影响水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的因素

水稻是世界约2/5的人口的主要食物来源。育种学家一直为提高水稻产量和改善水稻品质而不断努力。而如何修正对某些水稻品种改良的困难, 已成为生物技术在育种中大规模运用的一个障碍。因为即使在理论最优的条件下, 许多性状优良的水稻品种会因为带有不良组培特性的基因, 导致其愈伤组织的增殖率、再生率和诱导率等依然很低。

细胞与基因工程在育种上的运用, 基础在于一个组织培养体系是否能高效地形成愈伤组织及再生植株。但不同植物或相同植物的不同品种, 在这些培养特性上都会有很大不同。现阶段, 克服这种遗传性障碍的有效途径, 是将组织培养特性控制良好的基因转移到优良的背景中去。张林[1,2]等对具有不同愈伤组织增殖力的品种进行组织学的研究表明, 愈伤组织增殖力的不同是由于在愈伤组织诱导培养中, 盾片上皮细胞和愈伤组织内的细胞分裂活性的不同引起的。

1 传统研究中控制水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的因素

传统方法上, 对水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的改良, 往往是通过对培养基改良以及组培的其他方面采取措施来对愈伤组织进行诱导。

王力[3]等研究发现, 单子叶植物细胞与双子叶植物细胞相比, 在诱导过程中对生长素有更复杂的要求。如在诱导培养基中添加少量激动素, 可以提高愈伤组织的分化质量。在改善某些品种的愈伤组织质量上, 有机附加物 (如LH) 的加入也有类似的作用。

愈伤组织的自身的生理状况对分化有很大影响.在愈伤组织的诱导及增殖力方面, 顺序为糯稻>粳稻>籼稻。

然而, 前人的研究结果也表明, 水稻的组织培养力特性是可以遗传的。水稻的遗传背景被认为决定了组培中诱导、分化到长成完整植株的全部过程。

2 分子遗传学分析影响水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的因素

大量的实践表明, 不同的水稻品种在组培特性上也不尽相同, 粳稻>籼稻。

陈璋[4]等早年研究发现水稻不同基因型之间成熟胚的愈伤组织诱导率变幅为10.71%~75.75%。证明基因型之间存在遗传差异。

2.1 基因自身显隐性对水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的影响

张林和服部一三[5]在一个高愈伤组织增殖力和一个低愈伤组织增殖力品种杂交的F2群体中观察到, 再生率高和低的类型在愈伤组织增殖不良和良好的个体中同时存在。在研究中, 大而黄的愈伤组织以及小而黑的愈伤组织也都有再生率高和低的类型, 说明愈伤组织增殖和再生是由不同基因控制的。

研究发现, 一对显性和一对隐性基因同时控制着高愈伤组织的增殖力表现。他们研究分析了成熟胚诱导的愈伤组织增殖力的遗传模式, 发现用育种手段克服遗传性组培特性中的不良障碍的唯一途径, 是转移和控制高愈伤组织中的增殖力和再生力的基因。

早在1996年和1998年, 张林、服部一三共同相继报道了1个控制高再生力的显性基因和1个隐性基因。Takeuchi[6]也于1997年报道了一个控制高再生力的显性基因。

张林和服部一三还分析了一个高再生力和一个低再生力的粳稻品种杂交后代成熟胚培养愈伤组织的再生力, 发现高再生力由一个单显性基因控制。

2.2 基因加性和非加性效应的影响

陈璋等研究表明水稻胚愈伤组织培养的增殖力和再生力高低同时受到基因加性和非加性效应的影响, 且以非加性效应为主各组合的离体培养力一般介于双亲之间, 其杂种的水稻胚愈伤组织培养的增殖力和再生力之间, 不仅受到亲本培养力的基因加性效应的影响。同时, 又受非加性效应的影响, 并且在影响力上, 非加性效应大于加性效应。

2.3 基因间的内源激素影响亚硝酸还原酶基因, 从而对水稻愈伤组织培养进行作用

基因型是影响愈伤组织诱导的重要因素.不同基因型间内源激素的差异可能会影响不同的基因型愈伤组织的诱导率。

王玉亮[7]研究表明亚硝酸还原酶基因对愈伤组织的诱导和再生都有促进作用, 具有一因多效的功能, 这也是第一个明确了结构和功能的与组织培养特性有关的基因。

但是关于内源激素的研究结果并不明确, 只能初步预测有一些基因分别控制水稻愈伤组织形成和再生的过程, 可能与亚硝酸还原酶基因的作用性质不同, 所以仍有待进一步的研究查明。

3 基因定位, 分析影响水稻成熟胚愈伤组织的因素及改良方法

王玉亮对控制水稻成熟胚培养的愈伤组织的增殖力和再生力进行QTL分析。发现上位性效应对水稻成熟胚愈伤组织增殖力的遗传起主要作用。他还发现, 定位到的基因位点的增效等位基因都分散于两个亲本中。这说明可以通过QTL的聚合来产生比双亲愈伤组织增殖力更高的株系。

Kim[8]等通过对控制水稻成熟胚培养再生力的QTL等位基因进行标记辅助选择来提高籼稻IR36的再生能力, 并且提出位于第3染色体上的RFLP标记RZ575与水稻成熟胚高愈伤组织增殖力紧密连锁, 通过基因的导入可以加速高愈伤组织增殖力基因型的育种进程。

4 结语

张林等高再生力基因的转育成功, 证实了控制组培再生力的主效基因的存在。植物脱分化、再分化机理的探讨, 将从对基因结构、功能的深入研究入手, 而脱分化和再分化机理的进一步探究, 将为解决这些障碍提供新的途径。

随着分子生物学的发展, 将优质的目的基因导入水稻细胞, 以提高水稻愈伤组织的再生频率具有可操作性, 在影响水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的因素的研究中也具有十分重要的意义。

摘要：为了克服育种中组织培养特性的不良障碍, 用杂交育种的方法将优良基因转移到性状优良的遗传背景中去, 是十分有效的途径。水稻成熟胚离体培养的胚性愈伤组织诱导率不仅受到外在条件的影响, 还受亲本基因型的影响;不仅存在基因的加性效应, 也表现非等位基因的互作效应, 受加性基因和显性基因的共同控制。基于此, 从传统和分子遗传学上, 分别阐述了影响水稻成熟胚愈伤组织增殖力和再生力的各个因素, 并提出了适当的解决办法。

关键词：水稻,愈伤组织,增殖力和再生力,基因加性和非加性效应

参考文献

[1] 张林, 服部一三, 和田富吉.水稻种胚愈伤组织增殖力的形态学和组织学研究 (英文) [J].华中农业大学学报, 2005, 6 (12) :429-434.

[2] 张林, 普晓英.水稻种胚诱导愈伤组织高再生力基因的转育效应[J].作物学报, 2005 (5) :1528-1530.

[3] 王力, 张云孙, 陈屹, 等.影响水稻愈伤组织植株再生频率的因素研究[J].云南大学学报, 1999 (9) :113-115.

[4] 陈璋, 朱秀英, 卢勤.水稻种胚离体培养的基因型效应[J].华中农业大学学报, 1995 (11) :213-218.

[5] 张林, 服部一三.水稻愈伤组织增殖力的遗传研究[J].华南农业大学学报:自然科学版, 2003, 7 (22) :44-47.

[6] Taguchi Shiobara F, Yamamoto T, Yano M, et al.Mapping QTLs that Control the Perfor Mance of Rice Tissue Culture and Evaluation of Derived Near-isogenic Lines[J].Theoretical and Application Genetics, 1997 (33) :968-976.

[7] 王玉亮, 张林, 刘艳涛, 等.水稻花药培养特性的研究[C].第二届热带亚热带植物资源的遗传多样性与基因发掘利用研讨会论文集[A].2006 (11) .

[8] K.H.Kim, B.J.Chung, Y.W.Kwon, et al.Dispersibility, Weed Control and Crop-Safety of A Spread Oil Formulation of Cyclosulfamuron Applied to IRRIGated Rice[C].Proceedings II of the 18th Asian-Pacific Weed Science Society Conference[A].2001 (5) .