魔芋根状茎发育过程的解剖学研究

周 洁，张俊军，齐传东，郭凤领，刘德麒，田 野，吴金平

（1.湖北省农业科学院经济作物研究所/湖北省蔬菜种质创新与遗传改良重点实验室/农业农村部高山蔬菜生态栽培重点实验室，武汉 430064；2.黄冈市黄州区农业农村局，湖北黄冈 438000；3.长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025）

魔芋（AmorphophallusKonjac）是目前发现的惟一高含可溶性膳食纤维葡甘露聚糖（KGM）的园艺作物。据调查显示，中国魔芋产业经过近30年的发展，带动了约300万山区农民致富，在魔芋贸易、运输、加工等环节带动约100万人就业［1］。中国魔芋主要分布区仅在湖北省的西部及湖南、四川、重庆、云南、贵州、陕西等海拔700～2 300 m的山区，种植面积达13余万公顷［2］，年产魔芋120万t，生产精粉约3万t，约占世界精粉总量的60%［3］。小作物、大产业，魔芋产业日益成为富民强县的特色再生资源产业。但是要稳定、健康地发展魔芋产业，迫切需要解决魔芋种植中良种不足的产业瓶颈问题。魔芋的有性繁殖周期长，需4～5年才开花结实，因此生产中多是采取无性繁殖。无性繁殖又分切块繁殖、去顶芽繁殖、小球茎繁殖和根状茎（芋鞭）繁殖等［4］。以根状茎为材料繁殖种子，克服了传统留种不分种龄、收大留小，而导致种性越来越差，病害逐年加重，产量、质量难以持续、稳定提高的不利现象［5］。但根状茎的形成及根状茎的形态结构和球茎鲜见报道。因此，本研究对根状茎进行显微观察，了解其组织结构，以期为魔芋生产中如何提高根状茎形成率及作为良种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 所用花魔芋（AmorphophalluskonjacK.Koch）球茎为清江花魔芋，种植于湖北省农业科学院经济作物研究所蔬菜试验基地。

1.1.2 试验器材及试剂 主要仪器：脱水机（型号Donatello）DIAPATH、包埋机（型号JB-P5）、冻台（型号JB-L5），武汉俊杰电子有限公司；病理切片机（型号RM2016），上海徕卡仪器有限公司；组织摊片机（KD-P型号），浙江省金华市科迪仪器设备有限公司；烤箱（型号GFL-230），天津市莱玻瑞仪器设备有限公司。

主要试验试剂：二甲苯（货号10023418）、无水乙醇（货号100092683），国药集团化学试剂有限公司。

1.2 石蜡切片制作

1.2.1 取材 2021年4月种植魔芋球茎，8月发现球茎上处于不同生长阶段的根状茎。此时，截取球茎表皮、根状茎表皮、魔芋根、球茎顶芽和根状茎顶芽，清洗干净后放入FAA固定液中固定24 h以上。将组织从固定液取出，在通风橱内用手术刀将目的部位组织修平整，将修切好的组织和对应的标签放于脱水盒内。

1.2.2 脱水浸蜡 将脱水盒放进脱水机内依次采用梯度乙醇进行脱水。75%乙醇4 h，85%乙醇2 h，90%乙醇2 h，95%乙醇1 h，无水乙醇Ⅰ30 min，无水乙醇Ⅱ30 min，醇苯5～10 min，二甲苯Ⅰ5～10 min，二甲苯Ⅱ5～10 min，65℃融化石蜡Ⅰ1 h，65℃融化石蜡Ⅱ1 h，65℃融化石蜡Ⅲ1 h。

1.2.3 包埋 将浸好石蜡的组织于包埋机内进行包埋。先将融化的石蜡放入包埋框，待石蜡凝固之前将组织从脱水盒内取出按照包埋面的要求放入包埋框并贴上对应的标签。于-20℃冻台冷却，石蜡凝固后将石蜡块从包埋框中取出并修整。

1.2.4 切片 将修整好的石蜡块，置于-20℃冻台冷却，再将冷却的石蜡块置于石蜡切片机切片，厚4μm。切片漂浮于摊片机40℃温水上，将组织展平，用载玻片将组织捞起，60℃烘箱内烤片。水烤干、石蜡烤化后取出常温保存备用。

2 结果与分析

2.1 魔芋根状茎的显微形态

将切片置于光学显微镜下观察根状茎发育解剖形态。由图1可以看出，魔芋的根状茎是由不定芽萌发形成，随着生长时间的延长，根状茎顶芽朝前生长，与魔芋相连处的结构与球茎相似，通过延伸出去的棒状结构与球茎相连，根状茎生长停止，与魔芋地上部植株停止生长同步。

图1 魔芋球茎上不同取材部位的形态特征

2.2 魔芋球茎和根状茎横切面的形态特征

由图2可以看出，魔芋根状茎与球茎结构中无明显的皮层、维管柱和髓的区分，从横切面来看，由外向内可分为表皮、皮层部、贮藏组织及维管组织区、魔芋的葡甘聚糖异细胞（Glucomannan allocell，GA）。表皮为球茎外围保护组织，是球茎最外部的一层细胞，表皮上有气孔和表皮毛，是初生的保护组织，表皮由木栓形成层细胞分裂产生，在表皮形成过程中，由于气孔所在形成皮孔，通过皮孔与外界进行气体交换。表皮之下为皮层部，由近20层薄壁细胞构成，其中，仅有少数细胞含有较多的淀粉粒，大多数薄壁细胞不含或极少含有淀粉，该区内有为数不多的葡甘聚糖异细胞。皮层以内为球茎的贮藏组织和维管组织，含有大量含淀粉的细胞包围着葡甘聚糖异细胞，葡甘聚糖异细胞体积较大，分布无规则。根状茎的皮层部（图2b）比球茎的皮层部厚。

图2 魔芋球茎和根状茎横切面的形态特征

2.3 魔芋根纵切面的形态特征

如图3所示，魔芋的根与其他所有植物的根部结构一样，根尖从顶端向后依次可分为根冠、分生区、伸长区和成熟区四部分。根冠为薄壁细胞组成的圆锥形帽状物，有保护分生组织、分泌黏液、维持根向地性（细胞中有淀粉粒，多集中于细胞的下方）的功能。分生区为分生组织，又称生长点，有产生新细胞、促进根尖生长、补充根冠组织的作用。伸长区为分生区分裂产生的细胞，停止分裂，纵向迅速伸长，其功能为促进根尖伸长，向成熟区过渡。成熟区由伸长区细胞分化而来，表皮细胞外突形成密生的根毛，又称根毛区，是吸收水分和养分的部位。

图3 魔芋根的纵切面

2.4 魔芋芽纵切面的形态特征

由于魔芋一个生长周期中只生一片叶的特性，从图4可以看出，在幼叶的叶腋处缺少芽原基（将来发育成侧芽）结构，芽由顶端分生组织、幼叶、芽轴构成；顶端分生组织位于叶芽的顶端，幼叶发育成叶，使芽轴不断地伸长；芽轴位于芽的中轴部位，发育成茎；根状茎上芽的幼叶比球茎紧实。

图4 魔芋芽纵切面的形态特征

3 小结与讨论

中国魔芋最佳适植区为海拔500～2 200 m温暖湿润的山区、半山区，而这些区域恰恰是老、少、边、穷地区，经济和交通最不发达的地区。因此，魔芋成为各地扶贫项目的示范作物［2］。但魔芋的生产用种量大，大概需要种芋3 750 kg/hm2，由于种芋皮薄肉脆，在大规模、长距离的贮运过程中易受损伤［6］，且种植过程中，被称为魔芋“癌症”的软腐病易通过受伤的种芋传播，该病导致的年损失量达年产量的30%～50%，严重的达80%［7，8］。

根状茎是生长于地下但仍具有茎的基本形态和结构特征的变态茎。根状茎通常来源于植株茎基部的不定芽或越冬芽，或实生苗子叶腋芽和真叶腋芽［9］。魔芋根状茎是由球茎上的不定芽萌发形成，形似棒状，是发展魔芋产业中重要的繁殖材料。通过形态学研究发现，根状茎由短缩球茎节上的腋芽生成，其皮层比球茎厚，顶芽的鳞片比球茎顶芽紧实。因此，在魔芋发展新推广区，调运根状茎不易受损，从而大大降低了感染病害的风险。同时，根状茎的增重系数为10～15，种植一年后可获得100～150 g的良种，可以有效降低新区魔芋引种成本。

根状茎的发育是由不同的内源物质和环境因子（包括光周期、激素、蔗糖和温度等）诱导发生［10-12］，粗大的根状茎在获得水分和营养方面具有竞争力，能够快速生长。因此，将进一步检测根状茎不同发育阶段和不同节段的内源激素含量，以期为研究诱发更多、更壮的根状茎提供参考依据。