CN105684899A - 组培苗蔗糖利用率的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开组培苗蔗糖利用率的测定方法,分别用甜菜蔗糖和甘蔗蔗糖作为有机碳源配制甜菜蔗糖培养基和甘蔗蔗糖培养基,培养长势一致的组培苗至鲜重增重超20倍后,结束培养,测定甜菜蔗糖和甘蔗蔗糖、新生叶片的δ13C值,依据待测植物的组培苗利用甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖产生碳同位素分馏值、利用空气二氧化碳的分馏值、组培苗的增重以及蔗糖消耗,计算出组培苗蔗糖利用率。本方法不仅能定量测定组培苗一个生长周期内的自养份额、异养份额等,同时也能计算同期内组培苗的蔗糖利用率,对组培环境因子的调控具有重要的指导价值,为后期组培苗的驯化和移栽提供技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及组培苗蔗糖利用率的测定方法,属于植物生物技术领域。
技术背景
植物的组织培养是当前生物技术中的最基本的技术和手段,现已被广泛应用到园艺、农业和林业生产中。它是一种在人为提供的一定温度、光照、湿度、营养、激素等条件下快速繁育植物的技术。
在植物组织培养过程中,组培苗的生长方式有三种:一是小植株靠光合作用进行的自养生长;二是小植株靠培养基中的有机碳源进行异养生长;三是小植株既靠培养基中的有机碳源又靠人工光照,同时进行异养和自养的兼养生长。现在常规的植物组织培养快繁技术大多数是以第三种方式进行。因此蔗糖成为组织培养过程中不可或缺的碳源和能源,且在目前组织培养中用量最大。所以判断组培过程中蔗糖的利用率为组培的培养基调控提供了理论依据。同时组培苗的自养能力决定了组培苗生长的情况,仅异养生长的组培苗,将会导致植株生理、形态上的紊乱,造成生长发育延缓或死亡,引起玻璃化、生根困难等问题。由此可见,组培苗的自养作用是其良好地生长发育的基础。
因此,组培苗自养份额的测定和蔗糖利用率的测定就显得特别重要,目前虽然有用Li-840型CO2/H2O分析仪建立的CO2交换速率测定系统来测定组培苗的自养能力,但是测的只是瞬时的自养能力,不能代表一段时间内组培苗自养能力的情况,更不能测定出一段时间内组培苗的自养份额和异养份额和来自组培苗呼吸所贡献的份额。组培苗自养份额的测定和蔗糖利用率的测定对培养基的优化具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种组培苗在一个培养周期(例如增殖培养)中各种份额的测定方法;结合组培苗的异养份额,计算出组培苗的蔗糖利用率。为组培过程中各种环境因子的调控,培养基组成,激素配比等提供理论依据。
本发明的技术方案:
它包括以下步骤:
第一,培养瓶采用完全透气的封口膜封口,分别用C3植物蔗糖和C4植物蔗糖作为有机碳源配制C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基;
第二,测定上述C3植物蔗糖和C4植物蔗糖的δ13C值,C3植物蔗糖的δ13C值记为δT,C4植物蔗糖的δ13C值记为δG;
第三,选取长势一致的组培苗,记录它们的鲜重M0,分别接种到C4植物蔗糖培养基和C3植物蔗糖培养基,培养至鲜重增重超20倍后,结束培养;
第四,同期,一方面将待测植物的组培苗分别培养在无CO2的C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基中;另一方面利用pH为5.5的营养液在待测环境中对长有2片展开叶的待测植物进行溶液培养;
第五,分别获取培养前C4植物蔗糖和C3植物蔗糖培养基的蔗糖浓度c0和体积V0,培养结束后培养基的C4植物蔗糖和C3植物蔗糖浓度c和体积V,根据蔗糖浓度和体积的变化的计算出蔗糖的消耗。蔗糖的消耗C=c0×v0-c×V;
第六,测定培养结束后的组培苗鲜重M。计算出组培苗的增重为B=M-M0;
第七,获取培养结束后的用C4植物蔗糖培养基和C3植物蔗糖培养基培养的组培苗新生叶片的δ13C值δG1和δT1;
第八,获取培养结束后的在无CO2的C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基中培养的组培苗新生叶片的δ13C值δG0和δT0;
第九,获取培养结束后在溶液培养中的待测植物新生叶片δ13C值δair;
第十,测定培养期间的待测培养环境中空气中的二氧化碳δ13C值δa;
第十一,依据δG0和δT0以及δT和δG计算出待测植物的组培苗利用C4植物蔗糖和C3植物蔗糖产生碳同位素分馏值ΔG和ΔT,ΔG=δG-δG0,ΔT=δT-δT0。
第十二,依据δair和δa计算出待测植物利用空气二氧化碳的分馏值Δair;Δair=δa-δair;
第十三,将上述所得数据,δT、δG、ΔG、ΔT、Δair、δG1、δT1、δair代入方程: 计算出异养份额fb;
第十四,根据上述计算得到的fb,结合组培苗的增重B和蔗糖消耗C,计算组培苗蔗糖利用率A。蔗糖利用率A的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C。
本发明的优点
在植物组织培养过程中,组培苗通常是进行兼养生长,因此,就得额外提供蔗糖作为有机碳源。蔗糖是培养过程中用量最大的营养物质,所以监测组培苗蔗糖利用率对节约生产成本具有重要意义。稳定碳同位素可以示踪营养源。因此,通过稳定碳同位素技术,就可以计算出组培苗的自养和异养份额和来自组培苗呼吸所贡献的份额;根据计算得到的组培苗异养份额,结合组培苗的增重和蔗糖消耗,就可以计算出组培苗的蔗糖利用率。
自然界中碳元素有两种稳定同位素:12C和13C,它们的天然平均丰度分别为98.89%和1.11%。稳定碳同位素组成通常用δ13C(‰)表示,自然界中δ13C的变化为-90‰~+20‰。
分别选用C3植物和C4植物的蔗糖作为有机碳源。C3植物δ13C的变化范围为-20‰~-35‰,C4植物δ13C的变化范围为-9‰~-17‰。C3植物的代表性蔗糖是甜菜蔗糖,C4植物的代表性蔗糖是甘蔗蔗糖。
组培苗在生长过程中会利用有机碳源和无机碳源来生长,因此就会造成新生叶片的δ13C值既有来自有机碳源的组分(异养来源),又有来自无机碳源的组分(自养来源),其中,自养份额包括组培苗自身呼吸作用的份额fc和来自利用空气的份额fa,即fa=1-fb-fc。
因此,利用三端元的同位素混合模型就可获取组培苗利用有机碳源的份额。
三端元的同位素混合模型可以表示为:
δG1=fb(δG-ΔG)+fc(δG1-Δair)+(1-fb-fc)δair(1)
δT1=fb(δT-ΔT)+fc(δT1-Δair)+(1-fb-fc)δair(2)
这里的δG1为甘蔗蔗糖作为碳源培养的新生组培苗叶片的δ13C值;δT1为甜菜蔗糖作为碳源培养的新生组培苗叶片的δ13C值;δair为待测植物以空气二氧化碳为碳源培养的新生叶片的δ13C值;δG为甘蔗蔗糖的δ13C值;δT为甜菜蔗糖的δ13C值;ΔG为组培苗利用甘蔗蔗糖产生的同位素分馏值。ΔT为组培苗利用甜菜蔗糖产生的同位素分馏值。Δair为待测植物以空气二氧化碳为碳源培养产生的同位素分馏值。
联立方程(1)和方程(2),求解得到:
根据计算得到的fb,结合组培苗的增重和蔗糖消耗,就可以计算出组培苗蔗糖利用率A。蔗糖利用率的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C。
本方法采用的步骤少,计算简单,准确,能定量测定组培苗一个生长周期内的各种份额,如自养份额、异养份额等,同时能计算出组培苗在一个培养周期内蔗糖利用率,对组培环境因子的调控具有重要的指导价值,为后期组培苗的驯化和移栽提供技术参数。
具体实施方式
本发明的实施例:
第一步骤,选用两种δ13C值差较大的C3植物的代表性蔗糖甜菜蔗糖和C4植物的代表性蔗糖甘蔗蔗糖作为有机碳源,分别测定其δ13C值,甜菜蔗糖的δ13C值记为δT,甘蔗蔗糖的δ13C值记为δG;用这两种蔗糖同时培养被考察组培苗,培养条件完全一样,区别在于一个是以甜菜蔗糖为有机碳源,另一个是以甘蔗蔗糖为有机碳源。分别计算出培养前甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖培养基的蔗糖浓度(c0)和体积(V0),培养结束后测定培养基的甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖浓度(c)和体积(V),根据蔗糖浓度和体积的变化的计算出蔗糖的消耗。蔗糖的消耗C=c0×v0-c×V;
第二步骤,选取长势一致(鲜重为M0)的组培苗分别培养在甜菜蔗糖和甘蔗蔗糖培养基上,培养一个月后(增重20倍以上),测定其鲜重M。计算增重B=M-M0。同时取一定量的组培苗新生叶片,测定其稳定碳同位素组成δ13C值。用甜菜蔗糖培养的组培苗新生叶片的δ13C值记为δT1,用甘蔗蔗糖培养的组培苗新生叶片的δ13C值记为δG1;
第三步骤,同期将油菜组培苗分别培养在无CO2气体培养瓶内(用碱石灰吸收空气中的CO2和植物自身呼吸产生的CO2),分别用甜菜蔗糖和甘蔗蔗糖培养一个月,然后测定新生叶片的δ13C值。计算出油菜组培苗利用有机碳产生碳同位素分馏ΔG和ΔT,ΔG=δG-δG0,ΔT=δT-δT0。在进行组培苗各份额计算时,扣除分馏值;
第四步骤,在培养室萌发种子(种子与组培苗所用种子相同),待幼苗长出两片子叶后用pH为5.5霍格蓝培养液培养植物,同期培养一个月后,取新生叶片,烘干,磨成粉末后测定其δ13C值,记为δair;同时测定培养室空气中二氧化碳的δ13C值,记为δa;计算得到Δair,Δair=δa-δair;
第五步骤,计算被考察组培苗在各培养条件下的有机碳利用份额,将甜菜蔗糖的δ13C值记为δT,由甜菜蔗糖做为有机碳源的组培苗新生叶片的δ13C值记为δT1;将甘蔗蔗糖的δ13C值记为δG,由甘蔗蔗糖做为有机碳源的组培苗新生叶片的δ13C值记为δG1;用霍格蓝培养液培养植物的叶片的δ13C值记为δair和霍格蓝培养液培养植物利用空气二氧化碳产生的分馏Δair;油菜组培苗利用有机碳产生碳同位素分馏ΔG和ΔT;带入方程(3)和方程(4),计算出各个培养条件下组培苗利用有机碳源的份额,即异养份额。还可以计算得到组培苗利用呼吸作用产生的二氧化碳的份额fc,同时还可得到组培苗利用空气二氧化碳的份额fa;
第六步骤,根据计算得到的fb,结合组培苗的增重和蔗糖消耗计算组培苗蔗糖利用率(表征为字母A)。蔗糖利用率的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C。
本发明的实施效果如下:
培养材料:甘蓝型油菜组培苗
培养基配方为:MS+6-BA2.0mg/L+NAA0.1mg/L,其中进行不同氮源及氮浓度配比实验,其它实验条件完全一致。pH值:5.8,琼脂:7.5g/L,培养温度:25±2℃。光周期:12h/d,光照强度:3000lx。
分别用甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖作为有机碳源,其稳定碳同位素值为:甘蔗蔗糖-12.00‰(PDB),甜菜蔗糖-24.64‰(PDB)。测定的待测植物新生叶片的δ13C值(δair)为-35.97‰,培养室空气CO2的δ13C值(δa)为-15.75‰,因此待测植物利用空气二氧化碳产生的分馏值Δair为20.22‰。测定培养在无二氧化碳气体的培养瓶中利用甘蔗蔗糖的组培苗新生叶片的δ13C值(δG0)为-14.54‰。因此组培苗在无二氧化碳气体的培养瓶中利用甘蔗蔗糖产生的同位素分馏ΔG为2.54‰。测定培养在无二氧化碳气体的培养瓶中利用甜菜蔗糖的组培苗新生叶片的δ13C值(δT0)为-27.40‰,因此组培苗在无二氧化碳气体的培养瓶中利用甜菜蔗糖产生的同位素分馏ΔT为2.76‰。
实施例1不同氮浓度下甘蓝型油菜组培苗的蔗糖利用率
按照本发明的方法,将甘蓝型油菜组培苗分别在氮浓度为低氮、中氮、对照和高氮的条件下培养,分别用甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖做为碳源。其新生叶片的δ13C值如表1。
表1组培苗新生叶片δ13C值
根据表1组培苗新生叶片的δ13C值,利用方程(3)和方程(4),就可计算得到组培苗的各种份额,组培苗的各份额如表2。
表2组培苗各种份额
从表2可以看出,在氮浓度梯度处理下,在低氮处理下,组培苗的异养份额较大,同时利用空气二氧化碳的份额较小。随着氮浓度的增加,在中氮处理下,组培苗的异养份额得到很大的降低,但随后继续增加氮浓度,组培苗的异养份额变化不大,趋于稳定。而组培苗利用空气中二氧化碳的份额在低氮、中氮和对照处理下,随着氮浓度的增加,组培苗利用空气中二氧化碳的份额逐渐增加。但随后继续增大氮浓度(高氮处理),组培苗利用空气二氧化碳的份额没有继续增加,而是和对照趋于一致。
结合表2的组培苗各处理下的异养份额,将组培苗的蔗糖消耗和生物量增重联系起来,就可以计算出各处理下组培苗的蔗糖利用率。蔗糖利用率A的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C,氮浓度处理下的蔗糖利用率如表3所示。
表3组培苗蔗糖利用率
从表3可以看出,在氮浓度梯度处理下,在低氮处理下,组培苗的异养份额较高,且自养份额较低,因此蔗糖利用率较低。随着氮浓度的增加,组培的蔗糖利用率逐渐增大,在高氮处理下达到最大值,在对照和高氮处理下蔗糖利用率变化不大。
在组培苗的各份额中,fa和fc都是利用二氧化碳的份额,fa+fc即可表示为组培苗的总的自养份额。fc/(fa+fc)表示为来自呼吸二氧化碳的份额占总自养份额的比例,如表4。该比例的大小可间接表示为组培苗的呼吸强度。
从表4可以看出,在不同氮浓度处理下,对照处理的来自呼吸的贡献份额占总的自养份额最小,且此时的自养份额较大,同时有较高的蔗糖利用率。而在低氮和中氮处理下,组培苗的呼吸强度都比较大。高度处理下的呼吸强大较对照处理有所增大,但远小于低氮和中氮处理。
表4呼吸贡献份额占总自养份额百分比
实施例2硝态氮浓度一定,依次增加铵态氮浓度处理下甘蓝型油菜组培苗的蔗糖利用率
按照本发明的方法,将甘蓝型油菜组培苗分别在铵态氮浓度为7mM、14mM、和28mM的培养条件下,每个对应的铵态度浓度处理都分别添加39mM的硝态氮,分别用甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖做为碳源。其新生叶片的δ13C值如表5。
表5组培苗新生叶片δ13C值
根据表5组培苗新生叶片的δ13C值,利用方程(3)和方程(4),就可计算得到组培苗的各种份额,组培苗的各份额如表6。
表6组培苗各种份额
从表6可以看出,在硝态氮浓度一定,依次增加铵态氮浓度处理下,组培苗的异养份额变化不大,但均相对小于实施例1的对照,且在7mM和14mM铵态氮处理下,组培苗利用空气二氧化碳的份额较高。
结合表6的组培苗各处理下的异养份额,将组培苗的蔗糖消耗和生物量增重联系起来,就可以计算出各处理下组培苗的蔗糖利用率。蔗糖利用率A的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C,铵态氮处理下(添加39mM硝态氮)的蔗糖利用率如表7所示。
表7组培苗蔗糖利用率
从表7可以看出,组培苗的蔗糖利用率随着铵态氮浓度的增加呈现降低趋势,但降低幅度不大,且在3个铵态氮浓度下的蔗糖利用率均比较高。
在组培苗的各份额中,fa和fc都是利用二氧化碳的份额,fa+fc即可表示为组培苗的总的自养份额。fc/(fa+fc)表示为来自呼吸二氧化碳的份额占总自养份额的比例,如表8。该比例的大小可间接表示为组培苗的呼吸强度。
表8呼吸贡献份额占总自养份额百分比
从表8可以看出,在7mM和14mM铵态氮处理下,来自呼吸贡献份额占总的自养份额较小,而在28mM铵态氮处理下,来自呼吸贡献份额占总的自养份额较高。来自呼吸贡献份额占总的自养份额的变化规律和组培苗利用空气二氧化碳的份额变化规律比较一致。
实施例3铵态氮浓度一定,依次增加硝态氮浓度处理下甘蓝型油菜组培苗的蔗糖利用率
按照本发明的方法,将甘蓝型油菜组培苗分别在硝态氮浓度为13mM、26mM、和53mM的培养条件下,每个对应的硝态度浓度处理都分别添加21mM的铵态氮,分别用甘蔗蔗糖和甜菜蔗糖做为碳源。其新生叶片的δ13C值如表9。
表9组培苗新生叶片δ13C值
根据表9组培苗新生叶片的δ13C值,利用方程(3)和方程(4),就可计算得到组培苗的各种份额,组培苗的各份额如表10。
表10组培苗各种份额
从表10可以看出,随着硝态氮浓度的增加,组培苗的异养份额逐渐增大,然后趋于平稳。在13mM硝态氮,21mM铵态氮处理下,组培苗的异养份额较小,且利用空气中的二氧化碳份额较高。而来自呼吸贡献的份额逐渐增大。
结合表9的组培苗各处理下的异养份额,将组培苗的蔗糖消耗和生物量增重联系起来,就可以计算出各处理下组培苗的蔗糖利用率。蔗糖利用率A的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C,铵态氮处理下(添加39mM硝态氮)的蔗糖利用率如表11所示。
表11组培苗蔗糖利用率
从表11可以看出,随着硝态氮浓度的增加,组培苗的蔗糖利用率呈现下降的趋势,但3个处理下的蔗糖利用率均较高。在13mM硝态氮,21mM铵态氮处理下组培苗的蔗糖利用率最高。
在组培苗的各份额中,fa和fc都是利用二氧化碳的份额,fa+fc即可表示为组培苗的总的自养份额。fc/(fa+fc)表示为来自呼吸二氧化碳的份额占总自养份额的比例,如表12。该比例的大小可间接表示为组培苗的呼吸强度。
表12呼吸贡献份额占总自养份额百分比
从表12可以看出,来自呼吸二氧化碳的份额占总自养份额的比例逐渐增大,在硝态氮浓度较低(13mM和26mM)的情况下,组培苗来自呼吸二氧化碳的份额占总自养份额的比例较小。
综上,在进行培养基优化时,既要考虑组培苗的自养份额,同时在兼顾蔗糖利用率的条件下,还要考虑组培苗利用呼吸作用的份额占总自养份额的比例,比例高意味着呼吸作用强,而从能量角度来说,这是耗能过程。从以上处理可以看出,与对照处理相比,处理1,处理4,处理5中的培养基的配置较优,且处理4中的培养基是以上众多处理中最优的培养基,说明21mM的铵态氮,13mM的硝态氮更适合甘蓝型油菜组培苗生长。
Claims (4)
1.组培苗蔗糖利用率的测定方法,其特征在于:包含以下步骤:
第一,培养瓶采用完全透气的封口膜封口,分别用C3植物蔗糖和甘蔗蔗糖作为有机碳源配制C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基;
第二,测定上述C3植物蔗糖和C4植物蔗糖的δ13C值,C3植物蔗糖的δ13C值记为δT,C4植物蔗糖的δ13C值记为δG;
第三,选取长势一致的组培苗,记录它们的鲜重M0,分别接种到C4植物蔗糖培养基和C3植物蔗糖培养基,培养至鲜重增重超20倍后,结束培养;
第四,同期,一方面将待测植物的组培苗分别培养在无CO2的C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基中;另一方面利用pH为5.5的营养液在待测环境中对长有2片展开叶的待测植物进行溶液培养;
第五,分别获取培养前C4植物蔗糖和C3植物蔗糖培养基的蔗糖浓度c0和体积V0,培养结束后培养基的C4植物蔗糖和C3植物蔗糖浓度c和体积V,根据蔗糖浓度和体积的变化的计算出蔗糖的消耗
第六,测定培养结束后的组培苗鲜重M;计算出组培苗的增重为B=M-M0;
第七,获取培养结束后的用C4植物蔗糖培养基和C3植物蔗糖培养基培养的组培苗新生叶片的δ13C值δG1和δT1;
第八,获取培养结束后的在无CO2的C3植物蔗糖培养基和C4植物蔗糖培养基中培养的组培苗新生叶片的δ13C值δG0和δT0;
第九,获取培养结束后在溶液培养中的待测植物新生叶片δ13C值δair;
第十,测定培养期间的待测培养环境中空气中的二氧化碳δ13C值δa;
第十一,依据δG0和δT0以及δT和δG计算出待测植物的组培苗利用C4植物蔗糖和C3植物蔗糖产生碳同位素分馏值ΔG和ΔT;
第十二,依据δair和δa计算出待测植物利用空气二氧化碳的分馏值Δair;
第十三,将上述所得数据,δT、δG、ΔG、ΔT、Δair、δG1、δT1、δair代入方程: 计算出异养份额fb;
第十四,根据上述计算得到的fb,结合组培苗的增重B和蔗糖消耗C,计算组培苗蔗糖利用率A。
2.根据权利要求1所述的组培苗蔗糖利用率的测定方法,其特征在于:在第十一步骤中,ΔG=δG-δG0,ΔT=δT-δT0。
3.根据权利要求1所述的组培苗蔗糖利用率的测定方法,其特征在于:在第十二步骤中,Δair=δa-δair。
4.根据权利要求1所述的组培苗蔗糖利用率的测定方法,其特征在于:在第十四步骤中,蔗糖利用率A的计算公式为:fb×B=A×C,即A=fb×B/C。
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Also Published As
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