“玻璃化作用(Vitrification)”一词常用于描述与组培植物有关的两类变化过程:一是描述形态表征与生理功能异常的器官与组织;二是描述从液态到固态的转变,如离体培养的细胞、组织和器官在低温贮藏中冰的形成。前一种用法在过去10年的组培文献中尤为常见,而后者则长期用于低温生物学中,较为正确,且正出现在植物组织培养文献中,同一词用于定义同一研究领域中两类截然不同的变化过程只能产生混乱,特别是关键词。因而有必要重新审议上述提及的第一种用法是否恰当。
据词典及百科全书,“玻璃化作用(Vitrification)”一词来源于动词“玻璃化(Vitrify)”,是基于“将某物经加热和熔化转变成玻璃或类似的非结晶的物质”这一概念的。“玻璃状(glassy)”一词是指当某液体经冷却成非晶态的固体时的一种物质存在形式。在低温生物学中,“玻璃化作用”一词的使用至少可以追溯到1961年,它表示一种流动的液体到不流动的液体(如一种无定形的“固体”)的转变。该词亦为冶金学及塑料工业广泛引用,其含义亦与低温生物学中的相似。很明显以前的那些用法与植物组培中的用法不同。
“玻璃化作用”这一概念是由德伯格(Debergh)等于1981年提出并首次用于描述常规的植物组培中那些呈水浸状的、半透明状的或玻璃状的器官,组织,尤其是叶的形态表征的。其他畸形常与玻璃状外表有关联。该词广为其他研究人员所接受并越来越多地被用于描述有各种畸形的外植体。随着对“玻璃化作用”现象的深入研究,外植体在生理上的变化先于可见症状的出现已越来越清楚了。因此,离体培养植株的叶在解剖及形态上的某些特征明显不同于非离体培养植株叶子的特征的现象被认为是“玻璃化作用”的前兆。
总之,植物组培中“玻璃化作用”一词的唯一恰当用法是表述其在冰冻贮藏中发生的水到冰的转变(同低温生物学中所用定义)、因此需用新词来叙述某些离体培养情况下,生理上的变化表现在解剖与形态异常的过程及条件。
新术语
已有许多词如半透明状的、玻璃状的、超度含水的、水浸状的、多汁的等被用于描述“玻璃化的”培养。对于离体生长的形态正常而生理上异常的植物(组织、器官),有人提出用“离体化作用(invitrofication)”一词,然而似乎离体生长的组织和器官都有与正常生长的组织和器官不同的形态。因而,“invitrofication”不适合描述“玻璃化的”培养。只有上述的名词“超度含水(hyperhydricity)”能最准确地描述玻璃化现象,而形容词“超度含水的(hyperhydric)”有‘’过度持水;吸收或含过量的水”的意思。
超度含水植物的复合症状
并非所有植物的超度含水的典型症状郞相同,其形成依赖多种因素。解剖、形态及生理上的变化始于外植体培养时。标准条件下,培养中新形成的茎干和叶在解剖上不同于非离体培养生长的茎、叶。因干扰,这些器官的生理也不同。可见症状仅在某一时期之后、某些外植体和培养条件下出现,但可通过控制培养基的组成、培养器皿的环境因素及培养的外植体的品种加以避免。于此先讨论一下超度含水植物的形态、解剖及某些生化特征。
形态特征
植株常有较短的节间,丛生;茎径或大或小;叶厚,细长,皱或卷曲、呈半透明状、脆弱易碎,具变小或肥大的表面,颜色也不正常;针叶树中,针叶粘在一起;不定根的发生常难。
解剖特征
茎皮层及木髓薄壁组织肥大、胞间隙大;维管系统木质化不完全、数量减少或异常;叶栅栏细胞层减少;叶肉细胞层中有大的胞间隙,表皮组织有缺陷,包括表面蜡质较少或蜡质的晶状结构不同:角质层中角质、果胶及纤维素含量低;某些种中有较多的排水孔;保卫细胞壁中胼胝质增加而纤维素不增加,气孔数目无定且功能失常。叶绿体的基粒和基质组成异常且叶绿素含量较低、根、茎间的维管连接也有缺陷。
生化特征
大量的分析工作已估计到不同的酶及矿质元素对超度含水的形成所起的作用,但仍未得出普遍性的结论。总的来说,超度含水的茎、叶含较少的木质素及纤维素;原正常组织中各种酶的活动也发生改变;茎、叶水分含量较高、干重较低。
诱导超度含水的外部因素
引起超度含水的因素很多,但其中许多因素仅当其他培养条件如培养基、容器、环境、外植体不是最佳时才诱导或引发超度含水。例如:BA在诸如容器空余空间有高的持水能力等其他因素作用下才诱导或引发超度含水。目前,最经验的设计也不能明确区分引起超度含水与诱导超度含水因素间的差别。
诱导因素与超度含水的控制可在外植体的种类、培养基、容器及环境方面做工作。
培养基:
与培养基稠度有关的凝固剂的浓度和类型;固体培养基中液层的存在;细胞分裂素的量及类型;盐浓度与组成及某些大量元素的存在均与超度含水的形成有关。
容器:
制作容器及塞子的材料能影响气体交换进而影响容器内水蒸气、CO2及乙烯的浓度;培养基及容器内空余空间部分的体积和外植体的数量(体积)也影响气体浓度。
环境:
内外环境虽截然不同,但两者相互联系,不能分开。容器周围空间的温度、光强度及光质、气流运动及相对湿度也影响培养的植物生长。如容器内的温度梯度通过影响容器内的相对湿度直接或间接地影响生长;架上容器搁置的位置也有影响。
外植体:
对超度含水的敏感性依种类、栽培品种、继代培养时长及建立培养的时间(如继代培养的数量)、外植体切取的方式、外植体在培养基上或内的植入及器官或组织离培养基表面的距离不同而各异。
控制超度含水的方法:
培养基:液体培养基比固体培养基、含凝固剂少的比含凝固剂多的固体培养基更易引起超度含水。过去曾成功地用含高浓度或高强度凝固剂的固体培养基防止超度含水的发生。降低细胞分裂素浓度或以一种替代另一种(通常用不同的细胞分裂素替代BA)也有效。其他生长物质与诱导超度含水的细胞分裂素发生相互作用,但效果尚未确定;增加Ca2+及减少NH4+或Cl-对避免或减少超度含水有帮助;其他方法包括使用果胶、水解琼脂、根皮苷、间苯三酚、CoCl2、Ni2+蛋氨酸、AgNO3,生长抑制剂及用果糖或半乳糖作碳源等。
容器:用透气膜作塞子及用柔韧塑料作培养容器均允许气体交换并可防止诸如乙烯等气体在容器上部空间形成。
环境:将无BA的培养冷藏(2~4℃)或去叶,在某些情况下能有效地防止或去除超度含水;冷却搁置容器的架子可使容器内产生温度梯度并减少上部的水蒸气;在某些情况下,增加光强度也有效。
结 论
最初由德伯格等(1981)提出的“玻璃化作用(Vitrification)”一词被广为使用了10多年,可能与该词的其他早期用法相混,因而,建议用“超度含水(hyperhydricitn)”一词而代之;并且,用“超度含水的(hyperhydric)”替代“玻璃化的(vitrified)”。
[Plant Cell. Tissue and Organ Culture 1992年第30期]