山药微块茎研究进展

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　　摘要：山药微块茎是获得山药脱毒良种种芋的主要途径。介绍了山药微块茎的国内外研究进展，包括山药的地方品种、微块茎研究的意义、影响微块茎生产效率的因素、微块茎移栽注意事项、微块茎的田间长势和微块茎生产存在的问题，同时展望了山药微块茎在生产上的应用前景。
　　关键词：山药;微块茎;研究进展
　　中图分类号：S632.1         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）03-0017-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.003
　　Research progress on Chinese yam micro tuber
　　XIANG Fa-yun，ZHANG Qing-hua，ZENG Xiang-guo，GUI Bao-chuan，GUO Cong，
　　GUAN Wei，CHEN Feng-ying，CHEN Xi-yang，HAN Yong-chao
　　（Industrial Crops Institute，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China）
　　Abstract： Chinese yam micro tuber is the main way to obtain the good Chinese yam virus-free varieties. The research progress of Chinese yam micro tuber at home and abroad was introduced， including the local varieties of Chinese yam， the significance of micro tuber research， the factors affecting the production efficiency of micro tuber， the precautions for micro tuber transplanting， the field growth of micro tuber， the problems existing in micro tuber production， and the prospect of application of micro tuber in production.
　　Key words： Chinese yam; micro tuber; research progress
　　山药是薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea L.）薯蓣（Dioscorea opposita Thunb.）及其近缘种植物地下塊茎的总称，为1年生或多年生的单子叶缠绕性藤本植物[1]。山药原产于温带，食用历史悠长。中国是山药的原产地之一，早在2000多年前，《山海经》就有记录“景山，北望少泽，其草多薯蓣”。山药块茎富含淀粉、多糖、黏液蛋白、游离氨基酸、矿物质、多种维生素、微量元素等营养物质，是一种食、药兼用的经济作物[2]，且高营养、低热量，是延年益寿的食材。中国、英国、日本、美国等国家都将山药列入药典。山药气味平和，是中医常用的一味健脾补气良药，其药理作用主要体现在抗氧化、抗衰老、降血糖、肝损伤保护、免疫调节等方面[1]。
　　山药经济价值较高，是部分地区的特色产业、致富产业。但多年来生产上单一的营养繁殖导致山药主产区病害积累、产量下降、品质退化，挫伤了农民种植山药的积极性，给山药种植业带来了严重的挑战。通过组织培养获得脱毒山药微块茎是解决这一问题的有效途径。关于山药的组织培养与脱毒快繁等，国内外均有相关学者进行了一些研究[3-11]。本文综述了山药的地方品种、微块茎研究的意义、影响微块茎生产效率的因素、微块茎移栽注意事项、微块茎的田间长势、微块茎生产存在的问题，同时展望了山药微块茎在生产上的应用前景。
　　1  山药的典型地方品种
　　中国河南、安徽、山东、湖北、江西、湖南、贵州、云南北部、四川、甘肃东部和陕西南部等地均有山药种植[12-15]。典型地方品种有铁棍山药、细毛山药、河北麻山药、大和长芋、佛手山药等。①铁棍山药。品质好、长山药，宜受消费者认可，河南种植较多。②细毛山药。细毛山药是山东济宁地区的一个地方性品种，细长，只在它的主产区有市场。③河北麻山药。根毛比较密，表皮不光滑，吃起来口感带一点点麻。④大和长芋。日本品种，单产比较高， 抗病性强， 不结山药豆，含水量超过86%，含淀粉量少。⑤佛手山药。相传公元620年，禅修于鄂东的禅宗四祖司马道信将野山药引种到寺庙的菜园里驯化种植，形成了湖北的佛手山药。佛手山药外形不规则，以分支形的掌状为主，也有马蹄状、条状、扁平化的板状。佛手山药品质好、风味佳，深受当地百姓喜爱。
　　2  山药微块茎研究的意义
　　山药是地下块茎作物，主要通过块茎无性繁殖留种。主产区常年种植山药，导致该产业面临一些严重的问题[16]。①种芋退化，山药种芋存在品种混杂、种性退化的现象。②种植重茬问题严重。③种芋带线虫，传到下一个生产周期。④种芋带病菌，部分种芋带炭疽病、根腐病等病菌，导致生产上病害经常发生。⑤种芋带病毒，病毒的传播导致生产减产严重。
　　针对这些问题，从土壤来考虑，主要采用水旱轮作或土壤杀菌处理的措施。从种芋来考虑，主要是提供健康的种芋。部分山药品种可以在茎上产生大量零余子，通过单独种植可用作下一年的种芋。但像佛手山药等山药品种自然产生的零余子很少，生产上主要采用上一年的块茎切块作为下一年的种芋，容易发生种芋病虫危害生产的现象。通过植物组织培养进行山药茎尖脱毒、植株再生来规模化生产试管微块茎，进而形成山药良种种芋，是解决这一问题的有效途径。 　　3  影响山药微块茎生产效率的因素
　　3.1  山药微块茎形成的外植体来源
　　不同来源的外植体形成的山药微块茎生产效率差异较大。在国外，Hamadina[6]从显微结构初步解析了山药茎尖、藤茎、贮藏根、块茎等组织器官的初起源问题及对后续植株再生的影响。在国内，胡选萍等[3]针对山药病毒频发给山药种植和产品开发带来的负效应，初步建立了山药离体脱毒的策略体系;王红娟等[17]以怀山药茎蔓、零余子、块茎为外植体，研究不同生长调节因子配比对怀山药不同外植体诱导不定芽的影响;刘金英等[4]对佛手山药进行了初步的组织培养研究。总体而言，在不同类型的外植体中，茎尖是最易获得脱毒植株的。而在从脱毒植株到试管微块茎这一步，各外植体来源的材料没有表现出明显差异。
　　3.2  植物生长调节剂
　　在植物生长调节剂对山药微块茎生产效率的影响方面，Hamadina等[5]研究认为，ABA和GA等植物生长调节剂对山药试管微块茎的形成与休眠具有重要影响。李明军等[18]详细研究了基因型、外植体、植物生长调节因子和光暗等因子对山药愈伤组织诱导的影响，认为叶片、茎段、零余子的最佳生长调节因子配比均为6-BA 2 mg/L+NAA 2 mg/L。向发云等[1]认为在不同植物生长调节剂配比对蕲山药诱导不定芽分化的影响中，MS+6-BA 0.5 mg/L+NAA 0.1 mg/L或MS+ZT 0.2 mg/L+NAA 0.2 mg/L对蕲山药不定芽分化较好，形成不定芽频率分别达到81.33%、82.67%;MS+6-BA 0.2 mg/L+NAA 0.02 mg/L对蕲山药不定芽增殖效果最好，增殖系数高达4.7;MS+NAA 0.02 mg/L适合蕲山药不定芽生根，生根率高达96.32%。在山药微块茎试验中，植物生长调节剂的使用种类和浓度因山药基因型而异，但以6-BA和NAA 2种植物生长调节剂的配比居多。
　　3.3  光照与温度
　　光照和温度对山药微块茎的生长影响明显。李明军等[18]认为暗培养有利于零余子的诱导，光培养有利于叶片的诱导。向发云等[1]试验研究表明光照在山药微块茎形成的不同阶段作用不一样。在山药茎尖脱毒阶段，光照易导致茎尖褐化，该阶段暗培养有利于茎尖的成活和生长;在后期的植株再生、微块茎生长阶段，光照时间12～16 h/d、光照度1 500～  2 000 lx有利于植株的生长。无论是暗培养还是光照培养，均以25～30 ℃为宜。
　　3.4  褐化
　　褐化是影响山药组织培养效率的一个重要因素。在山药茎尖培养、诱导愈伤或分化时，外植体组织内酚类物质的外溢导致不同程度的褐变现象，其基部培养基颜色呈黑褐色。褐化是影响山药组培再生的一大难题，严重时甚至导致植物材料完全枯死。向发云等[1]研究表明，与维生素C比较，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对蕲山药组织培养中褐化现象的抑制效果較好，可以减轻褐化现象。其中PVP浓度为150 mg/L时效果最好，褐化程度明显减轻，对蕲山药微块茎正常生长起到重要作用。
　　3.5  培养基
　　Araki等[7]研究表明，将MS培养基中的N元素含量降为1/10，利于中国山药不定芽分化成苗;Nagasawa等[8]研究认为，采用附加2，4-D的MS液体培养基悬浮培养，可以获得基于胚性细胞的山药植株再生体系;Kadota等[9]研究认为，液体培养基振荡培养比固体培养基更利于不定芽的增殖，增殖系数为固体培养基的3倍左右;Kohmura等[10]研究认为，山药嫩叶在MS附加8.9 μmol/L BA的培养基上生长2～3个月后，会形成大量2～3 mm的簇生不定芽;Das等[11]从山药外植体类型、基本培养基、植物生长调节剂等方面进行了综述，总结了影响山药再生与扩繁、微块茎形成的相关因素。总的来说，山药微块茎的培养一般以MS固体培养基居多。
　　3.6  碳源
　　不同碳源的种类和浓度对山药微块茎生长膨大的速度影响明显。向发云等[1]研究发现，在MS+ BA 0.5 mg/L+NAA 0.05 mg/L的基础上添加不同的碳源，经过一段时间的培养可以形成试管微块茎。从不同碳源类型来看，蔗糖比葡萄糖更适合于蕲山药试管微块茎的形成与生长，在微块茎形成率、每株形成的微块茎数量、60 d微块茎大小、60 d微块茎质量、120 d微块茎大小、120 d微块茎质量等方面均有明显优势。60 g/L蔗糖的微块茎形成率最高，达到了97.50%;45 g/L蔗糖的每株形成的微块茎数量最多，平均达到了1.80个;90 g/L蔗糖最有利于蕲山药试管微块茎的生长。综合各指标分析，60 g/L蔗糖最有利于蕲山药试管微块茎的形成与生长。
　　4  山药微块茎移栽注意事项
　　虽然脱毒微块茎可以进行周年生产，但如何让生产出的脱毒微型块茎在播种季节统一高效地萌发，是规模化生产中需要解决的关键问题之一[19]。山药试管微块茎对移栽的温度、湿度、土壤环境等条件的要求比山药试管苗要相对宽松，但也要注意适当的低温处理、遮阳与保湿处理[20-24]。
　　4.1  低温处理
　　山药微块茎移栽一般有2种方式[24，25]。一种是带苗微块茎移栽，对温度有一定的要求，气温过高或过低都不利于微块茎的成活与生长，比较适合春秋季移栽。另一种是无苗微块茎移栽，在温室大棚内一年四季均可以移栽，但需要有一定的低温需冷量来提前解除休眠，一般4 ℃低温处理30～60 d即可直接播种移栽。
　　4.2  遮阳与保湿处理
　　是否需要遮阳处理与微块茎的移栽方式密切相关[19]。带苗微块茎移栽，需要遮阳网进行遮阳处理，一般用70%的遮阳网遮阳10～15 d即可;无苗微块茎移栽可以不需要遮阳处理。带苗微块茎移栽需要盖膜保湿10～15 d，湿度80%左右为宜;无苗微块茎移栽不需要盖膜，只需要保持厢面湿润即可。 　　5  微塊茎的山药田间长势
　　微块茎是山药的繁殖材料，尤其是利用脱毒苗获得的脱毒微块茎更是山药优质种苗的重要来源[26]。微块茎在山药种芋规模化生产中一般分为原原种、原种、良种三级。微块茎原原种一般在温室大棚种植，微块茎原种和微块茎良种则直接在原种圃、良种圃大田种植。研究表明，微块茎田间生长优势表现为：①田间萌发出芽早、单个微块茎萌发多个芽，比农民自留种早萌发，可以快速形成茎叶冠层结构，便于块茎的早期膨大。②山药试管微块茎叶片平展率高于农民自留种，便于山药的光合作用。③山药试管微块茎收获的种芋皮色以黄亮为主，外观商品性好于农民自留种。
　　6  山药微块茎规模化生产存在的问题
　　6.1  污染问题
　　植物组织中普遍存在内生菌， 常规的表面杀菌方法并不能完全杀死这些微生物，植物组织培养中一般会有不同程度的污染，对组培苗产生不同程度的危害[27，28]。内生细菌污染是普遍的，如金线莲、仙客来块茎组织的组培中经常发生内生细菌污染。山药微块茎规模化生产中也存在一种黄色的内生细菌污染，影响规模化生产的效益。
　　6.2  褐化问题
　　多酚氧化酶可以诱发山药外植体或愈伤组织褐变，此类物质会抑制其他酶类活性，并随着培养的进行而不断扩散，对外植体或愈伤组织产生毒害，影响细胞的正常代谢[29，30]。影响山药褐化的因素较多，如基因型、取材部位、外植体生理状态、培养温度、光照强弱等，均会引起褐化差异。现有研究表明，一般山药茎尖相对于其他部位褐化程度较轻，20～25 ℃的培养温度褐化较轻，培养初期进行一段时间的暗培养褐化较轻。
　　6.3  脱毒是否彻底的问题
　　山药已知存在马铃薯A病毒、M病毒、卷叶病毒、S病毒、X病毒和Y病毒等多种病毒[31-33]。现有山药品种均不同程度地感染病毒，其感染的病毒种类和病毒感染程度在不同山药品种间差异明显。而病毒对山药的生长和产量影响明显。因此，山药茎尖脱毒形成的微块茎是否脱毒彻底，可采用反转录聚合酶链反应（RT-PCR）技术等方法进行检测。
　　7  山药微块茎生产应用展望
　　山药是地方特色产业，政府重视;山药种植比较效益高，农户种植积极性高;山药品质好，市场消费需求量大。随着农机、农技、农产品加工的逐步跟上，给山药这一历史悠久的产业注入了现代科技的元素。从长远看，以山药微块茎为主的脱毒良种种芋的规模化生产，将逐步在山药生产上得到应用，这样才能从种芋源头上阻隔病菌、线虫、病毒的侵染，保证山药产业持续健康发展。
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　　收稿日期：2020-01-10
　　基金项目：湖北省农业科技创新中心资助项目（2019-620-000-001-08）;湖北省技术创新专项-重大项目（2018ABA071）;湖北省农业科学院领军人才专项（L2018009）
　　作者简介：向发云（1978-），男，湖北公安人，副研究员，硕士，主要从事植物生物技术相关研究，（电话）13407189629（电子信箱） xfy323@sohu.com;通信作者，韩永超（1982-），男，湖北巴东人，副研究员，主要从事园艺植物病害研究，（电话）027-87380926 （电子信箱）hyc660@126.com。
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