植物根狀莖發(fā)生機理的研究進展

王振興,艾軍,王英平

(中國農業(yè)科學院特產研究所,吉林 吉林 132109)

根狀莖亦稱根莖,從其發(fā)生的位置、內部結構、生長發(fā)育和分枝方式等方面分析,屬于一種變態(tài)莖,橫生于地下,外形與根相似,故稱做根狀莖。根狀莖除頂端具頂芽外,其上還有明顯的節(jié)和節(jié)間,節(jié)上有不定根、退化的鱗片和腋芽,腋芽可發(fā)育為地上枝,因而一條根狀莖上可形成多個地上枝,這些特點可將其與根區(qū)別開來。根狀莖作為變態(tài)莖,必然在基本結構上與地上莖結構相似,但其為適應地下環(huán)境,又產生某些不同與地上莖的特殊結構,有些還具有根的某些結構。根狀莖有的只作為繁殖器官,有的既是繁殖器官,又是貯藏器官,其內含豐富的營養(yǎng)物質,可存活1至多年。根狀莖的再生能力很強,被切斷后,每一段上的腋芽仍可發(fā)育為新枝,故一般具根狀莖的禾本科植物的雜草不但蔓延迅速,而且不易根除。有些根狀莖,如山葵、藕、姜等可供食用,也有些可供藥用,如薯蕷、甘草、大黃、蘆葦、纈草、小黃精[1]。

1 根狀莖的形態(tài)解剖學研究進展

1.1 根狀莖解剖學研究

根狀莖解剖學研究顯示,在植物生長周期內,不同的發(fā)育階段,必然帶來其結構的不同。王廣東(1999)將山葵根狀莖生長發(fā)育分為5個階段,研究了其從初生生長和次生生長的過程,從而提出了山葵根狀莖不同發(fā)育階段在形態(tài)解剖學上的差異。此外,王廣東等還研究了山葵根狀莖、地上莖和根間的顯微結構的差異[2]。林如等(2003)研究了薯蕷根狀莖為適應地下生長所形成的新的特性,其還研究了薯蕷根狀莖周皮、基本組織和散生在基本組織中的有限維管束這三部分的顯微結構特征[3]。曹玉芳等(2003)通過對盾葉薯蕷解剖學研究,發(fā)現薯蕷根狀莖增厚的原因[4]。

李志軍等(1995)研究了甘草根狀莖和根的初生結構的分化、周皮的發(fā)生和維管形成層的起源及活動規(guī)律間的差異[5]。此外,李志軍等(1996)根據甘草根狀莖還具有與一般雙子葉植物根狀莖生長環(huán)境的不同,研究了它們之間顯微結構的差異[6]。李志軍等(1997)對5種不同屬甘草的根狀莖及根的比較解剖學進行了研究,從它們的內部結構的各部分組成分子的數量、大小和排列的不同提出種間差異[7]。彭勵等(2007)對烏拉爾甘草的根狀莖和根的結構及其發(fā)育進程進行了研究,從而說明它們的原生分生組織、初生分生組織、初生結構和次生結構在不同發(fā)育進程的差異[8]。

于順利等(1997)研究了中國瓦韋屬根狀莖的表皮層、皮層、薄壁組織、厚壁組織和維管束等基本結構的特征[9]。錢世輝等(1999)通過對百合科開口箭屬植物的根狀莖解剖學研究,發(fā)現其根狀莖皮層約占根狀莖橫切面的1/4～1/2,散生的維管束均為周木維管束,周木維管束在系統(tǒng)發(fā)育上是一種相當特化的類型[10]。竹節(jié)參的根狀莖是由地上莖基部發(fā)育而成的。其地上部分的莖,在維管束外部發(fā)育出具有支持功能的厚角組織,維管束一般是13～17個。莖的基部則逐年膨大,含有大量的貯藏薄壁細胞,最后成為僅具貯藏功能的器官了[11]。劉長秋等(2007)研究了香蒲屬和黑三棱屬根狀莖、地上莖和根的解剖學特征,發(fā)現兩屬很相似[12]。Ingrid Mistríková 等(2007)通過對紫錐菊、松果、地風的根狀莖的解剖學研究,分別從初生維管束、次生維管束、石細胞、分泌腔等方面區(qū)別他們的不同,為其分類鑒定奠定基礎[13]。

1.2 根狀莖形態(tài)發(fā)生學研究

曹玉芳等(2003)觀察了盾葉薯蕷實生苗根狀莖的形態(tài)發(fā)生,當種子萌動后,節(jié)部膨大形成球狀體。其胚芽生長錐先后形成4個突起,分別發(fā)育形成芽。其中第1芽呈劍指形,以后發(fā)育為地上纏繞莖,其余3個芽呈丘狀突起都分別發(fā)育為地下根狀莖。有的芽的原分生組織以后還可以形成兩個芽的原分生組織,從而使根狀莖形成分枝[14]。艾軍等(2000)調查了五味子地下橫走莖生長狀況,發(fā)現橫走莖先端的芽較易萌發(fā),萌發(fā)的芽中,前部多形成水平生長的橫走莖,向四周延伸,后部的芽形成直立的萌蘗枝,長成新的植株[15-16]。陳進勇等(1998)發(fā)現中國蘭的種子首先形成類原球莖,之后進一步伸長成根狀莖[17]。李志軍等(1997)經過調查發(fā)現,甘草實生苗生長到第三年春時,子葉處的幾個更新芽萌發(fā),其中一部分形成地下莖,一部分形成最初的根狀莖,也有人認為甘草根狀莖是由地下莖產生或在根頭處發(fā)生。但根據Esau(1965)的觀點,苗的開端是在下胚軸-子葉系統(tǒng)中,莖作為苗的一部分,從起源來看是在胚發(fā)育時期形成的。這就說明甘草最初的根狀莖是由子葉節(jié)處的更新芽萌發(fā)的結論與Esau的觀點一致[7]。呂悅來通過對黃芪根狀莖的發(fā)生部位觀察發(fā)現,在幼苗根莖部分化出1～3枚不定芽,芽與主莖間的夾角各不相同。靠上部的芽與主莖間的夾角較小,有向上生長的趨勢可能發(fā)育成地上莖,靠下部的芽與主莖間的夾角較大,幾乎成垂直狀,有水平生長的趨勢,在適當的沙埋條件下即可水平延伸成根狀莖[18]。

2 根狀莖形成過程中激素水平的變化

在植物生長發(fā)育過程中,植物激素起著非常重要的調控作用。它通常作為化學信號,通過一系列的信號轉導途徑,最終作用于靶基因。根狀莖的發(fā)育是一種特殊類型的發(fā)育過程,一直以來,植物激素對根狀莖的形成和發(fā)育的作用是一個備受關注的問題,通過離體誘導根狀莖的研究表明,植物激素在根狀莖發(fā)生和形態(tài)建成中起著重要的調控作用。王廣東(1999)發(fā)現在山葵根狀莖形成過程中,ABA和CTK有利于山葵根狀莖的誘導膨大。IAA和GA對山葵根狀莖誘導形成不起主要作用[2]。翁忙玲等(2003)發(fā)現PP333能促進山葵的形成和膨大[19]。鄭永強(2004)研究了在生姜根狀莖形成的過程中,較高的內源GA、較低濃度的內源ABA有利于根狀莖的膨大,但不利于根狀莖的誘導,而較高濃度的內源ABA、較低濃度的內源GA有利于根狀莖的誘導,但不利于根狀莖的膨大。此外還發(fā)現細胞分裂素KT有利于生姜試管苗根狀莖的膨大,不利于生姜根狀莖的誘導[20]。韋金洋等(2006)研究表明適當濃度的香豆素能夠促進生姜2個品種根狀莖的誘導和發(fā)育[21]。石樂娟等(2006)研究表明,BA、KT對春蘭根狀莖的增殖有明顯的促進作用[22]。朱根發(fā)等研究表明,墨蘭根狀莖誘導分化出苗需要較高濃度的6-BA,GA3不利于根狀莖的分化出苗[23]。高麗等對素心建蘭根狀莖增殖和芽分化表明NAA 0.2mg/L+6-BA 2.0mg/L組合最適于根狀莖分化,芽分化率達445%[24]。

李良俊等(2006)通過對蓮藕膨大機理的研究表明,玉米素(ZT)、GA、IAA和ABA在蓮藕根狀莖不同節(jié)段形成過程中起不同的作用[25]。Rishi K.Tyagi等(2005)在對生姜的體外誘導中發(fā)現,馬來酰肼對根狀莖的形成并沒有積極的效果[26]。Jonojit Roy等(2001)在對地寶蘭根狀莖體外誘導時發(fā)現,添加6-BA和NAA的培養(yǎng)基明顯提高了根狀莖的形成率。單獨添加NAA,根狀莖呈正向地性且有利于根狀莖的生長和分枝,高濃度的6-BA可使根狀莖呈負向地性[27]。Yongqiang Zhen等(2008)在研究姜的體外誘導時發(fā)現生長調節(jié)劑在根狀莖的誘導過程中起著重要的作用。IAA和CTK的相互作用對于器官的發(fā)生是必要的,GA較KT和NAA對根狀莖膨大更重要,當改變GA的濃度時,根狀莖的重量受到的影響最大[28]。

3 根狀莖形成過程中營養(yǎng)物質含量和關鍵酶活性的變化

營養(yǎng)物質是根狀莖形成的物質基礎,因此研究營養(yǎng)物質的變化對闡明根狀莖形成的生化機制是十分有益的。張曉冬(2005)、李良俊(2006)研究表明,蓮藕根狀莖在膨大中期以前,葡萄糖、果糖含量高,蔗糖和淀粉含量低,且上升緩慢,中、后期,淀粉含量激增。研究還表明淀粉合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉分支酶這3種關鍵酶對蓮藕根狀莖形成過程中淀粉的合成有著各自相對獨立的調控作用[29-30]。

王廣東(1999)研究了山葵根狀莖形成過程中營養(yǎng)物質含量的變化,研究表明幼苗期可溶性糖和淀粉含量都較低,隨著根狀莖的形成和發(fā)育可溶性糖含量逐漸提高,在根莖旺盛生長期達到最高值,從根莖旺盛生長期到根莖成熟期可溶性糖含量又逐漸下降,而淀粉的含量從幼苗期到根莖成熟的整個過程中,其含量始終呈上升的趨勢。研究還發(fā)現α-淀粉酶活性在根狀莖形成前逐漸升高,而在根狀莖形成開始時其活性逐漸下降;過氧化物酶活性從幼苗期到根狀莖成熟期逐漸增加[2]。

生姜根狀莖中還原糖的含量因分支次數不同而異,新姜的還原糖含量在生長前期有所增加,到生長后期出現一個高峰,但到接近完熟期,含量又逐漸下降,其中第二次分枝的含量又比第三次的多[31]。

4 光溫對根狀莖形成的影響

Shou Yong Choy Ng等(1988)認為在白山藥體外根狀莖形成過程中,最佳的誘導光照時間是12h和16h光照,短的光照時間和持續(xù)的光照都不利于根狀莖的誘導[32]。Rishi K.Tyagi等(2005)通過研究利用體外根狀莖的形成來保存生姜種質資源,發(fā)現在16h、24h和黑暗這三種光處理條件下,對生姜根狀莖的形成均無明顯的效果。但16h和24h的光照條件相對于黑暗的條件更有利于根狀莖的存活[26]。XU ZHEN等(2008)研究表明,光周期對根狀莖的形狀形成有關系:長日照促進根狀莖的延長,而在12h光照下使根狀莖成橢圓狀膨大,短日照對其形狀的形成無明顯的影響[33]。Yongqiang Zhen等(2008)在研究姜的體外誘導時發(fā)現16～24h的光照條件更有利于根狀莖的誘導[28]。MingDong等(1995)通過研究光強度對四季青、中國狗牙根、爬行軟天鵝絨草根狀莖生長的影響,發(fā)現高光強下,根狀莖的分支數明顯增加,低光強下,分配到根狀莖中的碳水化合物的量也低[34]。A.J.Gracie等(2000)在研究姜的根狀莖的休眠時發(fā)現,在4℃低溫條件下處理3個星期,能夠提前解除根狀莖的休眠,否則在自然條件下需要6個星期才能解除根狀莖的休眠[35]。

5 根狀莖形成的分子機制

Eilon Shani等(2006)綜述了激素在頂端分生組織發(fā)育過程中所起的作用,認為激素并不是調節(jié)頂端分生組織和側生器官發(fā)生發(fā)育的唯一因子,它往往是協(xié)同轉錄因子共同平衡分生組織的維持和器官的產生[36]。崔克明等通過對植物發(fā)育生物學研究,認為位置效應將決定細胞或細胞群未來分化的方向。而細胞的孤立化,是任何一個新的植物體或器官發(fā)育過程開始的必要條件,即使之發(fā)育成新個體的位置效應的具體內涵,根狀莖的發(fā)生和形成也由其在植物體上的特殊位置決定[37]。

彭曉英(2005)研究了盾葉薯蕷類原球莖的發(fā)生,通過對已驗證的20條陽性克隆在測序后與GenBank中進行比對發(fā)現,有9個片斷尚未發(fā)現與其同源性較高的已知基因,推測是新發(fā)現的類原球莖發(fā)育的相關基因[38]。

5 討論

5.1 對于根狀莖解剖學的研究多集中在具有貯藏功能的根狀莖上,而對只具有繁殖功能的根狀莖解剖學的研究尚不足;

5.2 器官發(fā)生的起始階段在器官發(fā)生發(fā)育的整個進程中是非常重要的,因此在研究根狀莖解剖學時,應注重根狀莖發(fā)生的初始階段的研究,包括其在頂端分生組織中的地位和其組織化學變化的研究,但這方面的研究尚不足;

5.3 在研究激素是如何調控根狀莖的發(fā)生時,關于發(fā)生根狀莖的芽與其他芽的激素水平的比較方面的研究是欠缺的;此外,內源激素測定后,外源激素的施用,有助于驗證內源激素的調控機理,而這方面的研究是欠缺的;

5.4 同工酶和關鍵酶的活性測定后,應與這些酶所調控的生化反應相聯(lián)系,從而揭示根狀莖形成過程中物質基礎積累的機理;同時酶本來就是蛋白,如果能進一步研究控制這些蛋白表達的基因,將更加有助于闡明根狀莖形成的機理;

5.5 關于根狀莖形成的分子水平的研究很有限,而且多集中在特殊蛋白的提取上,目前越來越多的研究顯示,激素并不是控制頂端分生組織和腋芽的發(fā)生和發(fā)育的唯一重要因素,轉錄因子也參與了這些過程,國內對這方面的研究還很欠缺,有待于進一步的研究。

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