橡胶树体胚苗质量调查与分析

天然橡胶是我国重要的战略物资和工业原料,主要来源于橡胶树。橡胶树生长周期长,其苗木质量直接影响天然橡胶产业的发展,橡胶树体胚苗在前期研究中表现一致性好,且具有速生、高产的优势。海南省天然橡胶新型种植材料创新基地是当前规模生产的橡胶树体胚苗的基地,现生产品种有热研73397和热研917。本研究分析比较了热研73397体胚试管苗在2018—2020年间的株高、茎粗、叶片数、主根长等指标的差异性,比较了2020年2个品种各指标的差异性,并对不同年份不同品种进行分级比较,以期阐明橡胶树体胚苗规模生产的情况。结果表明:(1)2018—2020年,热研73397的株高、茎粗、叶片数、主根长度在各区间的比例相当;株高、叶片数、主根长度在3 a间的差异不显著;茎粗在2018和2019年之间差异显著,且3 a均值均在2.00 mm以上,最大值和最小值的差值仅为0.09 mm。(2)2020年,热研73397和热研917体胚苗的株高一致,均值均为8.0 cm,且大部分集中在5.0~10.0 cm,分别占66.13%、66.91%;热研73397和热研917的茎粗范围分别为0.80~4.23 mm、1.13~3.73 mm,均值分别为2.11 mm和2.18 mm,2个品种的茎粗在1.50~3.00 mm之间高度集中,分别占85.94%、83.82%;热研73397和热研917叶片数范围分别为0~6片和1~4片,2个品种叶片数绝大多数为1~3片,分别占88.82%、96.32%,其中热研917叶片数为2片的占比高达52.94%;热研73397的主根长度均值为9.5 cm,而热研917的为9.1 cm,2个品种的主根长度多数集中在8.0~12.0 cm之间,分别占74.12%、79.41%;方差分析结果表明,2020年2个品种的株高、茎粗、叶片数差异不显著,主根长度差异显著(P<0.05)。(3)2018—2020年调查的橡胶树体胚苗中,不同年份不同品种的橡胶树体胚苗,一级苗比例为19%~22%,二级苗比例为56%~62%。据此,规模化生产橡胶树体胚试管苗质量稳定,为橡胶树体胚苗生产工艺的推广应用提供参考。

橡胶树热垦525胚性悬浮细胞系的建立及其胚性能力的维持

易碎胚性愈伤组织和胚性悬浮细胞系都是基因工程和细胞工程的理想受体材料。然而橡胶树(Hevea brasil-iensis)易碎胚性愈伤组织诱导频率低、耗时长,且其胚性能力通常随继代次数的增加而下降甚至完全丧失,限制了相关研究的持续开展。因此,快速获得易碎胚性愈伤组织,建立具有高效体胚发生能力的胚性悬浮细胞系,并尽可能较长时间维持其胚性能力是当前橡胶树基因工程和细胞工程研究的重要内容。本研究以橡胶树热垦525未成熟花药为外植体进行愈伤组织的诱导和胚性悬浮细胞系的建立,分析比较固液2种长期继代方式对维持其胚性能力的影响。结果表明:花药外植体在愈伤诱导培养基中获得的黄色致密初代愈伤组织体胚发生能力低,分散性差,不适合进行悬浮培养。将初代愈伤组织转移至胚性愈伤组织诱导培养基中培养70~80 d后,可观察到有胚性结构的形成和早期体细胞胚发生,同时周围长出鲜黄色小颗粒状易碎胚性愈伤组织。通过常规方法建立的Ⅰ型胚性悬浮细胞系具备胚性细胞的典型特征,体胚发生能力显著高于胚性愈伤组织,但在体胚发生过程中容易重新愈伤化;而通过筛选特定形态的胚性愈伤组织低密度启动悬浮培养建立的Ⅱ型胚性悬浮细胞系,在显微镜下可观察到细胞处在有序的胚性结构中,其体胚发生频率可达100%。在含2 mg/L2,4-D的液体培养中持续继代2 a后细胞明显老化且增殖缓慢,体胚发生能力几近丧失;而在去除2,4-D并添加低浓度脱落酸(0.1 mg/L)和水解酪蛋白(0.5 g/L)的固体培养基上持续继代2 a后,体胚发生能力仍能维持在较高水平。所建立的Ⅱ型胚性悬浮细胞系可为橡胶树遗传转化及原生质体培养等相关研究长期提供优质充足且状态相对稳定的材料来源。

橡胶树CRISPR/Cas9编辑植株出现预期表型的突变阈值

本课题组前期在橡胶树原生质体中分别实现了基于CRISPR/Cas9-RNP及质粒介导的瞬时转化基因编辑,并以HbPDS基因为靶标,在橡胶树愈伤组织中实现了农杆菌介导的稳定转化基因编辑,并获得了出现白化表型的愈伤组织,但由于橡胶树愈伤诱导体胚的技术还不稳定,导致未能获得基因编辑植株。为了获得橡胶树基因编辑幼苗,本研究继续以HbPDS基因为靶标,改用橡胶树体胚为侵染受体,开展农杆菌介导的遗传转化,经潮霉素抗性筛选获得增殖的T_0代抗性体胚,通过Cas9基因分子检测共挑选出116个阳性转化体胚,通过对靶点处的测序检测发现有5个胚块发生了基因编辑,编辑效率为4.3%。通过植株再生程序,获得了2株再生植株,表型观测均是嵌合体,表现为同一编辑植株上同时存在绿色及白化叶片。同时取白化叶片和绿色叶片进行高通量测序,发现二者均已发生了基因编辑,除了1个白化叶片发生了纯合双等位突变之外,其余叶片均为嵌合突变。其中,白化叶片编辑细胞的占比介于86%~100%之间,而绿色部位编辑细胞所占比例介于66%~69%之间,说明橡胶树CRISPR/Cas9编辑植株出现预期表型的突变阈值高于69%,介于70%~85%之间,为今后创制有表型的橡胶树基因编辑幼苗提供理论指导。同时,本研究证明了T_0代转化体胚及其获得的再生植株嵌合比例太高,不宜作为植株再生的材料,为今后通过对T_0代阳性体胚进行继代获得T_1代纯合体胚,并以T_1代体胚为转化受体获得纯合基因编辑植株提供思路。本研究首次公开报道获得了橡胶树基因编辑植株,尽管是嵌合植株,但也增进了对CRISPR/Cas9在橡胶树中作用的理解,为下一步在橡胶树中改进并应用基因编辑技术奠定基础。

橡胶树不同发育时期花药愈伤生长发育对低温的响应

橡胶树花药再生体系是我国最早建立的橡胶树体胚植株再生技术体系,其产生的再生植株为自根幼态无性系,兼具实生苗生长迅速、抗逆性强和芽接苗遗传同质的优点,同时因发育时期从老态恢复至幼态,产量提升20%以上。然而每年花蕾采集期约为60d,无法全年供应由花药壁细胞脱分化形成的愈伤组织,造成依托于该材料的研究无法持续进行。本研究以橡胶树品种热研73397雄蕊为材料,研究不同发育时期的花药愈伤(0、7、14、21、28、35、42 d)在15、20℃两个低温下保存15 d其愈伤诱导和体细胞胚发生发育的情况。结果表明:15℃和20℃两个温度对低温保存后愈伤诱导、体细胞胚发生各阶段除胚性愈伤数显著低于对照组外,其余无显著影响;发育时期对低温保存后愈伤诱导、体细胞胚发生各阶段均有显著影响(P<0.05),对子叶胚形成阶段影响最大,其中21d和35d花药愈伤组织经低温保存后其子叶胚数量分别显著高于和低于对照组子叶胚(P<0.05);15℃和20℃低温保存15 d后不同发育时期花药愈伤组织与对照组相比,可延长花药初代愈伤供应时间15~60 d,初代子叶胚供应时间27~95 d。最优方案为发育时期21 d的花药愈伤在15℃低温下保存15 d,可延长花药愈伤和初代子叶胚供应60 d和60~95 d,该处理虽降低了46.61%愈伤数,但促进了子叶胚形成,子叶胚数提高了27.18%。本研究实现了橡胶树花药愈伤的短期保存,有效解决了因花期短导致遗传转化受体来源不足的困难,全年3个花季可开展实验时间由60 d延长至240 d,有助于加快橡胶树花药愈伤遗传转化体系优化研究。

激素浓度组合对成熟油梨枝条伸长和生根的影响

为了建立抗根腐病成熟油梨砧木的快繁技术体系,通过设置不同浓度(0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L)的细胞分裂素(meta-topolin,MT)与不同浓度(0.1、0.5、1.0、1.5 mg/L)的赤霉素(gibberellin,GA3)的组合试验,研究适宜于成熟油梨外植体伸长的培养条件;同时设置不同浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L)的吲哚-3-丁酸(indole-3-butyric acid,IBA)的生根培养基,探究最适油梨外植体生根的培养条件。研究发现,伸长试验30 d时(D30)油梨外植体株高增量和茎粗增量的效应量依次是MT浓度×GA_(3)浓度>MT浓度>GA_(3)浓度;对D30叶片增量的效应量依次是MT浓度>MT浓度×GA_(3)浓度>GA_(3)浓度。结果表明,在该研究的测试范围内,最适于伸长的激素浓度组合是MT 2 mg/L、GA_(3)(0.5~1.0)mg/L,而在测试的IBA浓度范围内均没有观察到根系的生长。通过显微结构观察发现,MT浓度为1 mg/L处理的油梨外植体茎木质部(木质部厚度为171.6μm)生长优于MT浓度为0.1 mg/L的处理(木质部厚度为95.3μm),这对后期的成功驯化有一定积极作用。本研究结果可为成熟油梨快繁体系建立提供借鉴。

适合全周期间作的橡胶树品种热垦628花药再生体系研究

在橡胶树体胚发生再生体系研究中,如何快速获得胚性愈伤组织是能否成功建立再生体系的关键。本研究基于课题组前期的研究基础,以橡胶树花药为外植体,通过正交试验设计方案研究了毒莠定、KT、6-BA、IAA四种激素的不同浓度组合对橡胶树花药胚性愈伤组织诱导的影响,结果表明:橡胶树花药愈伤组织诱导的最优组合培养基为MS基础培养基,硫胺素0.4 mg/L、天冬酰胺300 mg/L、水解酪蛋白100 mg/L、脯氨酸100 mg/L、精氨酸100 mg/L、谷氨酰胺100 mg/L、L-半胱氨酸-盐酸盐50 mg/L、蔗糖70 g/L、椰子水50 mL/L、植物凝胶2.2 g/L,并添加毒莠定浓度20 mg/L、KT浓度2 mg/L、6-BA浓度1 mg/L、IAA浓度0 mg/L,愈伤组织诱导率达73.3%~100%。所有处理在诱导愈伤组织25~28 d左右,愈伤组织达到快速增殖时期,对胚性愈伤组织的诱导起主要作用的是毒莠定浓度,其浓度在20~30 mg/L之间时,对胚性愈伤组织的诱导有促进作用。低浓度的毒莠定虽然也能诱导愈伤组织产生,但是这些愈伤组织几乎为无胚胎发生能力的非胚性愈伤组织。同时用获得的11个体胚进行植株再生,其中出苗2株,7个只长根不抽芽,2个既不抽芽也不长根,植株再生率达18%。因此,在此研究的基础上,对愈伤组织诱导培养基配方进行进一步优化,使其能够更快地从花药中诱导出胚性愈伤组织,缩短胚性愈伤组织的诱导时间,降低变异几率,可为RITA生物反应器提供更好条件的愈伤组织起始原料。

王草纤维的育苗效果——以橡胶树为例

当前橡胶树育苗主要以表土为育苗基质,但存在环保性差、苗木重量大的问题。为研发橡胶树优良的育苗基质,以王草纤维作为橡胶树育苗基质,研究其育苗效果。王草植株经粉碎和发酵后,设置2个基质处理(纯王草基质,王草-土壤等体积混合基质),以椰糠、土壤为对照,比较了基质的含水量、速效养分、有机质、总养分和微生物数量,并测量了橡胶树苗木的生长和生理指标,以比较育苗效果。结果表明:纯王草基质的速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷和有机质都显著高于对照椰糠和土壤;纯王草基质和王草-土壤混合基质的细菌、放线菌和真菌数量显著高于对照椰糠,但显著低于对照土壤;王草-土壤混合基质培育的苗木在株高、茎干直径、接穗生物量和新长根系生物量上表现最优异;纯王草基质和王草-土壤混合基质培育的植株在叶片N、P、K、Ca和Mg营养元素含量上优于对照土壤和椰糠。综合来说,纯王草纤维基质的保水性较好,养分含量较高,王草-土壤混合的基质培育的苗木生长速度最快、苗木生理指标最好,纯王草纤维基质培育的苗木生长参数与生理指标高于对照椰糠和土壤培育的苗木。因此,王草纤维可作为优良的橡胶树育苗基质原材料。