论植物组织培养褐变产生的因素及对策

　　论文关键词：植物组织培养褐变酚类物质多酚氧化酶醌类物质
　　论文摘要：植物组织培养过程中，褐变问题普遍存在，与菌类污染和玻璃话现象并称为植物组织培养的三大难题。针对褐变难题，本文结合相关资料，对影响褐变的因素作了全面分析，褐变的影响因素是复杂的，随植物种类外植体的部位几生理状况培养基及培养条件的不同而危害的程度有所不同，对这些因素是内因外界影响作用作了分析并针对这些因素提出了相应的解决措施。
　　在许多植物组织培养过程中，常遇到褐变问题。褐变主要发生在外植体，在植物愈伤组织的继代、悬浮细胞培养以及原生质体的分离与培养中也经常发生。褐变产物不仅使外植体、细胞、培养基等变褐，而且对许多酶有抑制作用，从而影响培养材料的生长与分化，严重时甚至导致死亡。本文探讨植物组织培养中褐变现象的影响因素、机理及防范措施，对我们进行科学研究或工厂生产，包括植物组织的培养，原生质体、悬浮细胞和植物器官的培养都有着十分重要的现实意义。
　　1褐变原因及危害
　　褐变是指外植体在培养过程中，自身组织从表面培养基释放褐色物质，以致培养基逐渐变成褐色，外植体也随之进一步变褐而死亡的现象。褐变的发生与外植体组织中所含的酚类化合物数量多少及多酚氧化酶活性有直接关系。很多植物，尤其是木本植物都含有较高的酚类化合物，这些酚类化合物在完整的组织和细胞中与多酚氧化酶分隔存在，因而比较稳定。在切割外植体时，切口附近的细胞受到伤害，其分割状态被打破，酚类化合物外溢。对于外植体本身来讲，酚类物质从外植体切口向外溢出是一种自我保护性反应，可诱导植保素或无物理屏障的形成，以防止微生物侵染组织。但酚类很不稳定，在溢出过程中与多酚氧化酶接触，在多酚氧化酶的催化下，迅速氧化成褐色的醌类物质和水，醌类物质又会在酪氨酸酶等的作用下，与外植体组织中的蛋白质发生聚合，进一步引起其他酶系统失活。从而导致组织代谢活动紊乱，生长停滞，最终衰老死亡。此外，由于组织的老化病变也会使多酚氧化酶激活而引起褐变。
　　2褐变产生的机理
　　2。1非酶促褐变
　　非酶促褐变是由于细胞受胁迫或其他不利条件影响所造成的细胞程序化死亡或自然发生的细胞死亡，即坏死形成的褐变现象，并不涉及酚类物质的产生。徐振彪等〔1〕将生长正常的愈伤组织转移到含NaCl的培养基中，组织周围尤其是接触培养基部分发生褐变，但培养基中没有看到扩散的褐化物质。当温度升高时继代保存时间过长，也会发生此类现象。但这种褐变若采取适当措施或者愈伤组织适应了胁迫环境就不再发生了〔3〕。
　　2。2酶促褐变
　　目前认为植物组织培养中的褐变主要是由酶促褐变引起的，培养材料变褐主要是由伤口处分泌的酚类化合物引起的〔4〕。酶促褐变如同一般的酶促反应，其发生必须具备三个条件，即酶、底物和氧。引起褐变的酶有多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶等。从初次培养和继代培养过程中试管苗的褐变程度和PPO的活性来看，表明PPO活性的高低是引起培养材料褐变的关键。引起褐变的酶的底物主要是酚类化合物，按其组成可分成3类：苯基羧酸（包括邻羟基苯酚、儿茶酚、没食子酸、莽草酸等），苯丙烷衍生物（包括绿原酸、肉桂酸、香豆酸、咖啡酸、单宁、木质素等），第三类是黄烷衍生物（包括花青素、黄酮、芸香苷等），但并非所有的酚类物质都是PPO的底物。
　　在正常发育的植物组织中，底物、氧气、PPO同时存在并不发生褐变，是因为在正常的组织细胞内由于多酚类物质分布在细胞的液泡内，而PPO则分布在各种质体或细胞质中，这种区域性分布使底物与PPO不能接触。而当细胞膜的结构发生变化和破坏时，则为酶创造了与PPO接触的条件，在氧存在的情况下使酚类物质氧化成醌，进行一系列的脱水、聚合反应，最后形成黑褐色物质，从而引起褐变。
　　3褐变产生的影响因素
　　影响植物组织培养褐变的因子是复杂的，因植物的种类、基因型、外植体部位及生理状态等不同，褐变的程度也有所不同。
　　3。1植物种类及基因型不同的植物和不同的基因型决定了不同的褐化程度。在组织培养中，品种褐化难易可能是与该品种中多酚类物质含量的多少及多酚氧化酶（PPO）活性的差异有关。
　　3。2外植体部位及生理状态外植体的部位及生理状态不同其褐化程度不同，同时，不同时期和不同年龄的外植体在培养中褐变的程度也不同。
　　3。3培养基成分培养基成分中的无机盐、蔗糖浓度、激素水平等对褐变的程度的影响尤为重要。另外，其pH值也与褐变程度有较大关系。
　　3。4培养条件温度过高或光照过强，均可加速被培养组织的褐变。不利环境条件都能造成细胞的程序化死亡，温度是诱导程序化死亡的主要因素〔1〕。
　　4防止外植体产生褐变的对策
　　从理论上讲，酶促褐变可以通过以下三种方法加以抑制：一是除去引起氧化的物质氧；二是捕捉或减少聚合反应的中间产物；三是抑制有关的酶。实际操作上，下列措施是被认为行之有效的。
　　4。1适当外植体的选择
　　取材时应注意选择褐变程度较小的品种和部位作外植体。成年植株比幼苗褐变程度厉害，夏季材料比冬季及早春和秋季材料的褐变要严重。冬季的芽不易生长，宜选用早春和秋季的材料作为外植体。王异星〔5〕用荔枝无菌苗不同组织的诱导试验表明，茎最容易诱导出愈伤组织，培养2周后长出浅黄色的愈伤组织；叶大部分不能产生愈伤组织或诱导出的愈伤组织中度褐变；而根极大部分不产生愈伤组织，诱导出的愈伤组织全部褐变。
　　4。2对外植体的处理
　　4。3适宜的培养基
　　培养基的成分与褐变程度有关，要考虑所选培养基的状态和类型。
　　4。3。3培养基的硬度在一定范围内，琼脂用量大，培养基硬度大，褐变率低〔8〕，这可能是培养基的硬度影响了酚类物质的扩散速度的缘故。
　　4。3。4培养基中水的硬度的影响硬度低的蒸馏水褐变率低，而使用硬度较高的自来水，褐变严重，甚至会出现褐变死亡〔8〕。这可能是配制培养基的水改变了培养基中无机盐的浓度，间接地影响了植物外植体的褐变。
　　4。3。5培养基的pH值在水稻体细胞培养中，pH值为4。55。0时MS液体培养基可保持愈伤组织处于良好的生长状态，其表面呈黄白色，而pH值为5。56。0时，愈伤组织严重褐变〔9〕。一般来说，酸性环境（pH值为4。55。0）不利于褐变过程的发生〔10〕。
　　4。3。6培养条件如温度过高或光照过强，光照会提高PPO的活性，促进多酚类物质的氧化，从而加速被培养的组织褐变。高浓度CO2也会促进褐变，其原因是环境中的CO2向细胞内扩散，细胞内CO32增多，CO32与细胞膜上的CO32结合，使有效CO32减少，导致内膜系统瓦解，酚类物质与PPO相互接触，产生褐变〔11〕。因此，初期培养要在黑暗或弱光下进行。
　　4。4添加褐变抑制剂和吸附剂
　　常用的吸附剂有活性炭和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。活性炭是一种吸附性较强的无机吸附剂，能吸附培养基中的有害物质，包括琼脂中的杂质、培养物在培养过程中分泌的酚、醌类物质以及蔗糖在高压消毒时产生的5羟甲基糠醛等，从而有利于培养物的生长。粉末状的活性炭与颗粒状的活性炭相比吸附性更强，一般在培养基中加入14gL的活性炭。在使用过程中应注意，尽量用最低浓度的活性炭来对抗褐变的产生，因为活性炭的吸附作用是没有选择性的，在吸附物质的同时，也会吸附培养基中的其他成分，对外植体的诱导分化会产生一定的负面影响〔14〕。而聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是酚类物质的专一性吸附剂，在生化制备中常用作酚类物质和细胞器的保护剂，可用于防止褐变〔15〕。
　　4。5进行细胞筛选和多次转移
　　参考文献：
　　〔1〕徐振彪等。植物组织培养过程中的褐化现象。国外农学杂粮作物，1997（1）：5556。
　　〔2〕符近。三种不同类型种子休眠萌发及马占相思种子老化过程的研究。北京农业大学硕士研究生论文，1996。
　　〔3〕傅作申，玉米耐NaCl幼胚愈伤组织的筛选及特性分析，长春农牧大学硕士论文，1996。
　　〔4〕颜昌敏编著，植物组织培养手册，上海科学技术出版社，1990。
　　〔5〕王异星。荔枝细胞培养的初步研究。暨南大学学报，1997，18（5）：8485。
　　〔7〕张妙霞。柿树组织培养防止外植体褐变的研究。河南农业大学学报，1999，33（1）：8791。
　　〔12〕蔡金星等。不同品种梨多酚氧化酶特性及其抑制剂的研究。河北农业技术师范学院学报，1999，13（1）：5557。