魔芋根狀莖發(fā)育過程的解剖學研究

周 潔，張俊軍，齊傳東，郭鳳領(lǐng)，劉德麒，田 野，吳金平

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所/湖北省蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部高山蔬菜生態(tài)栽培重點實驗室，武漢 430064；2.黃岡市黃州區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北黃岡 438000；3.長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025）

魔芋（AmorphophallusKonjac）是目前發(fā)現(xiàn)的惟一高含可溶性膳食纖維葡甘露聚糖（KGM）的園藝作物。據(jù)調(diào)查顯示，中國魔芋產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近30年的發(fā)展，帶動了約300萬山區(qū)農(nóng)民致富，在魔芋貿(mào)易、運輸、加工等環(huán)節(jié)帶動約100萬人就業(yè)［1］。中國魔芋主要分布區(qū)僅在湖北省的西部及湖南、四川、重慶、云南、貴州、陜西等海拔700～2 300 m的山區(qū)，種植面積達13余萬公頃［2］，年產(chǎn)魔芋120萬t，生產(chǎn)精粉約3萬t，約占世界精粉總量的60%［3］。小作物、大產(chǎn)業(yè)，魔芋產(chǎn)業(yè)日益成為富民強縣的特色再生資源產(chǎn)業(yè)。但是要穩(wěn)定、健康地發(fā)展魔芋產(chǎn)業(yè)，迫切需要解決魔芋種植中良種不足的產(chǎn)業(yè)瓶頸問題。魔芋的有性繁殖周期長，需4～5年才開花結(jié)實，因此生產(chǎn)中多是采取無性繁殖。無性繁殖又分切塊繁殖、去頂芽繁殖、小球莖繁殖和根狀莖（芋鞭）繁殖等［4］。以根狀莖為材料繁殖種子，克服了傳統(tǒng)留種不分種齡、收大留小，而導致種性越來越差，病害逐年加重，產(chǎn)量、質(zhì)量難以持續(xù)、穩(wěn)定提高的不利現(xiàn)象［5］。但根狀莖的形成及根狀莖的形態(tài)結(jié)構(gòu)和球莖鮮見報道。因此，本研究對根狀莖進行顯微觀察，了解其組織結(jié)構(gòu)，以期為魔芋生產(chǎn)中如何提高根狀莖形成率及作為良種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 所用花魔芋（AmorphophalluskonjacK.Koch）球莖為清江花魔芋，種植于湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所蔬菜試驗基地。

1.1.2 試驗器材及試劑 主要儀器：脫水機（型號Donatello）DIAPATH、包埋機（型號JB-P5）、凍臺（型號JB-L5），武漢俊杰電子有限公司；病理切片機（型號RM2016），上海徠卡儀器有限公司；組織攤片機（KD-P型號），浙江省金華市科迪儀器設(shè)備有限公司；烤箱（型號GFL-230），天津市萊玻瑞儀器設(shè)備有限公司。

主要試驗試劑：二甲苯（貨號10023418）、無水乙醇（貨號100092683），國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 石蠟切片制作

1.2.1 取材 2021年4月種植魔芋球莖，8月發(fā)現(xiàn)球莖上處于不同生長階段的根狀莖。此時，截取球莖表皮、根狀莖表皮、魔芋根、球莖頂芽和根狀莖頂芽，清洗干凈后放入FAA固定液中固定24 h以上。將組織從固定液取出，在通風櫥內(nèi)用手術(shù)刀將目的部位組織修平整，將修切好的組織和對應(yīng)的標簽放于脫水盒內(nèi)。

1.2.2 脫水浸蠟 將脫水盒放進脫水機內(nèi)依次采用梯度乙醇進行脫水。75%乙醇4 h，85%乙醇2 h，90%乙醇2 h，95%乙醇1 h，無水乙醇Ⅰ30 min，無水乙醇Ⅱ30 min，醇苯5～10 min，二甲苯Ⅰ5～10 min，二甲苯Ⅱ5～10 min，65℃融化石蠟Ⅰ1 h，65℃融化石蠟Ⅱ1 h，65℃融化石蠟Ⅲ1 h。

1.2.3 包埋 將浸好石蠟的組織于包埋機內(nèi)進行包埋。先將融化的石蠟放入包埋框，待石蠟凝固之前將組織從脫水盒內(nèi)取出按照包埋面的要求放入包埋框并貼上對應(yīng)的標簽。于-20℃凍臺冷卻，石蠟凝固后將石蠟塊從包埋框中取出并修整。

1.2.4 切片 將修整好的石蠟塊，置于-20℃凍臺冷卻，再將冷卻的石蠟塊置于石蠟切片機切片，厚4μm。切片漂浮于攤片機40℃溫水上，將組織展平，用載玻片將組織撈起，60℃烘箱內(nèi)烤片。水烤干、石蠟烤化后取出常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 魔芋根狀莖的顯微形態(tài)

將切片置于光學顯微鏡下觀察根狀莖發(fā)育解剖形態(tài)。由圖1可以看出，魔芋的根狀莖是由不定芽萌發(fā)形成，隨著生長時間的延長，根狀莖頂芽朝前生長，與魔芋相連處的結(jié)構(gòu)與球莖相似，通過延伸出去的棒狀結(jié)構(gòu)與球莖相連，根狀莖生長停止，與魔芋地上部植株停止生長同步。

圖1 魔芋球莖上不同取材部位的形態(tài)特征

2.2 魔芋球莖和根狀莖橫切面的形態(tài)特征

由圖2可以看出，魔芋根狀莖與球莖結(jié)構(gòu)中無明顯的皮層、維管柱和髓的區(qū)分，從橫切面來看，由外向內(nèi)可分為表皮、皮層部、貯藏組織及維管組織區(qū)、魔芋的葡甘聚糖異細胞（Glucomannan allocell，GA）。表皮為球莖外圍保護組織，是球莖最外部的一層細胞，表皮上有氣孔和表皮毛，是初生的保護組織，表皮由木栓形成層細胞分裂產(chǎn)生，在表皮形成過程中，由于氣孔所在形成皮孔，通過皮孔與外界進行氣體交換。表皮之下為皮層部，由近20層薄壁細胞構(gòu)成，其中，僅有少數(shù)細胞含有較多的淀粉粒，大多數(shù)薄壁細胞不含或極少含有淀粉，該區(qū)內(nèi)有為數(shù)不多的葡甘聚糖異細胞。皮層以內(nèi)為球莖的貯藏組織和維管組織，含有大量含淀粉的細胞包圍著葡甘聚糖異細胞，葡甘聚糖異細胞體積較大，分布無規(guī)則。根狀莖的皮層部（圖2b）比球莖的皮層部厚。

圖2 魔芋球莖和根狀莖橫切面的形態(tài)特征

2.3 魔芋根縱切面的形態(tài)特征

如圖3所示，魔芋的根與其他所有植物的根部結(jié)構(gòu)一樣，根尖從頂端向后依次可分為根冠、分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)四部分。根冠為薄壁細胞組成的圓錐形帽狀物，有保護分生組織、分泌黏液、維持根向地性（細胞中有淀粉粒，多集中于細胞的下方）的功能。分生區(qū)為分生組織，又稱生長點，有產(chǎn)生新細胞、促進根尖生長、補充根冠組織的作用。伸長區(qū)為分生區(qū)分裂產(chǎn)生的細胞，停止分裂，縱向迅速伸長，其功能為促進根尖伸長，向成熟區(qū)過渡。成熟區(qū)由伸長區(qū)細胞分化而來，表皮細胞外突形成密生的根毛，又稱根毛區(qū)，是吸收水分和養(yǎng)分的部位。

圖3 魔芋根的縱切面

2.4 魔芋芽縱切面的形態(tài)特征

由于魔芋一個生長周期中只生一片葉的特性，從圖4可以看出，在幼葉的葉腋處缺少芽原基（將來發(fā)育成側(cè)芽）結(jié)構(gòu)，芽由頂端分生組織、幼葉、芽軸構(gòu)成；頂端分生組織位于葉芽的頂端，幼葉發(fā)育成葉，使芽軸不斷地伸長；芽軸位于芽的中軸部位，發(fā)育成莖；根狀莖上芽的幼葉比球莖緊實。

圖4 魔芋芽縱切面的形態(tài)特征

3 小結(jié)與討論

中國魔芋最佳適植區(qū)為海拔500～2 200 m溫暖濕潤的山區(qū)、半山區(qū)，而這些區(qū)域恰恰是老、少、邊、窮地區(qū)，經(jīng)濟和交通最不發(fā)達的地區(qū)。因此，魔芋成為各地扶貧項目的示范作物［2］。但魔芋的生產(chǎn)用種量大，大概需要種芋3 750 kg/hm2，由于種芋皮薄肉脆，在大規(guī)模、長距離的貯運過程中易受損傷［6］，且種植過程中，被稱為魔芋“癌癥”的軟腐病易通過受傷的種芋傳播，該病導致的年損失量達年產(chǎn)量的30%～50%，嚴重的達80%［7，8］。

根狀莖是生長于地下但仍具有莖的基本形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的變態(tài)莖。根狀莖通常來源于植株莖基部的不定芽或越冬芽，或?qū)嵣缱尤~腋芽和真葉腋芽［9］。魔芋根狀莖是由球莖上的不定芽萌發(fā)形成，形似棒狀，是發(fā)展魔芋產(chǎn)業(yè)中重要的繁殖材料。通過形態(tài)學研究發(fā)現(xiàn)，根狀莖由短縮球莖節(jié)上的腋芽生成，其皮層比球莖厚，頂芽的鱗片比球莖頂芽緊實。因此，在魔芋發(fā)展新推廣區(qū)，調(diào)運根狀莖不易受損，從而大大降低了感染病害的風險。同時，根狀莖的增重系數(shù)為10～15，種植一年后可獲得100～150 g的良種，可以有效降低新區(qū)魔芋引種成本。

根狀莖的發(fā)育是由不同的內(nèi)源物質(zhì)和環(huán)境因子（包括光周期、激素、蔗糖和溫度等）誘導發(fā)生［10-12］，粗大的根狀莖在獲得水分和營養(yǎng)方面具有競爭力，能夠快速生長。因此，將進一步檢測根狀莖不同發(fā)育階段和不同節(jié)段的內(nèi)源激素含量，以期為研究誘發(fā)更多、更壯的根狀莖提供參考依據(jù)。