CN106258881A - 一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，首先将寄生杂草与寄主作物的种子表面消毒，然后寄生杂草种子湿热预培养，添加萌发刺激物进行发芽；寄主作物种子发芽生长；最后将寄主作物根系在滤纸上均匀铺开，将表面附着寄生杂草的那一面覆盖在寄主作物的根系上，进行寄生杂草与寄主作物的共培养。寄生杂草与寄主作物根系直接接触，大大缩短了寄生杂草对寄主作物根系的识别过程，同时也提高了寄生的效率；无土条件下的实验，整个培养过程可视化，准确把握和观察寄生杂草在寄生作物根系上寄生的各阶段，便于确切的时间点对不同阶段的互作过程进行研究；也确保在研究过程中防止寄生杂草的扩散。

Description

一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法
技术领域
本发明属于寄生杂草与寄主作物互作研究领域，具体涉及一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法。
背景技术
在自然界中，种子植物绝大多数是自养的。但是少数种子植物由于缺少足够叶绿素或因为根系或叶片退化而成为寄生性的，被称为寄生植物。寄生植物从绿色植物中获取所需的全部或大部分水分和养分，得以生存。寄生植物的种类很多，主要分为列当科、菟丝子科、桑寄生科、玄参科等等。寄生植物大多寄生在山野植物和树木上，其中有些是很有价值的药用植物；而少数寄生性种子植物寄生于农作物上，在农业生产上造成较大的危害，被称为寄生杂草，例如列当等。
科学家们已经做了大量工作来研究寄生杂草的化学、生物以及综合防治方法。但是，寄生杂草常常会产生数以十万计的种子，这些种子在土壤中能够存活数十年，从而形成了种子库，而彻底消灭种子库几乎不可能。大田中一旦出现寄生杂草，其危害将会逐年增强。2011年内蒙古包头市九原哈业胡同镇明胜村、固阳县、达茂旗等地区寄生杂草发生面积近1.33万hm2，寄生率达10～35％，黄河沿岸发生较严重地块寄生率达75％，而到2012年，这些地区的寄生率已达100％，寄主作物减产35％左右。因此，在大田中进行寄生杂草的研究会在当地形成生物入侵现象，引起寄主作物的大面积减产，甚至死亡。为了避免在研究过程中对当地生态环境造成不良影响，同时最大程度地模拟寄生杂草与寄主作物的互作过程，需要一种在实验室条件下用于研究寄生杂草与寄生作物相互作用，且可以防止寄生杂草扩散的共培养方法。
根寄生杂草的生活史主要包括以下几个重要的阶段：种子的预培养、种子的萌发、附着寄主根系并形成附着胞、穿透寄主根系组织、吸器形成并与寄主导管连接、瘤状物形成、茎生长并出土、开花并形成种子。吸器形成之前为自养阶段，吸器形成之后则转变为寄生阶段。寄主作物对寄生杂草的抗性可以划分为三个阶段：寄生植物附着前期(Beforeattachment)，包括寄生杂草种子萌发和吸器诱导；寄生建立期(Establishment)，主要为寄生杂草与寄主作物建立物理联系的过程；寄生建立后期(After establishment)。然而，由于根寄生杂草寄生在寄主作物的地下部分，难以对整个寄生过程进行实时观察，不利于对根寄生杂草与寄主作物互作的研究，所以需要发明一种在无土条件下可以直观显示整个互作过程的共培养方法。
综上所述，为了研究寄生杂草与寄主作物的相互作用，开发一种在实验室条件下，能够准确研究不同阶段寄生杂草与寄主作物的相互作用情况，且可以避免寄生杂草扩散的共培养方法，显得十分重要。
发明内容
基于现有的技术不利于对根寄生杂草与寄主作物互作的研究，本发明提供了一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，可以在实验室条件下准确研究不同阶段寄生杂草与寄主作物的相互作用情况，并且能够避免寄生杂草的扩散。
一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，具体步骤如下：
步骤1，对寄生杂草种子和寄主作物种子进行表面消毒，对用于发芽和生长的基质、玻璃托盘、培养皿、吸湿滤纸进行灭菌处理；
步骤2，将寄主作物种子播种于基质中进行发芽、生长，将寄生杂草种子接种于吸湿滤纸上进行湿热预培养；
步骤3，向湿热预培养后的寄生杂草种子添加种子萌发刺激物，进行发芽；
步骤4，将播种后生长7～14天的寄主作物从基质中取出，用无菌蒸馏水清洗干净，同时取玻璃托盘用基质铺满，覆盖两层滤纸，无菌蒸馏水湿润，将寄主作物根系在滤纸上均匀铺开；
步骤5，将用于寄生杂草种子发芽的滤纸取出，将表面附着寄生杂草的那一面覆盖在寄主作物的根系上，托盘用锡纸包裹，垂直置于在无菌培养箱中，进行寄生杂草与寄主作物的共培养。
在步骤1中，所述的寄生杂草为根寄生杂草，包括列当和独脚金。
在步骤1中，所述的寄主作物为向日葵、烟草、番茄、豌豆或油菜。
在步骤1中，由于寄生杂草种子一般体积较小、重量较轻，所以所述的寄生杂草种子进行表面消毒的具体步骤为：
步骤1-1，用茶叶袋纸包装寄生杂草种子；
步骤1-2，将装有寄生杂草种子的茶叶袋纸浸泡在酒精中，浸泡过程中时常搅动；
步骤1-3，将步骤1-2中酒精处理过的茶叶袋纸浸泡到消毒液中；浸泡过程中时常搅动；
步骤1-4，将寄生杂草种子用无菌蒸馏水漂洗6～10次，然后用无菌干燥滤纸吸干水分，放在超净工作台上晾干。
步骤1-1中利用茶叶袋纸包装寄生杂草种子一方面可以防止种子漂浮于液面上，保证消毒彻底；另一方面也便于表面消毒后寄生杂草种子的收集。
在步骤1-2中，作为优选，所述的酒精的浓度为50～80％，消毒时间为1～5min；
在步骤1-2中，进一步优选，所述的酒精的浓度为70％，消毒时间为2min；
在步骤1-3中，作为优选，所述的消毒液由1～5％的次氯酸钠溶液和0.1～0.3％的Tween-20溶液等体积混合而成，消毒时间为5～12min。
在步骤1-3中，进一步优选，所述的消毒液由2％的次氯酸钠溶液和0.2％的Tween-20溶液等体积混合而成，消毒时间为10min。
利用消毒液进行表面消毒时，当消毒液颜色由黑色变为褐色或者棕色时，预示寄生杂草种子表面附着的物质被清除，消毒完成。
在步骤1中，所述的寄主作物种子进行表面消毒是将寄主作物种子浸泡在次氯酸钠溶液中，作为优选，次氯酸钠溶液浓度为2～5％，消毒时间为20～30min，作为进一步优选，次氯酸钠溶液浓度为5％，消毒时间为25min。
在步骤1中，所述的灭菌处理是在温度为105～126℃，压力为0.1～0.2MPa下将这些实验用品置于高压灭菌锅中进行处理，处理时间为15～25min。作为进一步优选，温度为121℃，压力为0.15MPa，时间为20min。
由于某些真菌的存在会抑制寄生杂草种子的萌发，降低寄生的效率，为了避免这一状况的发生，整个共培养过程都需要在无菌的条件下进行。
在步骤1中，所述的基质可以为珍珠岩、蛭石或泥炭土；所述的基质用于寄主作物种子的发芽生长。
在步骤1中，所述的基质优选为珍珠岩；与其他基质相比，珍珠岩疏松透气，便于寄主作物根系的生长，且在后续的清洗过程中比较方便。
在步骤1中，所述的吸湿滤纸可选用玻纤滤纸、其他普通的定量滤纸或定性滤纸，所述的吸湿滤纸用于寄生杂草种子的湿热预培养。
在步骤1中，所述的吸湿滤纸优选为玻纤滤纸；玻纤滤纸具有较好的各同向性，孔径分布均匀，且具有较强的耐水性，使寄生杂草种子可以更好地吸附，且长久保持湿润。
在步骤2中，寄主作物种子的萌发及生长条件：昼/夜温度为15～25/10～20℃，光照时间12～16hr，光照强度200～400μmol m-2s-1，培养时间为5～10天；作为优选，昼/夜温度为20/15℃，光照时间14hr，光照强度300μmol m-2s-1，培养7天。
在步骤2中，将寄生杂草种子均匀分散在吸湿滤纸上，然后把吸湿滤纸放到培养皿中，用封口膜封闭，培养皿外部用锡箔纸包住以保持完全黑暗，进行预培养。
在步骤2中，寄生杂草种子湿热预培养的条件：温度为15～25℃，培养时间为3～14天；作为优选，温度为20℃，培养时间为7天。预培养温度过低或者过高都会抑制种子的发芽，培养时间过短或者过长则会降低发芽率。
在步骤3中，所述的种子萌发刺激物可以为独脚金内酯、GR24、GR7或GR3；种子萌发刺激物的浓度为10-6～10-12M的；
在步骤3中，所述的种子萌发刺激物优选为GR24，GR24的浓度为10-6M。
独脚金内酯是植物中普遍存在的植物激素，但独脚金内酯在植物中含量极低，难以提取作为大规模应用。GR24、GR7、GR3均是人工合成的独脚金内酯类似物，其中GR24的活性最高，应用最多，便于获取。
在步骤3中，所述发芽条件：温度为15～25℃，培养时间为3～14天，作为优选，温度为20℃，培养时间为7天。
在步骤4中，所述的一定程度为播种后7～14天，优选为10天，确保寄主作物具有足够壮的根系来分泌化学信号物质，供寄生杂草识别，从而启动寄生过程。
在步骤5中，一般情况下，寄生杂草种子发芽后7天内未能成功寄生到寄主根系上便会死亡；将表面附着寄生杂草的那一面滤纸覆盖在寄主作物的根系上，使萌发的寄生杂草种子与寄主作物根系直接接触，缩短了两者的物理距离，从而可以提高寄生的效率。
在步骤5中，托盘用锡纸包裹，垂直置于在无菌培养箱中，使根系在黑暗条件下垂直生长，从而最大程度上模拟了土壤中寄生杂草与寄主作物相互作用的过程。
本发明以寄生杂草种子和寄主作物幼苗为实验材料，在实验室环境下进行无土培养，来模拟这两种植物在田间的互作过程，将寄生杂草与寄主作物在土壤中不可视的互作过程实现了可视化。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)对寄生杂草种子的预培养以及萌发刺激物的直接使用促进寄生杂草种子的萌发，同时将萌发的寄生杂草种子与寄主作物根系直接接触，省去了在土壤中寄生杂草种子感受寄主作物根系分泌的化学信号物质的过程，从而大大缩短了寄生杂草对寄主作物的识别过程，大幅减少研究所需的时间，同时也提高了寄生的效率；
(2)由于是在无土条件下进行的实验，整个培养过程实现了可视化，能够准确把握和观察寄生杂草在寄生作物根系上寄生的各个阶段，以便在确切的时间点针对不同阶段的互作过程进行不同的研究；整个培养过程在实验室条件下进行，可以确保在研究过程中防止寄生杂草的扩散。
附图说明
图1是向日葵列当与向日葵互作的不同时期：(A)向日葵列当种子萌发；(B)向日葵列当附着于向日葵根系；(C)瘤状物发育；(D)幼苗的地下部分生长。
图2是向日葵列当寄生后期的石蜡切片：(A)甲苯胺蓝染色；(B)番红-固绿染色；p：向日葵列当；ha，向日葵列当吸器；cc，向日葵中柱；ctx，向日葵皮层。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
该共培养方法用于向日葵列当(Orobanche cumana Wallr)与向日葵互作的不同时期观察。
1)种子消毒：将向日葵列当种子用2层茶袋纸包好密封，然后浸泡在70％的酒精2min和含有0.2％Tween-20和2％次氯酸钠消毒液中10min进行表面消毒，浸泡过程中经常搅动，当消毒液颜色从黑色变为褐色或棕色时消毒完成；消毒后的种子用无菌蒸馏水漂洗10次；将向日葵种子在5％的次氯酸钠溶液中表面消毒20min，然后用无菌蒸馏水漂洗5次。
2)寄生杂草种子预培养：在直径为9cm的培养皿中放入玻纤滤纸，并用5ml无菌蒸馏水润湿，然后在滤纸上均匀撒上向日葵列当种子，封口膜(美国parafilm公司)封口，以防水分丧失，外部用锡箔纸包住以保持完全黑暗，最后将向日葵列当种子在20℃黑暗条件下预培养7天；
3)寄生杂草种子发芽：将预培养后列当种子所在的玻纤滤纸上的水分吸干，加入5ml 10-6M的人工合成萌发刺激物GR24溶液润湿玻纤滤纸；用封口膜将培养皿密封并包裹锡箔纸以保持完全黑暗，最后将培养皿置于20℃黑暗条件下进行发芽；
4)寄生作物种子萌发、生长：在发芽盒中装满灭过菌的珍珠岩，将向日葵种子置于珍珠岩上，再在上面覆盖1cm左右的珍珠岩，用无菌蒸馏水浇透，将发芽盒培养置于昼/夜20/15℃,光照时间14hr,光照强度300μmol m-2s-1条件下培养7天。
观察结果如图1所示：向日葵列当种子萌发(图1A)，7天以后，成功附着到了向日葵的根系上(图1B)，进一步发育(种子萌发10天以后)后形成瘤状物(图1C)，15天以后，向日葵列当幼苗开始生长发育(图1D)。
实施例2
该共培养方法用于向日葵列当寄生后期的石蜡切片的材料准备。
(1)材料准备
1)种子消毒：将向日葵列当种子用2层茶袋纸包好密封，然后浸泡在70％的酒精2min和含有0.2％Tween-20和2％次氯酸钠消毒液中10min进行表面消毒，浸泡过程中经常搅动，当消毒液颜色从黑色变为褐色或棕色时消毒完成；消毒后的种子用无菌蒸馏水漂洗6次；将向日葵种子在5％的次氯酸钠溶液中表面消毒20min，然后用无菌蒸馏水漂洗3次。
2)寄生杂草种子预培养：在直径为9cm的培养皿中放入玻纤滤纸，并用5ml无菌蒸馏水润湿，然后在滤纸上均匀撒上向日葵列当种子，封口膜(美国parafilm公司)封口，以防水分丧失，外部用锡箔纸包住以保持完全黑暗，最后将向日葵列当种子在20℃黑暗条件下预培养7天；
3)寄生杂草种子发芽：将预培养后列当种子所在的玻纤滤纸上的水分吸干，加入5ml10-6M的人工合成萌发刺激物GR24溶液润湿玻纤滤纸；用封口膜将培养皿密封并包裹锡箔纸以保持完全黑暗，最后将培养皿置于20℃黑暗条件下进行发芽；
4)寄生作物种子萌发、生长：在发芽盒中装满灭过菌的珍珠岩，将向日葵种子置于珍珠岩上，再在上面覆盖1cm左右的珍珠岩，用无菌蒸馏水浇透，将发芽盒培养置于昼/夜20/15℃,光照时间14hr,光照强度300μmol m-2s-1条件下培养7天。
(2)石蜡切片
切取5mm左右被向日葵列当寄生着的向日葵根部，用FAA固定液固定24hr，然后用50～100％的酒精梯度脱水，二甲苯透明，在58℃石蜡中浸蜡然后包埋，切片后用二甲苯和酒精脱蜡，然后分别用甲苯胺蓝和番红-固绿染色。
观察结果如图2所示：向日葵列当突破向日葵皮层(ctx)，通过吸器(ha)与向日葵中柱(cc)成功连接，从而从向日葵根部攫取水分和养分，来供应自己生长所需的营养。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，对寄生杂草种子和寄主作物种子进行表面消毒，对用于发芽和生长的基质、玻璃托盘、培养皿、吸湿滤纸进行灭菌处理；
步骤2，将寄主作物种子播种于基质中进行发芽、生长，将寄生杂草种子接种于吸湿滤纸上进行湿热预培养；
步骤3，向湿热预培养后的寄生杂草种子添加种子萌发刺激物，进行发芽；
步骤4，将播种后生长7～14天的寄主作物从基质中取出，用无菌蒸馏水清洗干净，同时取玻璃托盘用基质铺满，覆盖两层滤纸，无菌蒸馏水湿润，将寄主作物根系在滤纸上均匀铺开；
步骤5，将用于寄生杂草种子发芽的滤纸取出，将表面附着寄生杂草的那一面覆盖在寄主作物的根系上，托盘用锡纸包裹，垂直置于在无菌培养箱中，进行寄生杂草与寄主作物的共培养。
2.如权利要求1所述的用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于：在步骤1中，所述的寄生杂草为列当或独脚金；所述的寄主作物为向日葵、烟草、番茄、豌豆或油菜；所述的基质为珍珠岩、蛭石或泥炭土。
3.如权利要求1所述的用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于：在步骤1中，所述的表面消毒是将寄主作物种子浸泡在次氯酸钠溶液中，次氯酸钠溶液浓度为2～5％，消毒时间为20～30min。
4.如权利要求1所述的用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于：在步骤1中，所述的灭菌处理是在温度为105～126℃，压力为0.1～0.2MPa下进行处理，处理时间为15～25min。
5.如权利要求1所述的用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于：在步骤2中，寄主作物种子的发芽及生长条件：昼/夜温度为15～25/10～20℃，光照时间12～16hr，光照强度200～400μmol m-2s-1，培养时间为5～10天。
6.如权利要求1所述的用于研究寄生杂草与寄主作物互作的共培养方法，其特征在于：在步骤2中，所述的湿热预培养是将寄生杂草种子均匀分散在吸湿滤纸上，然后把吸湿滤纸放到培养皿中，用封口膜封闭，培养皿外部用锡箔纸包住进行预培养。
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