荸荠球茎膨大及淀粉积累规律研究

徐国鑫，李效尊，杨百战，杜绍印，尹静静，吴修

（1.山东省水稻研究所/山东省农业科学院水生生物研究中心，济南，250100；2.郯城县种子公司）

荸荠（Eleocharis dulcis，Eleocharis tuberosa），又名马蹄、地栗、乌芋等，是莎草科荸荠属多年生草本植物，原产印度和中国南方地区[1]。荸荠球茎表皮呈红褐色至黑褐色，肉质细嫩、清脆爽口；其营养成分丰富，每100 g 鲜品中含碳水化合物21.8 g、蛋白质1.5 g、脂肪0.1 g、粗纤维0.5 g[2]。目前，我国荸荠总种植面积约5 万hm2，分布于华北、华东、华南等多个省份；在山东济宁、临沂、枣庄、泰安等地区均有种植。

荸荠球茎一般在秋季形成并膨大，在膨大中后期积累大量淀粉作为贮藏物质。目前针对荸荠的研究主要集中于种质资源、栽培技术、组培快繁和生理生化等方面，关于球茎膨大机理的研究比较缺乏[3]。朱世东[4]研究表明，荸荠球茎膨大约需70 d，经历一个“快—慢—快”的过程：膨大前期（1～20 d）球茎生长速度快、膨大中期（21～40 d）生长速度减缓、膨大后期（41～70 d）生长速度再次加快[4,5]。施国新等[6]利用石蜡切片技术，发现球茎膨大早期薄壁细胞进行有丝分裂，细胞横截面积增大；淀粉粒首先从球茎基部中央的薄壁细胞开始积累，然后推向球茎顶部和周围细胞[6]。

树脂切片技术广泛应用于生命科学研究，与石蜡切片相比，树脂切片能够更加完整和清晰地显示细胞的微观结构。本研究利用树脂切片结合组织化学技术，清晰地显示出荸荠球茎不同发育时期的细胞形态，分析了淀粉粒的分布和积累规律，同时观察了球茎表皮及皮层细胞的结构特点，加深了对荸荠球茎膨大机理的理解。

1 材料与方法

1.1 供试材料

野生荸荠品种采集于山东郯城县，种植于山东省农业科学院饮马泉试验基地。于2014 年8～9 月，采取发育早期（膨大10 d）、发育中期（膨大30 d）和发育后期（膨大50 d）的球茎。

1.2 试验方法

b.席夫（Schiff）试剂。称取0.5 g 碱性品红，加入100 mL 蒸馏水，沸水浴加热溶解5 min，冷却至室温后经滤纸过滤，加入1 g 偏亚硫酸氢钠和2 mL浓盐酸，充分混匀后避光密封保存。约24 h 后，试剂变成浅黄色即可使用。

c.改良甲苯胺蓝染色液。称取0.5 g 甲苯胺蓝，加入100 mL 30%的乙醇，加热至65℃，搅拌30 min，过滤后避光保存。

d.制片与染色。树脂切片制作参照Wei 等[7]的方法。染色方法参考Bronner 等[8]的方法，并进行改进。将载玻片浸入0.4%（W/W）的高碘酸钾溶液中氧化20 min，自来水冲洗，蒸馏水浸洗3 次，每次2 min；浸入Schiff 试剂中染色20 min，自来水冲洗，蒸馏水浸洗2 次，每次1 min。将载玻片浸入改良甲苯胺蓝染色液中，染色2 min，自来水冲洗，蒸馏水浸洗2次，每次1 min，35℃烘干。中性树胶封片，显微镜观察拍照。

图1 荸荠球茎的膨大过程

图2 荸荠球茎不同发育时期薄壁细胞结构

2 结果与分析

2.1 荸荠球茎发育过程形态变化

荸荠球茎膨大10 d 时，直径约10 mm，表皮为白色；膨大至30 d 时，直径约20 mm，表皮颜色略有加深；膨大至50 d 时，直径约30 mm，表皮开始变为褐色（图1）。

2.2 球茎膨大过程淀粉粒积累和细胞结构变化

在显微镜下观察染色后的切片，可以看到淀粉粒被染成红色，细胞壁及细胞核等结构被染成浅蓝色至蓝黑色（图2）。球茎的薄壁细胞含有较大的液泡，淀粉粒由于受到液泡的挤压分布于细胞边缘（图2D）。伴随着球茎的膨大，薄壁细胞中的淀粉粒数目增多、体积增大，薄壁细胞的横截面积也显著增大（图2A、C）。在球茎膨大10 d 和30 d 时，薄壁细胞中的细胞核结构清晰，呈椭球形，内有黑色的核仁（图2D、E）；膨大至50 d 时，由于淀粉粒大量积累，细胞核被挤压成不规则形（图2F）。

图3 球茎膨大中期和后期表皮细胞形态

图4 皮层细胞结构

在球茎膨大过程中，表皮细胞的形态也发生明显变化，其横截面长度由约15 μm（图3A）拉伸到约50 μm（图3B）。另外，在表皮细胞下方是皮层细胞，由12～15 层薄壁细胞组成；皮层细胞与内侧基本组织之间存在2 层较小的细胞（图4），在切片制备的过程中，这2 层细胞容易与球茎内侧的组织分离（图4B），其功能尚不清楚。皮层细胞中散落分布一些椭球形的分泌细胞，其液泡内部含有的物质被染为橙色（图4），内含物成分尚不明确。

3 讨论与结论

根据已有的研究结果，荸荠球茎在发育后期体积迅速增大，干物质含量迅速增加[4]。通过比较球茎发育后期（膨大50 d）和中期（膨大30 d）的细胞结构，发现膨大50 d 时，薄壁细胞中的淀粉粒大量积累、互相挤压，占据细胞内较多的空间，甚至影响了细胞核的形态，这说明淀粉积累是球茎干物质含量增加的主要因素。此外，研究发现为适应球茎发育后期的迅速膨大，表皮细胞的长度被拉伸数倍，说明球茎表面积的增加主要是通过表皮细胞的伸展，而不是表皮细胞数目的增加。

现代医学认为，荸荠有抗肿瘤、抗菌、防治呼吸道疾病、清肺化痰等作用[2]，荸荠的药用功效可能与荸荠皮中的甾醇、多糖和酯类等多种活性成分有关[9～13]。研究发现荸荠球茎的皮层细胞间分布有橙色的分泌细胞，分泌细胞可能是上述活性成分的存储部位，因此进一步探明分泌细胞的物质成分和积累规律，有助于提高荸荠皮的资源利用效率。

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