生物技术研究的需求,但其拥有保存期长、随时可进行培养的优势,更有利于满足基因工程的大量重复性的工作要求。
培养基成分的改进
植物离体培养过程中的细胞全能性的实现是多种激素共同作用的结果,研究人员就激素种类与浓度及与其他添加物的配比对小麦离体培养的影响进行了大量研究,范学科等对未成熟胚在不同培养基上的培养效果进行了对比,结果表明,与N6和MN培养基相比,MS培养基更适合用作未成熟胚的离体培养。
海燕等对花药培养基中的成分配比进行了大幅度的调整,研发了癸培养基,通过与C17、N6和W14进行的对比分析表明,癸培养基对花药的平均诱导率比这三种培养基提高了30%以上。
Yin等通过对AA培养基中的成分进行调整,添加了多种有机物及Dicamba,研发了适于成熟胚培养的Adi培养基,将多个供试品种的再生率提高了5~8倍。
虽然在1984年,Zhou等人的研究已经证明了2,4-D并不是小麦成熟胚组织培养过程中表现最优的植物激素,但因其具有良好的稳定性,使2,4-D在小麦各种外植体的离体培养中都得到了广泛应用,在小麦的组织培养研究中做出了突出贡献。
在小麦幼胚离体培养中,在诱导培养基中添加2 mg?L-1的2,4-D会获得最好的培养效果,在小麦幼穗的离体培养过程中,需要添加1~2 mg?L-1的2,4-D。
基因型会对幼穗的培养结果造成较大影响,愈伤组织诱导过程中提高2,4-D浓度会促进高质量愈伤组织的形成,而低浓度的2,4-D有利于促进幼穗愈伤组织的生长发育。
与幼胚相比,成熟胚需要更高的生长素以进行再分化过程,在成熟胚的诱导培养过程中,2~8 mg?L-1的2,4-D均能实现愈伤组织的诱导,但添加的2,4-D浓度因取材方式的不同而改变,胚乳支持法所需浓度要比刮胚法和胚切伤法要高,提高诱导培养基中的2,4-D浓度能促进诱导率的提高且抑制胚芽的萌发,但会降低愈伤组织的分化能力。