植物根状茎发生机理的研究进展

王振兴,艾军,王英平

(中国农业科学院特产研究所,吉林 吉林 132109)

根状茎亦称根茎,从其发生的位置、内部结构、生长发育和分枝方式等方面分析,属于一种变态茎,横生于地下,外形与根相似,故称做根状茎。根状茎除顶端具顶芽外,其上还有明显的节和节间,节上有不定根、退化的鳞片和腋芽,腋芽可发育为地上枝,因而一条根状茎上可形成多个地上枝,这些特点可将其与根区别开来。根状茎作为变态茎,必然在基本结构上与地上茎结构相似,但其为适应地下环境,又产生某些不同与地上茎的特殊结构,有些还具有根的某些结构。根状茎有的只作为繁殖器官,有的既是繁殖器官,又是贮藏器官,其内含丰富的营养物质,可存活1至多年。根状茎的再生能力很强,被切断后,每一段上的腋芽仍可发育为新枝,故一般具根状茎的禾本科植物的杂草不但蔓延迅速,而且不易根除。有些根状茎,如山葵、藕、姜等可供食用,也有些可供药用,如薯蓣、甘草、大黄、芦苇、缬草、小黄精[1]。

1 根状茎的形态解剖学研究进展

1.1 根状茎解剖学研究

根状茎解剖学研究显示,在植物生长周期内,不同的发育阶段,必然带来其结构的不同。王广东(1999)将山葵根状茎生长发育分为5个阶段,研究了其从初生生长和次生生长的过程,从而提出了山葵根状茎不同发育阶段在形态解剖学上的差异。此外,王广东等还研究了山葵根状茎、地上茎和根间的显微结构的差异[2]。林如等(2003)研究了薯蓣根状茎为适应地下生长所形成的新的特性,其还研究了薯蓣根状茎周皮、基本组织和散生在基本组织中的有限维管束这三部分的显微结构特征[3]。曹玉芳等(2003)通过对盾叶薯蓣解剖学研究,发现薯蓣根状茎增厚的原因[4]。

李志军等(1995)研究了甘草根状茎和根的初生结构的分化、周皮的发生和维管形成层的起源及活动规律间的差异[5]。此外,李志军等(1996)根据甘草根状茎还具有与一般双子叶植物根状茎生长环境的不同,研究了它们之间显微结构的差异[6]。李志军等(1997)对5种不同属甘草的根状茎及根的比较解剖学进行了研究,从它们的内部结构的各部分组成分子的数量、大小和排列的不同提出种间差异[7]。彭励等(2007)对乌拉尔甘草的根状茎和根的结构及其发育进程进行了研究,从而说明它们的原生分生组织、初生分生组织、初生结构和次生结构在不同发育进程的差异[8]。

于顺利等(1997)研究了中国瓦韦属根状茎的表皮层、皮层、薄壁组织、厚壁组织和维管束等基本结构的特征[9]。钱世辉等(1999)通过对百合科开口箭属植物的根状茎解剖学研究,发现其根状茎皮层约占根状茎横切面的1/4～1/2,散生的维管束均为周木维管束,周木维管束在系统发育上是一种相当特化的类型[10]。竹节参的根状茎是由地上茎基部发育而成的。其地上部分的茎,在维管束外部发育出具有支持功能的厚角组织,维管束一般是13～17个。茎的基部则逐年膨大,含有大量的贮藏薄壁细胞,最后成为仅具贮藏功能的器官了[11]。刘长秋等(2007)研究了香蒲属和黑三棱属根状茎、地上茎和根的解剖学特征,发现两属很相似[12]。Ingrid Mistríková 等(2007)通过对紫锥菊、松果、地风的根状茎的解剖学研究,分别从初生维管束、次生维管束、石细胞、分泌腔等方面区别他们的不同,为其分类鉴定奠定基础[13]。

1.2 根状茎形态发生学研究

曹玉芳等(2003)观察了盾叶薯蓣实生苗根状茎的形态发生,当种子萌动后,节部膨大形成球状体。其胚芽生长锥先后形成4个突起,分别发育形成芽。其中第1芽呈剑指形,以后发育为地上缠绕茎,其余3个芽呈丘状突起都分别发育为地下根状茎。有的芽的原分生组织以后还可以形成两个芽的原分生组织,从而使根状茎形成分枝[14]。艾军等(2000)调查了五味子地下横走茎生长状况,发现横走茎先端的芽较易萌发,萌发的芽中,前部多形成水平生长的横走茎,向四周延伸,后部的芽形成直立的萌蘖枝,长成新的植株[15-16]。陈进勇等(1998)发现中国兰的种子首先形成类原球茎,之后进一步伸长成根状茎[17]。李志军等(1997)经过调查发现,甘草实生苗生长到第三年春时,子叶处的几个更新芽萌发,其中一部分形成地下茎,一部分形成最初的根状茎,也有人认为甘草根状茎是由地下茎产生或在根头处发生。但根据Esau(1965)的观点,苗的开端是在下胚轴-子叶系统中,茎作为苗的一部分,从起源来看是在胚发育时期形成的。这就说明甘草最初的根状茎是由子叶节处的更新芽萌发的结论与Esau的观点一致[7]。吕悦来通过对黄芪根状茎的发生部位观察发现,在幼苗根茎部分化出1～3枚不定芽,芽与主茎间的夹角各不相同。靠上部的芽与主茎间的夹角较小,有向上生长的趋势可能发育成地上茎,靠下部的芽与主茎间的夹角较大,几乎成垂直状,有水平生长的趋势,在适当的沙埋条件下即可水平延伸成根状茎[18]。

2 根状茎形成过程中激素水平的变化

在植物生长发育过程中,植物激素起着非常重要的调控作用。它通常作为化学信号,通过一系列的信号转导途径,最终作用于靶基因。根状茎的发育是一种特殊类型的发育过程,一直以来,植物激素对根状茎的形成和发育的作用是一个备受关注的问题,通过离体诱导根状茎的研究表明,植物激素在根状茎发生和形态建成中起着重要的调控作用。王广东(1999)发现在山葵根状茎形成过程中,ABA和CTK有利于山葵根状茎的诱导膨大。IAA和GA对山葵根状茎诱导形成不起主要作用[2]。翁忙玲等(2003)发现PP333能促进山葵的形成和膨大[19]。郑永强(2004)研究了在生姜根状茎形成的过程中,较高的内源GA、较低浓度的内源ABA有利于根状茎的膨大,但不利于根状茎的诱导,而较高浓度的内源ABA、较低浓度的内源GA有利于根状茎的诱导,但不利于根状茎的膨大。此外还发现细胞分裂素KT有利于生姜试管苗根状茎的膨大,不利于生姜根状茎的诱导[20]。韦金洋等(2006)研究表明适当浓度的香豆素能够促进生姜2个品种根状茎的诱导和发育[21]。石乐娟等(2006)研究表明,BA、KT对春兰根状茎的增殖有明显的促进作用[22]。朱根发等研究表明,墨兰根状茎诱导分化出苗需要较高浓度的6-BA,GA3不利于根状茎的分化出苗[23]。高丽等对素心建兰根状茎增殖和芽分化表明NAA 0.2mg/L+6-BA 2.0mg/L组合最适于根状茎分化,芽分化率达445%[24]。

李良俊等(2006)通过对莲藕膨大机理的研究表明,玉米素(ZT)、GA、IAA和ABA在莲藕根状茎不同节段形成过程中起不同的作用[25]。Rishi K.Tyagi等(2005)在对生姜的体外诱导中发现,马来酰肼对根状茎的形成并没有积极的效果[26]。Jonojit Roy等(2001)在对地宝兰根状茎体外诱导时发现,添加6-BA和NAA的培养基明显提高了根状茎的形成率。单独添加NAA,根状茎呈正向地性且有利于根状茎的生长和分枝,高浓度的6-BA可使根状茎呈负向地性[27]。Yongqiang Zhen等(2008)在研究姜的体外诱导时发现生长调节剂在根状茎的诱导过程中起着重要的作用。IAA和CTK的相互作用对于器官的发生是必要的,GA较KT和NAA对根状茎膨大更重要,当改变GA的浓度时,根状茎的重量受到的影响最大[28]。

3 根状茎形成过程中营养物质含量和关键酶活性的变化

营养物质是根状茎形成的物质基础,因此研究营养物质的变化对阐明根状茎形成的生化机制是十分有益的。张晓冬(2005)、李良俊(2006)研究表明,莲藕根状茎在膨大中期以前,葡萄糖、果糖含量高,蔗糖和淀粉含量低,且上升缓慢,中、后期,淀粉含量激增。研究还表明淀粉合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉分支酶这3种关键酶对莲藕根状茎形成过程中淀粉的合成有着各自相对独立的调控作用[29-30]。

王广东(1999)研究了山葵根状茎形成过程中营养物质含量的变化,研究表明幼苗期可溶性糖和淀粉含量都较低,随着根状茎的形成和发育可溶性糖含量逐渐提高,在根茎旺盛生长期达到最高值,从根茎旺盛生长期到根茎成熟期可溶性糖含量又逐渐下降,而淀粉的含量从幼苗期到根茎成熟的整个过程中,其含量始终呈上升的趋势。研究还发现α-淀粉酶活性在根状茎形成前逐渐升高,而在根状茎形成开始时其活性逐渐下降;过氧化物酶活性从幼苗期到根状茎成熟期逐渐增加[2]。

生姜根状茎中还原糖的含量因分支次数不同而异,新姜的还原糖含量在生长前期有所增加,到生长后期出现一个高峰,但到接近完熟期,含量又逐渐下降,其中第二次分枝的含量又比第三次的多[31]。

4 光温对根状茎形成的影响

Shou Yong Choy Ng等(1988)认为在白山药体外根状茎形成过程中,最佳的诱导光照时间是12h和16h光照,短的光照时间和持续的光照都不利于根状茎的诱导[32]。Rishi K.Tyagi等(2005)通过研究利用体外根状茎的形成来保存生姜种质资源,发现在16h、24h和黑暗这三种光处理条件下,对生姜根状茎的形成均无明显的效果。但16h和24h的光照条件相对于黑暗的条件更有利于根状茎的存活[26]。XU ZHEN等(2008)研究表明,光周期对根状茎的形状形成有关系:长日照促进根状茎的延长,而在12h光照下使根状茎成椭圆状膨大,短日照对其形状的形成无明显的影响[33]。Yongqiang Zhen等(2008)在研究姜的体外诱导时发现16～24h的光照条件更有利于根状茎的诱导[28]。MingDong等(1995)通过研究光强度对四季青、中国狗牙根、爬行软天鹅绒草根状茎生长的影响,发现高光强下,根状茎的分支数明显增加,低光强下,分配到根状茎中的碳水化合物的量也低[34]。A.J.Gracie等(2000)在研究姜的根状茎的休眠时发现,在4℃低温条件下处理3个星期,能够提前解除根状茎的休眠,否则在自然条件下需要6个星期才能解除根状茎的休眠[35]。

5 根状茎形成的分子机制

Eilon Shani等(2006)综述了激素在顶端分生组织发育过程中所起的作用,认为激素并不是调节顶端分生组织和侧生器官发生发育的唯一因子,它往往是协同转录因子共同平衡分生组织的维持和器官的产生[36]。崔克明等通过对植物发育生物学研究,认为位置效应将决定细胞或细胞群未来分化的方向。而细胞的孤立化,是任何一个新的植物体或器官发育过程开始的必要条件,即使之发育成新个体的位置效应的具体内涵,根状茎的发生和形成也由其在植物体上的特殊位置决定[37]。

彭晓英(2005)研究了盾叶薯蓣类原球茎的发生,通过对已验证的20条阳性克隆在测序后与GenBank中进行比对发现,有9个片断尚未发现与其同源性较高的已知基因,推测是新发现的类原球茎发育的相关基因[38]。

5 讨论

5.1 对于根状茎解剖学的研究多集中在具有贮藏功能的根状茎上,而对只具有繁殖功能的根状茎解剖学的研究尚不足;

5.2 器官发生的起始阶段在器官发生发育的整个进程中是非常重要的,因此在研究根状茎解剖学时,应注重根状茎发生的初始阶段的研究,包括其在顶端分生组织中的地位和其组织化学变化的研究,但这方面的研究尚不足;

5.3 在研究激素是如何调控根状茎的发生时,关于发生根状茎的芽与其他芽的激素水平的比较方面的研究是欠缺的;此外,内源激素测定后,外源激素的施用,有助于验证内源激素的调控机理,而这方面的研究是欠缺的;

5.4 同工酶和关键酶的活性测定后,应与这些酶所调控的生化反应相联系,从而揭示根状茎形成过程中物质基础积累的机理;同时酶本来就是蛋白,如果能进一步研究控制这些蛋白表达的基因,将更加有助于阐明根状茎形成的机理;

5.5 关于根状茎形成的分子水平的研究很有限,而且多集中在特殊蛋白的提取上,目前越来越多的研究显示,激素并不是控制顶端分生组织和腋芽的发生和发育的唯一重要因素,转录因子也参与了这些过程,国内对这方面的研究还很欠缺,有待于进一步的研究。

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