1 绪论
1.1 水曲柳生物学特性
水曲柳(Fraxinus mandshurica)是木犀科梣属的落叶乔木,高达30m以上,胸径达2m;树皮厚,灰褐色,纵裂。冬芽大,圆锥形,黑褐色,芽鳞外侧平滑,无毛,在边缘和内侧被褐色柔毛。小枝粗壮,黄褐色至灰褐色,四棱形,节膨大,光滑无毛。羽状复叶长25~875px;叶柄长6~200px;小叶7~11枚,纸质,长圆形至卵状长圆形,长5~500px,宽2~125px,先端渐尖或尾尖,基部楔形至钝圆,稍歪斜,叶缘具细锯齿,上面暗绿色,无毛或疏被白色硬毛,下面黄绿色,沿脉被黄色曲柔毛,侧脉10~15对。圆锥花序生于枝上,先叶开放,长15~500px;花序梗与分枝具窄翅状锐棱;雄花与两性花异株,均无花冠和花萼;雄花序紧密,花梗细而短,长3~5mm,雄蕊2枚,花药椭圆形,花丝甚短,开花时迅速伸长;两性花序稍松散,花梗细而长,两侧常着生2枚小雄蕊,子房扁而宽,花柱短,柱头2裂。翅果大而扁,长圆形至倒卵状披针形,长3~87.5px,宽6~9mm,中部最宽,先端钝圆、截形或微凹,翅下延至坚果基部,明显扭曲,脉棱凸起。花期4月,果期8~9月。
水曲柳主要分布于小兴安岭、长白山、辽宁东部山地等地区,分布区海拔200~1000m,是红松阔叶林主要建群种之一。水曲柳具有耐严寒、抗干旱、生长迅速、根系发达的特点,适合生长在土壤温度较低、含水率偏高的下坡位。
1.2 水曲柳的经济和生态价值
水曲柳是我国温带湿润地区最重要的伴生阔叶树种,被称为东北珍贵的三大硬阔叶树种之一。水曲柳在全国排名前20的珍贵树种中排名第11,在黑龙江省则排在阔叶树种的第1位。其具有材质优良、纹理秀美等特性,是建筑、家具、室内装修、造船等多种行业及制造军工器械和胶合板等的优良用材。由于树形圆阔、高大挺拔,其还是优良的绿化和观赏树种。水曲柳可与许多针阔叶树种组成混交林,形成复合结构的森林生态系统,对提高整个林分的涵养水源、保持水土、防止环境恶化等能力有很大意义和作用。
水曲柳的化学成分包括香豆素、环烯醚萜苷、苯丙素、类黄酮、木酚素等。
水曲柳的树皮可入药,是治疗结核、外伤的传统药物,还可用作驱虫剂。水曲柳乙醇提取物有明显的镇痛、消炎作用。水曲柳中的香豆素成分具有防治病虫害的作用,同时还具有免疫、抗菌、抗氧化、保肝、利尿、抗过敏、使皮肤再生等功能。
1.3 水曲柳繁殖和组织培养研究进展
1.3.1 水曲柳播种、扦插和嫁接繁殖现状
播种繁殖是水曲柳传统繁殖方法。由于水曲柳种子休眠期较长,采用一般处理法不易出苗,需要经过较长时间(240~270天)的层积处理,才能打破水曲柳种子的休眠。水曲柳属于难生根树种,用优树扦插后生长的嫩枝作插条,其生根率可提高30%左右;激素具有促进插条生根的作用;不同的无性系插条生根率差异很大,秋季栽植的无性系插条生根率最大可达70%。劈接、髓心形成层贴接和芽接三种嫁接方式中,劈接效果最好,成活率达89.8%。但水曲柳扦插和嫁接技术距离在生产和科研中应用尚有一段距离。
1.3.2 水曲柳组织培养研究现状
水曲柳组织培养研究工作于20世纪初开始。①通过切开处理打破了水曲柳成熟种子的休眠,并通过不定芽直接增生途径确立了一套较为完整的水曲柳组织培养再生系统,为水曲柳的无性繁殖提供了一个新的可能途径,也为水曲柳发芽机理和转基因的研究奠定了基础。②建立了以种子、休眠芽、幼叶的叶柄和茎段等为外植体,通过不定芽和腋芽增殖的水曲柳离体快繁技术。包括水曲柳茎丛大量增生和扩繁技术,试管内外高生根率培养技术,组培苗高存活率锻炼、增壮、移栽和培育技术等在内的适宜产业化生产应用的高效、可靠的微繁技术,为实现水曲柳苗木的产业化生产奠定了坚实的基础。③通过离体根培养体系形成了再生植株,建立了水曲柳离体根培养体系,为今后在离体条件下研究根系发育生物学提供了条件。
水曲柳体胚发生研究从2003年开始。首先对适合离体培养的外植体进行了大范围的搜索,所试验的外植体有顶芽、幼叶、幼嫩的复叶轴、花序轴、子房、胚珠、不同发育阶段的合子胚和种子、室内水培休眠枝萌发的茎和叶等。选用了基本培养基种类、激素浓度、光照条件、蔗糖浓度、水解酪蛋白浓度、酸碱度等不同水平的10个因素,试验确定了未成熟合子胚的单片子叶是诱导体胚发生的最适外植体,同时筛选出诱导体胚发生的最佳培养基和激素组合,体胚发生率可达33.68%,为后续研究奠定了基础。同时,对不同来源和不同时期的水曲柳合子胚单片子叶的体胚发生情况进行了研究,发现授粉后9周的子叶为最适外植体,且不同来源的外植体的体胚发生率不同。对外植体进行低温(4℃)预处理20天有利于提高体胚发生率。在培养基中添加70g/L蔗糖、2g/L活性炭和30g/L聚乙二醇改变了培养基的渗透压,明显促进了体胚成熟。目前,以水曲柳未成熟和成熟合子胚子叶为外植体建立了成熟、有效的体胚发生途径的植株再生技术。此外,还对水曲柳体胚发生发育的调控机理进行了深入、系统的研究,发现水曲柳体胚发生的过程中伴随着外植体的褐化现象,利用生理生化分析和蛋白质组学等方法,发现产生体胚的外植体在50~70kDa内蛋白点数量较多。水曲柳合子胚子叶外植体在体胚发生过程中有许多蛋白质在翻译过程中被过多地修饰。已知与外植体褐化有关的蛋白质为渗调类似蛋白、过氧化物酶,与体胚发生有关的蛋白质有7S球蛋白、渗调类似蛋白等,其他蛋白质则只是参与了细胞的正常代谢或者只是细胞中正常的组成成分。通过测定外植体抗氧化酶活性发现,褐化外植体产生体胚的能力比未褐化的高,是由于其体内具有较高水平的内源过氧化氢,多酚及其氧化酶在体胚发生中亦具有一定作用。此外,利用显微技术和石蜡切片技术,对水曲柳体胚发生过程进行了细胞生物学研究,并且研究了细胞的起源及体胚发生的特点,在细胞水平上探讨了体胚发生机理。
1.4 水曲柳组织培养研究存在的问题和发展前景
1.4.1 不同繁殖材料的繁殖潜力有差异
林木细胞全能性表达主要通过体胚发生和器官发生来实现,其中以体胚发生为关键。林木体胚发生可以极大地提高繁殖系数、对选育出来的少量良种材料进行快速规模化扩繁,可与生产上应用方便和应用体系比较成熟的扦插繁殖技术很好地有机结合,且可直接与育种工程有机结合而加速新种质创新等。与草本植物相比,木本植物体胚再生体系和遗传转化体系的建立非常难,而已经建立的体胚发生技术体系又因繁殖材料繁殖潜力的差异而培养效果不稳定,这成了限制体胚发生技术在林木良种快速规模化扩繁、林木种质创新和多品种林业培育中应用的瓶颈问题。
水曲柳合子胚不同部位(子叶、下胚轴)外植体的体胚发生潜力存在明显差异。在水曲柳不定芽发生和扦插繁殖研究中也发现了与体胚发生同样的差异。这种繁殖潜力差异同样存在于其他树种中。而面对这种繁殖潜力差异,国内外基本上都是采取寻找繁殖潜力高的种群、个体(无性系、家系)和/或外植体材料(包括来自易于繁殖时期的材料)的方法。由此,势必会导致良种遗传基础变窄、遗传多样性水平降低,且造成多年育种成果的浪费。如果能从源头即良种繁殖潜力提升上解决问题,则会避免这些问题的出现,从而使选育的良种都能得到充分应用,促进多品种林业的发展。
1.4.2 同种繁殖材料体胚发生潜力差异的分子机制尚不清楚
同种繁殖材料在不同培养时期,其体胚发生潜力同样存在显著差异,主要表现为随着继代次数增加、培养时间延长,体胚发生潜力下降。在同一细胞来源的群体中,可以观察到胚性细胞和非胚性细胞同时存在。已知胚性细胞具有细胞壁厚、染色质凝聚、染色浓厚、核质比较大的特点,这些特点作为胚性细胞的形态学标记在很多物种的体胚发生研究中得到了有效应用。而细胞染色质凝聚、染色浓厚是表观遗传修饰的直接体现,在动物干细胞的诱导形成中具有重要作用。这些结果说明,林木体胚发生过程与染色质状态密切相关,表明表观遗传修饰在同种繁殖材料的体胚发生过程中起到关键作用。关于水曲柳体胚发生潜力差异的具体分子调控机制尚需进一步探究和证实。
1.4.3 组培苗再生率和存活率低
虽然有关水曲柳体胚发生过程的报道已经很多,体胚发生率也有了较大的提高,但依然存在很多问题。例如,体胚质量不高,在培养后期有败育现象;体胚的同步化效果不明显,对后期的增殖萌发造成了一定影响;对畸形胚的控制不理想,影响后期的植株再生率;萌发过程中生根率低的问题依然存在,移栽的组培苗在培养过程中生长缓慢,只是根系大量生长。针对体胚苗生长发育和后期栽培技术的研究尚需投入一定的精力和时间。
1.4.4 水曲柳组织培养研究的发展前景
以种子园为基础的育种体系可以显著提高每个世代的遗传增益,但费时费力;全基因组选择育种在树木育种方面应用广泛,可准确地早期发现育种群体中的优良基因型;而体胚发生可以与种子园体系和全基因组选择育种体系很好地结合,既可以有效缩短育种周期又可以把体胚发生与种子繁殖和扦插繁殖结合起来加速优良品种的扩繁利用,从而高效地培育具有广泛遗传背景的高产高效品系并将其应用于造林,形成多品种林业(multi-varietal forestry,MVF),这解决了少量高产高效品系应用中生物多样性水平低、存在巨大潜在生态灾难危险的问题。从林木遗传育种角度讲,多数育种工作者认为,育种群体至少应由200个遗传型组成。
而要做到以上这些,育种群体中每一个个体(遗传型)都能够被有效繁殖利用就成为基本要求。所以从这些角度看,解析繁殖潜力差异的生物学机制和调控机制,开发能够将所有目的优良品系规模化繁殖利用的繁殖技术,对人工林高效培育是非常重要的。
水曲柳是黑龙江省重要的珍贵乡土树种,在我国人工林培育中也占有重要地位。但它的遗传育种历史短、因在寒地环境内生长慢而所需周期较长、良种水平和层次低,因此更需要探索适宜的边育种边应用的方法。在良种选育与扩繁利用过程中对繁殖潜力及其调控机制有充分的了解与掌握,将为体外更高效地诱导细胞胚性分化、调控植株再生并利用生物技术无性育种提供重要的理论依据与功能基因资源,对揭示细胞全能性与植株再生机理、有效加速水曲柳等珍贵树种现代细胞工程与无性生物育种发展具有重要的科学意义和应用价值。
因此,无论从繁殖生物学机理解析角度,还是从人工群体遗传多样性维护和良种规模化高效快繁利用角度看,水曲柳组织培养研究都具有十分重要的科学意义和广阔的应用前景。
2 水曲柳种子无菌发芽与胚轴离体再生
水曲柳是东北地区重要的珍贵阔叶树种,分布范围较广。但此树种资源历来非常贫乏,加之长期不合理地过度采伐利用,其资源已接近枯竭。水曲柳被列为渐危种,保护级别为三级。因此大量培育水曲柳苗木用于造林生产,尤其是培育水曲柳优良的无性系人工林是水曲柳林业生产和林业研究的重要课题。水曲柳主要用种子繁殖,也可用扦插繁殖和萌蘖更新。水曲柳是显著发芽缓慢的树种之一,如果播种成熟的干燥种子,需要两年左右的时间才能发芽。因此高温和低温处理相结合的催芽是必不可少的。但是即使用这种催芽处理方法,要获得高的发芽率也需要4个月的时间;同时种子繁殖受结实大小年的影响。萌蘖更新受伐根有无、伐根数量、采伐季节等因素的制约;扦插繁殖因采穗母树的年龄不同而表现出极大的差异。因此利用组织培养技术快速繁殖水曲柳优良无性系苗木,将是实现水曲柳快速大量繁殖的有效途径之一,同时也可为生物技术在水曲柳育种中的应用奠定基础。
2.1 水曲柳种子采集与处理
成熟种子于秋季采自50年生、生长健壮的成年母树。经充分干燥后,放入密闭容器中,在5℃冰箱中储藏备用。使用时,将带翅的成熟种子用水冲洗干净后,用70%乙醇消毒3~4min,消毒后的种子再用无菌水冲洗3~5次后,浸泡在无菌水中,25℃下静置48h。种子充分吸水后,用镊子将种皮剥去。在去皮后的种子的子叶端用解剖刀切去1~2mm作为标记。种子消毒处理:将准备好的去皮种子,先用70%乙醇消毒30s,然后在10%(v/v)H2O2中消毒20min,其间用磁力搅拌器均匀搅拌。消毒完毕的种子迅速转移到已事先用紫外灯灭菌20min的无菌操作台中,用无菌水漂洗3~5次,每次漂洗后均更换一