组学技术在作物研究中的应用论文

收稿日期：2007-10-25基金项目：深圳市科技和信息局基金资助项目作者简介：王丹（1982-），女，辽宁本溪人，硕士研究生，从事植物生物技术研究。注：雷江丽为通讯作者。大花美人蕉茎尖组织培养技术研究王 丹1,2，雷江丽2，吴燕民3，吕 慧2，郁继华1(1.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070；2.深圳市园林科学研究所，广东 深圳 518003；3.中国农业科学院 生物技术研究所，北京 100081)摘 要：以大花美人蕉（Canna×generalis）根茎茎尖为外植体进行组织培养技术研究，筛选出芽诱导适宜的培养基为MS + 6-BA 8.0mg/L（单位下同）+ TDZ 0.03；MS + 6-BA 8.0 + TDZ 0.03 + NAA 0.1 培养基能较好地诱导分化出丛生芽, 继代增殖培养中与MS + 6-BA 3.0 + TDZ 0.03 + NAA 0.1 培养基交替使用可减少畸形芽，增殖系数达1.67；适宜的生根培养基为MS + 6-BA 1.0 + NAA 0.5，生根率达66.67%，且植株生长健壮，移栽易成活。关键词：大花美人蕉；茎尖；组织培养中图分类号：Q943.1 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2008)01-0033-04Research on Shoot-tip Culture of Canna×generalisWANG Dan1,2, LEI Jiang-li2, WU Yan-min3, LÜ Hui2, YU Ji-hua1(1.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu China; 2.Shenzhen Institute of LandscapeGardening, Shenzhen 518003, Guangdong China; 3.Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of AgriculturalSciences, Beijing 100081, China)Abstract: The paper mainly studied on tissue culture of Canna×generalis with the stem tips asexplants. The results showed that the bud inoculation medium was MS + 6-BA 8.0mg/L+ TDZ0.03mg/L; the best of clump shoot induction and differentiation medium was MS + 6-BA 8.0mg/L +TDZ 0.03mg/L + NAA 0.1mg/L; using MS + 6-BA 3.0mg/L + TDZ 0.03mg/L + NAA 0.1mg/L asproliferation medium, an optimal proliferation rate was obtained. When the two kinds of mediumused alternatively, the effect was better. The optimum rooting medium was MS + 6-BA 1.0mg/L +NAA 0.5mg/L, the rate of rooting could reach 66.67%, and cultured in this medium, the plant grewwell and easy to survival.Key words: Canna×generalis; shoot-tip; tissue culture大花美人蕉(Canna×generalis)属美人蕉科(Cannaceae)美人蕉属(Canna)的园艺杂交种[1]，是多年生喜光宿根草本花卉，原产美洲热带和非洲等地。其枝叶茂盛、花朵艳丽、姿态优美、花期长，在深圳地区几乎全年开花，是配置大型花坛的优良品种。大花美人蕉不仅观赏价值高，而且能吸收硫、氯、氟、汞等有害物质，具有净化空气、保护环境的作用，因此，世界许多城市的园林绿化中都广泛应用。美人蕉传统的繁殖方式主要采用分切地下根茎的方法，繁殖速度慢、增殖效率低，而且连续营养繁殖造成病毒积累致使病毒病在各地相当普遍，严重影响其观赏价值。利用茎尖组织培养进行脱毒试管苗快繁，是目前大力繁殖与推广美人蕉的主要手段。关于美人蕉组织培养的研究报道较少[2,3]，本研究探索其组织培养高效的再生体系，以期为品种提纯复壮及遗传转化、性状改良奠定基础。2008,37(1):33-36.Subtropical Plant Science第·34· 37 卷1 材料与方法1.1 材料供试材料为目前城市绿化中普遍应用的大花美人蕉‘President’品种。1.2 外植体选择与处理选择生长健壮、无病虫害的优良母株，挖取带芽胞的根茎，去除表面老皮并用肥皂水清洗。用75%乙醇棉擦拭，然后采用不同的消毒剂及处理时间（0.1%升汞10min、2%次氯酸钠10min、2%次氯酸钠20min、2%次氯酸钠 + 0.1%升汞5min、2%次氯酸钠 + 0.1%升汞10min），封闭式振摇灭菌。无菌水冲洗5 次，置于超净工作台上备用。接种前，剥去外部叶片，露出生长点，立即切取茎尖进行接种。1.3 培养方法及培养条件试验于2006 年10 月在深圳市园林科学研究所组培室进行。诱导、增殖和生根培养基均选用MS为基本培养基，在不同培养阶段附加不同种类、不同浓度配比的植物生长调节剂（表2～表4），蔗糖3%，pH 5.8。培养温度(28±2)℃，光照强度2 500 lx，光照周期为14h/d，相对湿度70%～80%。每处理接种30 瓶。定期观察试管苗生长与分化情况。2 结果与分析2.1 不同消毒处理方式对外植体无菌化的影响因供试外植体取自美人蕉地下根茎，表面污染物较多，不易消毒，且不同植物及外植体的成熟度对消毒剂的反应不同，故本试验选用升汞和次氯酸钠进行灭菌效果比较，以筛选合适的消毒剂及消毒处理时间。由表1 可知，2%次氯酸钠20min 处理的无菌化效果较好，但茎尖褐化较严重，说明灭菌时间过长对去老皮后的幼嫩根茎影响较大。0.1%升汞10min 处理与2%次氯酸钠 + 0.1%升汞 10min处理，无菌化效果差异不大，但2%次氯酸钠 + 0.1%升汞 10min 处理有轻微药害。因此，后续实验选用0.1%升汞处理10min 进行外植体消毒。2.2 不同生长调节剂配比对芽诱导的影响以MS 为基本培养基，附加不同浓度6-BA、NAA、2,4-D、KT、TDZ 等（表2），以筛选出较适宜美人蕉茎尖诱导分化的配方。因美人蕉根茎具有休眠特性，芽诱导分化较难。TDZ 具有很强的促进细胞分裂活性，0.05～1.0μmol/L 即可有效促进分化[4]，因此，本实验对TDZ 的诱导效果进行初步探索。试验表明，在不添加任何生长调节剂的MS 基本培养基（1 号）上，茎尖接种10d 后开始生长，叶片展开后，生长停止；15d 后转接到新的MS 培养基上无明显生长，随后叶片逐渐变黄、萎蔫，说明基本培养基中添加生长调节剂是美人蕉离体培养的必要条件。在仅添加6-BA 的2、3、4 号培养基中，高浓度的2 号培养基分化率为33.33%，明显好于3、4号培养基，说明美人蕉启动芽诱导分化需要高浓度的细胞分裂素（表2）。11～16 号培养基添加物为不同生长调节剂与TDZ 组合（表2）。仅添加TDZ 的培养基分化率为0，而多种生长调节剂配合使用分化效果更好[5]。其中15 号培养基的侧芽分化率最高，达63.33%，且每个茎尖可增殖2～3 个侧芽，但个别茎尖经多次转接后有畸形芽；与2 号培养基相比，分化率明显提高，说明添加低浓度TDZ 可促进芽诱导分化（表2）（图版-a）。5、6、7 号培养基为生根培养基，探讨NAA 对美人蕉茎尖生长和生根的影响。试验结果初步说明美人蕉在6-BA/NAA 小于2/0.5 时生根率可达50%以上（表2）。8、9、10 号培养基，探讨美人蕉脱分化，诱导愈伤组织，但结果均不理想。因此，建立高效的美表1 不同消毒剂及处理时间对外植体无菌化的影响处 理 接种数污染数污染率(%) 药害情况0.1%升汞10min 30 5 16.67 基本无药害2%次氯酸钠10min 30 12 40.00 无药害2%次氯酸钠20min 30 4 13.33 20%有轻微药害2%次氯酸钠+0.1%升汞5min 30 10 33.33 3%有轻微药害2%次氯酸钠+0.1%升汞10min 30 5 16.67 7%有药害第1 期 王丹,等：大花美人蕉茎尖组织培养技术研究 ·35·人蕉遗传转化再生体系还需进一步探索愈伤组织诱导途径。2.3 芽继代增殖为了探讨优化的芽继代增殖培养基配方，按表3 设计6-BA、NAA、TDZ 的正交实验，以15 号培养基上分化出的丛生芽为接种材料，进行继代增殖培养（图版-b）。由表3 可见，除17、18 号培养基外，低浓度TDZ（0.03mg/L）的分化促进作用较高浓度（0.3mg/L）的效果好，说明高活性的TDZ 浓度过高反而抑制分化。当TDZ0.03mg/L 时, NAA 0.1mg/L 促分化作用显著优于NAA0.5mg/L。在TDZ、NAA 浓度相同的情况下，随着6-BA 浓度的升高，分化率提高。但随着继代次数的增多，含高浓度6-BA的27 号培养基分化率略有下降，甚至有个别畸形芽产生，说明高浓度细胞分裂素对短期的分化有促进作用[9]，但继代数次后，芽已经萌动，自身具有分化能力，需适当降低6-BA 浓度进行壮苗，以避免畸形芽产生。因此，在增殖过程中交替使用分化增殖系数较高的19 号培养基和27 号培养基，既可保证较高的芽分化率，又可使继代苗生长健壮，减少畸形芽。2.4 生根诱导增殖芽3～5cm 长时，转接到生根培养基上培养约10d 后，可见到根生成（图版-c）。接种20d 后统计生根结果（表4）。从表4可见，所用培养基上都有根生成，说明美人蕉生根较容易；结合生根率和生长势，我们认为MS + 6-BA 1.0 + NAA 0.5培养基较适宜美人蕉生根。表2 不同植物生长调节剂组合的比较植物生长调节剂(mg/L) 编号6-BA NAA 2,4-D KT TDZ分化率(%) 生根率(%) 备注1 0 0 0 0 02 9 0 0 0 0 33.33 参考[2]3 5 0 0 0 0 23.33 参考[3]4 3 0 0 0 0 6.675 2 1 0 0 0 60.006 2 0.5 0 0 0 56.677 2 0.2 0 0 0 08 0 0 4 0 09 0 0 2 1 0 参考[6]10 0 0.2 0 2 0 参考[7]11 0 0 0 0 0.2 012 0 0.1 0 0 0.2 23.33 参考[8]13 0 0 0.5 0 0.1 3.3314 0 0 1 0 0.1 6.6715 8 0 0 0 0.03 63.3316 5 0 0.5 0 0.03 50.00表3 不同生长调节剂配比对芽继代繁殖的影响生长调节剂(mg/L) 编号6-BA NAA TDZ接种数分化率(%)增值系数 生长势17 3.0 0.5 0.03 30 30.00d 1.20d ++18 3.0 0.5 0.30 30 36.67cd 1.50bc ++19 3.0 0.1 0.03 30 56.67a 1.67a ++20 3.0 0.1 0.30 30 33.33cd 1.46bc ++21 5.0 0.5 0.03 30 43.33c 1.60ab ++22 5.0 0.5 0.30 30 26.67d 1.33c ++23 5.0 0.1 0.03 30 56.67a 1.60ab ++24 5.0 0.1 0.30 30 53.33ab 1.57b +25 8.0 0.5 0.03 30 50.00b 1.53b ++26 8.0 0.5 0.30 30 26.67d 1.37c +27 8.0 0.1 0.03 30 60.00a 1.73a ++28 8.0 0.1 0.30 30 26.67d 1.37c +注：++ 表示生长势强；+表示生长势弱。同列中不同字母表示差异显著(P＜0.05＝，表4 同。表4 不同的生长调节剂配比对组培苗生根的影响生长调节剂(mg/L) 编号6-BA NAA接种数生根苗数生根率(%)植株生长势29 0 0.5 30 19 63.33b +30 0 1.0 30 21 70.00a ++31 1.0 0.5 30 20 66.67ab +++32 1.0 1.0 30 16 53.33c ++注：+++ 表示生长势强；++表示生长势中等；+表示生长势弱。第·36· 37 卷3 结 论美人蕉根茎生长在土壤中，无菌化操作较困难。灭菌试验表明，0.1%升汞震荡灭菌10min 效果较好，采回的外植体应尽快处理接种，放置时间过长伤口处易染菌，导致接种后褐化较严重。MS + 6-BA 8.0 + ZDT 0.03 + NAA 0.1 培养基能较好地诱导分化丛生芽，MS + 6-BA 3.0 + TDZ 0.03+ NAA 0.1 为较好的增殖培养基，在增殖培养过程中这两种配方交替使用效果更好；短时间使用高浓度生长调节剂对增殖有促进作用，但长时间使用高浓度生长调节剂会使组培苗质量下降。在试验中还发现，转接次数多的茎尖较转接次数少的分化率大，建议在接种后的10～20d 内及时转接。选用MS + 6-BA 1.0 + NAA 0.5 为生根培养基，生根率较高，根系粗壮、根毛密集，植株生长健壮（图版-d），且移栽成活率较高。参考文献:[1] Segeren W, et al. The genus Canna in Northern South America[J]. Acta Bot Neerl., 1971,20(6): 663-680.[2] 刘文萍,等. 美人蕉茎尖组织培养及快繁技术[J]. 北方园艺, 2001(6): 32.[3] 丁爱萍,等. 美人蕉组织培养及快速繁殖技术[J]. 园林科技, 2006(1): 11-12.[4] Singh N D, et al. The effect of TDZ on organogenesis and somatic embryogenesis in pigeonpea (Cajanus cajan L. Millsp)[J].Plant Science, 2003,164(3): 341-347.[5] 王关林,等. 高活性细胞激动素TDZ 在植物组织培养中的应用[J]. 植物学通报, 1997,14(3): 47-53.[6] 宣朴,等. 生姜茎尖组培快繁技术研究[J]. 西南农业学报, 2004,17(4): 484-486.[7] Kromer K, et al. In vitro cultures of meristem tips of Canna indica L.[J]. Acta Horticulturace, 1985,167: 279-286.[8] Vendrame W A, et al. In vitro propagation and plantlet regeneration from Doritaenopsis Purple Gem 'Ching Hua' flowerexplants[J]. HortScience, 2007,42(5): 1 256-1 258.[9] 刘敏. 花卉组织培养与工厂化生产[M]. 北京: 地质出版社, 2002: 101-102.

植物细胞工程技术以及应用论文

1 植物细胞工程基础研究

植物细胞工程是建立在工程技术与现代生物科学基础上的科学技术。它的发展依赖于植物学、分子生物学、植物生理学、遗传学、环境工程学、植物营养学等学科共同的发展和进步的，可为研究生物科学提供非常重要的技术。植物发育的生物学是当代植物科学研究的主要内容。离体培养的器官与培养体细胞胚及调控这种步骤已经建立了良好的实验体系，极大地将植物生物学的内容丰富了，而且还加速了发展。植物的薄层细胞培养已经成为了在离体条件下研究生理生化、植株再生、遗传转化的关键技术。并且应用离体培养的技术来探究花器官的发育，已经在多种植物上实现了开花和结实。原生质体培养为研究单细胞提供了较为良好的技术体系，已应用在植物激素的作用机理、植物细胞的分裂、细胞壁生物学、基因表达、物质跨膜运输等多个研究领域。

2 植物细胞工程技术及其应用

2. 1 加倍单倍体技术及应用

利用植物的组织来培养单倍体的植物材料从而获得单倍体植物，然后再通过自然方法或者人工加倍的方法从而获得双倍体植株的技术，被称为加倍单倍体技术。在这种技术中以使用花药和花粉来进行培养的应用最为广泛。利用这种技术来进行花药和花粉培养获得植株，目前已经在 250 多种植物上实验成功。目前，我国在培养花药和单倍体育种这两方面总体已经处于世界的前列，由多名研究者研制的 N6 培养基已经被大量应用在禾本科植物的花药和花粉培养上，现已被当做是国内外花培使用的通用培养基。而且利用花培技术，我国在多种农作物上都培养出了许多新的品种，例如水稻的中花系列的品种、小麦中的京花系列的品种、油菜中的华油一号等这些已经培育成功的品种的'推广，现已在社会和经济方面都取得了很好的效益。

在遗传上面，我们采用花培技术已获得染色体代的换系和附加系的方法，现在也被大量应用在小麦、大麦和一些茄科植物的身上，这种方法对远缘杂交育种的效率有着极大的提高。

植物存在的一种自然现象就是雌核发育。雌核发育就在离体的条件下通过培养一些没有受精过的子房和胚珠以产生单倍体植株，或者是在活体的条件下用不同种类的花粉或者是被物理方法处理过花粉授予其中，以诱导雌核的发育。目前这种培育方法已经在不下 10 种的植物上获得了成功。在离体条件下，诱导孤雌生殖来获得加倍单倍体的这一技术发展的时间很短，不过现在已经开始使用在构建遗传分析、作物的改良与转基因的受体材料。

2. 2 原生质体培养和体细胞杂交

植物细胞工程的核心技术是原生质体培养和体细胞杂交。

为了不出现植物远缘杂交不亲和性，新的种质资源不断创新，为了实现植物遗传转化和进行细胞学的基础研究提供了重要的科学研究基础。粮食作物、蔬菜、果树、花卉、林木等是获得的原生质体再生植株。农作物和经济作物主要是以原生质体培养，从一年生向多年生、从草本向木本、从高等向低等是近年来的植物发展趋势。原生质体培养、体细胞杂交、体细胞杂质种子评价和利用等是我国大量研究方面。世界前列的是第一次获得的原生质体植株种类数量，先进的成果适用主要是在原生质体培养体系的建立和完善、体细胞杂质种子鉴定、新种质的创制等方面。在植物细胞生理和遗传学、基因组学、蛋白质组学研究中的应用主要是以原生质体培养的技术。

2. 3 加强植物细胞工程基础研究

基础科学的进步与发展是植物细胞工程的发展主要平台。转基因植物、植物生物反应器的研究和应用的推进方面是加强研究基础植物代谢工程、植物细胞工程与植物基因工程的快速有机整合，结合分子标记辅助育种技术等。

3 结语

现代生物技术的发展是需要植物细胞工程的研究与应用来推动的。植物细胞工程作为一个很独立的学科和技术研究，为现代农业化高效率、优质性、可持续发展性做出了重大贡献。生命科学技术和工程技术的进步有力推动了植物细胞技术的发展，也大大有效地推进了现代生命科学技术的进一步发展。

加大对植物细胞工程的基础研究创新 ,将为植物细胞工程的进步提供更为广阔的发展平台，为社会主义现代农业科学技术的发展做出更大的贡献。

谱法、1H-NMR代谢组学技术等。其中1H-NMR代谢组学技术可反映中药不同生长发育阶段代谢物成分的改变，近年来广泛应用于中药不同基原的鉴别当中。

常用中药黄芪为补气要药，来源为豆科植物蒙古黄芪Astragalusmembranaceus(Fisch)Bge.var.mongholicus(Bge.)Hsiao或膜荚黄芪Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.的干燥根；红芪为豆科植物多序岩黄芪Hedysarum polybotrysHandMazz.的干燥根。传统认为红芪与黄芪功效与主治病症相同，有些地方也将红芪代替黄芪使用。焦美丽等运用1H-NMR代谢组学技术对红芪和黄芪化学成分进行研究，结果表明红芪和黄芪有27个共有代谢物，糖类、氨基酸等初级代谢产物相似性较大而黄酮类、皂苷类次级代谢产物具有较大差异，说明红芪和黄芪具有一定的相似性，但也有差异性，在临床上应区分应用，该研究为红芪和黄芪近一步资源开发利用奠定基础。

柴胡来源为伞形科植物柴胡Bupleurum chinenes DC.或狭叶柴胡Bupleurum scorzonerifolium Willd.的干燥根。章莎莎等采用GC-MS代谢组学技术对北柴胡、红柴胡、三岛柴胡、黑柴胡等几种不同品

植物代谢组学技术是借助多种检测手段以植物提取物中代谢物为研究对象进行全面定性、定量分析，继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴学科。随着核磁共振（NMR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等技术的快速发展，植物代谢组学已广泛应用于中药资源研究中。对该技术在中药基原鉴别、野生与栽培品的鉴别、药用部位鉴别、不同发育期的成分鉴定及不同产地药材的品质差异等方面研究进展进行综述，从而揭示植物代谢物动态变化趋势，为中药质量评价奠定基础。

[关键词]：植物代谢组学；中药资源；质量评价；中药基原

代谢组学是以组群指标分析为基础，高通量检测和数据处理为手段，信息建模与系统整合为目标的系统生物学的一个分支，是继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴学科。经过十几年的发展，代谢组学不仅在基因功能鉴定及生物系统研究等方面发挥着重要作用，而且在中医药领域也得到了广泛的应用。

植物代谢组学作为代谢组学的重要分支，借助多种检测技术以植物提取物中代谢物为研究对象进行全面的定性、定量分析。完整的植物代谢组学研究流程包括实验设计、样品采集、样品处理、样品制备、检测分析、数据处理、代谢途径分析或代谢网络分析等。目前在检测技术方面，主要是基于核磁共振，液质联用以及气质联用 等高灵敏、高通量、高分辨率的分析平台对样品进行检测，从而得到海量数据。

植物在生长发育过程中产生数以万计的小分子代谢物，其数量繁多，结构复杂，不仅是植物生长发育过程和适应环境所必需的物质，也是人类获取营养、能量的重要来源。近年来，由于中药成分的复杂性和多样性，出现液相–质谱联用、近红外光谱等多种技术对中药进行定性分析，但是这些技术并没有提供有关中药化学成分的信息。而中药的化学成分因地理来源、环境变化、采集和加工方式以及贮藏条件而有很大差异，植物代谢组学则通过对植物提取物进行全面分析，有效的解决了这种问题，对中药资源的鉴别、保证临床治疗的安全性和有效性具有重要意义。

植物代谢物在时间和空间上的高度动态性和复杂性，决定了植物代谢组学的研究更具挑战性，随着检测技术和分析方法的进步与完善，代谢组学在中药资源领域的研究项目逐年增多，研究领域也在不断拓展。植物代谢组学技术具有整体分析的能力，符合中医药整体观理论能够反映外源性物质对生物体产生的整体性效应，适用于中药等复杂体系的分析等优势。因此本文对植物代谢组学在中药基原鉴别、野生与栽培品的鉴别、药用部位鉴别、不同发育期的成分鉴定及不同产地药材的品质差异等资源利用方面的研究进展进行综述，以期揭示植物代谢物动态变化趋势，为中药质量评价奠定基础。