環(huán)境與植物激素對馬鈴薯塊莖休眠與萌發(fā)的影響研究

王 雪 王 謙 孫 源 李麗竹 李俊花 劉 浩 鄧 綱

（云南大學資源植物研究院，昆明 650500）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是世界上最重要的糧食作物之一。因其特有的營養(yǎng)價值、經(jīng)濟價值、藥用及保健價值和工業(yè)價值，對保障糧食生產(chǎn)安全和提高人民生活水平具有極其重要的作用。休眠是馬鈴薯塊莖發(fā)育的特殊生理階段，使塊莖能夠在不利條件下作為營養(yǎng)生殖器官保存，較長的休眠期有利于馬鈴薯的貯藏保鮮、加工利用，但同時也會造成馬鈴薯產(chǎn)量降低[1]。在馬鈴薯塊莖的休眠期，芽的生長會受到明顯抑制[2]。休眠時間的長短受到環(huán)境、生理和激素等影響[3]。而芽的萌發(fā)則標志著休眠期被打破，可用于相應的種薯生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。如何做到人為控制馬鈴薯塊莖休眠及芽萌發(fā)對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)具有重要的經(jīng)濟價值，也是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。

1 馬鈴薯塊莖休眠及芽萌發(fā)的特征

馬鈴薯塊莖達到生理成熟后，會進入很長一段時間的深度休眠狀態(tài)。在此時種植馬鈴薯，即使是在理想的萌發(fā)條件下芽也不會萌發(fā)[4]。從生理學的角度來說，馬鈴薯塊莖休眠期是指從匍匐莖頂端膨大開始到塊莖發(fā)芽生長的一段時期，但人們習慣將塊莖開始收獲至塊莖頂芽萌發(fā)結(jié)束的時期作為馬鈴薯塊莖的休眠期[3]。處于休眠過程中的塊莖仍保持著生命活動，維持著最基礎的生理功能，只有經(jīng)過一定的貯藏后休眠才會被解除，塊莖才能進一步發(fā)芽生長[5]。休眠時期一般被劃分為相對休眠、生理休眠和環(huán)境休眠。因各階段間不存在明顯的生理標志而導致休眠期不易被區(qū)分。對休眠時期的劃分一般根據(jù)休眠是否可以被逆轉(zhuǎn)來判斷，相對休眠和環(huán)境休眠可受外界因子的影響被打破，而生理休眠則不會或很難被逆轉(zhuǎn)[6]。

2 外界環(huán)境對馬鈴薯塊莖休眠與萌發(fā)的影響

休眠時期的長短主要與品種的特性有關，同時也會受到環(huán)境、栽培措施和貯藏條件等因素的影響[3]。不同品種馬鈴薯的休眠期存在一定的差異，晚熟品種一般具有較短的休眠期，而早熟品種則相反。除此之外，休眠期時間還取決于馬鈴薯生長的土壤和氣候等條件、塊莖成熟度、貯藏條件以及塊莖的完整度等。一般來說，栽培過程中適宜溫度（15～21℃）范圍內(nèi)的高溫、足夠發(fā)育的水分和良好的土壤肥力會縮短塊莖的生理休眠期；未成熟比成熟的塊莖有著更長的休眠期[3]；在低溫、潮濕條件下貯藏則有利于延長塊莖的休眠期[4]。

2.1 溫度對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響一系列研究表明，馬鈴薯在收獲后，塊莖的休眠時間與貯藏溫度有關。通常情況下，在持續(xù)高溫條件下，休眠期會明顯地縮短[4]。而隨著學者們不斷深入地研究，進一步發(fā)現(xiàn)不同的溫度處理對馬鈴薯休眠期有顯著的影響。Wurr 等[7]通過分析3 個馬鈴薯品種（Desiree、Vanessa、Home Guard）在不同貯藏溫度（2～8℃、0～10℃、6～15℃）條件下休眠期的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖在2～8℃條件下連續(xù)貯藏14d，塊莖的萌發(fā)會受到明顯抑制，而恢復到6～15℃時，休眠被打破，與對照組相比，休眠期縮短14d；而一直在10℃條件下貯藏的塊莖則沒有芽生長現(xiàn)象，同時揭示了經(jīng)冷處理、常規(guī)溫度條件下貯藏后，發(fā)芽的數(shù)量與品種密切相關。Van Ittersum 等[8]對不同品種（Desiree、Diamant、Draga、Jaerla）的馬鈴薯進行熱預處理，即在28℃條件下連續(xù)貯藏20d 后恢復到18℃條件貯藏，與持續(xù)貯藏在18℃條件下相比，經(jīng)熱預處理的馬鈴薯塊莖休眠期分別縮短了14d、29d、18d 和15d；進一步分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)貯藏在28℃條件下也可以縮短馬鈴薯塊莖的休眠期，分別縮短了49d、13d、48d 和51d，與熱預處理相比，Desiree、Draga、Jaerla 品種塊莖的休眠期明顯縮短。

2.2 濕度與光照對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響濕度在一定程度上會影響馬鈴薯塊莖的休眠，關于濕度與馬鈴薯塊莖休眠間的研究相對較少，主要是因為環(huán)境范圍內(nèi)濕度的變化對馬鈴薯塊莖水分的影響不顯著。然而，這種影響對塊莖質(zhì)量有重要的影響，尤其是新鮮的馬鈴薯[9]。同時高濕度有利于馬鈴薯塊莖傷口的快速愈合，從而影響馬鈴薯的完整度，促進塊莖芽的萌發(fā)，有利于打破休眠；相對濕度處于90%以下，可防止塊莖重量下降過多；相對濕度處于38%～66%之間，塊莖則開始發(fā)芽[10]。

有研究表明，短日照條件栽培的馬鈴薯比長日照條件栽培的馬鈴薯具有更短的休眠期[11]。在田間條件下，光周期對馬鈴薯塊莖休眠的影響很難確定，所觀察到的影響可能更多的與塊莖形成時間或成熟度有關，而與休眠本身無關，通過對馬鈴薯（Desiree）處于休眠狀態(tài)下的塊莖進行不同的光照處理發(fā)現(xiàn)，光強對塊莖休眠具有一定的影響。短日照條件下，與較低光強（5.3μmol/m2·s PPF）的處理相比，最高光強（106μmol/m2·s PPF）的處理則可以顯著縮短馬鈴薯塊莖的休眠期。同時發(fā)現(xiàn)塊莖休眠期與光周期有關，與完全暴露在光照8h/d 相比，完全黑暗處理條件下的馬鈴薯塊莖休眠期明顯縮短[6]。

2.3 大氣條件對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響塊莖休眠的打破和芽的萌發(fā)過程中伴隨著高濃度的CO2和O2等條件，但兩者之間具體的生理機制尚不明確[9]。Burton[12]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯塊莖處于1%～2%的CO2含量下有利于打破休眠。后續(xù)的研究表明，隨著塊莖的老化，打破休眠和維持芽生長所需的O2含量會顯著增加（從2%增加到23%），同時提出了“最適厭氧可逆代謝”的生長抑制機制。Thornton[13]研究表明，馬鈴薯塊莖在25℃條件下連續(xù)施用40%～60%的CO2和20%的O23～7d，可有效打破休眠，同時還發(fā)現(xiàn)高濃度（20%～80%）的O2能增強這種效果。Coleman 等[14]發(fā)現(xiàn)對馬鈴薯塊莖進行特定的CO2/O2氣體混合物處理可縮短休眠期。其中有兩種處理對所有馬鈴薯品種均適用，分別為低O2含量（<10%）/10%～60% CO2含量以及高CO2含量（60%）/O2含量（40%）。而最有效的方法則是對馬鈴薯的塊莖進行20% CO2與40% O2或60%CO2與18%～20% O2處理，在此基礎上引入乙烯可以進一步縮短馬鈴薯塊莖的休眠期。

3 植物激素對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響

植物激素是影響馬鈴薯塊莖休眠和芽萌發(fā)的重要因素，目前主要通過使用植物激素對塊莖進行化學處理來提前解除休眠，但具體作用機制仍需進一步研究。前人研究表明，只有當一些特定的激素處于相對平衡狀態(tài)，才可以促進或維持某一生理狀態(tài)。在馬鈴薯塊莖休眠過程中，植物激素會有明顯的變化（表1），塊莖休眠主要受生長促進劑和抑制劑的相對濃度調(diào)控，并提出了“抑制因子/促進因子平衡調(diào)節(jié)休眠”的學說來解釋[3]。

表1 馬鈴薯塊莖休眠過程中主要內(nèi)源激素的含量變化

3.1 生長素對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響植物生長素（IAA）是影響馬鈴薯塊莖休眠的主要激素之一。馬鈴薯塊莖中內(nèi)源IAA 的含量會隨著休眠程度的不同而產(chǎn)生相應的變化。在塊莖形成過程的初期，內(nèi)源IAA 含量升高；隨著塊莖進一步發(fā)育，IAA 含量會持續(xù)下降[15]。目前，IAA 控制馬鈴薯塊莖休眠和芽萌發(fā)的作用機制尚不明確。Hemberg[16]對馬鈴薯塊莖進行生物測定發(fā)現(xiàn)，塊莖休眠期內(nèi)源IAA 含量較低，伴隨著早期芽的生長IAA 含量明顯增加。Sukhova 等[17]進一步發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖中自由態(tài)IAA 含量從休眠初期到休眠結(jié)束后沒有顯著變化，但總的IAA 含量在減少，推測是結(jié)合態(tài)IAA 含量降低所導致。Sorce 等[18]分析了馬鈴薯塊莖芽萌發(fā)前IAA 的含量，發(fā)現(xiàn)萌發(fā)芽中自由態(tài)的IAA 含量顯著增加，進一步通過免疫組織化學方法分析塊莖組織和芽中IAA 分布發(fā)現(xiàn)，生長素有利于打破休眠，在發(fā)芽初期可促進芽的分化和生長。同時也發(fā)現(xiàn)高濃度IAA 或合成的生長素對芽萌發(fā)有一定的抑制作用，通過施用不同IAA 濃度梯度觀察芽的萌發(fā)情況，發(fā)現(xiàn)高濃度IAA（1000mg/L）完全抑制芽的萌發(fā)，100mg/L IAA 處理下抑制不明顯，而低濃度IAA（<10mg/L）可刺激芽的萌發(fā)，且當IAA 濃度為1mg/L時刺激芽萌發(fā)的效果最佳[16]。但也有研究表明，IAA 會抑制馬鈴薯塊莖腋芽的發(fā)生以及匍匐莖的伸長，IAA 在抑制匍匐莖伸長的同時會促進無柄塊莖的形成和塊莖的膨大[19]。但IAA 濃度高于5μmol/L時，會抑制塊莖的形成，這可能是高濃度IAA 含量影響了乙烯（ETH）的形成[20]。綜上所述，內(nèi)源IAA控制馬鈴薯塊莖休眠的假設并沒有得到有力證據(jù)的支撐，卻證實了IAA 和其他內(nèi)源性生長素在馬鈴薯解除休眠后芽生長萌發(fā)過程中發(fā)揮作用。因此，一定濃度范圍的IAA 是芽生長所必需的，但不是芽生長萌發(fā)的啟動因子。

3.2 赤霉素對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響赤霉素（GA）是一類可以促進馬鈴薯塊莖打破休眠及芽生長萌發(fā)的植物激素，在馬鈴薯塊莖的生長發(fā)育過程中，GA 通過細胞分裂及細胞骨架、光周期誘導塊莖形成時信號的傳遞和碳水化合物的合成等過程來調(diào)控馬鈴薯塊莖的形成和發(fā)育[21]。

GA 對馬鈴薯塊莖休眠的打破具有重要作用。低濃度GA 可加速休眠打破和塊莖芽的萌發(fā)進程[4]，而短日照條件下GA（濃度≥100mL/L）對馬鈴薯塊莖的形成具有抑制或延遲塊莖形成的作用[22]。Suttle[23]通過研究馬鈴薯塊莖中GA1、GA19和GA20的含量發(fā)現(xiàn)，塊莖中GA19和GA20的含量在發(fā)芽旺盛時期最高，且此時GA 總含量增加。同時有研究表明發(fā)現(xiàn)，GA19對非休眠期塊莖的發(fā)芽生長有一定的促進作用。以上結(jié)果表明，內(nèi)源性GA對塊莖休眠的打破與芽的生長萌發(fā)具有一定的調(diào)控作用。Xu 等[24]通過對誘導條件（8%蔗糖+GA 0.01～0.10μmol/L）和非誘導條件（1%蔗糖；8%蔗糖+GA4/7）下馬鈴薯塊莖或匍匐莖中GA 的含量進行比較發(fā)現(xiàn)，在匍匐莖膨大形成塊莖的過程中，兩者GA 的含量均顯著下降，在塊莖中維持較低水平。進一步分析發(fā)現(xiàn)，非誘導條件（1%蔗糖）下GA 的含量較誘導條件（8%蔗糖）下高，說明馬鈴薯塊莖的形成需要GA 的含量低于一個臨界水平（1μmol/L）。內(nèi)源GA 類似化合物在塊莖休眠期含量較低而在芽生長前增加，表明用GA 處理休眠期的塊莖可打破其休眠狀態(tài)[25]。盡管GA 在馬鈴薯塊莖休眠調(diào)控中的作用一直存在爭議，但通過外源施用、生物合成基因的異位表達以及人工增加塊莖GA 含量等手段都能夠促進塊莖打破休眠。

3.3 細胞分裂素對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響細胞分裂素（CTK）是馬鈴薯塊莖休眠及芽生長萌發(fā)過程中的調(diào)節(jié)因子，能夠刺激植物細胞分裂、增強植物組織的吸收能力，進而促進塊莖打破休眠和芽的生長萌發(fā)[26]。對CTK 活性和含量的相關研究表明，當塊莖處于深度休眠期時，CTK 含量較低，而在發(fā)芽前和出苗期前含量會增加且達到最高值。塊莖休眠解除后，塊莖和芽中CTK 總含量進一步增加[17]。目前為止，細胞分裂素調(diào)控塊莖休眠和發(fā)芽的作用機制仍不清楚。

細胞分裂素存在于馬鈴薯塊莖的所有部位，在休眠時期，細胞分裂素均勻分布在頂端、外側(cè)和節(jié)間組織。在塊莖打破休眠的過程中，CTK 能夠刺激塊莖進行細胞分裂，解除細胞周期G1/S 期的阻滯，最終導致休眠被打破，相關的研究表明，D 型細胞分裂素參與細胞周期G1/S 期的阻滯的去除[27]，一定程度上印證了CTK 對塊莖的解除休眠作用。據(jù)報道，塊莖休眠的打破往往伴隨著根尖芽以及相鄰組織中游離細胞分裂素水平的迅速增加，且細胞分裂素在根尖組織頂端優(yōu)勢存在的情況下就會維持高水平的表達；而當頂端優(yōu)勢被克服，側(cè)芽及鄰近組織的細胞分裂素水平與根尖區(qū)域的細胞分裂素表達水平相當，表明細胞分裂素苷被運輸?shù)綁K莖的分生區(qū)，并被水解成自由堿基，在塊莖的分生區(qū)和芽中明顯地轉(zhuǎn)化為貯藏形式（特別是玉米素糖苷）[28]。研究證明，馬鈴薯塊莖中同時含有反式玉米素家族的細胞分裂素和順式玉米素衍生物，外源細胞分裂素（順式和反式玉米素）不僅可以有效地打破塊莖休眠，還能引起內(nèi)源游離順式玉米素含量的增加，而順式玉米素被認為是馬鈴薯塊莖休眠的潛在調(diào)控因子[29]。此外，馬鈴薯塊莖對細胞分裂素的敏感性隨著休眠程度的進一步加深而逐漸增加。盡管收獲后或收獲后早期的馬鈴薯塊莖對外施的細胞分裂素不敏感，但其內(nèi)源性細胞分裂素含量會隨著細胞分裂素的外施而增加[27]，認為是外源性的細胞分裂素被休眠的塊莖迅速代謝從而導致休眠被打破[30]。此外，休眠塊莖對細胞分裂素表達水平隨著時間的推移而不斷下降，同時細胞分裂素代謝水平并沒有明顯的變化，表明細胞分裂素的感知、信號傳導途徑等受休眠狀態(tài)的影響[29]。這些研究結(jié)果進一步表明，內(nèi)源性細胞分裂素是馬鈴薯塊莖中天然的終止休眠因子。

3.4 乙烯對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響植物激素乙烯（ETH）是一種有效的生長調(diào)節(jié)劑，能夠影響植物的生長、分化和衰老等進程[31]。一系列關于乙烯與馬鈴薯塊莖發(fā)芽間的研究表明，乙烯有利于塊莖休眠的啟動和維持，因此有必要對乙烯影響休眠的作用機制進行相應的研究和闡述。研究發(fā)現(xiàn)，乙烯在維持休眠的第1 階段表現(xiàn)最為活躍，內(nèi)源乙烯的含量在離體培養(yǎng)的塊莖進入休眠初期時達到最高，隨后迅速下降。用乙烯拮抗劑、硝酸銀和降冰片二烯等可以使塊莖休眠被打破，表現(xiàn)為塊莖提前發(fā)芽，而這個過程可以被乙烯處理逆轉(zhuǎn)，且在乙烯的作用下，休眠初期具有一定的穩(wěn)定性[6]。與施用乙烯相比，休眠塊莖經(jīng)乙烯發(fā)生劑2-氯乙基膦酸處理后，不僅提高了組織中乙烯的含量，而且促進了ABA 的生物合成，最終表現(xiàn)為馬鈴薯塊莖休眠期的延長。因此，乙烯被認為對塊莖休眠有調(diào)控作用[3]。但也有學者提出不同的觀點，Suttle[32]利用乙烯合成抑制劑氨基乙氧基乙烯基甘氨酸（AVG）和NG 同時處理微型薯時，發(fā)現(xiàn)乙烯含量沒有增加，但微型薯提前解除休眠，而外源乙烯或者乙烯合成激活劑氨基環(huán)丙烷羧酸（ACC）處理的微型薯并沒有提前解除休眠，認為內(nèi)源乙烯沒有參與誘導塊莖休眠解除。Rylska 等[33]用不同濃度的乙烯處理馬鈴薯塊莖，發(fā)現(xiàn)休眠塊莖在濃度為2μL/L 的乙烯處理72h，塊莖發(fā)芽的效果最好，且環(huán)氧乙烷的處理效果比乙烯更好。用乙烯處理馬鈴薯休眠塊莖超過72h，則會抑制塊莖發(fā)芽；對于已解除休眠期的塊莖，用乙烯長期處理，也會抑制芽的伸長。但在馬鈴薯塊莖中檢測到的乙烯濃度很低（小于0.1μL/L），認為內(nèi)源乙烯并不是芽的抑制劑。Prange 等[34]用乙烯持續(xù)處理商品化貯藏的塊莖，通過分析馬鈴薯塊莖中還原糖的含量發(fā)現(xiàn)，雖然馬鈴薯塊莖中還原糖含量有所增加，但芽的生長萌發(fā)仍被抑制；且內(nèi)源乙烯的表達水平只在發(fā)芽期才略有增加，在此之前乙烯的含量達不到萌芽的條件，因此乙烯不能作為芽的內(nèi)源抑制劑。

3.5 脫落酸對馬鈴薯塊莖休眠和萌發(fā)的影響脫落酸（ABA）是導致和維持塊莖休眠的主要植物激素之一。ABA 首次在馬鈴薯塊莖中β-抑制性復合物中被檢測，發(fā)現(xiàn)能夠抑制塊莖莖尖生長，在塊莖休眠時含量最高，隨著休眠的解除，莖尖開始生長時，含量迅速下降，被認為可以調(diào)控塊莖的休眠[35]。楊柏云等[1]研究發(fā)現(xiàn)，芽眼和塊莖組織中ABA 含量在休眠開始時均增加，在深度休眠期最高，在休眠結(jié)束時急劇下降，塊莖中ABA 含量在打破休眠后也隨之降低，表明ABA 可以調(diào)控馬鈴薯塊莖的休眠。

研究證實外源ABA 會對馬鈴薯塊莖芽的生長產(chǎn)生暫時性、劑量依賴性的抑制作用[31]。Suttle 等[36]通過系統(tǒng)研究了內(nèi)源ABA 以及ABA 生物合成抑制劑（氟醚酮）在塊莖休眠中的作用后發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖經(jīng)氟醚酮處理后ABA 的合成被有效抑制，表現(xiàn)為塊莖提前發(fā)芽。而外源施用ABA 則使塊莖中ABA 恢復到對照水平，相應地觀察到早熟芽被抑制的現(xiàn)象。此外，對休眠的馬鈴薯塊莖外源施用ABA 抑制劑也會觀察到ABA 含量下降以及早芽率的增加。綜上所述，馬鈴薯塊莖休眠的誘導和維持都需要ABA 的持續(xù)生物合成。近年來，塊莖在生理休眠期間ABA 含量的變化與某些ABA 生物合成和分解基因之間的時間相關性已有報道，然而由于長時間的自然休眠過程使得闡述這些現(xiàn)象變得復雜。

4 展望

如何做到人為調(diào)控馬鈴薯塊莖的休眠期以及芽的萌發(fā)，從而發(fā)揮馬鈴薯最大的經(jīng)濟價值是國內(nèi)外學者所面臨的重大科學問題。在馬鈴薯塊莖休眠的調(diào)控中，外界環(huán)境因素和內(nèi)源植物激素的特性和作用已經(jīng)取得了一部分的進展。然而，關于植物激素在馬鈴薯塊莖生理和休眠等過程中的調(diào)控機制，還需要進一步的研究。目前通過控制光照、溫度、濕度等外界環(huán)境因素雖然可以控制馬鈴薯塊莖的休眠期，一定程度上提高馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。在此基礎上，對內(nèi)源植物激素間互相調(diào)控機制的闡述必將使得馬鈴薯產(chǎn)業(yè)得到進一步的發(fā)展。目前通過基因工程已確定馬鈴薯休眠過程中一些與調(diào)控激素相關的基因和蛋白質(zhì)等物質(zhì)，為更好地解釋塊莖休眠和芽萌發(fā)調(diào)控機制奠定了基礎。

已知的內(nèi)源植物激素間的調(diào)控及互作機制仍需要進一步探索，而其他內(nèi)源植物激素在塊莖休眠過程中的作用也在不斷地被認知，如油菜素內(nèi)酯等。為解決馬鈴薯休眠機制闡述這個問題，深入了解各激素特別是赤霉素和乙烯在塊莖休眠和萌發(fā)中的作用機制尤為必要；而各植物內(nèi)源激素間的平衡及相互調(diào)控機制以及其他內(nèi)源激素在休眠和萌發(fā)中產(chǎn)生的影響和調(diào)控途徑的相關研究則可以進一步加速對馬鈴薯塊莖休眠機制的認識。最后，可利用基因工程等對馬鈴薯休眠機制進行更深層次的闡述。相信在不久的將來，隨著馬鈴薯休眠及芽萌發(fā)機制的不斷清晰，馬鈴薯的經(jīng)濟價值可以得到充分的利用。