高生物產量川芎細胞懸浮培養條件優化

張 玨，尹 歡，阮利霞，王躍華

(成都大學生物產業學院，四川成都 610106)

高生物產量川芎細胞懸浮培養條件優化

張 玨，尹 歡，阮利霞，王躍華

(成都大學生物產業學院，四川成都 610106)

在基本培養基為MS的基礎上，研究激素濃度、接種量等因素對川芎懸浮細胞生長的影響，建立川芎細胞懸浮培養體系.實驗結果表明:川芎懸浮細胞同步化繼代培養液生長16 d左右，對數生長中后期時，按照1∶4(V/V)懸浮液，新鮮培養液，以MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2 mg·L-1+30 g·L-1蔗糖培養基可獲得較高產量的川芎懸浮細胞，濕重達到182.6 g·L-1，干重達到39.2 g·L-1.

川芎;愈傷組織;懸浮細胞

0 引言

川芎為傘形科多年生草本植物川芎的干燥根莖，是著名的川產道地藥材，其氣濃，味苦、辛，稍有麻舌感，微回甜，具有活血星期，祛風止痛的功效［1］.目前，四川地區所產川芎占全國總產量的90%以上.川芎為無性繁殖，經過上千年的栽種，由于缺乏選種育種，導致一定程度的種質資源退化，從而影響了藥材質量.近年來，科研人員對川芎的野外調查幾乎沒有找到川芎的野生種群，基本上都是栽培種植［2］.目前，藥用植物細胞培養技術因具有巨大的應用潛力而得到廣泛應用，從大多數藥用植物細胞大規模培養的研究現狀來看，其研究內容主要集中在提高生物量和次生代謝產物含量方面［3］.本研究在對川芎組織培養獲得適合懸浮細胞培養愈傷組織基礎上，通過對培養物激素水平和接種量的進一步研究，探討了如何提高川芎細胞懸浮培養生物產量，擬為在較高細胞生物產量水平上，進一步獲得藥用次生代謝產物提供參考.

1 材料與方法

1.1 懸浮培養用愈傷組織的誘導

實驗所用的川芎采自都江堰川芎種植基地，選取川芎幼嫩葉柄、幼嫩葉及地下莖作外植體.供試外植體均不用水洗，先經紫外滅菌30 min，再用1‰的升汞消毒(幼嫩葉柄6～8 min;幼嫩葉5～8 min;地下莖8～10 min)，幼嫩葉柄及幼嫩葉消毒過程中更換1～2次升汞，地下莖消毒過程中更換2～3次升汞，最后全都用無菌水清洗4次.以上操作均在超凈工作臺上進行，以避免材料再次污染.其后，將所得外植體接種在MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2mg·L-1+30 g·L-1蔗糖培養基中［4-5］.經14 ～21 d葉柄葉鞘處長出較疏松的淡黃色愈傷組織，經21～28 d主葉柄與副葉柄間長出較緊密的白色愈傷組織.將獲得的愈傷組織在超凈工作臺上，切成3～5 mm左右的小塊，作為研究用懸浮培養材料.1.2 懸浮細胞繼代同步化培養

1)懸浮細胞初代培養.取固體培養基上繼代15 d左右分散性好的淡黃色疏松愈傷組織2 g，接種時用鑷子將愈傷組織撥碎，盡量不對愈傷組織細胞造成損傷，接種于盛有50 mL液體基(培養基營養成分與固體培養基相同)容量為150 mL三角瓶中，在120 r/min搖床上恒溫(25±1℃)進行懸浮培養(暗培養)，懸浮液變為淡黃色渾濁時，開始繼代.

2)懸浮細胞繼代培養.將懸浮培養液搖勻，靜止10 min后，棄下層細胞團塊較大的愈傷組織，取上層培養基及其中的小細胞團塊，按照1∶5(V/V)取懸浮培養液加入新鮮培養基進行第二代培養，搖床轉速為120 r/min.

3)將第二代懸浮培養液靜止后，上層培養液經60目尼龍膜過濾［6］，接種于50 mL新鮮液體培養基.經連續二次同步化繼代培養后，繼代培養接種量按照1∶5(V/V)進行.最后，將第四代培養物繼代培養于新鮮培養基中，共培養9瓶，備用.

1.3 懸浮培養細胞生長特性檢測

將經同步化后培養的懸浮細胞，每4 d取1次樣測定其鮮重和干重，每次做3個重復，取平均值，直到第32 d.每次取出10 mL懸浮液經100目銅網過濾，將銅網上的單細胞和細胞團塊洗脫，測定細胞的鮮重和干重.

鮮重測定方法.用真空抽濾細胞培養液并用蒸餾水抽洗2次后稱重，

其中，W1為濾膜、細胞懸浮液和水的質量，W2為濾膜和水的質量，V為取樣細胞液體積.

干重測定方法.鮮重稱量完畢后，將尼龍膜放于60℃烘箱內烘12 h，冷卻后稱重，

其中，W3為濾膜和細胞鮮重質量，W4為濾膜質量，V為取樣細胞液體積.

1.4 接種量對懸浮細胞生長的影響

取同步化培養16 d(對數生長中后期)的懸浮細胞液，混合均勻，接種于200 mL MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2 mg·L-1+30 g·L-1蔗糖液體培養基，接種量分別為 20、30、40、50、60、70 和 80 mL，檢測細胞鮮重及干重，繪制生長曲線.

1.5 不同濃度2，4-D生長素對懸浮細胞生長的影響

以同步化繼代培養16 d的細胞懸浮液為母液，按照1∶4(V/V)接種到200 mL不同濃度2，4-D生長素培養液中.2，4-D生長素容易誘導出愈傷組織，當濃度在0.5 mg·L-1以上時，愈傷組織生長普遍旺盛［5］.因此，本實驗研究不同濃度2，4-D生長素對川芎懸浮培養細胞生長的影響.以MS+6-BA 0.5 mg·L-1+蔗糖30 g·L-1為基礎，添加不同量2，4-D生長素，檢測生長到第20 d的川芎懸浮細胞的鮮重和干重.2，4-D生長素濃度分別為，0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mg·L-1，每個濃度配制3瓶，每瓶取樣3次，稱量鮮重和干重后，取平均值作為每個濃度的鮮重和干重值.

2 結果與討論

2.1 川芎細胞懸浮培養的生長特性

以愈傷組織誘導固體培養基營養成分為基準，配制懸浮細胞培養液，MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2 mg·L-1+蔗糖 30 g·L-1，pH 值為 5.8，進行懸浮培養，經同步化后，檢測第4代川芎懸浮細胞生長情況，結果如表1、圖1所示.

從表1、圖1可以看出，川芎懸浮培養細胞鮮重的增長分為3個生長階段:延遲期(0～4 d)，細胞增長量較緩慢，到第4 d，僅增長約58%;指數生長期(8～22 d)，細胞進入快速增長期，到第16 d，細胞增長量超過4倍，到第20 d，細胞增長量超過6倍;靜止期(20～32 d)細胞增長量趨緩，且略呈下降趨勢.干重增長曲線呈現平穩上升，到第20 d后，開始緩慢下降.此與與多數植物細胞懸浮培養生長特性相似［7-8］.

表1 川芎同步化細胞繼代培養生長情況

圖1 川芎同步化細胞繼代培養生長特性

可見，在川芎細胞懸浮培養過程中，在延遲期和指數生長期，細胞的鮮重和干重都呈現上升的趨勢，以一定速率增長，而細胞的干重增長較為緩慢，且增長平穩，進入對數生長期末后，由于營養成分被緩慢消耗，細胞生長環境逐漸趨于不利情況，細胞鮮重和干重均緩慢下降.因此，在懸浮培養搖瓶階段，轉接繼代培養應在母液培養后的第8～18 d為最佳，此階段同步化細胞生長較好，細胞分散良好.

2.2 接種量對懸浮細胞生長的影響

每個接種量的懸浮細胞培養液到達對數生長期末時的鮮重及干重如表2、圖2所示.

表2 接種量對川芎懸浮細胞生長的影響

圖2 接種量對川芎懸浮細胞生長的影響

由表2、圖2可知，接種量太低，則細胞懸浮液濃度過低，使得細胞間的物質交換不充分，不利于細胞的生長;細胞懸浮液的濃度過高，使得細胞密度過大，對于單個細胞間營養的吸收不充足，細胞慢慢地因營養不足而死亡.對于細胞的懸浮培養，選擇合適的接種量至關重要.根據實驗，母液為在同步化繼代細胞生長到16 d，鮮重約108 g·L-1時，按照1∶4接種于新鮮培養基，能獲得較大生物產量.

2.3 2，4-D生長素濃度對懸浮細胞的生長影響

2，4-D生長素濃度的影響對懸浮細胞生長十分重要［9］.在實驗中，通過配制不同濃度的2，4-D生長素，在懸浮細胞生長最旺盛的時間段(接種后第20 d)，檢測懸浮培養細胞的鮮重及干重，結果如表3、圖3所示.

表3 2，4-D濃度對懸浮細胞生長的影響

圖3 不同濃度2，4-D生長素對細胞生長的影響

由表3、圖3可知，過高或過低濃度的2，4-D生長素對懸浮細胞的生長都是不利的，2，4-D生長素濃度過低不利于懸浮細胞的生長，2，4-D生長素濃度過高對懸浮細胞有毒害作用，當2，4-D生長系濃度為2 mg·L-1時在相同培養時間的情況下，能得到較大量細胞.鏡檢發現，在該濃度下川芎細胞有伸長和增大，且細胞內含有葉綠素較多，說明細胞在進行大量繁殖和分裂，細胞生長量達到最高值.當2，4-D生長素濃度為4 mg·L-1的時候，懸浮細胞呈深紅棕色，細胞生長明顯受到抑制，鏡檢發現此時空細胞增多，已不利于懸浮細胞的生長.

3 結論

細胞懸浮培養的起始一般是取一塊植物愈傷組織，接種到培養基中，進行搖培.因此，愈傷組織的質量高低直接影響到后期建立的懸浮細胞培養體系的優劣.本研究以前期川芎組織培養技術研究為基礎，采用 MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2 mg·L-1+30 g·L-1蔗糖培養基誘導出適合懸浮培養的川芎愈傷組織.在液體懸浮初代培養時，未改變培養基配方，僅由固體變為液體，避免了由固體培養基轉換到液體培養基時，由于培養基成分變化，對細胞生長造成影響.

將繼代培養后同步化生長細胞懸液接種于新鮮液體培養基，進行轉接時間和接種量的研究可為放大規模細胞培養的研究奠定基礎.在本實驗中，同步化培養川芎細胞在培養到第16 d左右的時候，即對數生長中后期，細胞生長旺盛、細胞活力較強，但營養物質消耗較快.在此時進行轉接，加入新培養基，對于細胞生長的營養補充較適合.

2，4-D細胞生長素濃度對川芎愈傷組織誘導較重要.2，4-D生長素濃度為2 mg·L-1時，能得到較大量的細胞，該濃度與固體培養基中川芎愈傷組織誘導使用的2，4-D生長素濃度一致，在過低和過高情況下，細胞生物產量都會受到影響.

本研究在對川芎愈傷組織誘導培養基的基礎上，通過實驗對影響川芎細胞懸浮培養的接種量、植物生長素等因素進行了研究，獲得了較高的川芎生物產量，此為下一步在高生物產量基礎上研究次生代謝產物的合成奠定了一定基礎.

:

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Optimization of Cell Suspension Culture Conditions of Lisgusticum Chuanxiong at High Biomass Yield

ZHANG Jue，YIN Huan，RUAN Lixia，WANG Yuehua

(School of Biological Industry，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

To set up cell suspension culture system of Lisgusticum chuanxiong and optimize cell culture growth conditions，using MS as the basic medium，we study the impact of hormone concentrations，inoculum and other factors on the growth of suspension cells of Lisgusticum chuanxiong.The experimental results show that，when the synchronized suspension cells subculture of Lisgusticum chuanxiong grows about 16 days to the logarithmic growth medium-late period，according to 1∶4(V/V)suspension which includes fresh culture liquid，MS+6-BA 0.5 mg·L-1+2，4-D 2 mg·L-1as optimal culture medium，higher yields of suspension cells of Lisgusticum chuanxiong can be obtained，whose wet weight and dry weight can reach 182.6 g·L-1and 39.2 g·L-1respectively.

Ligusticum chuanxiong Hort;callus;cell suspension

S567.7+9

A

1004-5422(2014)01-0010-04

2013-11-25.

張 玨(1976—)，女，講師，從事中藥材資源與開發研究.