不同抗有丝分裂剂诱导植物多倍体的成效对比

现代农业科技2023年第6期植物保护学

不同抗有丝分裂剂诱导植物多倍体的成效对比

郭恒琳1，2韩永华1，2勾晓婉1，2*李宗芸1，2

（1江苏师范大学生命科学学院，江苏徐州221116；2江苏师范大学整合植物生物学研究所，江苏徐州221116）

摘要多倍体具有提高作物环境耐受性以及生物量的优势，因而人工诱导多倍体为作物育种和开发提供了新思路。使用抗有丝分裂剂获得多倍体，其效果取决于抗有丝分裂剂的种类、浓度和处理时间。本文对比了不同抗有丝分裂剂的作用原理及其诱导多倍体的处理条件和效果，以期帮助科研工作者选择合适的试剂，提高植物多倍体的诱导效率。关键词多倍体；抗有丝分裂剂；秋水仙素；氨磺乐灵；氟乐灵；甲基胺草磷中图分类号S335.3文献标识码A文章编号1007-5739（2023）06-0130-06DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.06.035开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

EffectComparisonofPlantPolyploidInductedbyDifferentAnti-mitoticAgents

GUOHenglin1,2HANYonghua1,2GOUXiaowan1,2*LIZongyun1,2(1SchoolofLifeScience,JiangsuNormalUniversity,XuzhouJiangsu221116;2InstitueofIntegrativePlantBiology,JiangsuNormalUniversity,XuzhouJiangsu221116)

AbstractPolyploidcanincreasetheenvironmentaltoleranceandbiomassofcrops,soartificiallyinducedpolyploidprovidesanewideaforthebreedinganddevelopmentofcrops.Theeffectsofanti-mitoticagentsonobtainingpolyploiddependonthetype,concentrationandtreatmenttimeofanti-mitoticagents.Inthispaper,theactionprinciplesofdifferentanti-mitoticagents,theirtreatmentconditionsandeffectsonpolyploidinductionwerecompared,soastohelpresearcherschooseappropriateagentsandimprovetheefficiencyofplantpolyploidinduction.

Keywordspolyploid;anti-mitoticagent;colchicine;oryzalin;trifluralin;amiprophos-methyl

多倍体在植物界普遍存在，几乎所有现存的被

子植物在其进化史上都经历了至少1次的多倍化事

件[1-2]。最初多倍体被认为是高等植物进化的“死胡

同”（deadend），而越来越多的证据支持多倍体是植物

进化的重要驱动力量[3-4]。

随着基因组测序等分子技术的迅猛发展，植物育

种方法已经从传统的杂交育种、诱变育种等方式慢慢

向分子标记育种、转基因育种等方向转移。但是，分子育种尤其是转基因育种的安全性一直存在争议，因而

传统育种手段仍然是主流。其中，诱变育种中的多倍体育种尤为重要，因为多倍体在生长速率、外观形态、生物量（产量）和抗逆性等方面均表现出优势[5-7]。例如，在拟南芥[8]、小麦[9]和三浅裂野牵牛[10]中均证明多倍体的耐盐性高于二倍体。在多倍体形成后还会快速发展出新的特征，使其能够入侵新的生态位，在广泛

的栖息地中生存，并在不利的环境条件下存活[11-12]。植物的生长周期长，各种生物技术手段（如多倍体化、单倍体诱导、突变育种和体外体细胞变异）可以加快其选育过程[13]。与突变育种和常规杂交育种相比，多倍体育种是一种有效的育种方式，其完成时间

短、易于操作，并且能有效提高利用率[14]。自然条件下也可产生多倍体，但是新多倍体需要突破二倍体种质的包围才能稳定遗传。因此，进行人工诱导多倍体可跳过自然选择的约束。目前，已经成功育成猕猴桃[15]、基金项目江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_2606）；江苏省自然科学基金项目（BK20190996）；国家自然科学基金项目（32001535）；财政部

和农业农村部：国家现代农业产业技术体系（甘薯）项目（CARS-10-B02）。作者简介郭恒琳（1998—），女，山西平遥人，在读硕士研究生。研究方向：植物多倍体诱导机制。*通信作者

收稿日期

2022-07-05130

Copyright©博看网. All Rights Reserved. 柠檬[16]、杜鹃花[17]等多种多倍体。本文将对人工诱导

多倍体的不同试剂进行介绍与对比，以期为以后多倍

体诱导在更多物种上的应用提供参考。1抗有丝分裂剂的概述

抗有丝分裂剂是治疗癌症的主要细胞毒性药物

之一，其基本原理是破坏微管蛋白与许多天然或合成

分子的结合靶点，从而抑制纺锤体的形成，阻止染色

体向细胞两极移动，破坏细胞周期，达到细胞内染色

体加倍的结果[18]。在植物研究领域常见的抗有丝分

裂剂有秋水仙素以及氨磺乐灵、甲基胺草磷、氟乐灵

等除草剂。2抗有丝分裂剂的作用机理

秋水仙素（colchicine），分子式为C22H25NO6，是经

典的抗有丝分裂剂。秋水仙素与微管蛋白结合形成

复合物，使微管不能发生聚合，导致细胞无法正常形

成纺锤丝，但不影响正常的染色质变化，即染色质正

常形成染色体，而纺锤体的形成受到抑制，姐妹染色

单体正常分离后无法正常移动到细胞两极，进而导致

染色体加倍[19]。

氨磺乐灵（oryzalin），分子式为C12H18N4O6S，是一

种二硝基苯胺类除草剂，近些年才被用于诱导多倍

体。氨磺乐灵能与植物微管蛋白高度亲和形成复合

体，并干扰细胞器的离子运输系统，从而使微管解聚，

抑制有丝分裂，导致染色体加倍[20]。

甲基胺草磷（amiprophos-methyl，APM），分子式为C11H17N2O4PS，是一种磷酸酰胺类除草剂。研究表明，

甲基胺草磷可抑制植物微管蛋白的体外聚合[21]，其作

用原理与二硝基苯胺类除草剂类似。这些除草剂通

过抑制细胞分裂和伸长来阻止植物生长，使细胞壁中

纤维素微纤丝沉积的方向变得随机，产生典型的“肿

瘤”根形状的细胞。由于微管解聚，细胞的活动被破

坏，纺锤体的运动发生变化，细胞有丝分裂过程出现

异常、染色体加倍，进而产生多倍体[22]。

氟乐灵（trifluralin），分子式为C13H16F3N3O4，属于

二硝基苯胺类除草剂，对动物和植物低毒，在紫外光

下可分解。有研究表明，氟乐灵比秋水仙素毒性小、

诱导率高、价格低廉，同时氟乐灵对动物慢性毒力低，

是诱导多倍体的理想诱导剂[23]。3抗有丝分裂剂在植物倍性育种中的应用研究

进展1937年，Blakeslee等[24]利用秋水仙素获得了曼陀罗的多倍体，自此开启了使用秋水仙素进行多倍体作

物诱导的时代，例如三倍体无籽西瓜的培育、八倍体

小黑麦的创制等。但秋水仙素含有剧毒，不仅会对植

物产生致死性损伤，致使多倍体诱导率低，还会危害

操作者的健康。因此，近年来新的抗有丝分裂剂被广

泛开发，如氨磺乐灵、氟乐灵、甲基胺草磷，相关研究

见表1。

在进行多倍体诱导时，秋水仙素是使用最广泛的

抗有丝分裂剂，已被应用于诱导水果、观赏花卉等多

种植物中，如猕猴桃[15]、蝴蝶兰[26]等，并且诱导效率可

达到50%。较高浓度的秋水仙素处理能够得到较高

的诱导率，但也导致植株死亡率升高[15，16，25-29]，使获得

的多倍体数量较少。因此，秋水仙素的使用浓度一般

在0.025%~0.500%之间，具体使用浓度需根据试验材

料进行选择。此外，秋水仙素诱导所得多倍体常出现

叶片尺寸小于二倍体植株的现象，例如云锦杜鹃[30]，

其可能原因：一是秋水仙素在多倍体植株中的积累影

响有丝分裂，导致叶片尺寸有限；二是多倍体细胞分

裂对细胞资源和能量的需求增加[43]，如细胞分裂前需

要更多的资源来复制基因组，从而对多倍体植物的资

源提出了更高的要求[44]。Ramulu等[36]比较了氨磺乐灵和秋水仙素对马铃

薯悬浮细胞分裂过程的抑制作用，发现氨磺乐灵使14.7%的细胞停留在分裂中期，而秋水仙素使8.1%

的细胞停留在分裂中期。这说明氨磺乐灵在低浓度

下即可实现高效率诱导细胞染色体加倍。除氨磺乐

灵外，甲基胺草磷也是较好的抗有丝分裂剂，其优点

在于溶解度更高，可以减少其他溶剂的使用。此外，

甲基胺草磷已表现出对微管蛋白的高亲和力[22]，并且

可能与氨磺乐灵具有相同的结合位点。不仅如此，甲

基胺草磷具有双重作用，既对幼苗生长具有抑制作

用，还对幼苗不定芽诱导具有促进作用，并且不定芽

通常为四倍体[40]，但其用于诱导多倍体的研究较少。

关于氟乐灵，目前的研究主要集中于对比其与秋水仙

素、氨磺乐灵诱导多倍体的能力，如氟乐灵对桑树的

根尖、顶芽生长具有一定的抑制作用，但在较低浓度

条件下即可达到诱导效果[23]。

大量对比研究发现，氨磺乐灵、氟乐灵、甲基胺草

磷对植物毒性较小，能通过较低浓度实现多倍体诱

导，并且不影响幼苗的存活，但抗有丝分裂剂对植物

的作用效果与基因型有关，因而应根据植物种类选择郭恒琳等：不同抗有丝分裂剂诱导植物多倍体的成效对比131

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合适的抗有丝分裂剂[45]。4多倍体诱导过程中的注意事项

4.1浓度选择

从表1可以看出，在进行多倍体诱导时，适宜的

抗有丝分裂剂浓度是诱导成功的关键因素之一。与

秋水仙素相比，氨磺乐灵、氟乐灵与植物微管有更高

的亲和性，并且在同等浓度下，这2种药剂对植物微

管的抑制效果优于对动物微管的抑制效果，在0.01~0.10μmol/L浓度下产生的效果和秋水仙素在0.01~

1.70mmol/L浓度下产生的效果相当[46-48]。实际所用

浓度应根据具体材料和欲诱导部位而定，浓度太高会

使植物受伤甚至死亡，浓度偏低则达不到诱导加倍的

目的。一般在试验前要进行浓度的预试验，找出合适

的处理浓度，以便达到最佳的诱导效果。另外，氨磺

乐灵的浓度应结合处理方法而定，如对同一植物的同

一部位进行离体诱导处理，采用浸泡法比采用包埋法

所需的浓度更低[49]。除此之外，用于溶解抗有丝分裂

剂的溶剂也具有重要影响，可能对外植体有毒性[50]。

常用溶剂二甲基亚砜（DMSO），主要功能是增强细胞

膜的通透性，但药剂本身具有毒性，较高浓度时会导

致细胞死亡，其对多倍体诱导的影响尚未进行比较试验。4.2处理时间

抗有丝分裂剂处理材料的时间一般在数小时到

数天不等（最长达10周[42]，最短只需4h[27]），具体根

据植物材料的种类、处理方法、使用溶液种类、浓度和

温度而定。在2018年，Denaeghel等[42]对3种鼠刺属

植物进行了高浓度短时间处理和低浓度长时间处理，

结果表明：短时间处理中氨磺乐灵、氟乐灵的最佳处理

条件均为250μmol/L处理2d，此时多倍化诱导率达56.7%、死亡率为4.9%；长时间处理中，氟乐灵的最佳

处理条件是5μmol/L处理10周，多倍化诱导率达到63.4%、死亡率为12.5%，氨磺乐灵的最佳处理条件是

1μmol/L处理8周。总之，高剂量和较短的处理时间

可获得更高的诱导效率，但存活率相对较低。因此，

抗有丝分裂剂的处理时间应根据植物材料特性与试

验处理方法而定。一般情况下，发芽种子或幼苗生长