超低溫療法在薯芋類蔬菜脫毒中的應用進展

周潔+溫亮+周黎+王方+矯振彪+吳金平

摘要：超低溫療法相對傳統脫毒方法具有操作相對容易、時間周期短、脫毒率高等優勢。從超低溫療法原理、種類及優勢等方面進行了闡述，并展望了通過處理材料不同生理狀態研究、優化預培養因子等技術，可有效提高超低溫療法在薯芋類蔬菜脫毒上應用。

關鍵詞：超低溫療法；脫毒；薯芋類蔬菜

中圖分類號：S632 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4697-03

薯芋類蔬菜在生產上多采用無性繁殖方式，易導致植物體內病毒的逐代積累，致使種性退化、抗逆性下降、品質變劣，最終導致大幅減產[1]。如生姜因種姜病毒的積累就可導致5%～45%的減產，馬鈴薯病毒一般也可導致20%～50%的減產，嚴重時可達80%以上，僅馬鈴薯上發現的病毒已多達25種[2]。由此可見，植物病毒已嚴重制約薯芋類蔬菜產業的健康發展。而目前對于素有“植物癌癥”之稱的植物病毒，國內外卻尚無高抗病毒品種和高效殺病毒藥劑[3]。

生產上常采用脫毒苗來應對病毒給農業帶來的巨大損失，而植物組織脫毒培養技術是目前獲得脫毒植株最有效的方法。脫毒植株和帶毒植株相比，其光合作用、抗氧化酶活性、葉綠素含量等具有顯著差異，脫毒植株長勢更好，可提升產品質量和產量[4，5]，具有明顯種性優勢。熱處理結合莖尖培養法等常規脫毒方法普遍存在操作困難、費時、脫毒不完全、植株成活率低等缺點[6]。而基于超低溫保存的新型植物脫毒方法，即超低溫療法能很好解決以上問題[7]。與傳統組織培養脫毒技術相比，超低溫療法脫毒率可提高23%～100%，脫毒率平均可提高53%[8]。同時，超低溫療法脫毒率不受莖尖大小影響，操作更為簡便，還可以同時實現種質保存和病毒脫除。

1 超低溫療法原理

2006年Wang等[9]首次將超低溫保存脫毒技術定義為超低溫療法（Cryotheraphy），即基于超低溫保存對細胞的選擇性破壞原理[10]，將感染病原體（病毒、植原體、細菌）的材料經液氮（-196 ℃）短暫處理后脫除病原體的技術[11]。同時陳芳等[12]也對超低溫療法脫毒原理進行了解釋。超低溫療法一般選取植物莖尖，病毒一般通過維管束傳播，靠近頂端分生組織的細胞，維管束較少或尚未形成，帶毒較少，且質合比大、液泡小、自由水含量低，超低溫保存時易脫水，不易形成冰晶，超低溫保存后易成活；而遠離頂端分生組織的細胞，已形成較多維管束，帶毒量高，且核質比小、液泡大、自由水含量高，超低溫保存時不易脫水，易形成冰晶，超低溫處理后不易成活。因此，利用莖尖組織細胞結構差異，在進行超低溫處理后，莖尖帶毒的組織細胞基本不能成活，而有較少病毒甚至不帶病毒的細胞得以存活，由這部分成活細胞發育成的植株可能是無毒的，由此獲得無病毒植株。前人通過該方法已成功去除了大蒜普通潛隱病毒、馬鈴薯病毒等[13，14]。

2 超低溫療法的種類

目前，常用的超低溫療法主要包括玻璃化法、包埋脫水法、包埋玻璃化法和小滴玻璃化法等方法，其差異在于莖尖的玻璃化處理。趙喜亭等[15]研究表明，玻璃化超低溫療法是在超低溫保存冰凍前，將材料置于由一定比例非滲透性和滲透性保護劑組成的玻璃化溶液（PVS）進行處理，在高降溫速率下使細胞中液體固化為無定形的玻璃化狀態，并以該狀態進行低溫保存，該方法由于保護劑濃度高，對材料毒害作用較大，對脫水過程和保護劑滲透性需嚴格控制，且同一時間處理材料有限。而Fabre等[16]利用褐藻酸鈣將材料包埋后放置高濃度蔗糖培養基中預培養，利用無菌空氣流脫水，投入液氮中貯存的包埋脫水法，彌補了玻璃化法的不足，但相對玻璃化法脫水時間長、組織恢復生長慢、部分植物材料成苗率低。包埋玻璃化法是在包埋脫水法和玻璃化法的基礎上發展出來的，將材料放入氯化鈣和硅藻酸鹽組成的包埋液形成小球后置于玻璃化溶液中脫水，然后液氮保存[17]，該方法存活率可高達90%，脫水時間短，材料恢復生長較快，方法簡便易操作。而目前廣為應用的小滴玻璃化法是一種相對較新的方法，即材料經預培養后用裝載液和玻璃化液對材料進行處理，隨后將材料轉入滴有3～15 μL PVS2鋁箔條上形成小滴，再將鋁箔條放入裝有液氮的冷凍管中，然后液氮保存[18]，該方法具有存活率、再生率高、適用性廣、處理量大、操作簡單等特點。

3 超低溫療法的優勢

與傳統的脫毒方法相比，超低溫療法具有明顯優勢。首先超低溫療法的脫毒率不受莖尖大小限制，操作更簡便。常規莖尖培養脫毒率與莖尖大小成反比，但成活率與莖尖大小成正比[19]。因此一般切取莖尖0.2～0.4 mm，該技術對操作人員要求較高，且莖尖易褐化，成活率低。而超低溫療法細胞存活率與細胞特性相關，因此不受莖尖大小限制，操作難度大大降低。其次超低溫療法周期短。目前常用的熱處理結合莖尖培養的脫毒方法中，熱處理一般為30 d左右，超低溫療法通常無需熱處理，試驗周期大大縮短。此外，超低溫療法還有脫毒率高的特點。利用超低溫療法可使根狀莖的PPV脫毒率達到50%，是莖尖培養脫毒率的2倍[20]。白建明等[21]在研究超低溫療法和其他3種常規脫毒方法比較中發現，馬鈴薯莖尖通過超低溫療法脫毒率達到59.13%，而熱處理結合莖尖培養法脫毒率為56.02%、熱處理法脫毒率為42.61%、莖尖培養法脫毒率為35.83%，同時超低溫療法的再生植株于對照植株在形態學上無顯著差異。由此可見，超低溫療法較常規脫毒法操作相對容易、時間周期短、脫毒率高等，為植物脫毒提供了一條新途徑。

4 超低溫療法在薯芋類蔬菜中的應用

超低溫療法目前在薯芋類蔬菜脫毒中的研究有限，多集中于種質資源超低溫保存體系的建立和優化。曾琳等[22]研究表明利用玻璃化超低溫保存處理的高良姜種子活力可達到72.67%。杜來順等[23]發現經玻璃化超低溫保存后的生姜試管苗叢生芽成活率可達到57.7%。利用莖尖包埋玻璃化法對江西山藥多種基因型進行超低溫保存，成活率約為40%～85%，同時再生植株的遺傳穩定性良好[24]。采用莖尖包埋玻璃化法超低溫冷凍技術保存徐薯18號，莖尖存活率可高達85%以上[25]。經過超低溫保存后的魔芋花粉，具有明顯的冷刺激現象，比新鮮花粉離體萌發率更高[26]。王子成等[27]通過超低溫療法成功脫除馬鈴薯S病毒和Y病毒，其中馬鈴薯S病毒脫毒率為47%，顯著高于莖尖培養法脫毒率17%，馬鈴薯Y病毒脫除率達到83%，高于莖尖培養法的62%。由此可見，薯芋類蔬菜的無性繁殖存在種性退化、病毒積累的問題，造成種質優良性狀的丟失，而超低溫療法能在保存優良種質資源的同時達到脫毒的目的，是一種新型高效的脫毒技術。endprint

5 展望

中國薯芋類蔬菜資源豐富，生態類型多樣，其種質資源的保存以及克服生產上無性繁殖導致的病毒積累具有重要意義，因此薯芋類蔬菜的超低溫療法體系的建立顯得十分重要。在薯芋類蔬菜的超低溫療法研究中，該技術體系的適用性、易操作性、使用效果等需要不斷進行優化。不同種類薯芋類蔬菜以及同種蔬菜的不同生長發育時期狀態的不同，應有針對性建立具有穩定存活率和脫毒率的超低溫療法技術體系，為該技術在生產中的廣泛應用提供技術支持。為了在超低溫療法中得到較高的成活率，主要通過優化加入適宜濃度的蔗糖類滲透保護物質、添加水楊酸類化學成分和低溫鍛煉等預培養條件，增強處理材料對高度脫水和劇烈溫度變化的耐受性，從而提高超低溫療法效率[28]。加強超低溫療法過程中組織細胞的結構變化研究，通過對細胞水平的研究，明確處理材料不同生理狀態時超低溫處理對其影響，從而對有針對性的進行材料的選取和預處理等條件的優化。

綜上所述，雖然目前超低溫療法在薯芋類蔬菜上研究處于初級階段，在植物病毒脫除的巨大潛力還有待于進一步研究開發。同時對于超低溫保存和脫毒后植株遺傳穩定性及生理生化、分子水平的變化等都將是今后的研究重點。隨著超低溫療法應用研究的不斷深入及相關技術設施的不斷完善，其作為一種新型的種質保存和脫除病毒技術將得到廣泛應用。

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