甘薯茎尖脱毒技术研究进展

2020-12-21彭琼鄢铮谢东钟林珍

福建农业科技 2020年8期

彭琼鄢铮谢东钟林珍

摘要：利用茎尖分生组织培养技术培育甘薯脱毒苗是目前防治甘薯病毒病的有效方法。从甘薯病毒病的发生、甘薯茎尖脱毒技术的发展及影响因素等方面综述了甘薯茎尖脱毒技术的研究进展及发展趋势，分析了目前甘薯茎尖脱毒技术所面临的问题，并就甘薯茎尖脱毒技术的主要研究方向进行展望，以期为甘薯茎尖脱毒技术的研究与应用提供参考。

关键词：甘薯;茎尖;组织培养;脱毒技术

中图分类号：S531 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2020）08-0053-05

Abstract： It is an effective method to control the sweet potato virus disease by using the tip meristem culture technology to cultivate virusfree sweet potato seedlings. The research progress and development trend of tip meristem virusfree culture technology of sweet potato were summarized from the aspects of the occurrence of sweet potato virus disease， the development and influencing factors of sweet potato tip meristem virusfree culture technology. Then， the main problems existing in the tip meristem virusfree culture technology of sweet potato were analyzed. Last， the main research direction of tip meristem virusfree culture technology of sweet potato was prospected in order to provide reference for the research and application of tip meristem virusfree culture technology of sweet potato.

Key words： Sweet potato; Shoot tip; Tissue culture; Virusfree technology

甘薯Ipomoea batatas L.是我國第四大粮食作物，总产位居全球首位，具有适应性强、产量高、易栽培、经济效益高、营养丰富等特点[1]。作为一种无性繁殖作物，甘薯主要通过薯块、茎蔓和秧苗繁殖，在栽种和种质资源保存过程中容易受到病毒侵染[2]。甘薯病毒病的发生导致甘薯经济性状发生转变，使得甘薯品种退化、产量下降、品质变差、商品性降低[2-3]。由于复杂的田间栽培环境和日益扩大的甘薯种质交换范围，使得甘薯病毒病日趋严重，病毒种类增多。据报道，目前我国侵染甘薯的病毒共有20多种，直接造成产量损失20%～40%，严重地区甚至高达50%以上[4-5]。由于缺乏防治甘薯病毒病的特殊药剂以及高抗病毒病的甘薯品种，目前防治甘薯病毒病的有效方法就是利用茎尖分生组织培养技术培育甘薯脱毒苗，以此来保证甘薯的稳产与高产。本文综述了甘薯茎尖脱毒技术的研究现状以及影响因素，并对今后甘薯脱毒的发展提出了展望，以期解决由甘薯病毒病引起的甘薯产量及品质下降问题，为改进甘薯脱毒苗的生产现状提供参考依据。

1 甘薯病毒病种类及其危害特点

甘薯病毒病首次发现于1919年，随后世界各国也相继进行了报道，而我国是在20世纪50年代第一次发现甘薯病毒病的存在[6-7]。目前，我国发生的主要甘薯病毒种类有甘薯羽状斑驳病毒（Sweet potato feathery mottle virus，SPFMV）、甘薯潜隐病毒（Sweet potato Latent virus，SPLV）、甘薯轻斑驳病毒（Sweet Potato mild mottle virus，SPMMV）、甘薯脉花叶病毒（Sweet Potato vein mosaic virus，SPVMV）、甘薯凹脉病毒（Sweet Potato sunken vein virus， SPSVV）、甘薯黄矮病毒（Sweet Potato yellow dwarf virus，SPYDV）、甘薯类花椰菜花叶病毒（Sweet Potato caulimolike virus， SPCLV）、甘薯褪绿斑病毒（Sweet Potato chlorotic fleck virus，SPCFV）和黄瓜花叶病毒（Cucumber mosaic virus，CMV）等（表1）[6]。其中，SPFMV和SPVMV可通过蚜虫非持久性传播，SPYDV和CMV可通过粉虱非持久性传播，SPLV和SPCFV则可以通过机械传播，但蚜虫和粉虱均不能传播SPCLV[8]。受病毒侵染的甘薯植株大多表现为生长缓慢，结薯率低，薯块小、块根褐裂，叶片呈现斑点、边缘卷曲、皱缩、黄化等症状，严重影响甘薯的产量和品质[8-11]。

据研究，病毒在植物体内主要通过维管束和胞间连丝两种方式进行传播[3]。由于新生甘薯茎尖分生组织中的维管束还未形成，病毒无法通过维管束到达茎尖组织，而病毒通过胞间连丝传递的速度十分缓慢，远不及茎尖分生组织的生长速度，且茎尖分生组织中高浓度的生长激素会抑制病毒的复制，使得植物茎尖的病毒含量最少甚至不含病毒，因此生产上大多利用甘薯茎尖分生组织培养来达到脱毒目的[3]。

2 甘薯茎尖脱毒快繁技术

2.1 甘薯脱毒快繁技术的发展情况

据报道，1960年美国学者Nielsen首次利用茎尖分生组织培育技术获得了甘薯脱毒植株[12]，随后日本学者也于1968年成功利用甘薯离体细胞培养出愈伤组织，由此打开了甘薯组织培养技术发展的大门[13]。我国的甘薯组织培养始于20世纪80年代。吴耀武等[14]于1979年成功诱导了甘薯茎段形成愈伤组织。1983年，辛淑英等[15]将甘薯外植体（茎段、叶柄、叶片）愈伤组织诱导分化成根和芽。武筑珠等[16]则以甘薯茎段为外植体，诱导茎段愈伤组织分化产生了芽。随后，通过研究发现甘薯组织培养的再生方式是由外植体形成不定根后，再诱导形成不定芽[17-18]。这些研究与发现为我国甘薯组培的快速发展奠定了基石。目前，我国甘薯的茎尖脱毒技术已基本成熟，甘薯脱毒技术的应用也取得了良好的成效，许多甘薯种植区开始进入了脱毒苗时代。

2.2 甘薯茎尖脱毒快繁技术的影响因素

2.2.1 外植体研究发现，甘薯的根、茎段、茎尖、芽、叶片及叶柄等器官均能成功诱导再生植株[19-21]，但由于病毒在植物体内分布不均，植物茎尖的病毒含量最少甚至不含病毒，因此生产上多以甘薯茎尖为外植体进行脱毒培养。甘薯茎尖脱毒率的高低受茎尖大小的影响。研究表明甘薯茎尖越小，脱毒率越高，脱毒效果越好[22]。因此，在保證苗株成活的情况下，茎尖越小越好，以茎尖长度不超过1.0 mm、叶原基数量不超过3个为宜[13]。

此外，在甘薯组织培养过程中，对外植体进行消毒是必要且关键的一步，能够有效降低细菌、真菌等对组培苗的感染。目前，多数研究主要利用氯化汞、次氯酸钠、乙醇这几种消毒剂对外植体进行消毒处理。不同的消毒剂种类、消毒剂浓度以及消毒时间都会不同程度地影响组培苗脱毒率与成苗率。刘江娜等[23]研究表明，在75%的酒精消毒30 s后再用0.1%的氯化汞消毒10 min可使甘薯外植体存活率达到78.6%。尚佑芬等用2%次氯酸钠对外植体进行消毒5～10 min，可使茎尖成苗率达到98%以上[24]。唐君等[25]研究发现，用0.25%次氯酸钠处理甘薯茎尖效果最好，成活率可达85%。

2.2.2 培养基成分植物组织培养过程中，不同培养基成分对愈伤组织的形成具有显著影响。培养基中糖的种类和浓度是调节试管苗生长的重要营养元素。糖作为植物组织培养中重要的碳源和能源，能够对渗透环境起到调节作用，从而影响器官的分化和生长[26]。不同种类和浓度的糖对组培苗的生长具有不同程度的影响。王守明等[27]通过研究不同糖种类、浓度对甘薯组培苗扩繁的影响试验中发现，添加食用白糖更有利于组培苗的生长。秦梅等[28]研究发现，最适宜甘薯组培苗生长的糖浓度为30 g·L-1。

由于不同甘薯品种茎尖所含的内源激素不同，对外源激素种类和浓度的需求也存在差异，使得甘薯茎尖分生组织培养诱导成苗的过程受到培养基成分配比的影响，导致不同品种对培养基有较强的选择性，即甘薯茎尖组织培养基具有基因型选择性，其分化情况也存在差异[29-31]。大量研究表明，单独或复合添加适宜浓度配比的植物激素能促进愈伤组织的生成、促进分化生根和节间伸长[32-33]。黄萍萍[34]在对龙薯9号茎尖脱毒的试验中发现，0.2 mg·L-1NAA能够促进脱毒苗的生长发育，使其株高、叶数、鲜重、茎粗都呈现出明显优势。秦梅等[28]认为在甘薯脱毒苗快繁中，NAA的最适浓度为0.1～0.2 mg·L-1，超过0.3 mg·L-1时则会抑制侧芽的伸长。唐君等[25]利用不同外源激素对不同品种甘薯茎尖分生组织进行处理时发现，低浓度的BA是较适宜甘薯茎尖分生组织培养的外源植物激素，可使甘薯组培苗成苗率达到74%～88%。杨育峰等[35]研究发现，当NAA、6BA浓度分别为0.1 mg·L-1和3 mg·L-1时，甘薯品种郑红22茎尖分生组织的再生率最高。何新民等[36]以甘薯品种红姑娘2号为材料，发现在培养基+6BA 1.0 mg·L-1+NAA 0.01 mg·L-1+GA3 0.1 mg·L-1的处理下，茎尖的诱导率最高。

2.2.3 温度和光照甘薯为喜温作物，据报道，在15～35℃范围内，温度与薯苗的生长速度呈正相关[37]。孔祥生等[38]研究表明，当温度为25℃时，组培苗生长势最为健壮，28℃时茎尖生长旺盛，出苗速度最快;而当温度高于31℃时，则会出现组培苗徒长的情况，因此最适宜茎尖分生组织培养的温度为25～28℃。

光照是影响植物光合作用的重要因素，光照不足容易影响薯苗的正常生长。目前，国内多数研究主要集中在光照强度、光照时间对组培苗的影响上。有研究发现，将甘薯组培苗置于光照强度1600～4000 lx、光照时间12～16 h·d-1的条件下进行培养，幼苗成活率可达85%以上[37]。秦梅等[28]以徐薯22为材料，在筛选适宜茎尖分生组织培养环境的研究中发现，当光照强度为2000 lx、光照时间为16 h·d-1时，脱毒苗茎段的生根速度较快。近年来，为了培育壮苗，降低组培成本，人们开始对不同光质下组培苗的生长情况进行了探索，研究发现在不同LED组合光培养下的组培苗长势明显优于单色光培养下的组培苗[39]。杨雅婷等[40]以红光与蓝光LED为人工光源，对甘薯组培苗的生理性状做了研究。结果显示，660 nm红光和450 nm蓝光组合可以促进组培苗生长发育。

3 甘薯茎尖脱毒扩繁技术面临的问题

甘薯脱毒扩繁技术的迅速发展很大程度上降低了甘薯病毒病所造成的危害，脱毒后的甘薯产量得到明显提升，具有长势旺盛，经济性状优良，品质好等特点[41]。但甘薯脱毒技术的应用在生产发展过程中也面临着较大的问题。一是由于甘薯脱毒过程中对茎尖剥离的要求较为严格，规范化的脱毒程序需要投入一定的人力物力，对于大规模生产脱毒苗可能存在经济成本过高的情况。二是甘薯茎尖组织培养基具有基因型选择性，不同甘薯品种对培养基的要求存在差异，这就导致了培养基的不可复制性，在一定程度上影响了脱毒苗的培育。三是由于目前田间栽培环境较为复杂，甘薯病毒病种类繁多，且存在单独侵染和复合侵染的情况，脱毒苗投入应用后不久又会继续感染病毒，无法保证脱毒的时效性。

4 展望

近年来，随着生物技术学科的不断深入，甘薯茎尖脱毒技术也得到了迅速的发展，甘薯脱毒试管苗因其体积小、便于运输等特点成为种质资源交换和保存最安全的形式，有效避免了病毒在甘薯种质资源交换过程中的交叉感染[11]。即便如此，甘薯脱毒苗的应用发展依然面临着人工成本高、薯苗脱毒时效性短、产业化发展困难等问题。针对这些问题，在今后的甘薯苗脱毒应用工作上，对以下几个发展方向作出展望。

首先，可以着力扩大甘薯茎尖脱毒品种范围，单一的脱毒甘薯品种不能够很好地满足多样化的生产需求，不同甘薯品种有各自的区域适应性，选择适宜的甘薯脱毒种苗才能更好地发挥甘薯脱毒作用。其次，量化生产甘薯脱毒苗对经济成本要求较高，生产上大面积地使用蒸馏水和蔗糖配制培养基会大幅增加生产成本，降低经济效益。而大量研究表明，植物无糖组织培养技术可以有效提高植株成苗率，减少快繁过程中的微生物污染，大幅度降低生产成本[42]。因此，为了加速甘薯脱毒苗的产业化和规模化发展，今后可以对甘薯无糖组织培养技术进行进一步探究。此外，针对甘薯苗脱毒时效性难以保证这一点，关键还是要从源头入手，做好预防工作，同时建立一套更具适用性的脱毒技术，完善病毒防控体系。由于我国甘薯种植区域较广，各地种植模式也存在差异，还可以根据不同地区地理环境的差异，因地制宜地推广建立一批区域性、标准化的无毒苗繁育示范基地，优化环境设施，提高经济效益，同时加大脱毒苗的示范推广力度，增强市场竞争力，推动甘薯脱毒扩繁技术稳步向前发展。

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