小麦离体培养的营养器官与花器官发育研究

【摘要】： 本研究对普通小麦基因型的离体培养进行了器官发育研究，探讨了小麦细胞、组织、器官发育与分化的特异性，为小麦离体培养的优异TCR(Tissue Culture Response)基因型的性状相关选择提供了理论依据，获得了对小麦幼胚培养中器官发生途径的量性认识。同时，对离体培养条件下特异形态的小麦花器官发育的机理进行了初步研究。其主要研究结果如下： 1．小麦成熟胚、幼穗和幼胚三种外植体的离体培养中，以幼胚外植体的培养效率最佳，而幼穗和成熟胚的效率相当。主要表现为：①幼穗切段及其愈伤组织易于老化、褐化等不良反应。②成熟胚外植体存在严重的难以克服的微生物污染难题，多数材料污染率高达50％，且其愈伤组织易衰为灰暗的糊烂状，质地差。③幼胚在具有与成熟胚相当的愈伤组织诱导率的情况下，尤其具有优异的叶状体绿区化愈伤组织发生能力，平均达到13.86％，而成熟胚和幼穗则分别低至1.33％和0.00％。④幼胚愈伤组织在继代和再分化培养中具有优异的芽或苗营养器官发育能力，其平均芽化率分别为38.73％和55.31％，而成熟胚仅为2.11％和0.85％，幼穗则低至2.13和0.00％。同时，其愈伤组织具有特异的花器官发育能力，其花器官呈裸露的、具有白色羽毛状柱头而缺乏雄蕊、外稃、内稃和颖片的单性雌花。高频率分化花芽的材料与中国春双端体杂交，能产生形态更为丰富多样的花器官变异体。其特异形态的花器官与金鱼草和拟南芥中的花器官发育同源异型现象具有一定的相似性，这在小麦幼胚培养中属首次发现。 2．植物生长调节剂在小麦离体培养中的效应因外植体类型而异。在成热胚培养中，2，4-D浓度的高低以及KT的有无对愈伤组织诱导率无明显影响，但是相对低浓度(1.0mg/l)的2，4-D更有利于愈伤组织发育形成叶状体绿区。激动素KT不仅对幼胚愈伤组织鲜重和胚性愈伤组织发生 率具有明显正效应，而且具有显著增强其愈伤组织器官建成能力的后效 应。同时，器官建成培养基中附加6一BA有利于愈伤组织发育形成具有根、 芽两极结构的完整植株。但是，在幼穗培养中，附加KT和6一BA则导致脱 分化速度减慢，外植体褐化、愈伤组织诱导率降低等不良反应。 3.小麦离体培养效率受基因型的强烈影响，主要表现为基因型间小 麦幼穗的愈伤组织生长速度、根芽器官分化率以及细胞分裂素类物质的致 褐反应等明显不同。同样，小麦幼胚培养的脱分化进程、愈伤组织鲜重、 胚性愈伤组织发生率以及愈伤组织的根、芽器官发生率在基因型间均存在 极显著差异;而且，对幼胚愈伤组织诱导率，育种品系较推广品种存在更 大变异。因此，可望从栽培小麦中筛选到具有优异组织培养力(TCR)的 遗传种质供小麦遗传操作使用。 4.性状相关分析表明，幼胚长度与其组织培养力(TCR)密切相关， 主要表现为幼胚长度与幼胚早熟萌发率及愈伤组织鲜重极显著正相关，与 愈伤组织启动期及继代培养和再分化培养中的根、芽营养器官化性状之间 显著负相关(尸0.05或者0.01)。但是，与继代和再分化培养中的花器 官发生率之间均没有明显关系(尸0.05)。 5.小麦幼胚培养中，愈伤组织形成期、愈伤组织总诱导率及愈伤组 织产量与再分化培养和继代培养中的根芽器官和花器官建成之间均无相 关性(尸0.05)。但是，叶状体绿区化愈伤组织发生率，与转移再分化培 养和继代培养后的愈伤组织根芽器官的发育密切相关(尸0.05或者 0.01)。表明叶状体绿区化愈伤组织发生率对小麦幼胚愈伤组织的植株再 生能力具有早期预测作用，这对节省大规模地考察分析小麦幼胚TCR的时 间和减少人、财、物力的浪费具有重要意义。 6.小麦幼胚愈伤组织继代培养与再分化培养之间，以及各培养阶段 内的根芽发生率及其芽数和芽长等器官建成性状之间均存在明显的正相 关，关系(尸0.05或者0.01)，继代培养的各根芽器官化性状与再分化培 官再生途径中体细胞无性系变异的一种特殊形式，而且与金鱼草中出现的 "胚胎花”(EMBRYONIC FLOWER，即缩写为EMF)现象很相似。这种花器官 发育的愈伤组织分生细胞与整体植物进行花芽分化的茎尖分生组织细胞 似乎具有同样的特性与功能。 9.通过形态学的方法，从外部形态上直观地观察到了散落下来的单 个胚状体和愈伤组织表面的胚状体直接萌发成具有根、芽两极器官的完整 小苗的现象，而且发现即使在发生不定芽再生的同一块愈伤组织上，仍然 存在着胚状体萌发成完整植株的情况，这无疑为小麦幼胚培养中通过体细 胞胚胎化途径为主建成根、芽营养器官的观点提供了直接证据。 10.通过组织切片观察到许多处于不同发育时期的、具有典型合子胚 胎形态的体细胞胚胎，以及成熟体细胞胚胎的萌发与萌发后形成完整植株 的组织学结构，从而为根芽器官建成的性状相关分析和量性分析结果提供 了有力佐证，其相互印证充分说明了小麦幼胚培养中的营养器官是通过以 体细胞胚胎化途径为主，并伴随器官再生途径的双重器官建成途径而形成 的。尤其是其次生体细胞胚胎的发育和丛生体细胞胚胎的发育，有利于体 细胞胚胎的无性克隆，这对优化小麦遗传?