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昆明植物所種質資源庫在植物超低溫保存機理研究獲新進展

文章來源:中國西南野生生物種質資源庫  |  發布時間:2021-03-31  |  作者:陳虹穎  |  瀏覽次數:  |  【打印】 【關閉

 

  超低溫保存(cryopreservation)是在液氮(-196℃)中保存細胞、組織和器官的技術,廣泛應用于動物、植物和微生物種質資源的長期保存。植物超低溫保存通常與離體培養技術(in vitro culture)相結合,可以實現花粉、愈傷組織、體細胞胚、合子胚、種子、離體分生組織和休眠芽的長期安全保存。重要農作物和觀賞植物的超低溫保存技術較為成熟、全球馬鈴薯和香蕉的主要野生種和品種都實現了超低溫保存。 

  種質庫是野生植物遷地保護(ex situ conservation)最有效和經濟的手段。大部分野生植物的種子脫水后可以在低溫(-20℃)下長期保存,其壽命得到大幅度延長。一些植物的種子不耐受脫水而無法進行低溫保存,通常被稱作頑拗型(recalcitrant)種子。根據英國千年種子庫2018年在Nature Plants雜志發表的評論文章Seed banking not an option for many threatened plants”,全球范圍有8%的植物產生頑拗型種子,但在極度瀕危(critically endangered)植物和樹種(tree species)中這一比例分別高達36%和33%。全球植物保護戰略(The Global Strategy for Plant Conservation)的目標7要求對75%的瀕危物種實現遷地保護,這一目標的實現需要對植物超低溫保存技術的投入和支持。 

  水在結晶后體積變大。細胞水分在超低溫下形成大的結晶會破壞細胞膜結構而導致細胞死亡。第一代植物超低溫保存技術通過程序降溫(controlled rate cooling)誘導胞外結晶而對細胞緩慢脫水,胞內液體濃度和粘稠度提升,在超低溫下進入玻璃化狀態(vitrification),避免了胞內結晶而保證細胞存活。第一代超低溫保存技術僅適用于耐冷(cold hardy)植物。新的玻璃化超低溫技術以高濃度的植物玻璃化溶液(plant vitrification solution)處理細胞,在滲透脫水的同時,低溫保護劑進入細胞內部改變了細胞液體的熱力學性質,快速降溫時可以實現胞內和胞外的玻璃化,保持細胞結構的完整和再生能力。新一代植物超低溫保存技術實現了對熱帶植物的保存,大大拓展了植物超低溫保存的范圍。 

  細胞膜是低溫傷害和滲透響應的核心部位。玻璃化超低溫保存流程中,細胞經受了劇烈和復雜的滲透和溫度變化,細胞的存活和死亡取決于細胞膜能否對上述脅迫做出有效響應。長期以來,細胞膜對超低溫過程的響應機理沒有得到解析,這也制約了超低溫技術的進一步發展。近日,中國科學院昆明植物研究所種子生物學研究組的林亮博士,陳虹穎副研究員,Hugh W. Pritchard 研究員與李唯奇研究員合作,以木蘭科植物厚樸的胚性細胞的超低溫保存體系作為模型系統,采用脂類組學分析方法,比較了12個不同超低溫處理的差異,揭示了細胞膜對玻璃化超低溫保存過程的響應模式。結果顯示:滲透保護處理和復水處理兩個相對的過程,發生了磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰肌酸(PA)和磷脂酰甘油(PG)的頭基團互換,進行細胞膜重塑。PVS溶液處理后,總脂水平顯著升高,為細胞將要經歷的冷凍過程儲備了大量脂類分子。研究結果表明,膜脂重塑(lipid remodeling)和預防脂類降解是PVS方法成功的關鍵從膜脂分子的角度對基于PVS的植物超低溫機理進行了解析為改進玻璃化超低溫保存技術,拓展植物超低溫保存的通用性和應用范圍提供了新思路。上述研究成果以Lipid Remodeling Confers Osmotic Stress Tolerance to Embryogenic Cells during Cryopreservation”為題,在線發表在生物學領域雜志International Journal of Molecular Sciences上。 

  該項研究工作得到國家自然科學基金(NSFC 3177037531500272),云南省應用基礎研究項目(2017AB001), 云南地方學院聯合基金(2018FH001-029),中國西南野生生物種質資源庫“交叉合作團隊”開放研究項目,山東省農業良種項目的資助(Grant No.2019LZGC01801)。 

  論文鏈接 

 

圖1.厚樸胚性細胞在12個不同超低溫處理后的成活率。 

 

圖2. 厚樸胚性細胞在12個不同超低溫處理后,膜脂分子的變化。 

 

圖3.厚樸胚性細胞超低溫過程中膜脂分子組成的變化模型。 

(責任編輯:李雪)

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