马尾松胚性细胞团诱导与增殖培养体系优化

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马尾松(Pinus massoniana Lamb.)属松科(Pinaceae Lindl.)松属(Pinus sp.Linn.),是我国南方亚热带地区分布面积最广、脂材兼用的主要造林树种,其耐干旱瘠薄、适应性强、速生丰产,在满足国家社会经济发展木材需求、松脂供应以及维护国家生态安全中发挥着重要作用。体细胞胚胎发生是林木良种快繁的有效途径,然而胚性细胞团诱导与增殖的稳定性问题一直限制着马尾松体胚发生技术体系的实践应用。本研究从构建稳定的马尾松胚性细胞团诱导与增殖体系出发,探讨家系基因型、生长调节剂种类及浓度水平、蔗糖和肌醇用量等对马尾松胚性细胞团诱导与增殖的影响;并针对胚性细胞团稳定增殖与胚性保持的问题,应用RNA-seq转录组测序技术探究不同蔗糖和肌醇浓度的调整对马尾松胚性细胞团增殖影响的基因差异表达谱式,为优化马尾松胚性细胞团诱导与增殖培养体系提供技术支撑。主要研究结果如下:1.在诱导阶段,以7月下旬采集的诱导敏感型家系未成熟胚为外植体,在最佳诱导培养基生长调节剂配比为1.0 mg·L-1 2,4-D+1.0 mg·L-1 6-BA的LP培养基上,马尾松胚性细胞团诱导率最高可达26.09%,基本构建了稳定的马尾松胚性细胞团诱导体系。基于诱导敏感型家系开展马尾松胚性细胞团诱导的结果表明,不同家系基因型对胚性细胞团诱导无显著差异(P>0.05),不同生长调节剂浓度水平配比对胚性细胞团诱导具有显著性影响(P<0.05),在胚性细胞团诱导初期,利用细胞压片技术观察培养物的组织细胞结构,发现能稳定增殖的胚性细胞团均能观察到明显的原胚团极性结构,这为马尾松胚性细胞团诱导和胚性细胞团的早期鉴别提供了研究基础。2.在增殖阶段,不同蔗糖肌醇浓度处理对马尾松胚性细胞团的稳定增殖与分化有显著性影响(P<0.05),考虑胚性细胞团增殖的稳定性和胚性细胞团内原胚团结构发育的状况,筛选出含植物生长调节剂0.5 g·L-1 2,4-D+0.5 g.L-1 6-BA的LP培养基蔗糖肌醇处理组合1个:30.0 g·L-1蔗糖+0.1 g·L-1肌醇,此时其原胚团发育质量好、增殖倍数最高,为9.28;其次,是20.0 g·L-1蔗糖+1.0g·L-1肌醇的组合中,其增殖倍数为7.82;而基于原诱导培养基中的10.0 g·L-1蔗糖+0.1 g·L-1肌醇的对照处理上,增殖倍数仅为2.32,且胚性细胞团内原胚团的结构发育迟缓。以上结果表明,从胚性细胞团诱导到原胚团增殖发育的过程中,适当提升增殖培养基中的蔗糖和肌醇浓度水平,即同期提高了增殖培养基中的渗透压环境胁迫水平,是保持马尾松胚性细胞团稳定增殖与其原胚团极性结构正常发育的必备条件。3.在体细胞胚分化成熟培养中,含ABA的成熟培养基中添加一定量的ZT比单独应用ABA能获得数量更多的成熟体细胞胚,添加ZT能提升胚性细胞团的体细胞胚的成熟分化转化效率,并筛选获得最佳成熟处理的培养基激素组合,即5.Omg·L-1ABA+0.2mg·L-1 ZT,平均每2.0g/皿的胚性细胞团上能获得120个左右成熟体细胞胚。4.针对增殖处理过程中不同蔗糖和肌醇处理胚性细胞团增殖分化的稳定性问题,开展不同蔗糖肌醇浓度处理下RNA-seq转录组测序分析,结果表明:对4组不同蔗糖肌醇处理下(F3001vsF1001、F3001vsF3010、F3001vsF3020、F3010vsF3020)的胚性细胞团经RNA-Seq转录组测序、生物信息学分析,共获得99239条unigene,其中差异表达基因数量分别为1483、1756、689、154条。这些差异表达基因经KEGG显著富集分析后(Pvalue<0.05),发现苯丙烷生物合成、内质网中的蛋白质加工、酪氨酸代谢、代谢途径、类黄酮生物合成、和谷胱甘肽代谢、植物激素信号转导等通路被显著性富集。含30.0 g·L-1蔗糖+0.1 g·L-1肌醇的最适增殖分化培养基的胚性细胞团内,大量与类黄酮生物合成、谷胱甘肽代谢和植物激素信号转导途径的相关基因均表达上调,而在其他处理上以上三类途径的相关基因则表现为下调或仅有少量相关基因上调。因此,通过调控增殖培养基中的蔗糖肌醇浓度水平,可能形成了最适增殖分化培养基上的渗透胁迫环境,这些渗透胁迫环境可能刺激了胚性细胞团内相关类黄酮生物合成、谷胱甘肽代谢途径等抗逆系统基因的上调表达,并与细胞内激素信号代谢途径上相关生长素类和细胞分裂素类基因的活跃表达相协调,促进了胚性细胞团内原胚团极性结构的正常发育,保障了马尾松胚性细胞团增殖培养体系的优化构建。本研究结果为帮助理解在增殖培养基中调整蔗糖肌醇浓度水平促进胚性细胞团稳定增殖的作用机制提供了研究参考。
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