芋種質資源的研究

芋種質資源的研究

芋頭是天南星科的一種多年生草本植物。又稱芋頭、甘薯和毛芋頭。它產于中國、印度和馬來半島等熱帶沼澤。世界上廣泛種植，但最受歡迎的是中國、日本和太平洋島。據(jù)報道,在世界范圍內,截止1997年芋的種植面積達9.9萬公頃,年生產量約575萬噸,其消費量在蔬菜中居第14位。其中,60%在非洲,40%在亞洲。在中國芋主要作蔬菜用,其主要食用器官為地下球莖,葉、葉柄、花也可作蔬菜食用。中國有豐富的芋種質資源,自20世紀70年代起,中國芋種質資源研究日益受到關注。1杏仁的起源和分布1.1關于芋的栽培。在一般文獻記載了,現(xiàn)代書籍中也有DeCandole認為芋起源于印度,Brukill與瓦維洛夫認為芋起源于印度,瓦維洛夫認為芋也起源于中國。芋是中國的古老作物,葉靜淵研究認為:公元前5～3世紀的《管子》中就已提到芋的栽培。歷史典籍中,芋有蹲鴟、莒、蕖、土芝等別名。水芋一名最早見于《廣雅》,只不過將之與慈姑、荸薺混為一談。直到15世紀的《竹嶼房雜部》中才明確提到水芋?！侗静菥V目》(1578年)中更明確指出芋有水旱兩種,以后的典籍中常有類似記載,而且在不同的地區(qū)對二者的稱謂不同,如稱水芋為田芋等,稱旱芋為山芋、干芋、坡芋等。早在公元前1世紀后期,《氾勝之書》中就已詳細記述了旱芋的栽培方法?！吨駧Z房雜部》首次記述了旱芋與水芋的栽培方法。明代后期的芋專著《種芋法》也分別敘述了水芋與旱芋的栽培方法。1.2中國芋種質資源現(xiàn)狀由于芋喜高溫濕潤氣候條件,中國以珠江流域及臺灣栽培最多,長江及淮河流域次之,華北地區(qū)栽培面積不大,主要分布在膠東半島。張谷曼等研究了芋的類型、倍數(shù)性與地理分布的關系,結果表明,魁芋類為二倍體,魁子兼用芋類、多子芋及多頭芋類均為三倍體,倍數(shù)性對芋的地理分布與垂直分布均有極顯著的影響。中國南部各省為二倍體與三倍體的分布區(qū),而中部及華北地區(qū)則為三倍體的分布區(qū)。三倍體的比例不但隨著緯度的增高而增加,而且也隨著海拔的升高而增加。中國芋資源最豐富的地區(qū)為云南省,該省自然環(huán)境復雜多樣,資源豐富,有芋屬(Colocasia)的4個種,占中國芋屬種數(shù)的一半。普迎東等曾調查過云南省芋種質資源及其分布,發(fā)現(xiàn)云南有葉用芋變種、球莖芋變種和花用芋變種3大類,尤其是在元江縣彎根芋種植面積較大,其匍匐莖、葉柄、花莖皆可食用。福建省也是中國芋的主要分布和栽培區(qū),全省有33個品種,包括葉柄芋變種、球莖芋變種的魁芋、多子芋、多頭芋和一些中間過渡類型品種。四川省有多子芋、魁芋、多頭芋以及葉柄用芋等,全省栽培面積約800hm2。據(jù)筆者調查,四川省栽培較為普遍的是葉柄為紫色的多子芋。廣西主要以檳榔芋為主,著名檳榔芋品種荔浦芋在廣西荔浦縣,每年的栽培面積約3800hm2。山東省芋種植面積也較大,栽培的品種為多子芋,2003年栽培面積已達30000hm2。浙江、江蘇、安徽、江西、湖南、湖北等省種質資源類型較少,栽培的品種類型多為多子芋,魁芋和多頭芋較少。2有關tea胚胎血漿特征的分類2.1關于芋屬類型的爭論芋為天南星科植物,目前較科學的分類系統(tǒng)是Mayo等人提出的天南星科分類系統(tǒng)。不過,《中國植物志》采用的是Hutchison分類系統(tǒng)。若按Mayo等人的分類系統(tǒng),天南星科有26屬204種。盡管如此,Mayo等人的最新天南星科分類系統(tǒng)對進一步澄清芋亞科(Colocasioideae)中族的系統(tǒng)發(fā)育關系進展不大,芋族(Colocasieae)的芋屬仍為原來的8種。芋屬下種的分類一直存在著爭論。張東曉等認為一些特征性狀不能用來區(qū)分芋屬的種。例如:有人認為紫芋(C.tonoimoNakai)與芋(C.esculentaSchott)不同是因為紫芋的佛焰苞中的雌花序雜有不育的中性花,但事實并非如此,雌花序中雜有不育的中性花這一特征在許多芋的中國栽培品種中也能看到。紫芋是1個種或僅僅是芋的1個類型有待進一步研究。同時還認為將長附屬器芋作為野芋種(C.antiquorumSchott)是不可取的,這是因為佛焰苞中不育花序或雄花序的長度呈連續(xù)變化,沒有明顯的特征性狀來區(qū)分芋與野芋。因此,有學者認為芋是野芋的異名。張東曉等曾在中國福建發(fā)現(xiàn)芋的新種,并認為芋屬有7個種。從現(xiàn)在的資料來看,這種分類并未得到承認。張東曉等根據(jù)染色體的數(shù)目、花器性狀及球莖分蘗習性,提出芋的植物學變種分類,即長附屬器變種和短附屬器芋類型,短附屬器芋類型中又分為多頭芋變種、二倍體魁芋變種、三倍體多子芋變種。2.1水旱芋的分類1982年張志提出芋的園藝學分類系統(tǒng),首先按產品的器官分為葉柄用和球莖用兩個變種,球莖用變種再按產品的母芋和子芋的生長習性分為魁芋、多子芋、多頭芋3個類型,每一類型再根據(jù)葉柄和芋的顏色分為若干副型,唯有多子芋應首先按生態(tài)習性分為水芋、旱芋、水旱芋3個副型,而多頭芋無此區(qū)分。張谷曼等認為芋可分為4類:魁芋類、魁子兼用芋類、多子芋類及多頭芋類。劉佩英根據(jù)張志的分類系統(tǒng)提出了芋的分類檢索表。黃新芳等對張志、劉佩瑛提出的園藝分類法中的多子芋類型和多頭芋類型進行修正,澄清了多子芋和多頭芋中紅紫柄品種群,將原來的多子芋中紅紫柄品種重新分為紅紫柄品種群和烏綠柄品種群,將多頭芋中的紅紫柄品種群更改為烏綠柄品種群,明確了芋的葉柄色與芽色的對應關系,并分析了各種類型多子芋的芋形及單株產量的構成因素。芋的品種分類以園藝學分類為多,但多數(shù)文獻經(jīng)常出現(xiàn)園藝學分類與植物學分類的交叉混淆,主要表現(xiàn)在園藝學分類法中的芋雜有植物學分類中的野芋種、紫芋種及大野芋種[C.gigantean(Blume)Hook.f.]。故在園藝學分類時應首先按植物學分類劃分種,再對種進行園藝學分類。3芋的貯藏特性芋種質資源的保存可采取就地保護和遷地保護途徑來解決。曾有報道福建農學院收集芋種質資源177份;中國科學院昆明植物研究所收集云南芋種質材料100余份。國家種質武漢水生蔬菜資源圃收集并保存了來自全國各地芋種質資源287份,是中國目前保存芋資源數(shù)量和類型較為豐富的單位。該圃保存的資源類型最多的是多子芋,占82.9%,其他各種類型僅占17.1%,幾乎涵蓋了芋資源的各種類型。資源類型較豐富的省份是福建、云南、廣東、四川等。黃新芳等研究了越冬過程中芋的耐藏性,研究結果表明,不同部位芋的耐藏性表現(xiàn)為子芋>孫芋>母芋。不同球莖類型芋的耐藏性表現(xiàn)為多頭芋>多子芋>魁子兼用類>魁芋。不同葉柄色芋的耐藏性的強弱順序為葉柄紫色類>葉柄綠色類>葉柄烏綠類。因此,應根據(jù)不同的類型采取不同的保存方法,葉柄用芋、魁芋、魁子兼用芋及一些珍稀品種越冬時應遷入溫室栽培,其他類型芋可就地培土越冬。李學智等研究了溫濕度對芋貯藏效果的影響,認為濕度90%、溫度12℃的貯藏條件效果最好。試管苗和試管芋是芋種質資源保存中常用的方法。中國已對芋試管苗保存中分化、增殖、脫毒等一系列問題開展了研究。畢可華研究表明,高濃度細胞分裂素和瓊脂配合使用,可明顯減緩芋試管苗的生長和分化速度,延長保存期。在MS+BA8mg/L+NAA0.2mg/L+8g/L瓊脂培養(yǎng)基中,芋無根試管苗可常溫保存370d,苗存活率達92%。4熟料的營養(yǎng)成分萊陽農學院中心實驗室對芋的營養(yǎng)成分進行了較為全面測定。李雅臣等對芋的化學成分進行了研究。林麗云等對芋的香氣成分進行了分析研究。周素平研究了檳榔芋和多子芋的營養(yǎng)成分,結果表明,檳榔芋淀粉含量為24%～27%,多子芋為12%～14%;可溶性糖含量檳榔芋為2.3%～3.0%,多子芋為2.3%～2.8%;蛋白質含量檳榔芋為3.0%～5.0%,多子芋為3.2%～4.8%。2002年黃新芳等所測結果基本與其一致,僅可溶性糖有些差異。周素平的測定結果還表明,檳榔芋中花青素含量高于多子芋,檳榔芋內3層葉柄中可溶性糖和蛋白質含量分別為1.0%和0.7%。5加肉莖發(fā)育成側球莖芋以球莖為變態(tài)器官。主球莖即母芋,母芋上每節(jié)都有腋芽,大多數(shù)腋芽處于休眠狀態(tài),不再生長,少數(shù)腋芽可膨大生長并發(fā)育成側球莖?？竺恳蝗~輪上腋芽數(shù)目為1,多子芋為3或3個以上,其中1個體積較大?？髠惹蚯o發(fā)育初期伸長的速度大于增粗速度,首先呈圓柱型,然后體積膨大形成體積很小的側球莖。多子芋腋芽伸長的同時莖部明顯增粗,首先形成圓錐形,然后發(fā)育成品種特有的形狀。DeCastro等研究了芋球莖發(fā)育過程中細胞特征和組織構造。6關于細胞生物學和生物學的研究6.1強化混凝土核型研究張谷曼等曾研究了中國芋的染色體的數(shù)目,認為魁芋類2n=2x=28,魁子兼用芋類、多子芋類及多頭芋類均為2n=3x=42。利容千等報道2個芋品種染色體的核型研究,認為白楊芋核型公式為2n=2x=28=20m(4AST)+8sm,核型為1A型;糯芋核型公式為2n=2x=28=16m(4AST)+12sm,核型為2B型。以上2個品種的染色體組成基本相同,但染色體的長度比、相對長度和核型類型都有差異。6.2方法的有效性和多態(tài)性蛋白質或同工酶是基因表達密切聯(lián)系的產物,可以作為很好的遺傳標志。Kuruvilla等首次對印度野芋和栽培芋進行了蛋白質電泳。Lebot等對從亞太地區(qū)20多個國家和地區(qū)收集的2000份材料進行了12種酶系的同工酶分析,其中有7種同工酶表現(xiàn)出豐富的多態(tài)性,亞洲地區(qū)材料的遺傳變異比大洋洲的大,但此項研究中只有1份中國芋材料。中國陳文炳等較早地應用聚丙烯酰胺垂直凝膠電泳檢測了177份中國芋種質資源材料的酯酶同工酶。結果表明,栽培芋可能由野生芋進化而來,也有可能栽培芋和野生芋由不同來源繁衍而來。沈鏑等對28份來自云南的芋種質資源進行了12種同工酶的分析比較,篩選出酯酶(EST)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPOD)、細胞色素氧化酶(COD)等5種酶系;同時,沈鏑等還進行了AFLP和RAPD的分子標記研究。研究表明大多數(shù)野生種大致可以與栽培種聚在不同的類群,而且多數(shù)野生種與栽培種關系較遠。但是也并非所有的野生種都能聚到一起,一些野生種混在栽培類群中,而與其他一些野生種關系較遠,體現(xiàn)出個體差異。這可能是因為不同的栽培種由不同的野生芋演化而來,或者不同的野生芋處于不同的進化階段,也可能由于有的只是在較短時間內被棄之不用,并沒有產生更大的變異。因此,僅就這一點來劃分類群還遠遠不夠,這一結論與陳文炳等的結論基本相同。沈鏑等的研究還表明,3種分析方法檢測的多態(tài)率均達85%以上,其中以同工酶最高,AFLP和RAPD相差無幾;檢測的效率又以AFLP最高。由于AFLP和RAPD直接對DNA序列進行比較,所以檢測差異效率明顯要高于蛋白質表達水平,尤其是AFLP分子標記法。龍雯虹等也對云南芋種質資源進行了RAPD的分子標記研究,但其所用材料較少,僅為10份。7常用的雜交育種芋是以無性繁殖為主的作物,在自然條件下很少開花,花期一般在8-9月,華南地區(qū)有的材料會在2-4月開花。黃新芳等對保存在國家種質武漢水生蔬菜資源圃的287份芋種質資源進行調查后發(fā)現(xiàn):多子芋中只有綠柄品種群和烏綠柄品種群中有少數(shù)品種在個別年份能開花,且烏綠柄品種群開花的比例高于綠柄品種群,紅紫柄品種群一般不開花。另外,葉柄用和花用芋及莖用芋(匍匐莖)一般都能開花。陸紹春等研究表明,采用赤霉素浸泡種芋,并結合短日照8～10h處理,植株開花率可達40%。芋開花后結實率很低,辛紅嬋等認為這主要是因為同一花序中胚珠的發(fā)育有較大差異,未成熟的胚珠及無極性化的胚珠不能產生正常發(fā)育的雌配子,因此不能進行正常的受精作用,這給芋的雜交育種帶來很大的困難。盡管如此,芋仍能通過雜交獲得雜交種。Otsuka等曾從兩個二倍體芋(C.esculentaSchott)雜交獲得三倍體,并解釋說三倍體芋可由未減數(shù)配子與一正常減數(shù)的配子受精而產生,從而為三倍體的形成機制提供了證據(jù)。H.Yoshino等曾在尼泊爾收集到1株芋屬和海芋屬(Alocasia)的雜種。為了證實在自然條件下屬間雜交發(fā)生的可能性,他們進行了芋和海芋屬1個種(A.brisbanensis)的屬間雜交,獲得大量雜交種子,但只有少數(shù)種子發(fā)芽,僅獲得1個單株。通過RAPD分析,認為此屬間雜種是由芋的未減數(shù)雌配子與海芋的正?；ǚ垭s交而成。Okada等曾通過人工雜交獲得芋與大野芋的種間雜種,Matthews等通過對芋屬中的芋、大野芋與海芋屬的1個種(A.macrorrhiza)的DNA分析,認為芋屬與海芋屬有較近的系統(tǒng)發(fā)育關系。以上研究表明,芋的屬間、種間、種內雜交是可能的,這也為芋通過雜交育種創(chuàng)造新種質資源提供了可能。韓青梅等曾分離出芋葉片和葉柄的原生質體,并可使約6.2%原生質體通過化學途徑發(fā)生融合,經(jīng)培養(yǎng)后獲得愈傷組織,但尚未誘導出芽體。李儲學用60Co-&射線照射未萌動的種芋,選育出魯芋頭1號。8關