紅花石蒜開花過程中鱗莖淀粉粒分布動態(tài)

馬美霞，魏緒英，于 芬，張 瑤，楊 玉，吳 靖，蔡軍火*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西財經(jīng)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032）

【研究意義】紅花石蒜（Lycoris radiata）為石蒜科（Amaryllidaceae）石蒜屬（Lycoris）鱗莖類植物，主要分布在東亞暖溫帶和亞熱帶地區(qū)[1]，具有較高的觀賞與藥用價值和獨特的生物學(xué)特性[2]（花葉不相見），花后秋季出葉，夏季無葉休眠[3]，從它們的鱗莖中分離出來的生物堿可以抑制病毒、炎癥、腫瘤和癌癥[4-5]，是目前中國原產(chǎn)、僅有的少數(shù)尚未被國外“搶先育種”的本土特色新型球根花卉，科研價值較高，開發(fā)潛力巨大。石蒜屬植物內(nèi)淀粉含量十分豐富，鱗莖含有淀粉40%，是石蒜中主要的碳水化合物[6]。當(dāng)?shù)矸郾唤到鉃榭扇苄蕴牵部蔀橹参锏纳L提供碳和能量[7]，母鱗莖部分降解的淀粉顆粒也可作為小鱗莖萌生和發(fā)育的能量來源[8]，它的合成、積累及代謝對其生長與發(fā)育有重要影響[9-10]。

【前人研究進(jìn)展】目前，有關(guān)石蒜屬植物淀粉的研究主要包括忽地笑（Lycoris aurea）鱗莖高溫催花過程中養(yǎng)分代謝[11]和種子萌發(fā)中多糖研究[12]、石蒜（lycoris radiata）球莖營養(yǎng)成分年變化規(guī)律研究[13]和中國石蒜（Lycoris chinensis）鱗莖中淀粉粒的分布特征研究等[14]。左慧等[13]、羅琦[15]通過對石蒜屬的石蒜（L.radiata）、忽地笑（L.aurea）、中國石蒜（L.chinensis）、長筒石蒜（L.longituba）等7 種不同植物的不同生長發(fā)育期淀粉的含量變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石蒜屬植物中淀粉的含量隨著生長發(fā)育年份的增長而增加，養(yǎng)分以可溶性糖的形式不斷地供給地上部分的生長發(fā)育。目前關(guān)于石蒜生長發(fā)育規(guī)律的研究多從解剖學(xué)、生理學(xué)等角度來進(jìn)行，但以“淀粉代謝”為主軸來進(jìn)行石蒜鱗莖發(fā)育與休眠機制的研究尚未見報道。目前，測定淀粉粒大小的方法主要有掃描電子顯微鏡法（SEM）[16-17]、激光粒度儀（LPA）[18]，測量精度高，但操作難度大、不適合淀粉粒群體的數(shù)量化分析。

淀粉常以淀粉粒的形式存在于組織細(xì)胞中[19]，作為細(xì)胞主要能量和碳藏庫的淀粉粒，其數(shù)量與面積等的變化與植物生長發(fā)育密切相關(guān)[20]。淀粉粒的粒徑是淀粉粒的基本屬性，淀粉顆粒大小也會對淀粉特性有顯著影響[21]。由于植物中的淀粉粒數(shù)量與面積、粒徑大小不穩(wěn)定，會隨著發(fā)育時期和含淀粉細(xì)胞所在部位等而變化[22-23]。因此，研究不同石蒜屬植物淀粉顆粒大小和分布范圍是了解其生長發(fā)育和淀粉特性的基礎(chǔ)。

【本研究切入點】本文以紅花石蒜（L.radiata）為研究對象，采用石蠟切片和顯微觀測法，利用Image-Pro Plus 統(tǒng)計軟件比較分析了石蒜開花過程中（5 個時期：抽莛期、莛快速生長期、始花期、盛花期、末花期）鱗莖內(nèi)淀粉粒的形態(tài)與分布特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在為進(jìn)一步掌握石蒜鱗莖各個部位淀粉時空分布的規(guī)律，明確鱗莖特異化結(jié)構(gòu)與功能及其“源—庫”轉(zhuǎn)換規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試紅花石蒜（Lycoris radiata）鱗莖直徑為（d=（3.5±0.2）cm）的4年生種球（2020年9月），無病蟲害，定植（2017 年5 月）于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)花圃基地（28.76°N，115.83°E），生長健壯。以不同發(fā)育階段劃分，分別于試驗材料的抽莛期（2020 年9 月10 日）、莛快速生長期（2020 年9 月15 日）、始花期（2020 年9 月20）、盛花期（2020年9月23）、末花期（2020年9月28）5個階段在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)花圃基地挖取，每次1組，每組包含3個重復(fù)。

1.2 測定方法

在5個不同發(fā)育階段分別將每組石蒜各分為鱗莖（內(nèi)層鱗片2～4片、中層鱗片5～8片、外層鱗片9～12片）上部、中部、下部、鱗莖盤這幾個不同部位進(jìn)行取樣。每個時期隨機挑選的無分球大型紅花石蒜種球，09：00 左右進(jìn)行取樣，作為石蠟切片的原材料。所有樣品帶回實驗室后清洗外部褐色表皮，從鱗片中切取0.5 cm×0.5 cm小塊，采集新鮮材料固定于50% FAA 固定液（V（福爾馬林）∶V（冰醋酸）∶V（70%乙醇）=1∶1∶18）中，時間為48 h以上。經(jīng)過脫水、透明、滲蠟、包埋、切片、粘片、展片、染色、透明、封藏等步驟，得到5個時期的永久石蠟切片，切片厚度8μm，番紅固綠染色。每個部位隨機取3個視野的淀粉粒，作為3個重復(fù)，每個重復(fù)的面積為24萬μm2（800×300的矩形選框）。在蔡司光學(xué)顯微鏡下拍攝成數(shù)碼照片存在電腦硬盤供分析觀察鱗片中淀粉粒的結(jié)構(gòu)及分布情況，以上實驗重復(fù)3次，結(jié)果取3次重復(fù)的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Image-Pro Plus 軟件對淀粉粒的數(shù)量、平面面積、粒徑、密度進(jìn)行測量統(tǒng)計。用Excel 和SPSS24.0軟件進(jìn)行試驗資料的統(tǒng)計檢驗（單因素方差分析、獨立樣本T檢驗），Origin軟件進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

采用番紅固綠染色對抽莛期、莛快速生長期、始花期、盛花期、末花期5 個時期的鱗莖進(jìn)行石蠟切片觀察，各個重復(fù)間觀察的結(jié)果一致，觀察結(jié)果支持相同的結(jié)論。各時期石蒜鱗莖淀粉粒的數(shù)量、面積、粒徑、密度均發(fā)生明顯的變化。

2.1 紅花石蒜淀粉粒時空分布特征定性分析

2.1.1 淀粉粒的形態(tài)及其時間分布規(guī)律 在光學(xué)顯微鏡下，觀察紅花石蒜鱗莖切片時發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁及其它結(jié)構(gòu)在染色后呈淺綠色，而淀粉粒呈紅色。圖1顯示，紅花石蒜鱗莖淀粉粒可分為單粒、復(fù)粒。以單粒淀粉粒為主，且淀粉粒的形態(tài)多數(shù)為橢圓形，少數(shù)為多邊形，可清晰的看到多數(shù)淀粉粒存在臍點，且位于淀粉粒的中心處。圖2鱗莖盤可觀察到存在的層紋，且相較于鱗莖而言，鱗莖盤細(xì)胞中淀粉粒最多，面積和粒徑較小，大小比較均勻，變化幅度小，整齊度高。

圖1 鱗莖淀粉粒單粒和復(fù)粒Fig.1 Bulb starch granules single and compound granules

圖2 鱗莖盤淀粉粒層紋Fig.2 Starch granulae in bulb disc

由圖3 得知，在紅花石蒜開花過程中的任一時期（5 個時期），鱗片內(nèi)的淀粉粒分布呈現(xiàn)規(guī)律性變化。首先，無論是內(nèi)層、中層，還是外層鱗片，鱗片內(nèi)的淀粉粒分布密度均呈現(xiàn)出“內(nèi)側(cè)（左）小，外側(cè)（右）大”的顯著差異性，即在同一層的鱗片內(nèi)，從外向內(nèi)，淀粉粒由多變少；其次，在同一鱗莖內(nèi)，不同部位的鱗片（內(nèi)層、中層、外層）內(nèi)所含的淀粉粒大小及其密度有明顯差異，即淀粉粒數(shù)量及分布密度由內(nèi)層向外層逐漸變少，變小，而淀粉粒大小則呈現(xiàn)出由內(nèi)向外逐漸變大的趨勢（由大到小依次為內(nèi)層、中層、外層）。

紅花石蒜開花過程中鱗莖盤內(nèi)的淀粉粒也具有一定規(guī)律性。5 個時期中盛花期鱗莖盤內(nèi)的淀粉粒數(shù)量最少，其次為始花期，末花期的鱗莖盤內(nèi)的淀粉粒最多。在紅花石蒜開花過程中，不同時期（5 個階段）鱗片內(nèi)的淀粉粒分布也有明顯差異。從內(nèi)層鱗片看，5個不同時期淀粉粒分布有明顯變化；即在開花過程中，外側(cè)淀粉粒逐漸變少，密度變小，如抽莛期顯著大于莛快速伸長期，始花期大于末花期（圖3A，3I，3Q）；其次，大淀粉粒明顯減少，小淀粉粒占比則逐漸增加（圖3C，3Q，3S）。

圖3 紅花石蒜開花過程中鱗片內(nèi)淀粉粒的分布Fig.3 Distribution of starch grains in the scales of Lycoris radiata during flowering

2.1.2 淀粉粒的空間分布特征 為進(jìn)一步了解同一層鱗片內(nèi)的淀粉粒的分布情況，研究以抽莛期鱗片石蠟切片為例，比較了石蒜鱗片不同部位（上部、中部、下部）的淀粉分布差異。圖4 表明，紅花石蒜鱗片上的淀粉粒在縱向分布上（鱗片的上部、中部、下部）的差異不明顯（如淀粉粒的面積、密度）；但鱗莖和鱗莖盤上的淀粉粒差異非常明顯，鱗莖中淀粉粒的面積和粒徑明顯大于鱗莖盤。

圖4 紅花石蒜抽莛期鱗片內(nèi)淀粉粒的分布Fig.4 Distribution of starch grains in scales of Lycoris radiata at scaping stage

2.2 紅花石蒜淀粉粒時空分布特征的數(shù)量化分析

2.2.1 不同開花時期鱗莖淀粉粒形態(tài)與分布動態(tài)變化 基于對石蠟切片的定性觀察，借助Image-Pro Plus分析軟件，對石蒜鱗片內(nèi)淀粉粒的形態(tài)與分布特征進(jìn)行量化分析。結(jié)果表明，在紅花石蒜開花過程中，5 個不同時期之間的鱗莖內(nèi)層鱗片的淀粉粒分布（平均表面積和粒徑）有顯著差異（有小到大依次為末花期、盛花期、始花期、莛快速生長期、抽莛期），而淀粉粒數(shù)量和密度無顯著差異。這表明，從石蒜抽莛到開花的過程中，鱗莖內(nèi)層的淀粉粒數(shù)量雖無顯著變化，但是粒徑的大小卻呈逐漸變小趨勢，說明該時期鱗片細(xì)胞內(nèi)的淀粉代謝是以分解為主。

從圖5 得知，在紅花石蒜開花過程的5 個時期中，內(nèi)層鱗片中的淀粉表面積和粒徑以抽莛期最大，顯著大于其他4 個時期；淀粉數(shù)量雖以盛花期最多，但與其他4 個時期無顯著差異。淀粉分布密度雖以始花期的最高，但與其他4 個時期也無顯著差異。總體表現(xiàn)出隨著開花進(jìn)程的推進(jìn)，淀粉粒在逐漸變小。

圖5 紅花石蒜5個時期鱗莖內(nèi)層中部淀粉粒分布Fig.5 Distribution of starch grain in the inner layer of bulb of Lycoris radiata at five stages

從圖6 得知，在紅花石蒜開花過程的5 個時期中，中層鱗片中的淀粉數(shù)量、粒徑、平均表面積均以始花期最高，且顯著高于其他4 個時期；而分布密度則以莛速長期和末花期最高，顯著高于其他3 個時期?？傮w表現(xiàn)出隨著開花進(jìn)程的推進(jìn)，中層鱗片內(nèi)的淀粉粒的數(shù)量、大小和表面積均呈先升后降的趨勢，而密度差異性不顯著。

圖6 紅花石蒜5個時期鱗莖中層中部淀粉粒分布分析Fig.6 Distribution of starch grains in the middle middle of bulb of Lycoris radiata at five stages

從圖7得知，在紅花石蒜開花過程的5個時期中，外層鱗片中的淀粉數(shù)量也以始花期最高，其次是莛快速生長期；淀粉粒面積則以抽莛期最高，其次為莛快速生長期；粒徑也以抽莛期最高，而淀粉的分布密度無顯著差異?？傮w表現(xiàn)隨著開花進(jìn)程的推進(jìn)，外層鱗片內(nèi)淀粉粒的面積和粒徑呈下降趨勢。

圖7 紅花石蒜5個時期鱗莖外層中部淀粉粒分布Fig.7 Distribution of starch grains in the outer middle of bulb of Lycoris radiata at five stages

從圖8得知，在紅花石蒜開花過程的5個時期中，鱗莖盤中的淀粉數(shù)量以末花期最高，其次是始花期；淀粉粒面積則以抽莛期最高；再次為莛快速伸長期，粒徑也以抽莛期最高，而淀粉的分布密度無顯著差異?？傮w表現(xiàn)出隨著開花進(jìn)程的推進(jìn)，鱗莖盤內(nèi)的淀粉粒的面積和粒徑呈下降趨勢，而密度呈增加趨勢。

圖8 紅花石蒜5個時期鱗莖盤淀粉粒分布Fig.8 Distribution of starch grain in bulb disc of Lycoris radiata at five stages

2.2.2 不同部位鱗莖淀粉粒的空間分布規(guī)律 以抽莛期石蒜為例，鱗莖內(nèi)層鱗片的淀粉粒的空間分布（上部、中部、下部）具顯著差異，即在內(nèi)層鱗片的中部，淀粉粒數(shù)量顯著多于上部和下部（由少到多依次為上部、下部、中部）。而淀粉粒的面積、粒徑、密度卻以上部最高，其次是中部，下部再次之。這說明在相同的鱗片內(nèi)（以內(nèi)層鱗片為例），物理學(xué)下端的淀粉粒面積、粒徑、密度均較中部、上部偏大，淀粉粒分布也更集中；而淀粉粒數(shù)量以中部最多（圖9）。

圖9 石蒜抽莛期鱗莖內(nèi)層不同部位淀粉粒分布Fig.9 Distribution of starch granule in different parts of inner layer of bulb of Lycoris radiata at early growth scapus stage

圖10 表明，從淀粉粒的數(shù)量和分布密度來看，紅花石蒜鱗莖盤的中部的淀粉粒數(shù)量和密度均顯著高于四周；而淀粉粒的平均面積和粒徑卻顯著小于四周。與鱗片相比，鱗莖盤內(nèi)的淀粉粒面積和粒徑相對更小。

圖10 石蒜抽莛期鱗莖盤淀粉粒分布Fig.10 Distribution of starch grain in bulb disc of Lycoris radiata lactiflora at scapscaping stage

3 結(jié)論與討論

3.1 開花過程中淀粉粒的時間分布與鱗莖“源-庫”轉(zhuǎn)化規(guī)律有一定關(guān)聯(lián)

研究表明，在紅花石蒜開花（抽莛-開花）過程中，不同時期內(nèi)層鱗片內(nèi)的淀粉粒數(shù)量無顯著差異，然而淀粉粒的面積和粒徑卻均表現(xiàn)出逐漸變小的趨勢。說明在開花過程中，紅花石蒜內(nèi)層鱗片細(xì)胞內(nèi)的淀粉代謝是以水解為主，此時的鱗莖主要發(fā)揮“源”的作用。

中層和外層鱗片內(nèi)的淀粉數(shù)量在開花過程中均呈先升后降趨勢。其中，中層鱗片中的淀粉粒徑、平均表面積呈先升后降趨勢，而外層鱗片中的淀粉面積和粒徑均一直呈下降趨勢。這說明，在開花前期（抽莛期-始花期），鱗莖主要發(fā)揮“庫”功能；而在開花的中后期（始花期-盛花期-末花期），鱗莖仍然主要發(fā)揮“源”功能。這可能是由于石蒜從抽莛期到始花期可以進(jìn)行光合作用，淀粉粒的含量相對增加，而盛花期消耗養(yǎng)分最多，到末花期時消耗的養(yǎng)分減少。

研究還表明，紅花石蒜鱗莖盤細(xì)胞中的淀粉粒面積和粒徑明顯小于鱗葉（圖9和圖10），這與鱗莖盤主要發(fā)揮“營養(yǎng)的運輸”和“短暫的營養(yǎng)貯藏（小粒淀粉）”功能相符合。

3.2 紅花石蒜鱗莖內(nèi)淀粉粒的空間分布特征與物種的能量供給特點密切相關(guān)

研究表明，在石蒜開花過程中，淀粉粒數(shù)量、密度呈現(xiàn)出由內(nèi)層向外層逐漸變少、變小的趨勢，而單粒淀粉粒的面積和粒徑則呈逐漸變大的趨勢。說明，石蒜開花是一個耗能過程，外層鱗葉的作用主要是作為“營養(yǎng)庫”，而石蒜鱗片中的淀粉分解后所得到的可溶性糖主要是轉(zhuǎn)運至細(xì)胞分裂最旺盛的內(nèi)層鱗片中[24]，所以內(nèi)層主要作為“營養(yǎng)源”，而中層鱗葉主要作為備用“營養(yǎng)源”。在紅花石蒜的生長過程中，優(yōu)先消耗外層鱗片的養(yǎng)分，供應(yīng)內(nèi)層鱗葉和鱗莖芽的發(fā)育，在外層鱗葉耗盡時，中層鱗葉代替外層鱗葉成為新的主要“營養(yǎng)源”。這與孫紅梅等[25]、夏宜平等[26]對百合生長先消耗外層鱗片養(yǎng)分的研究結(jié)果大體一致。

此外，在相同鱗片的垂直分布（上部、中部、下部）淀粉粒的數(shù)量、面積、粒徑、密度整體呈現(xiàn)上部＜下部的趨勢。其中，抽莛期鱗莖內(nèi)層鱗片內(nèi)的淀粉數(shù)量在其上部、中部、下部之間的空間分布差異顯著，由少到多依次表現(xiàn)為上部、下部、中部。然而，淀粉粒的面積、粒徑、密度由小到大依次為上部、中部、下部的趨勢，這與邵京等[14]研究中國石蒜鱗莖中淀粉粒的垂直分布無顯著差異的研究結(jié)果不完全一致，可能與二者的開花期和出葉時期均不同有關(guān)。