
拟南芥是一种十字花科植物,广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究,已成为一种典型的模式植物,其原因主要基于这种植物具有以下特点:
(1)形态个体小,高度只有3Ocm左右;
(2)生长周期快,从播种到收获种子一般只需6周左右;
(3)种子多,每株每代可产生数千粒种子;
(4)形态特征简单;
(5)基因组小,只有5对染色体。
虽然这种植物在许多方面"简单",但它的大多数基因与其他"复杂"的植物基因具有很高的同源性,另外,由于这种植物的全部基因组测序已经完成,因此可以预测,拟南芥在植物学所有领域的研究中将发挥更大的作用。
我们生命科学实验室的12位同学在中科院沈阳应用生态所郝林老师的指导下,以拟南芥生态型Wassilewskija(简称WS)为实验材料进行组织培养,得到了完整的试管苗。与经典的植物组织培养材料胡萝卜相比较,拟南芥离体叶片。茎段等脱分化和再分化所需时间短,条件简单,试管苗以腋芽繁殖方式短时间内可得到大量植株。另外,在试管苗生长过程中,极易诱导花器官的形成,有的植株只有O.5cm高时,就发育成完整的花朵并开放,有些近1OO个丛生苗的植株竟能同时开花。我们还对试管苗的某些器官进行了观察,如气孔、表皮毛、维管束等,不仅增加了课外知识,还培养了探索大自然的兴趣,学习了科学研究方法,同时对拟南齐这种模式植物也有了进一步的认识。一材料与方法
1.实验材料
将拟南芥种子经10%双氧水消毒后接种于MS培养基上,于28度、光照1Oh培养五周,长出无菌苗。在无菌条件下切取叶片和茎段,接种于MS诱导培养基上。于白天28℃(附加光照12h)、夜间2O℃温箱中培养,长出愈伤组织后转移至分化培养基上。
2.培养基
基本培养基为MS,其中诱导培养基附加植物激素IAAO.5-2mg,分化培养基附加6BAO.5-1mg,IAAO.5mg;蔗糖2Og,琼脂1.2%,pH5.8。
3.叶片脱绿
将叶片放到盛有95op乙醇的eP-pendoff管中,用针头在盖上刺一小孔,在7O℃水浴中保温至叶绿素消失(约需2Omin)。如果需要完全去除叶绿素,则应在保温IOmin时更换一次乙醇。二结果与讨论1.愈伤组织的诱导和试管苗的分化在诱导培养基上培养1周,叶段和茎段的切口处开始膨大,两周后愈伤组织生长良好,表面呈粒状,局部变绿。在一些外植体上长出根系,在带芽的茎段上直接长出小苗。将愈伤组织切下转人分化培养基上,五周后就有芽和根分化,两周后小苗生长正常。将完整的试管苗取下转入新培养基上,l周后从苗基部生长出次生苗。在原培养基上生长2~3周后,将试管苗移入土壤可成活。
据报道,胡萝卜是第一个组织培养成功的植物,多年来一直是植物组织培养技术培训和教学的经典材料,但我们的实验表明,拟南芥也是一种组织培养的示范材料,这主要基于以下事实:
(1)易获得无菌苗。种子经表面消毒后接种于培养基上,五周后就可得到足够大且健壮的无菌苗,在无菌条件下切断并接种,几乎不会发生污染。相反,若对外植体进行表面消毒对初学者来说是较困难的,消毒时间长会导致外植体被"杀死",而时间短又达不到完全消毒,且消毒剂的残留也会影响外植体的生长。另外,由于外植体的表面消毒步骤较多,很容易引起再污染,因此我们认为对初学者来说易于获得无菌苗是十分重要的。
(2)愈伤组织的诱导和试管苗分化周期较短。本实验结果表明,从愈伤组织诱导到完整植株再生只需1个月。
(3)植株分化率高,几乎所有的外植体都能诱导分化出苗。
(4)试管苗的繁殖速度快。将单一的试管苗分割后转入新的培养基上,1周后从其基部长出次生苗,长到一定大小后又产生新的次生苗,这样,2O多天后就可可由一株试管苗产生出100多株。
(5)诱导与分化所需条件简单。诱导培养基中只加IAA,且在一定浓度范围内均有效,分化所需激素也较简单。
2器官的观察
叶片脱绿后,在低倍或高倍显微镜下可直接观察气孔、表皮毛、维管束等的三维结构。与其他高等植物一样,拟南芥的气孔也是由两个大的保卫细胞构成,在细胞内侧(靠气孔一侧)分布有叶绿体。观察到了不同结构的表皮毛,最多是三叉的,也有极少数是双叉或单叉的。观察维管束发现,叶尖端的纸管束最先分化,越是靠近叶基部的纸管束分化水平越低。
气孔是植物的"口",是植物与外界进行气体和水分交换的主要通道,通过观察气孔的立体结构有助于了解气孔的开闭机理,进而了解植物对气体和水分交换的调节机理。拟南芥的表皮毛是很特殊的,它是由单细胞构成,它的发育与分化相对简单,是研究高等植物细胞分化调控的极好材料,目前已有2O多种影响表皮毛发育的基因被鉴定出来。本实验中观察到的单叉和双叉表皮毛就有可能是基因突变所引起的,因为三叉是拟南芥表皮毛的正常结构。维管束是高等植物的主要组织之一,它的分化程度可以标志细胞的整体分化水平,叶片脱绿后能够很清楚地看到其维管束,因此通过这种方法可以研究植物细胞的分化。
3.开花的诱导
试管苗在分化培养基生长约2O大,大部分植株的顶端形成花器官,几天内花朵开放。解剖观察,花器官发育正常,每朵花苞各含4枚等片、花瓣和雄蕊及1枚雌蕊,涂片可看到发育良好的花粉粒,有的1OO多个丛生苗的植株上几乎都有花器官形成。
在日照10h条件下,拟南芥只进行营养生长,且其莲座叶生长很快,而在12h条件下培养,其莲座叶不再生长,而是抽苔开花,这说明拟南芥是一种长日照植物。植物开花的决定性因素是日照长短,而与植株的大小没有必然联系,有些植株仅O.5cm高就开花了。拟南芥的花器官诱导所需时间短,开花快,花朵多,因此我们认为它也是高等植物开花诱导实验的好材料。另外,根据报道,拟南芥与矮牵牛的花器官发育调控具有"ABC"理论,即随着花器官基因发生突变,四轮花器官可相互转变,这对研究高等植物花的成因具有十分重要的意义。
许多花园都有一个被浓阴覆盖的角落,往往是由花园前主人造成的,并且常常处置不当。但只要经过精心安排,它们都会呈现出独特的魅力。尽管它们通常为永久性的阴地环境,但还是可以分成几个等级,从浅阴至浓阴或花阴。凉爽潮湿的环境适合一系列喜阴和喜湿植物的生长需要。在大多数情况下,只要在种植前混入有机质,并每年铺上一层覆盖物或追肥一次,阴地植物便生长良好。要取得更好的装饰性观赏效果,可添置些喷涌或流动的小水景:
选择容易种植的植物
为了避免过于繁琐的养护工作并使土壤紧实,浓阴地种植应以粗放型的地被植物为主。常春藤和野芝麻(Lamium)属植物对有“问题”的土地有超强的覆盖能力,能忍受浓阴、干阴和贫瘠的土壤。常春藤混种蔓性绣球花是永久性阴生墙面和围栏种植的理想选择。绝大多数地被植物是通过匍匐根和匍匐茎迅速蔓延的。在植物幼苗期,可以在其间辅上一层覆盖物以阻止野草的生长直至它们长大。充分的准备是地被种植成功的决定因素。如果事先没有做好准备工作,野草会纠结缠绕形成一片荒地,想要除去它们而不伤及观赏植物简直是不可能的。最重要的准备工作是彻底清除土地上所有的杂草,特别是多年生杂草,例如茅根草。施用内吸性的除草剂是最快捷的方法。如果你不愿意使用化学药剂,可以在翻地时用手工挖除野草。如果事先准备充分,铺上黑色塑料布或旧地毯也可以阻止野草的生长
如何用限制性因子理论解释生物的生态适应性
绝大多数生态因子都相互影响。例如温度升高加强蒸发能导致土壤缺水,温度过低冻结土壤水分也阻碍植物吸水。有些因子直接作用于生物体,如日照、温度、水分等,称为直接因子;有些则通过直接因子而间接作用于生物体,如地面坡向、坡度常影响日照和土壤含水量等,这些因子称为间接因子。但坡向、坡度等因素有时也常直接影响生物的生存与活动,所以直接和间接因子的划分只能是比较粗略的。还有时两个直接因子共同作用于生物体,产生综合效果。例如生物体质因缺乏食物而下降,在低气温下就容易冻死。 生物生存于特定生境中,受多种因子的综合影响,但其中只有一两个起主导作用的因子(称限制因子)。这是在一定时间内针对特定对象而言的,例如生物所需营养中最缺乏的成分常常成为决定其生存的限制因子,再如日照时间的变化是触发植物发育阶段转变的必要条件,在这个转变时期,它便成为限制因子。 生态因子直接作用于个体的情况有几种:可能仅仅作为信号,如通过动物的神经系统引起行为变化;也可能通过多种途径造成生物正常或异常的生理反应;还可能直接影响生物的解剖结构。就生态因子的性质看,不外物质、能量和信息3种。它们通过种种渠道输入生命系统,作用形式大体有3类:
① 构成维持生物代谢和繁殖所必需的营养物质和理化条件。这些理化条件也都表现为能量或物质,如日照、温度、pH值、渗透压等。
② 构成种种破坏力量。例如天敌、自然灾害(超限的理化条件)及某些人类活动(滥垦滥牧、工业污染等)。
③ 仅仅作为信息,诱发生物的节律性反应。例如日照和温度的昼夜或季节变化,能引起植物的萌发、生长、开花等阶段变化和动物的冬眠、迁徙等周期活动。
生态因子作用的直接对象是生物个体,但通过生物间的交互作用会影响到群体。同种动物的集群活动可以增加取食和避敌能力。群落食物中某环节的增减,常导致连锁反应,例如天气变化造成蝗群增长及其相变,继而导致迁飞,破坏迁入地的大片植被。
生态因子的作用与生物的适应性密切相关。对于温度,各物种反应不同,有些物种能适应的温度却可能使另一些物种死亡。一般说,生物在不同发育阶段的适应性也不大相同。环境在变,生物的适应性也随之改变。一个物种可能通过生理过程适应一个新环境,当新旧环境差别太显著时,可能需要较长时期的适应过程,引种驯化便属此类。在生物发展史中,生态因子作为选择因素淘汰掉不适应的物种。生态因子还可能直接诱发基因突变或重组,促进生物进化的进程。