米勒魔芋休眠解除過程中激素及糖類變化

鄭 莉，李 梅，吳學(xué)尉，張 達(dá)，李蓮蓮

（云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，云南昆明650091）

米勒魔芋（Amorphophallus muelleri）屬天南星科（Araceae）魔芋屬（Amorphophallus）多年生草本植物[1]，起源于熱帶雨林，喜溫暖濕潤環(huán)境。我國的米勒魔芋主要生長在中緬邊境一帶境內(nèi)，主要分布在云南省德宏州瑞麗弄島、盈江縣銅壁關(guān)的原始森林，以及思茅、臨滄邊境一帶，另外在云南西雙版納、江城以及綠春的溝谷雨林中也有分布[2]。

米勒魔芋是珠芽類魔芋的一種[1]，葉柄分叉處著生氣生珠芽，與傳統(tǒng)的花魔芋、白魔芋相比，既能利用球莖和實生種子繁殖，又能利用氣生珠芽繁殖，具有產(chǎn)量高、抗病性強(qiáng)、耐高溫高濕等特點[3]。米勒魔芋是一種開發(fā)潛能大、種植風(fēng)險低、經(jīng)濟(jì)效益高的魔芋種質(zhì)資源，能進(jìn)行低成本生產(chǎn)，但與多種球宿根植物類似，具有休眠特性，一般在15 ℃以下即進(jìn)入休眠狀態(tài)，停止生長[4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對米勒魔芋以外的花魔芋、白魔芋的休眠及解除休眠過程的各類生理變化有了些許認(rèn)識。王玉蘭[5]、張禾[6]根據(jù)休眠過程中魔芋球莖內(nèi)的生理生化反應(yīng)特性，將球莖休眠劃分成4 個時期：休眠初期、深休眠期、芽萌動期以及芽伸長期。孫遠(yuǎn)明等[7]在研究花魔芋休眠特性時發(fā)現(xiàn)，花芽球莖處在12 ℃以下時，休眠期一般會到次年4 月，頂芽ABA 含量到3 月下旬才下降到120 ng/g；孫遠(yuǎn)明等[8]、李川[9]利用提高越冬貯藏溫度（如貯藏溫度為20～25 ℃）達(dá)到芽提前萌發(fā)的目的。孫遠(yuǎn)明等[10]在研究花魔芋球莖休眠與脫落酸和赤霉素的關(guān)系中也發(fā)現(xiàn)，外源添加ABA會影響球莖休眠，5 mg/L 以上濃度ABA 處理解除休眠球莖，能明顯抑制其頂芽的萌發(fā)。而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，IAA 對萌發(fā)基本沒有促進(jìn)作用[11]，但是能夠促進(jìn)生根。

為了適應(yīng)長期的低溫環(huán)境，米勒魔芋同其他魔芋種一樣具有較長的休眠期，且萌芽時間參差不齊，米勒魔芋種植的產(chǎn)量、質(zhì)量都不穩(wěn)定。在生產(chǎn)過程中，魔芋球莖一般3—4 月份才開始萌動，5 月份芽才出土[12]。長時間的休眠期在其他作物中鮮有出現(xiàn)，塊莖的休眠期過長，因此，不能及時萌動而影響球莖的生長期和形成期，嚴(yán)重影響田間出苗整齊度，導(dǎo)致采收球莖產(chǎn)量高低不一；同時，較長的休眠期也增加了魔芋球莖貯藏成本以及儲藏風(fēng)險[13-14]。如何有效控制米勒魔芋生產(chǎn)用種休眠期，以降低種球儲藏成本和儲藏風(fēng)險，延長田間生長期以提升產(chǎn)量，是米勒魔芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題。

本研究探索不同貯藏溫度對米勒魔芋休眠解除的影響，分析休眠解除過程中內(nèi)源ABA、IAA 以及糖類含量變化，旨在能為米勒魔芋休眠的生理學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐，同時也能為米勒魔芋種植產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)栽培管理提供參考，以期找到切實有效的外部手段提前打破休眠，促進(jìn)米勒魔芋球莖萌發(fā)生長，在實際生產(chǎn)中提高種植產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試米勒魔芋（Amorphophallus muelleri）休眠球莖由臨滄滇晟農(nóng)林發(fā)展有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同貯藏溫度對米勒魔芋休眠解除的影響

本試驗共設(shè)4 個處理組，分別為：處理A.將球莖先置于超低溫9 ℃下預(yù)冷一個月，后轉(zhuǎn)移至25 ℃裸藏處理；處理B.將球莖先置于正常低溫13 ℃下預(yù)冷一個月，后轉(zhuǎn)移至25 ℃裸藏處理；處理C.將球莖一直置于25 ℃裸藏處理；處理D（CK）.將球莖于室內(nèi)（晝溫17～25 ℃，夜溫5～12 ℃）裸藏處理。其中，處理A、B、C 均為暗處理，貯藏室濕度為70%。

從貯藏之日起，每日觀察各組魔芋球莖的萌動情況。每隔10 d 將葉面球莖取出，選取有代表性的芽生長狀態(tài)的球莖，洗凈表面后置于體式顯微鏡下觀察并拍照，分別做整體形態(tài)觀察及縱切解剖觀察，選擇合適的視野與倍數(shù)拍照跟蹤記錄芽萌發(fā)過程。

1.2.2 魔芋休眠解除過程中內(nèi)源ABA 及IAA 含量的測定 選取大小一致的供試魔芋球莖置于室內(nèi)裸藏。取深度休眠期前、中、后（XM-1、XM-2、XM-3），芽萌動期前、中、后（MD-1、MD-2、MD-3）及萌芽期前、中、后（MY-1、MY-2、MY-3）共9 個不同時期的魔芋球莖切小塊于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。依?jù)郭磊等[15]的方法，采用LC-MS 法測定魔芋球莖內(nèi)源ABA 及IAA 含量。

1.2.3 魔芋休眠解除過程中糖類化合物的代謝選取大小一致的供試魔芋球莖置于室內(nèi)裸藏，從貯藏之日起，每隔10 d 隨機(jī)選擇種球，將球莖切小塊于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3.1 可溶性糖含量的測定 依據(jù)文獻(xiàn)[16]的方法，在MDA 測定中通過450 nm 波長下的吸光度再乘以校正系數(shù)可間接得出可溶性糖含量。

1.2.3.2 淀粉含量測定 采用雙波長法[17-19]，通過測定支鏈淀粉和直鏈淀粉的含量來間接算出淀粉含量。

1.2.3.3 可溶性蛋白測定 采用考馬斯亮藍(lán)法，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線求得對應(yīng)蛋白濃度，經(jīng)換算后得出樣品中可溶性蛋白的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均通過Excel 2010 進(jìn)行計算處理，利用SPSS 22.0 進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度處理下米勒魔芋球莖芽萌動情況分析

由表1 可知，經(jīng)過9 ℃的預(yù)冷處理能提前打破球莖休眠，15 d 時芽萌動率為13%，但預(yù)冷時間不宜過長，否則易導(dǎo)致球莖凍害；13 ℃預(yù)冷處理及室溫處理對球莖的生長無明顯作用，15 d 時芽萌動率均為0。25 ℃為米勒魔芋萌發(fā)最為適宜的貯藏溫度，能夠提前打破休眠，15 d 時芽萌動率達(dá)到16%。試驗證明，9 ℃預(yù)冷確實能促使珠芽魔芋提前萌發(fā)，但萌發(fā)率低于25 ℃貯藏條件時的萌發(fā)率，25 ℃為珠芽魔芋萌發(fā)最為適宜的貯藏溫度，能夠提前打破休眠，促進(jìn)球莖芽的生長，同時，25 ℃處理下30 d時球莖的萌發(fā)率為39.5%，45 d 時球莖的萌發(fā)率能達(dá)到95.0%，表示25 ℃持續(xù)處理下能夠較大程度的調(diào)節(jié)球莖發(fā)芽的時間，促進(jìn)珠芽魔芋在田間出芽的整齊度。

表1 不同溫度處理球莖芽萌動情況分析

2.2 米勒魔芋球莖頂芽發(fā)育情況分析

米勒魔芋球莖休眠時間較長，休眠期間，芽原基處有所膨大，但頂端分生組織活動很弱，葉原基不明顯（圖1-a）；球莖3 月開始萌發(fā)，萌發(fā)時頂端分生組織進(jìn)行平周分裂以及垂周分裂，向上產(chǎn)生葉原基細(xì)胞，并持續(xù)分裂，逐漸向上形成山峰狀突起，最后形成葉柄軸（圖1-b）；葉柄軸基部組織繼續(xù)進(jìn)行分裂，形成鱗片，上部裂葉原基繼續(xù)分出裂葉軸和小裂片，進(jìn)入生長階段（圖1-c）；當(dāng)芽長超過3 cm時，葉柄軸上端小裂葉清晰可見，同時，葉軸基部開始有生根的結(jié)構(gòu)（圖1-d）。

2.3 米勒魔芋從休眠期到萌芽期內(nèi)源ABA 及IAA含量的變化分析

2.3.1 米勒魔芋從休眠到萌發(fā)過程中激素ABA 的變化 進(jìn)入深度休眠期的米勒魔芋球莖中ABA 的含量為70 ng/g，且一直處于相對較低的水平，之后開始上升，直到開始長芽，在萌動期達(dá)到最高值213 ng/g（圖2）。

由表2 可知，球莖從休眠到萌芽的整個過程，休眠期ABA 含量與萌動期及萌芽期ABA 的含量間均有顯著性差異，而萌動期與萌芽期ABA 的含量之間同樣差異顯著。

表2 休眠到萌芽期間球莖2 種內(nèi)源激素含量分析ng/g

2.3.2 米勒魔芋從休眠到萌發(fā)過程中激素IAA 的變化 IAA 能夠促進(jìn)生根，米勒魔芋球莖在解除休眠開始長芽的同時也伴隨著根的生長，從圖3 可以看出，進(jìn)入深度休眠期后，米勒魔芋球莖中IAA 的含量為27 ng/g，且一直小幅度下降，在進(jìn)入萌動期，開始長芽后有比較大的增長，達(dá)到最大值33.8 ng/g，進(jìn)入萌芽期后球莖IAA 含量回落至28 ng/g，但仍高于休眠期。整體來看，米勒魔芋球莖打破休眠進(jìn)入萌動期時IAA 的含量與休眠期時IAA 含量有顯著性差異（表2）。

2.4 米勒魔芋從休眠期到萌芽期糖類化合物含量的變化分析

2.4.1 米勒魔芋從休眠到萌發(fā)過程中可溶性糖含量的變化 從圖4 可以看出，從休眠到萌發(fā)過程中球莖內(nèi)可溶性糖含量隨著時間的加長呈先升高再下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，休眠初期的可溶性糖含量為0.41 mmol/g，在芽萌動前期，開始大幅上漲，在30 d 達(dá)到最高含量（1.19 mmol/g），30 d 后開始大幅下降，40 d 時球莖已開始發(fā)芽，可溶性糖含量趨于穩(wěn)定。

2.4.2 米勒魔芋從休眠到萌發(fā)過程中淀粉含量的變化 由圖5 可知，魔芋球莖內(nèi)淀粉含量總體都呈下降趨勢。休眠初期球莖內(nèi)的淀粉含量最高，可達(dá)42.93%，后持續(xù)下降。淀粉在球莖內(nèi)部為貯藏態(tài)的碳水化合物，供物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供能量，隨著貯藏的進(jìn)行，淀粉逐漸轉(zhuǎn)化，為芽的萌發(fā)提供能量，故而總體呈現(xiàn)下降趨勢，在50 d 時淀粉含量達(dá)到最低狀態(tài)，含量為10.13%。

2.4.3 米勒魔芋從休眠到萌發(fā)過程中可溶性蛋白含量的變化 從圖6 可以看出，貯藏初期可溶性蛋白含量最低，為9.64 mg/g，在貯藏期0～30 d 內(nèi)，球莖內(nèi)可溶性蛋白含量隨著貯藏時間的加長持續(xù)增加，在30 d 達(dá)到最高值，含量為35.21 mg/g，后有所回落，但仍保持在18.69 mg/g 的較高水平。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同貯藏溫度對米勒魔芋球莖休眠解除的影響

米勒魔芋喜溫暖濕潤，忌高溫，對溫度變化較為敏感，溫度的高低能直接影響球莖的萌發(fā)及生長發(fā)育，趙琴等[20]的田間試驗表明，隨著溫度的降低，魔芋種球的萌發(fā)率也會逐漸下降；孫遠(yuǎn)明等[10]研究也表明，魔芋球莖貯藏溫度愈高，休眠期愈短，而低溫可延長休眠期，溫度愈低，效應(yīng)愈顯著，但魔芋的休眠屬于生理性休眠，也需通過適當(dāng)?shù)蜏睾凸庵芷诜磻?yīng)來調(diào)節(jié)[21]。本試驗也證實，9 ℃預(yù)冷確實能促使米勒魔芋提前萌發(fā)，但萌發(fā)率低于25 ℃貯藏條件時的萌發(fā)率，25 ℃為米勒魔芋萌發(fā)最為適宜的貯藏溫度，能夠提前打破休眠，促進(jìn)球莖芽的生長，且在25 ℃持續(xù)處理下能夠較大程度的調(diào)節(jié)球莖發(fā)芽的時間，調(diào)整米勒魔芋在田間出芽的整齊度。

3.2 米勒魔芋球莖從休眠到萌芽內(nèi)源激素含量的變化

脫落酸（ABA）能引起芽休眠以及葉片脫落，在種子休眠、萌發(fā)、氣孔關(guān)閉、干旱、低溫等非生物脅迫應(yīng)答中起重要調(diào)控作用[22-24]。孫遠(yuǎn)明等[10]研究發(fā)現(xiàn)，花魔芋球莖的休眠及解除與ABA 密切相關(guān)，ABA 具有維持休眠、抑制頂芽萌發(fā)和生長的作用，這在孫遠(yuǎn)航[23]及彭鳳梅等[24]研究的白魔芋中也得到了印證。本試驗中，在魔芋球莖收獲后，ABA 含量下降到最低后開始上升，這與康朵蘭[25]研究馬鈴薯塊莖休眠期間生理生化變化時的研究結(jié)果一致。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，從休眠到萌發(fā)過程中，結(jié)合態(tài)ABA會逐漸轉(zhuǎn)化為游離態(tài)ABA[26]，故在深度休眠后期，球莖在即將進(jìn)入萌動期，開始長芽之前，ABA 含量在開始長芽前大幅上漲，在萌動期的芽中游離態(tài)ABA 達(dá)到最高值，推斷ABA 對新芽的生長具有一定作用。現(xiàn)有大量的研究表明，ABA 和植物胚的形成密切相關(guān)[27-29]，具體ABA 如何促進(jìn)米勒魔芋球莖后期芽的生長，有待進(jìn)一步研究。

生長素（IAA）參與植物體許多代謝動活，是一種能促進(jìn)植物生長的激素，具有促進(jìn)生根的作用[30-35]，蘇小霞[36]則認(rèn)為，IAA 還抑制植物生長，吲哚乙酸氧化酶活性在休眠解除過程中下降，導(dǎo)致生長素積累。在本研究中，米勒魔芋球莖在休眠期是IAA 含量一直處于相對較低的水平，在萌動期卻逐步升高，達(dá)到最高值33.8 ng/g，應(yīng)是吲哚乙酸氧化酶活性下降導(dǎo)致IAA 積累。休眠解除后，球莖開始長根，IAA 含量有所回落，但仍高于休眠期，適宜濃度的IAA 有助于根的生長。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，IAA 含量受GA 的上調(diào)[37]，但尚未得到證實，有待進(jìn)一步的研究。

3.3 米勒魔芋從休眠期到萌芽期糖類化合物含量的變化

隨著米勒魔芋球莖休眠的加深，球莖的各項生命活動均有減弱的趨勢，糖類化合物代謝也逐漸減弱。貯藏初期可溶性糖含量處于相對較低的水平，而淀粉含量相對較高，隨著貯藏時間的增加，可溶性糖含量有所增長，而球莖內(nèi)淀粉含量持續(xù)下降。淀粉在球莖內(nèi)部為貯藏態(tài)的碳水化合物，供物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供能量，隨著貯藏時間的增加，淀粉逐漸轉(zhuǎn)化，為芽的萌發(fā)提供能量，故而整體呈現(xiàn)下降的趨勢，這與高春英等[38]的研究結(jié)果一致。MILLER 等[39]也研究發(fā)現(xiàn)，鱗莖內(nèi)多糖降解，直接增加了蔗糖含量，即增加了可溶性糖含量。淀粉在淀粉酶的作用下不斷水解，使得球莖內(nèi)可溶性糖含量增加，可溶性糖消耗為植物體的生長發(fā)育提供了物質(zhì)與能量，淀粉及可溶性糖的變化與本試驗的結(jié)果較為一致。

可溶性蛋白含量的增加能夠促進(jìn)休眠的解除，管畢財?shù)萚40]在研究低溫打破龍牙百合休眠過程中可溶性蛋白變化時發(fā)現(xiàn)，一般情況下，可溶性蛋白的含量越高，鱗莖的休眠程度越低，所需的萌發(fā)時間也越短。本試驗結(jié)果表明，可溶性蛋白含量變化在前30 d 呈現(xiàn)增加的趨勢，在30 d 達(dá)到最高值（35.21 mg/g），證實了可溶性蛋白含量的增加能促進(jìn)球莖的萌發(fā)。同時，可溶性蛋白是重要的貯能物質(zhì)，在種子萌發(fā)時，可溶性蛋白在蛋白酶的作用下水解并連續(xù)不斷的降解，產(chǎn)生大量游離的氨基酸運送至各個生長部位。夏宜平等[41]研究認(rèn)為，可溶性糖含量出現(xiàn)變化的轉(zhuǎn)折點可能與休眠解除有關(guān)，這與本試驗測得可溶性蛋白在發(fā)芽時含量下降的結(jié)果一致，可溶性蛋白降解是為魔芋球莖萌發(fā)提供營養(yǎng)物質(zhì)及能量基礎(chǔ)。