珍稀药用植物杜鹃兰种子萌发的研究进展.pdf

北 方 园 艺 专题综述 第一作者简介 杨宁线 女 博士研究生 副教授 现主要从事植物生理与分子生物学等研究工作 责任作者 张明生 男 博士 教授 博士生导师 现 主要从事植物生理与分子生物学等研究工作 基金项目 国家自然科学基金资助项目 贵州省教育厅资助项目 号 黔教 民发 号 收稿日期 珍稀药用植物杜鹃兰种子萌发的研究进展 杨 宁 线 彭 思 静 刘 思 佳 田 莉 张 明 生 贵阳护理职业学院 贵州 贵阳 贵州大学 生命科学学院 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室 贵州 贵阳 摘 要 杜鹃兰是兰科多年生药用草本植物 因长期大量采挖 生长环境破坏 自然授粉 困难等原因导致有性繁殖困难 只能依靠无性繁殖 然而无性繁殖周期长 繁殖系数低 使杜 鹃兰成为濒危物种 该研究通过文献查阅 对杜鹃兰种子形态结构 种子休眠的原因 促进 种子萌发的方法及目前遇到的困难进行了阐述 旨在为促进杜鹃兰种子萌发 缩短种子萌发 周期及有效解决杜鹃兰的种苗快繁及规模化种植提供参考依据 关键词 兰科 种子休眠 菌根真菌 共生萌发 中图分类号 文献标识码 文章编号 兰科植物是分布最广泛的植物之一 多数为 珍稀濒 危 植 物 按 生 境 分 为 腐 生 附 生 和 地 生 类 在系统演化上是最进化 最高级的植物 杜 鹃兰 为兰科 杜鹃兰属 多年生珍稀药用植物 据 中国药典 记载 杜鹃兰 干燥假鳞茎为 毛慈菇 具有较好的药用价值 具 有清热解毒 活血化瘀 润肺止咳等功效 按照生 境分类 杜鹃兰属于地生兰 有关杜鹃兰的国 内外研究资料较少 主要集中在资源调查 形 态特征 化学成分 药理作用 离体 快繁 结构和生理 侧芽萌发 及分枝 发育 等方面 杜鹃兰存在严峻的资源问题 自然条件下种子结实率不到 且种子无胚乳 基本不能进行有性繁殖 只能依靠无性繁殖 目 前杜鹃兰的组织培养技术虽取得了较大突破 然 而无性繁殖周期长 繁殖系数低 其中种子萌发是 种苗快繁的核心问题 该研究根据杜鹃兰种子形 态结构和特点 分析了种子休眠的原因 提出促进 种子萌发的方法和可能的分子机制 期望为杜鹃 兰种子高效萌发提供参考依据 为兰科植物种苗 快繁提供理论基础 种子形态结构及特点 目前兰科植物种子萌发 主要采用体式显 微镜直接观察 王汪中等 通过对储藏 年的杜 鹃兰种子进行人工培养 利用琼脂石蜡双包埋制 作切片 发现成熟的杜鹃兰种子为狭长的纺锤形 一端较钝 另一端较尖 具种孔 从外到内为外种 皮 空气腔 内种子及胚 其中种胚结构简单且无 胚乳 由多细胞组成原始胚体 杜鹃兰种子发育 不完全 无胚乳 在自然条件下萌发困难 种子休眠的原因 兰科植物种子自身萌发困难 在自然条件下 需靠昆虫辅助授粉 其坐果率不到 杜鹃兰是 一种典型的温带地生兰草本植物 主要依靠假 鳞茎的营养繁殖 种子萌发困难的原因推测有以 下几种 胚结构不完整 兰科植物种子细小如尘 郭顺星等 认为兰 科植物没有胚乳 缺乏内源营养物质 处于原胚阶 段 只有在显微镜下才能观察到 王汪中等 认 为杜鹃兰种胚仅由一团未分化的细胞构成 使自 然条件下几乎不能萌发 至今未发现种子自然萌 发的证据 种皮抑制 在兰科植物种子中 存在着抑制萌发的物质 且可能存在于种皮中 段金玉等 对兰科 种 种子萌发进行了研究 发现有些兰科植物剪破种 皮即可促进萌发 说明种皮的通透性差抑制了种 子萌发 种皮剪破后水 氧气等物质可自由进入 种皮 因而种子萌发加快 杜鹃兰的外种皮是由 单层细胞构成的网状结构 外种皮在种子即将成 熟时会积累大量木质素而加厚 在胚的外围紧 贴一层致密膜质 其是由内珠被发育成的内种皮 等 认为膜质内种皮是杜鹃兰萌发 障碍的主要原因 外种皮的机械阻力和内种皮的 不透水特性是杜鹃兰种子难以萌发的主要原因 抑制萌发物质 目前 关于兰科植物种子内部的萌发抑制物 质鲜有报道 更多的认为萌发抑制物质存在于种 皮 段金玉等 通过激素处理对兰科 种植物 种子萌发的影响发现 一些地生兰科植物种子 用 氢氧化钠处理才能得到较理想的效果 说明抑制 种子萌发的主要原因可能是一些能溶于氢氧化钠 的抑制萌发的物质存在 这些物质在种皮上积累 会导致种皮难以突破 王汪中等 发现抑制杜 鹃兰种子萌发的物质不溶于水 推测可能是脂溶 性成分 脂溶性成分一般溶于有机溶剂 会毒害种 子 因此确定杜鹃兰中是否存在抑制萌发物质难 度较大 胚未发育完全 关于兰科植物是否存在后熟只有较少报道 国外 等 在 年采用低温层积 等方法处理种子 发现有些种子由于胚未发育完 全 不能达到萌发的条件 在萌发前需后熟 没有 经过分化的种胚必须经过分化且达到一定的 比值 种胚长度 种子长度 而分化的种胚 必须 发育完全且达到一定长度的种子才能萌发 在杜 鹃兰果实成熟时种子种胚已分化并发育完善 而 种胚几乎未发育 只是未分化的细胞团 根据张 明生等 发现 杜鹃兰的种子经储藏 年后其 萌发时间大幅度缩短 推测很可能在杜鹃兰中存 在后熟现象 即胚未发育完全 菌根真菌 自 年从兰科植物中分离得到菌根真菌 后 大量研究证明菌根真菌可以促进兰科植物的 种子萌发 朱国胜 通过对杜鹃兰及独蒜兰共生 真菌研究得出 个营养库 的假说 建立了菌根 真菌应用于组培苗移栽的模型 为兰科组培苗的 成功栽培提供了一些参考依据 黄 永 会 等 发现杜鹃兰具有典型的菌根真菌结构 大量 菌根真菌在皮层中年形成菌丝球 主要分布在根 的基部和中部 等 也从杜鹃兰中分 离出 种可促进种子萌发的共生菌 因此推测杜 鹃兰种子共生萌发具有极大的可能性 外界环境 温度 一般情况兰科植物在合适温度均能萌发 但 不同的物种均有其最适合温度 王汪中等 研究 发现杜鹃兰种子萌发率随温度升高呈现先升高后 下降的变化规律 时萌发率为 萌发 时间为 周 时萌发率稍有下降 为 萌发时间为 周 故 比较合适 光照 一般来说 增加光照能提高种子萌发率 缩短 萌发时间 兰科个别品种对温度有特殊要求 文慧 婷等 发现香草兰种子在暗培养条件下比光培 养的萌发快 通过对沼兰的研究 王瑞霞等 发 现沼兰种子的萌发率与光照条件呈微弱的负相关 关系 在光照和完全黑暗条件下 沼兰种子均可萌 发 杜鹃兰是喜阴植物 强光照对其种子萌发有 抑制作用 可能影响种子萌发过程各种酶的活性 适宜 的 能 提 高 种 子 萌 发 率 等 曾研究了 个梯度的 和 第 期 北 方 园 艺 对 种子无菌萌发的影响 发现 为 时萌发率最高 萌发效果最好 王汪中 对不同 和 下杜鹃兰的萌发率进行了统计 发现杜鹃兰种子 萌发随 升高萌发率先上升后下降 为 和 萌发率和萌发时间分别为 周 和 周 说明最适合杜鹃兰种子萌发的 为 和 等 的研究结果基本 一致 促进种子萌发的方法 共生萌发 徐锦堂等 从天麻种子萌发的原球茎中分 离得到供给天麻种子萌发营养的真菌物质 其中 有 个紫其小菇菌株 诱导培养出子实体 属国内 新纪录 朱国胜 在研究时提出杜鹃兰若在自 然条件下萌发 必然遇到了促萌发菌 黄永会 等 显微观察杜鹃兰的菌根结构 发现皮层中有 大量菌根真菌形成的菌丝球 菌丝球主要分布在 根的中部和基部 现共生萌发在世界范围内被广 泛用于兰科植物的育种中 而且是兰科资源保护 的一种有效方式 经过多年的研究 等 从杜鹃兰的根状茎中分离得到 种促种子 萌发的菌 在 培养基中共培养 周 种子萌 发率提高为 和 非共生萌发 目前兰科比较常用的基本培养基有 改 良 等 种子萌发培养基中一般不 加激素种子就可萌发 但蕙兰 唇兰等品种在加入 低浓 度 的 等 激 素 时 能 提 高 萌 发 率 在无菌萌发方面 郑君爽等 对杜鹃兰 种子进行酸碱和低温处理 使萌发周期缩短 萌发 率提高 王汪中 通过改良培养基的配方 优化培 养条件 使种子在 周内萌发率提高到 原地共生萌发法 等 将兰科植物种子装在 特制的袋子中 埋于兰科植株的原生境中 一段时 间后 通过观察种子袋中的种子是否萌发来检验 是否有真菌侵染 该方法对杜鹃兰来说较困难 因 为原始生境地很难找到 分子机制 关于兰科植物种子萌发的分子机制研究报道 较少 目前对水稻 拟南芥等模式植物的种子萌 发分子机制研究相对较多 在拟南芥中 由 编码的光敏色素通过介导 的生物合 成和对 的敏感性来影响种子萌发 而光敏色 素结合蛋白 和细 胞核因子中的 是其调控途径中的负调控 因子 能够调控许多与萌发相关的酶 如磷酸 酶 葡聚糖酶 而 则通过介导 调控的 相关转录进而调控种子萌发 其中 等 发 现在陆生兰花的种子萌发过程中 顺 环氧类胡 萝卜素 双加氧酶的基因家族 和编码 羟 的合成分解有明显的调控作用 而在 拟 南 芥 调 控 途 径 中 及 基 因 的表达起到正向调控作用 而 和 的基 因产 物 是 其 负 调 控 因 子 蛋 白 偶 联 受 体 是感受外界信号的主要成分之一 在拟南 芥中可能参与 信号的转导 并起到正调控作 用 年 等 从鹭兰 分 离 出 类 基 因 和 通过 杂交和 分析 表明 和 基因在萼片 花瓣和花柱中 均有表达 而 基因只在花瓣和柱头中表 达 目前 兰科植物种子萌发相关分子机制目前 国内外刚刚起步 尚鲜见关于杜鹃兰种子共生萌 发分子机制的研究 蛋白质功能和结构分析等方 面有待进一步深入研究 小结与展望 综上所述 国内外科研工作者在过去的 多 年里 在兰科植物的种子休眠和萌发方面研究取 得了很大的进展 然而在研究工作中仍存在 一些问题并需要进一步加强 目前对杜鹃兰种子 休眠与萌发的研究大多是关于预处理可以提高种 子萌发率 缩短萌发时间 还有 个方面可以深 入 一方面 通过对杜鹃兰与微生物的共生关系研 北 方 园 艺 月 上 究 利用微生物的共生关系 构建杜鹃兰的共生萌 发技术 阐明共生萌发过程中细胞器与某一组织 的变化及关键酶含量的变化 从分子层面解决萌 发率低和培育周期长等问题 共生真菌的协同作 用也是未来杜鹃兰菌根研究及应用的重点研究方 向 另一方面 针对杜鹃兰的非共生萌发 探索种 子萌发过程中需要哪些营养物质如碳源 氮源等 寻找杜鹃兰种胚发育过程中内源激素的变化规 律 并对种胚发育过程的酶活性及物质代谢进行 分析 阐明杜鹃兰果实成熟时种胚滞后发育的原 因 使杜鹃兰种子高效萌发 并从分子层面进一步 阐释杜鹃兰种子萌发的机制 为濒危兰科植物种 子萌发提供参考依据 为药用植物资源的可持续 发展做出贡献 参考文献 董海玲 郭顺星 王春兰 等 山慈菇的化学成分和药理作用 研究进展 中草药 高晓峰 吕享 吴彦秋 等 杜鹃兰假鳞茎发育中内源激素的 含量变化 山地农业生物学报 陈谦海 贵州植物志 第十卷种子植物 贵阳 贵州科 技出版社 陈谦海 陈心启 贵州兰科新资料 植物分类学报 张丽霞 杜鹃兰重要生理特性和生态适应性研究 贵 阳 贵州大学 陈德媛 胡成刚 陈远光 等 杜鹃兰引种栽培观察 中国 林副特产 朱毅 杜鹃兰的化学成分研究 武汉 湖北中医药大学 袁桥玉 刘新桥 杜鹃兰假鳞茎化学成分研究 中药材 李小平 原文珂 李建烨 等 杜鹃兰的化学成分研究 中 草药 张金超 申勇 朱国元 等 杜鹃兰 化学成分研究 河北大学学报 自然科学版 黄小容 山慈菇水层部分抗菌活性筛选和分离纯化研究 贵阳 贵州大学 夏文斌 薛震 李帅 等 杜鹃兰化学成分及肿瘤细胞毒活性 研究 中国中药杂志 张明生 戚金亮 刘志 等 药用兰科植物杜鹃兰的组织培养 与快速繁殖 种子 张明生 彭斯文 杨小蕊 等 杜鹃兰人工种子技术研究 中国中药杂志 王瑞霞 何明高 宋松泉 培养基与光照对沼兰种子非共生 萌发的影响 植物生态学报 毛堂芬 丁映 杜鹃兰的组织培养与植株再生 植物生理 学通讯 吴彦秋 吕享 李小兰 等 杜鹃兰原球茎增殖培养条件 北方园艺 王汪中 张明生 吕享 等 杜鹃兰种子萌发适宜培养基的筛 选 北方园艺 吕享 李小兰 阙云飞 等 杜鹃兰侧芽萌发及其相关基因表 达分析 植物生理学报 吕享 叶睿华 田海露 等 生长素介导细胞分裂素 玉米素 调控杜鹃 兰 侧 芽 萌 发 农业生物技术学报 韦红边 吕享 高晓峰 等 兰科药用植物杜鹃兰的研究进展 贵州农业科学 吴彦秋 叶睿华 吕享 等 秋水仙素诱导杜鹃兰原球茎产生 多倍体 植物生理学报 郭顺星 徐锦堂 兰科植物种子无菌萌发的研究 种子 段金玉 谢亚红 无菌条件下激素和种子处理对兰属十种植 物种子萌发的影响 云南植物研究 朱国胜 贵州特色药用兰科植物杜鹃兰和独蒜兰共生真菌 研究与应用 武汉 华中农业大学 第 期 北 方 园 艺 黄永会 朱国胜 刘作易 等 杜鹃兰菌根结构显微观察初报 贵州农业科学 文慧婷 张翠玲 吴刚 香草兰的组织培养试验 广东农 业科学 王汪中 杜鹃兰种子萌发障碍及其破除方法研究 贵阳 贵州大学 徐锦堂 郭顺星 供给天麻种子萌发营养的真菌 紫萁小菇 真菌学报 周伟香 花叶开唇兰种子非共生萌发的研究 中草药 郑君爽 吕蕙 宁慧娟 等 国兰与大花蕙兰育种及无菌播种 研究进展 中国农学通报 刘思思 陈娟 郭顺星 兰科植物种子萌发的研究进展 种子 孙崇波 刘玫 施季森 等 蕙兰种子无菌萌发及植株再生 浙江农业学报 北 方 园 艺 月 上