欧洲山毛榉体外培养研究：解锁遗传密码，应对气候变化挑战

为解决欧洲山毛榉（Fagus sylvatica L.）体外培养难题，研究人员开展相关研究，建立培养体系，为后续研究奠基。

　　

在广袤的欧洲森林中，欧洲山毛榉（Fagus sylvatica L.）作为重要的落叶乔木，不仅在生态系统中扮演着关键角色，为众多生物提供栖息地，还在林业经济中占据重要地位。然而，随着全球气候变化的加剧，原本适应温带气候的欧洲山毛榉面临着诸多挑战。夏季干旱使得中欧地区的山毛榉生长受阻，树冠落叶、染病甚至死亡的情况日益严重；在西班牙北部，山毛榉林也面临着大规模损失乃至区域灭绝的危机。

山毛榉的长期育种面临困境，其长达 50 年的长世代周期，使得培育适应气候变化的新品种困难重重。而现有的遗传多样性，尤其是那些已适应温暖干燥气候的种群，成为山毛榉在气候变化下生存的关键。体外培养技术为保存和繁殖这些珍贵的基因型提供了可能，然而，山毛榉对体外微繁殖具有顽固性，相关研究成果稀少，建立高效的体外培养体系迫在眉睫。

在此背景下，德国 Thuenen Institute of Forest Genetics 的研究人员 Virginia Zahn、Alexander Fendel 等人开展了一系列研究，旨在攻克欧洲山毛榉体外培养的难题。研究成果发表在《Plant Methods》杂志上，为该领域带来了新的突破。

研究人员采用了多种关键技术方法。在植物材料选取上，使用了来自种源试验树（3 - 24 岁）和三周龄幼苗的外植体。培养过程中，基于 McCown Woody Plant Medium（WPM）添加不同浓度的植物激素配置多种培养基，并根据实验情况调整培养基成分，如添加抗生素控制污染，补充 FeNaEDTA 和 MgSO₄改善培养效果。同时，设置不同的培养条件，包括特定的光照周期、温度和光强，在植物生长室（PGC）中进行培养。实验数据经过严格的统计分析，采用多种统计检验方法探究各因素对实验结果的影响。

实验一：种源试验树的体外培养

研究人员从柏林气候森林的种源试验树中采集了 23 个种源的枝条样本，分别在二月和五月进行采样，以评估芽状态对污染和芽萌发能力的影响。二月采集的枝条带有封闭的休眠芽，以减少污染；五月采集的枝条则带有略微开放的芽。结果显示，18 个种源在植物生长室（PGC）和温室（GH）条件下都能启动芽萌发，部分种源仅在特定条件下萌发，还有部分种源在两种条件下均未萌发。五月采样时，多数种源成功萌发，仅一个种源因树体过小未成功采样。

对 691 个外植体进行体外培养后发现，52% 的外植体受到污染，污染率在不同种源间差异较大。采样日期对污染率和芽形成率有显著影响，二月样本的污染率（27%）低于五月样本（69%）。在排除污染外植体后，二月样本的芽形成率（5%）显著低于混合样本（18%），五月样本的芽形成率为 16%。

在 23 个种源中，13 个种源在体外成功形成芽（57%），不同种源的芽形成率差异显著。其中，种源 5（德国）的芽形成率最高，达 80%；种源 13（德国）的芽形成率最低，为 0%。此外，树龄对芽形成也有影响，年龄在 15 - 21 岁的树，芽形成率相对较高，但由于树龄与种源存在重叠，难以独立分析树龄的影响。

实验二：幼苗外植体的体外培养

为探究幼嫩材料对体外培养的影响，研究人员使用来自德国 Grosshansdorf 的三周龄山毛榉幼苗的外植体进行实验，包括整株幼苗（WS）和茎尖（ST）。实验结果表明，培养 12 周后，43% 的外植体受到细菌污染，16% 因真菌污染损失。不同培养基对污染率影响不显著，但 WS 的污染率显著高于 ST。

在芽形成方面，培养 4 周时，无植物激素的培养基 M0 上的芽形成率显著高于其他含激素培养基；培养 8 周时，M0 上的芽形成率仍显著高于 M2.1 和 M2.2 培养基；培养 12 周后，各培养基上的芽形成率差异缩小。此外，M0 培养基上形成的叶片较薄、扁平，而含植物激素培养基上的叶片更厚、呈波浪状。同时，在含植物激素培养基上培养的外植体，部分出现愈伤组织形成、过度水合和轻微黄化等现象。

实验三：优化幼苗体外培养方案

基于前两个实验的结果，研究人员在实验三中对培养方案进行优化。使用来自德国不同州林业部门的种子培育的幼苗茎尖进行实验，改进了消毒程序并添加抗生素。结果显示，抗生素的使用显著降低了细菌污染率，从 41% 降至 0%，且对芽形成率、芽长度和每个外植体的芽数无显著影响。

在培养基优化方面，添加 FeNaEDTA 和 MgSO₄的 M2 + 培养基，相较于实验二中的培养基，显著提高了芽形成率（73% vs. 51%）。此外，种子供应商对芽形成率有显著影响，来自 Lower Saxony 的种子，其芽形成率更高。在碳源和光照强度的研究中发现，无糖培养基 M2 + woS 可减少细菌生长，促进芽萌发；部分基因型在添加葡萄糖的 M2 + G 培养基上生长更旺盛，但也有部分基因型因细菌过度生长导致芽死亡，降低光照强度可改善部分基因型在 M2 + G 培养基上的生长状况。

在生根和驯化实验中，10 个微插条中有 5 个成功诱导生根，部分生根插条在移栽到土壤混合物后实现了延长生长。

综合上述研究，研究人员成功建立了欧洲山毛榉的体外培养体系，发现种源、采样日期、树龄、外植体类型、培养基成分、碳源和光照强度等因素对山毛榉体外培养的芽形成、污染率、生长状况等均有显著影响。通过优化培养条件，如使用抗生素控制污染、调整培养基成分、选择合适的碳源和光照强度等，能够提高山毛榉体外培养的成功率。

这项研究为欧洲山毛榉的保护和育种提供了重要的技术支持，有助于保存珍贵的遗传资源，推动山毛榉适应气候变化的研究。同时，研究成果也为其他难以进行体外培养的木本植物提供了参考，为林业生物技术的发展开辟了新的道路。然而，目前山毛榉的长期培养仍面临挑战，未来还需要进一步优化培养条件，以实现更高效、稳定的体外培养体系，助力森林生态系统的保护和可持续发展。