药用植物多倍体育种研究
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2007年5月19日
第6卷第3期 2002年 9月河北农业科学 Journal of Hebei A ~ricultural Sciences 、，01．6 NO．3 Sea．2002 药用植物多倍体育种研究进展彭卫欣谢晓亮 (河北省农林科学院农业物理生理生化研究所药用植物研究中心，石家庄050051) 摘要概述了药用植物多倍体育种领域中育种技术， 多倍体的特征及鉴定方法等研究现状，展望了药用植物多倍体育种的发展前景。关键词药用植物； 多倍体育种；秋水仙素多倍体植物在自然界中是普遍存在的， 由于它们在生理上较二倍体有更强的适应性和遗传上有较大的可塑性，使得育种学家自20世纪30年代开始就热衷于多倍体诱导育种的研究。目前多倍体诱导育种工作在农作物、果树、蔬菜、花卉等的品种选优，创造新的种质资源等领域广泛的开展，取得了很好的成绩。四倍体黑麦产2 595kg／hm ，比二倍体黑麦增产30％，主要特点是籽粒蛋白质含量高，烘烤面包品质好[11。罗耀武 zJ用秋水仙素诱变葡萄玫瑰香品种为四倍体，该四倍体品系各种性状稳定，保持了原亲本二倍体品种原有的色、香、味优点，且较其亲本二倍体玫瑰香品种的生长势及抗病力增强，果粒显著增大，成熟期提早10 d。药用植物多倍体育种工作开展的也比较早，1937年布莱克斯里等人用秋水仙素处理曼佗罗获得多倍体。半个多世纪以来，育种学家对多种药用植物进行了多倍体育种的研究，培育了许多高产优质新品种，拓宽了种质资源，防止了由于长期的栽培而导致的品种退化。 1 多倍体育种技术 1．1 形成多倍体的细胞学机制细胞分裂是从核开始的，核内染色体正在分裂，而整个细胞还没有开始分裂时，外界条件发生剧烈变化，造成细胞质分裂暂时终止，抑制纺锤丝的形成，核内的染色体则照常进行复制，但不能拉向两极，使全部子染色体包括在同一细胞中，当外界条件影响消失后，缅胞再继续分裂时，核内的染色体己增加了一倍，形成了多倍性细胞。 1．2 人工诱导多倍体的方法人工诱导多倍体有两大途径，即物理方法和化学方法。 1．2．1 物理方法用于诱导多倍体的物理方法有反复切伤、反复摘心、温度激变、电离射线、离心力等。20世纪30年代，人们主要用嫁接、切伤和反复摘心等方法，对马铃薯、天竺葵、龙葵等进行诱变；对紫万年青、草木樨等用高温激变或高温处理均获得多倍体植株。 ‘ 2002-09-01收稿 一．维普资讯 http://www.cqvip.com · 48． 河北农业科学 第6卷这些方法由于效率低等缺陷未能普及。 1．2．2 化学方法应用于研究及生产中的化学试剂有各种植物碱、麻醉剂和生长素等，其诱导效果不佳，成功率很低。目前，应用最广泛的是秋水仙素。由于秋水仙素诱变作用只在细胞分裂时期，对于那些处于静止状态的细胞没有作用，因此所处理的植物组织必须是分裂最活跃、最旺盛的部分，通常是处理萌动的或刚发芽的种子、幼苗、嫩枝的生长点、芽及花蕾等，对于那些发芽慢的干燥种子效果往往不好。陈绍潘等L3J在对甜菊种子做加倍处理时，先用20~C温水浸种24h，待种子露白时，再进行秋水仙素溶液浸泡处理。此外，对甜菊实生苗生长点做点滴加倍处理，诱变率达到31．25％。陈发隶等I4】报道用秋水仙素溶液直接浸泡菊花脑种子诱导多倍体，O．5 L的秋水仙素溶液处理48h，获得了较好的效果，诱变率高达83．1％，这是目前为止报道的最高的诱变率。随着植物组织培养技术的发展，越来越多的植物可以通过组织培养再生植株，这使得秋水仙素在离体组织水平上诱导细胞内染色体加倍成为可能。离体组织细胞染色体加倍也以其容易控制实验条件和重复实验结果，提高工作效率，减少嵌合体等优势而逐渐受到重视。染色体加倍实验的离体材料一般是愈伤组织、胚状体、茎尖组织，也有用叶片、子房、原生质体作材料的报道。组织分化再生能力较强的植物，诱导染色体加倍以后用愈伤组织或胚状体为材料较好，因为愈伤组织的细胞可以分散。秋水仙素处理可以提高染色体加倍的效率，还可以减少嵌合现象。吴清等I5J在诱导金荞麦同源四倍体时，采用浸泡带绿色芽点的愈伤组织，最高诱变率可达43．3％。秋水仙素水溶液的浓度及处理的时间是直接影响处理效果的两个因素。根据目前获得成功的报道，秋水仙素溶液的有效浓度很广，0．006％．-0．5％之间均有成功的报道，最常用的浓度是O．2％。处理时间的确定，理论上讲应为一个细胞分裂周期的时间与药液透入细胞的时间之和，6h~7d之间都有成功的报道。因为随着处理浓度的增加，秋水仙素对细胞的伤害越大，细胞死亡率会增加，所以选择合适的浓度和处理时间，对诱导染色体加倍至关重要。一些学者认为低浓度、长时间的处理组合较好，但另外一些学者则倾向于高浓度、短时间的处理组合。综合目前成功的报道，不同的植物、不同的处理材料有各自的最佳处理组合，没有统一标准。 2 多倍体植物的特征巨大性是多倍体植物最为显著的外部形态特征。5O年代国外有报道，四倍体薄荷的气孔明显大于二倍体，但其密度却减少。陈素萍161等党参多倍体育种的研究中也报道了四倍体植株与二倍体植株相比，茎略粗，叶片色泽较深，叶脉明显，最为突出的是花较大，叶型较宽短，花朵数略少，花期略长，生长速度略慢。生长时间越长，上述差异越明显。郭启高等 在诱导生姜多倍体时也有类似的报道。由于多倍体植物中遗传物质的增加，其营养成分含量显著提高。甜菊四倍体叶片糖苷含量比二倍体的高4．9％。菘蓝四倍体叶中靛蓝玉红及根中游离氨基酸含量均有显著提高[Sl。植物染色体倍性的变化也往往会导致次生代谢产物含量的变化，这就有可能获得有效成分含量较高的药用植物新品种。高山林等I9J在研究丹参多倍体性状和药材质量的关系时报道，维普资讯 http://www.cqvip.com 第6卷 彭卫欣等：药用植物多倍体育种研究进展 ·49· 不同类型丹参多倍体根中丹参酮的含量不同。粗根类型的丹参多倍体品系虽产量增加，其活性成分丹参酮的含量反而减少，而丛根类型的丹参多倍体品系不仅产量增加，而且丹参酮的平均含量比对照增加79％，这样使多倍体巨大性和药用成分含量两个方面得以较理想的组合和统一。此外，多倍体还能增加新的药效成分，福录考的四倍体中含有二倍体本不含有的酮类成分。多倍体普遍地存在一定程度的不孕性。四倍体的曼佗罗、番茄结实率只有二倍体的 20％，水田芥为44％，而且种子不饱满，呈皱形，这与花粉发育不好有直接关系。对以种子为主要收获目的的药用植物是一个很严重的缺点，而对希望收获无籽果实的植物，如西瓜、枸杞等又是一个难得的优良特征。多倍体在所有的生长发育阶段都表现缓慢，如种子发芽迟，生长慢，开花晚等，致使生育期延长，其原因是细胞分裂强度降低，生长素含量减少。大多数的多倍体对外界环境条件具有较强的适应性，多倍体植株茎秆粗壮，故能较好的抗倒伏，有的还有抗旱、抗病、抗寒等特性。芝麻本来不能抵抗变叶病，但它和野生种杂交获得的双二倍体抗变叶病的能力较强；四倍体颠茄能忍耐莫斯科自然条件下的严寒，且很少发生病害。 3 多倍体的鉴定一批二倍体材料经秋水仙素处理后，一些材料的染色体加倍了，一些未能加倍，还有一些混倍体，准确地辩认多倍体并将其挑出来，也是多倍体育种的重要一环。一般通过多倍体的外部形态特征对诱导植株作初步鉴定或通过测定气孔大小， 比较气孔保卫细胞叶绿体数目来确认多倍体。乔传卓等发现菘蓝花粉粒的大小及其不同形状的花粉数目可鉴定倍性。王俐等【l 0】认为气孔显著增大是库拉索芦荟多倍体的形态特征，可作为其形态上的标志。 ．早期鉴定可初步辩认出多倍体，但要最终确认为多倍体，还需要更进一步的证实。最为直观可信的方法为染色体计数。如果作为染色体计数的茎尖或根尖的染色体已经加倍，仍然不能排除获得的植株是嵌合体的可能性，还需要观察所获植株的花粉粒的染色体数目。目前，有用扫描细胞光度仪来测定单个细胞的DNA含量，再根据DNA含量比较来推断细胞的倍性的报道。随着分子生物学技术的发展，人们开始从分子水平研究多倍体，多倍体的基因组DNA 可能由于核苷酸序列发生改变，形成杂交新位点或同源四倍体的等位基因发生了飘移，从而表现出多倍性，这些为在分子水平上鉴定多倍体提供了全新的思路。 4 展望染色体是决定生物性状的基因的载体， 由于染色体数目的增加，基因重新组合并通过酶的作用也影响到一系列蛋白质的合成及其各种性状，药用植物多倍体植株由于染色体的加倍，通常具有较高含量的药用成分，如器官加大，药用活性成分的含量增加等。同时增强了多倍体植株的生态适应性及对逆境的抗耐性。但多倍体植株普遍具有育性下降的特点，这对于收获子粒为目的农作物来说是个致命的缺点，而对于全草类、根茎类、叶类、花类的中药植物来说影响不大。因此，药用植物多倍体育种有着广阔的应用前景。维普资讯 http://www.cqvip.com · 50· 河北农业科学 第6卷参考文献 l 许金玲，张丽萍．饲料作物的倍性育种【J】．黑龙江八一农垦大学学报，1998，lO(2)：62--66 2 罗耀武，乔子靖，朱子英，等．秋水仙素诱变葡萄玫瑰香品种为四倍体的研究【J】．中国果树，1995，(2)： 5-7 。 3 陈绍潘．秋水仙碱诱变甜菊多倍体的研究【J】．武汉植物学研究，1995，13(1)：1-7 4 陈发隶，蒋甲福，房伟民．秋水仙索诱导菊花脑多倍体的研究【J】．上海农业学报，2002，l8(1)：46~50 5 吴清，向素琼，闰勇，等．金荞麦的离体快繁及同源四倍体的诱导【J】．西南农业大学学报，2001，23(2)： 108-1l0 6 陈素萍，王莉，宋秀清．党参多倍体育种的研究【J】．中草药，1991，22(5)：224--227 7 郭启高，张钟灵，周虹，等．秋水仙碱诱导生姜多倍体的研究【J】．西南农业大学学报，2002，22(5)： 18-22 8 乔传卓，吴美区，戴富宝，等．菘蓝多倍体育种的研究【J】．植物学报， 1989，31(9)：678-683 9 高山林，朱丹妮，蔡朝辉，等．丹参多倍体性状和药材质量的关系【J】．植物资源与环境，1996，5(2)： l~4 lO 王俐，郑思乡，李枝林，等．库拉索芦荟的多倍体诱变及其变异初报【J】．云南植物研究，2001，23(4)： 493--．496 ． Research Progress of M edicinal Plant Polypoid Breeding · Peng Weixin Xie Xiaoliang (Medicinal Herds Research Center ofHebei Academy ofAgriculture and Forestry Sciences,Shijiazhuang 05005 1) Abstract Research progress of breeding techniques，polyploid features and identification methods in polyploid breeding of medicinal plan t were introduced in this paper．The development future of polyploid breeding of medicinal plan t was prospected． · Key words M edicinal plan t； Poyploid breed ing； Colchicine 维普资讯 http://www.cqvip.com, 百拇医药