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侧柏(Platycladus orientalis L.)具有抗逆和长寿等优良特性[1]。陕西省黄帝陵树龄约3 000年的侧柏古树(黄帝手植柏)为中华十大手植古树之首,具有重要的文化价值[2-4],其繁殖材料极其珍贵又极度匮乏,因此,能利用较少的繁殖材料的组织培养技术对于保存侧柏古树的种质资源至关重要[5-6]。目前,国内已经建立了一些古树,如杜鹃(Rhododendron simsii Planch.)、楸树(Catalpa bungei C. A. Mey.)、西府海棠(Malus micromalus Makino)等的组织培养体系[7-9];但大部分的古树,如柿树(Diospyros kaki Thunb.)、侧柏等的组织培养繁殖困难,存在愈伤组织褐化、生根难、组织培养体系不完整等问题[10]。国外在建立古树组织培养体系方面也有一定的研究,Ewald等利用140年生欧洲落叶松(Larix decidua Mill.)嫁接复幼后的新梢为外植体进行组织培养获得了生根苗,但直接利用古树外植体进行组织培养并没有获得生根苗[11]。因此,对古树的外植体组织培养体系的研究尤为重要。
目前,国内已经有了一些柏科树木组织培养的相关研究[12-17],如臭柏(Sabina vulgaris Ant.)、龙柏(Sabina chinensis L.)等;但组织培养过程中,外植体真菌、细菌聚集,灭菌不彻底,褐化严重等问题仍然存在,对后期外植体的正常生长造成阻碍[15]。NaClO、双氧水、75%乙醇、HgCl2等是常用的消毒和灭菌剂,如用75%酒精和HgCl2配合使用对叉子圆柏(Juniperus sabina L.)的外植体灭菌效果较好[15-16],适合的灭菌剂和灭菌时间是组织培养需要解决的首要问题。在防止褐化方面,大果柏木( Cupressus macrocarpa Hartw.) 培养基中加入聚乙烯基吡咯烷酮[18]、黄扁柏(Chamaecyparis nootkatensis Spach.)培养基中加入抗坏血酸能有效防止褐化[19];但是酸刺柏(Juniperus oxycedrus L.)的培养基中加入活性炭后生根率降低[20],因此,对柏科树木组织培养抗褐化配方还需要进一步研究。
柏科古树随着年龄的增长,细胞逐渐衰老,枝条次生代谢物质多、营养物质(可溶性糖、可溶性蛋白)和生长相关激素等含量降低,从而导致枝条分裂能力降低[5-6]。如酸刺柏以糖原为4%蔗糖的培养基上生根率较高[21]。激素种类如:IAA、IBA和KT等显著影响柏科树木外植体的分化和生长[15],NAA和BA的配合使用能诱导更多的腓尼基桧(Juniperus phoenicea L.)丛生芽[22],ZT能较好的诱导日本香柏(Thuja occidentalis L.)茎的丛生芽[23]。因此,筛选合适的糖源和激素在组织培养过程中很关键。
许多植物在组织培养中能获得增殖的幼苗却很难获得生根苗,生根培养也是柏科植物组织培养的瓶颈[8],侧柏古树筛选的生根培养基主要有MS和WPM为基本培养基[5]。绒柏(Chamaecyparis pisifera cv. Squarros)和山达脂柏(Tetraclinis articulata (Vahl.) Masters)的生根培养基分别为SH、MS[13, 24]。前人对侧柏古树的组织培养过程中只获得新芽的增殖配方,却没有获得生根苗。本研究以侧柏古树新梢为外植体,通过改变外植体消毒处理方式、抗褐化剂、不同碳源和植物生长调节剂的种类及浓度配比,探索培养黄帝手植柏无菌苗的适宜条件,旨在为保存侧柏古树的优良种质资源提供参考依据。
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表1表明:侧柏古树组织培养过程消毒时间过长或过短对组织培养都不利,0.3%HgCl2消毒6 min处理的组织培养苗污染率最高(图1A);当处理消毒12 min时,组织培养苗污染率虽然最低,但是成活率也最低(31.22%);消毒8、10 min的组织培养苗成活率高于其他处理,成活率分别为54.82%和54.98%。因此,消毒处理10 min较适合侧柏古树组织培养。
消毒时间
Time of
sterilization/min污染率
rc/%死亡率
rd/%成活率
rs/%6 40.00 ± 10.31 a 16.72 ± 2.68 c 43.34 ± 5.94 ab 8 25.81 ± 5.89 b 19.45 ± 3.58 b 54.82 ± 8.71 a 10 24.55 ± 5.26 b 20.64 ± 4.19 b 54.98 ± 10.87 a 12 24.21 ± 4.62 b 44.88 ± 7.52 a 31.22 ± 4.92 b 注:同列不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05);数值为平均值 ± 标准差;下同。
Notes: Data were presented as means ± SD. Different lowercase letters in the same column represent significant difference at 0.05 level. The same as below.Table 1. Effect of different sterilizing time on sterilizing effect of ancient Platycladus orientalis
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糖源为外植体生长提供所必需的能量。表2表明:培养基的糖源选择3%葡萄糖和3%蔗糖的侧柏古树外植体的褐化率分别为78.07%和64.85%(P <0.05),结果说明不同糖源的培养基对侧柏古树外植体组织培养褐化有显著影响。
糖源
Sugar source基本培养基
Basal mediumNAA/
(mg·L−1)IBA/
(mg·L−1)褐化率
rb/%3%葡萄糖 1/2MS 0.05 0.05 78.07 a 3%蔗糖 1/2MS 0.05 0.05 64.85 b Table 2. Sugar source screening of ancient P. orientalis
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侧柏中含有大量的单宁和多酚物质,使外植体在组织培养过程中容易褐化。表3表明:在培养基中添加3.00 g·L−1的活性炭能显著抑制侧柏古树外植体褐化(P <0.05),褐化率仅为13.45%(图1B);在培养基中添加浓度为5.00 g·L−1活性炭处理的新芽发生率最高,新生芽个数约为5.44。因此,适合的吸附剂能防止侧柏古树外植体组培褐化。
处理
Treatments质量浓度
Mass concentration/(g·L−1)新生芽数量
Number of new buds/个褐化率
rb/%对照 CK 0.00 1.72 ± 0.64 f 25.72 ± 2.43 a 活性炭(AC)
Activated carbon1.00 3.45 ± 0.55 cd 15.72 ± 3.54 d 3.00 4.72 ± 0.78 b 13.45 ± 3.45 de 5.00 5.44 ± 1.19 a 15.64 ± 4.55 d 抗坏血酸(VC)
Ascorbic acid1.00 3.64 ± 0.52 cd 22.64 ± 6.16 b 3.00 3.81 ± 0.61 c 18.88 ± 4.17 c 5.00 3.45 ± 0.55 cd 15.72 ± 3.54 d 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)
Polyvinyl pyrrolidone1.00 2.45 ± 0.57 e 21.45 ± 5.47 b 3.00 3.54 ± 0.64 cd 16.64 ± 3.41d 5.00 3.98 ± 0.52 c 18.88 ± 4.75 c Table 3. Effects of anti-browning agents with different concentration on browning of explants from ancient P. orientalis
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初代培养用于诱导侧柏古树外植体萌发新芽。表4表明:处理5的初代培养基是:1/2MS + NAA 0.2 mg·L−1 + 6-BA 0.1 mg·L−1 + 活性碳3.00 g·L−1,不定芽诱导率为32.05%,平均生长量为20.66 mm,芽生长较快、粗壮、且绿色,增殖效果显著好于其他处理(P <0.05);处理1、7、8和9的芽诱导效果较差,平均生长量显著低于处理4、5、6(P <0.05)。处理2、3、6的芽诱导效果也差,芽生长较慢。这可能是6-BA的浓度高时,造成愈伤组织生长较多消耗了较多的营养,从而导致外植体生长较弱或者死亡。
试验号
Test numberNAA/
(mg·L−1)6-BA/
(mg·L−1)不定芽诱导率
rabi/%平均生长量
Average of growth/mm外植体生长情况
The growth state of the explants1 0.10 0.05 13.54 ± 0.42 cd 9.37 ± 2.51 ef 芽生长慢,叶绿色,苗矮小
Buds grew slowly, leaves are green and seedlings are short2 0.10 0.10 16.32 ± 0.25 c 11.55 ± 2.64 cd 芽生长较慢,较细弱,叶绿色
Buds grew slowly, weakly, and leaves are green3 0.10 0.20 17.85 ± 0.12 c 10.64 ± 2.09 de 芽生长较慢,绿色,苗矮小
Buds grew fast, green, and the seedlings are short4 0.20 0.05 25.67 ± 0.28 b 13.35 ± 3.18 b 芽生长快,深绿色
Buds grew fast, dark green5 0.20 0.10 32.05 ± 0.41 a 20.66 ± 4.68 a 芽生长较快,粗壮,绿色
Buds grew fast, strong and green6 0.20 0.20 15.32 ± 0.23 c 12.11 ± 2.71 bc 芽生长快,绿色,苗矮小
Buds grew fast, green, seedlings are short7 0.50 0.05 12.54 ± 0.27 cd 10.96 ± 1.88 de 芽生长慢,较细弱,苗矮小
Buds grew slowly, weakly and seedlings are short8 0.50 0.10 9.87 ± 0.13 e 8.72 ± 1.54 f 芽生长慢,较细弱,苗变黄
Buds grew slowly, weakly and seedlings are short9 0.50 0.20 11.45 ± 0.06 cd 7.58 ± 2.31 g 芽生长慢,苗变黄
Buds grew slowly, seedlings turn yellowTable 4. Selection of primary culture medium for ancient P. orientalis
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侧柏古树愈伤组织形成是增殖培养的目的,同时培养适合生根的嫩芽。表5表明:处理5中含有较高浓度的NAA,愈伤组织生长势好,外植体的平均生长量达到18.35 mm,新长出的芽为绿色且生长速度较快(图1C);而高浓度的6-BA的增殖情况较差,形成淡黄绿色松软状愈伤组织。因此,侧柏古树的最佳增殖培养基是:1/2 MS + 6-BA 0.05 mg·L−1 + NAA 0.2 mg·L−1 + KT 0.1 mg·L−1。
试验号
Test number6-BA/
(mg·L−1)NAA/
(mg·L−1)KT/
(mg·L−1)增殖系数
Proliferation coefficient平均生长量
Average of growth/mm外植体生长情况
The growth state of the explants1 0.02 0.05 0.10 1.45 ± 0.32 c 8.92 ± 1.98 cd 愈伤组织质地较差、疏松
The quality of embryogenic callus was poor, loose2 0.02 0.10 0.05 1.19 ± 0.25 cd 10.15 ± 3.12 b 愈伤组织呈浅绿色紧密状
Compact callus was lightyellow-green3 0.02 0.20 0.20 0.81 ± 0.15 d 7.68 ± 1.39 de 愈伤组织质地较差、疏松
The quality of embryogenic callus was poor, loose4 0.05 0.10 0.20 1.52 ± 0.35 b 11.97 ± 2.11 b 愈伤组织诱导率高,生长好
The inductive rates of callus tissue was highest, and
the growth was well5 0.05 0.20 0.10 1.93 ± 0.42 a 18.35 ± 4.48 a 愈伤组织诱导频率高,愈伤组织生长势好
Most efficiency for callus initiation, and the growth was well6 0.05 0.05 0.05 1.35 ± 0.29 cd 9.36 ± 2.76 c 愈伤组织质地较差、疏松
The quality of embryogenic callus was poor, loose7 0.10 0.20 0.05 1.69 ± 0.37 b 6.47 ± 2.03 ef 形成淡黄绿色松软状愈伤组织
Spongy callus was lightyellow-green8 0.10 0.05 0.20 0.61 ± 0.12 d 7.76 ± 2.38 de 愈伤组织质地较差、疏松
The quality of embryogenic callus was poor, loose9 0.10 0.10 0.10 0.32 ± 0.07 e 6.14 ± 1.25 ef 愈伤组织质地较差、疏松
The quality of embryogenic callus was poor, looseTable 5. Selection of the proliferation medium for ancient P. orientalis
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侧柏古树组织培养生根是整个组织培养的难点,是一个复杂的生长发育过程。表6表明:1/2MS的生根率仅为2.97%,而DKW生根培养基则无不定根形成,只有WPM + IBA 0.2 mg·L−1 + NAA 0.2 mg·L−1中有少量不定根形成,生根率为8.51%,平均根长1.06 cm(图1D)。根系是从愈伤组织处形成不定根,可能是由于侧柏古树外植体衰老,外植体中含有大量次生代谢物抑制生根。
基本培养基
Minimal mediumIBA/
(mg·L−1)NAA/
(mg·L−1)生根率
rr/%平均根长
Average root length/cm生根状况
Rooting status1/2MS IBA 0.2 mg·L−1 + NAA 0.2 mg·L−1 2.97 ± 0.46 b 0.43 ± 0.12 b 愈伤组织多,愈伤组织分化根,白根粗且短
More callus, the root differentiation of callus,
thick and short rootsWPM 8.51 ± 2.58 a 1.06 ± 0.28 a 愈伤组织少,愈伤组织分化根,根细长且壮
Less callus, the root differentiation of callus,
fine and strong rootsDKW 0.00 c 0.00 c 未生根 No root Table 6. Selection of the basic medium for rooting of ancient P. orientalis
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在筛选出的侧柏古树外植体生根基本培养基WPM中添加NAA和IBA以促进生根。表7(图1E、F)表明:处理4生根过程中愈伤组织较少时容易形成不定根,生根率达9.12%,每株平均生根数为2.67,平均根长为1.23 cm,生根情况显著好于其他处理(P<0.05);处理3的生根率仅为3.26%,每株平均根数1.84,平均根长0.81 cm,处理5和处理6的生根率则分别为3.85%和4.56%,其他处理均没有生根。通过组培总共获得24株生根苗。
试验号
Test numberNAA/
(mg·L−1)IBA/
(mg·L−1)生根率
rr/%平均根数
Average root number/
(条·株−1)平均根长
Average root length/cm生根状况
Rooting status1 0.20 0.50 0.00 c 0.00 c 0.00 c 愈伤组织少,未生根
Less callus, no root2 0.20 1.00 0.00 c 0.00 c 0.00 c 愈伤组织少,未生根
Less callus, no root3 0.20 1.50 3.26 ± 0.79 b 1.84 ± 0.34 b 0.81 ± 0.21 b 愈伤组织少,愈伤组织分化根,根细长
Less callus, the root differentiation of callus, fine roots4 0.50 0.50 9.12 ± 3.82 a 2.67 ± 0.58 a 1.23 ± 0.35 a 愈伤组织少,愈伤组织分化根,根细长且壮
Less callus, the root differentiation of callus, fine and
strong roots5 0.50 1.00 3.85 ± 0.94 b 1.32 ± 0.34 b 0.58 ± 0.19 b 愈伤组织多,愈伤组织分化根,白根粗且短
Less callus, the root differentiation of callus, thick and
short roots6 0.50 1.50 4.56 ± 0.84 b 1.56 ± 0.51 b 0.64 ± 0.18 b 愈伤组织多,愈伤组织分化根,白根粗且短
More callus, the root differentiation of callus, thick and
short roots7 1.00 0.50 0.00 c 0.00 c 0.00 c 愈伤组织多,未生根
More callus, no root8 1.00 1.00 0.00 c 0.00 c 0.00 c 愈伤组织多,未生根
More callus, no root9 1.00 1.50 0.00 c 0.00 c 0.00 c 愈伤组织多,未生根
More callus, no rootTable 7. Selection of the rooting culture for the ancient P. orientalis
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炼苗和移植是组织培养最关键的部分。表8表明:20 d后部分植株的嫩叶长出,30 d的时候死亡率58.38%,并且老叶发黄(图1G-H)。到了50 d时85.22%的植株死亡,60 d时只有2株组织培养生根苗成活。这是因为大多数不定根是从愈伤组织处形成,后期随着愈伤组织的脱落,不定根也随之脱落。整个过程说明侧柏古树组织培养生根苗的根系较弱,生根培养基需要改良,炼苗及移植的环境条件也需要继续优化。
种植时间
Planting time/d炼苗死亡率
rmts/%生长情况
The status of growth10 6.24 ± 1.51 d 叶绿色
Leaf color green20 16.75 ± 2.81 c 部分长出嫩芽
A small part sprouts30 58.38 ± 12.34 b 长出的嫩芽发黄,老叶发黄
The tender buds turn yellow, the old leaves turn yellow40 64.32 ± 13.58 b 嫩芽发黄,老叶干枯
The tender buds turn yellow and the old leaves wither50 85.22 ± 20.31 a 嫩芽和老叶干枯
Buds and old leaves withered60 95.84 ± 22.18 a 只有2株有红根出现,嫩芽继续生长
Only two plants have red roots and buds continue to growTable 8. The status of transplanting of tissue culture seedlings of the ancient P. orientalis
Establishment of Tissue Culture System of the Ancient Trees of Platycladus orientalis
- Received Date: 2022-11-11
- Accepted Date: 2023-01-18
- Available Online: 2023-08-20
Abstract: