芋种质资源的研究

芋种质资源的研究

芋头是天南星科的一种多年生草本植物。又称芋头、甘薯和毛芋头。它产于中国、印度和马来半岛等热带沼泽。世界上广泛种植，但最受欢迎的是中国、日本和太平洋岛。据报道,在世界范围内,截止1997年芋的种植面积达9.9万公顷,年生产量约575万吨,其消费量在蔬菜中居第14位。其中,60%在非洲,40%在亚洲。在中国芋主要作蔬菜用,其主要食用器官为地下球茎,叶、叶柄、花也可作蔬菜食用。中国有丰富的芋种质资源,自20世纪70年代起,中国芋种质资源研究日益受到关注。1杏仁的起源和分布1.1关于芋的栽培。在一般文献记载了,现代书籍中也有DeCandole认为芋起源于印度,Brukill与瓦维洛夫认为芋起源于印度,瓦维洛夫认为芋也起源于中国。芋是中国的古老作物,叶静渊研究认为:公元前5～3世纪的《管子》中就已提到芋的栽培。历史典籍中,芋有蹲鸱、莒、蕖、土芝等别名。水芋一名最早见于《广雅》,只不过将之与慈姑、荸荠混为一谈。直到15世纪的《竹屿房杂部》中才明确提到水芋。《本草纲目》(1578年)中更明确指出芋有水旱两种,以后的典籍中常有类似记载,而且在不同的地区对二者的称谓不同,如称水芋为田芋等,称旱芋为山芋、干芋、坡芋等。早在公元前1世纪后期,《氾胜之书》中就已详细记述了旱芋的栽培方法。《竹屿房杂部》首次记述了旱芋与水芋的栽培方法。明代后期的芋专著《种芋法》也分别叙述了水芋与旱芋的栽培方法。1.2中国芋种质资源现状由于芋喜高温湿润气候条件,中国以珠江流域及台湾栽培最多,长江及淮河流域次之,华北地区栽培面积不大,主要分布在胶东半岛。张谷曼等研究了芋的类型、倍数性与地理分布的关系,结果表明,魁芋类为二倍体,魁子兼用芋类、多子芋及多头芋类均为三倍体,倍数性对芋的地理分布与垂直分布均有极显著的影响。中国南部各省为二倍体与三倍体的分布区,而中部及华北地区则为三倍体的分布区。三倍体的比例不但随着纬度的增高而增加,而且也随着海拔的升高而增加。中国芋资源最丰富的地区为云南省,该省自然环境复杂多样,资源丰富,有芋属(Colocasia)的4个种,占中国芋属种数的一半。普迎东等曾调查过云南省芋种质资源及其分布,发现云南有叶用芋变种、球茎芋变种和花用芋变种3大类,尤其是在元江县弯根芋种植面积较大,其匍匐茎、叶柄、花茎皆可食用。福建省也是中国芋的主要分布和栽培区,全省有33个品种,包括叶柄芋变种、球茎芋变种的魁芋、多子芋、多头芋和一些中间过渡类型品种。四川省有多子芋、魁芋、多头芋以及叶柄用芋等,全省栽培面积约800hm2。据笔者调查,四川省栽培较为普遍的是叶柄为紫色的多子芋。广西主要以槟榔芋为主,著名槟榔芋品种荔浦芋在广西荔浦县,每年的栽培面积约3800hm2。山东省芋种植面积也较大,栽培的品种为多子芋,2003年栽培面积已达30000hm2。浙江、江苏、安徽、江西、湖南、湖北等省种质资源类型较少,栽培的品种类型多为多子芋,魁芋和多头芋较少。2有关tea胚胎血浆特征的分类2.1关于芋属类型的争论芋为天南星科植物,目前较科学的分类系统是Mayo等人提出的天南星科分类系统。不过,《中国植物志》采用的是Hutchison分类系统。若按Mayo等人的分类系统,天南星科有26属204种。尽管如此,Mayo等人的最新天南星科分类系统对进一步澄清芋亚科(Colocasioideae)中族的系统发育关系进展不大,芋族(Colocasieae)的芋属仍为原来的8种。芋属下种的分类一直存在着争论。张东晓等认为一些特征性状不能用来区分芋属的种。例如:有人认为紫芋(C.tonoimoNakai)与芋(C.esculentaSchott)不同是因为紫芋的佛焰苞中的雌花序杂有不育的中性花,但事实并非如此,雌花序中杂有不育的中性花这一特征在许多芋的中国栽培品种中也能看到。紫芋是1个种或仅仅是芋的1个类型有待进一步研究。同时还认为将长附属器芋作为野芋种(C.antiquorumSchott)是不可取的,这是因为佛焰苞中不育花序或雄花序的长度呈连续变化,没有明显的特征性状来区分芋与野芋。因此,有学者认为芋是野芋的异名。张东晓等曾在中国福建发现芋的新种,并认为芋属有7个种。从现在的资料来看,这种分类并未得到承认。张东晓等根据染色体的数目、花器性状及球茎分蘖习性,提出芋的植物学变种分类,即长附属器变种和短附属器芋类型,短附属器芋类型中又分为多头芋变种、二倍体魁芋变种、三倍体多子芋变种。2.1水旱芋的分类1982年张志提出芋的园艺学分类系统,首先按产品的器官分为叶柄用和球茎用两个变种,球茎用变种再按产品的母芋和子芋的生长习性分为魁芋、多子芋、多头芋3个类型,每一类型再根据叶柄和芋的颜色分为若干副型,唯有多子芋应首先按生态习性分为水芋、旱芋、水旱芋3个副型,而多头芋无此区分。张谷曼等认为芋可分为4类:魁芋类、魁子兼用芋类、多子芋类及多头芋类。刘佩英根据张志的分类系统提出了芋的分类检索表。黄新芳等对张志、刘佩瑛提出的园艺分类法中的多子芋类型和多头芋类型进行修正,澄清了多子芋和多头芋中红紫柄品种群,将原来的多子芋中红紫柄品种重新分为红紫柄品种群和乌绿柄品种群,将多头芋中的红紫柄品种群更改为乌绿柄品种群,明确了芋的叶柄色与芽色的对应关系,并分析了各种类型多子芋的芋形及单株产量的构成因素。芋的品种分类以园艺学分类为多,但多数文献经常出现园艺学分类与植物学分类的交叉混淆,主要表现在园艺学分类法中的芋杂有植物学分类中的野芋种、紫芋种及大野芋种[C.gigantean(Blume)Hook.f.]。故在园艺学分类时应首先按植物学分类划分种,再对种进行园艺学分类。3芋的贮藏特性芋种质资源的保存可采取就地保护和迁地保护途径来解决。曾有报道福建农学院收集芋种质资源177份;中国科学院昆明植物研究所收集云南芋种质材料100余份。国家种质武汉水生蔬菜资源圃收集并保存了来自全国各地芋种质资源287份,是中国目前保存芋资源数量和类型较为丰富的单位。该圃保存的资源类型最多的是多子芋,占82.9%,其他各种类型仅占17.1%,几乎涵盖了芋资源的各种类型。资源类型较丰富的省份是福建、云南、广东、四川等。黄新芳等研究了越冬过程中芋的耐藏性,研究结果表明,不同部位芋的耐藏性表现为子芋>孙芋>母芋。不同球茎类型芋的耐藏性表现为多头芋>多子芋>魁子兼用类>魁芋。不同叶柄色芋的耐藏性的强弱顺序为叶柄紫色类>叶柄绿色类>叶柄乌绿类。因此,应根据不同的类型采取不同的保存方法,叶柄用芋、魁芋、魁子兼用芋及一些珍稀品种越冬时应迁入温室栽培,其他类型芋可就地培土越冬。李学智等研究了温湿度对芋贮藏效果的影响,认为湿度90%、温度12℃的贮藏条件效果最好。试管苗和试管芋是芋种质资源保存中常用的方法。中国已对芋试管苗保存中分化、增殖、脱毒等一系列问题开展了研究。毕可华研究表明,高浓度细胞分裂素和琼脂配合使用,可明显减缓芋试管苗的生长和分化速度,延长保存期。在MS+BA8mg/L+NAA0.2mg/L+8g/L琼脂培养基中,芋无根试管苗可常温保存370d,苗存活率达92%。4熟料的营养成分莱阳农学院中心实验室对芋的营养成分进行了较为全面测定。李雅臣等对芋的化学成分进行了研究。林丽云等对芋的香气成分进行了分析研究。周素平研究了槟榔芋和多子芋的营养成分,结果表明,槟榔芋淀粉含量为24%～27%,多子芋为12%～14%;可溶性糖含量槟榔芋为2.3%～3.0%,多子芋为2.3%～2.8%;蛋白质含量槟榔芋为3.0%～5.0%,多子芋为3.2%～4.8%。2002年黄新芳等所测结果基本与其一致,仅可溶性糖有些差异。周素平的测定结果还表明,槟榔芋中花青素含量高于多子芋,槟榔芋内3层叶柄中可溶性糖和蛋白质含量分别为1.0%和0.7%。5加肉茎发育成侧球茎芋以球茎为变态器官。主球茎即母芋,母芋上每节都有腋芽,大多数腋芽处于休眠状态,不再生长,少数腋芽可膨大生长并发育成侧球茎。魁芋每一叶轮上腋芽数目为1,多子芋为3或3个以上,其中1个体积较大。魁芋侧球茎发育初期伸长的速度大于增粗速度,首先呈圆柱型,然后体积膨大形成体积很小的侧球茎。多子芋腋芽伸长的同时茎部明显增粗,首先形成圆锥形,然后发育成品种特有的形状。DeCastro等研究了芋球茎发育过程中细胞特征和组织构造。6关于细胞生物学和生物学的研究6.1强化混凝土核型研究张谷曼等曾研究了中国芋的染色体的数目,认为魁芋类2n=2x=28,魁子兼用芋类、多子芋类及多头芋类均为2n=3x=42。利容千等报道2个芋品种染色体的核型研究,认为白杨芋核型公式为2n=2x=28=20m(4AST)+8sm,核型为1A型;糯芋核型公式为2n=2x=28=16m(4AST)+12sm,核型为2B型。以上2个品种的染色体组成基本相同,但染色体的长度比、相对长度和核型类型都有差异。6.2方法的有效性和多态性蛋白质或同工酶是基因表达密切联系的产物,可以作为很好的遗传标志。Kuruvilla等首次对印度野芋和栽培芋进行了蛋白质电泳。Lebot等对从亚太地区20多个国家和地区收集的2000份材料进行了12种酶系的同工酶分析,其中有7种同工酶表现出丰富的多态性,亚洲地区材料的遗传变异比大洋洲的大,但此项研究中只有1份中国芋材料。中国陈文炳等较早地应用聚丙烯酰胺垂直凝胶电泳检测了177份中国芋种质资源材料的酯酶同工酶。结果表明,栽培芋可能由野生芋进化而来,也有可能栽培芋和野生芋由不同来源繁衍而来。沈镝等对28份来自云南的芋种质资源进行了12种同工酶的分析比较,筛选出酯酶(EST)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPOD)、细胞色素氧化酶(COD)等5种酶系;同时,沈镝等还进行了AFLP和RAPD的分子标记研究。研究表明大多数野生种大致可以与栽培种聚在不同的类群,而且多数野生种与栽培种关系较远。但是也并非所有的野生种都能聚到一起,一些野生种混在栽培类群中,而与其他一些野生种关系较远,体现出个体差异。这可能是因为不同的栽培种由不同的野生芋演化而来,或者不同的野生芋处于不同的进化阶段,也可能由于有的只是在较短时间内被弃之不用,并没有产生更大的变异。因此,仅就这一点来划分类群还远远不够,这一结论与陈文炳等的结论基本相同。沈镝等的研究还表明,3种分析方法检测的多态率均达85%以上,其中以同工酶最高,AFLP和RAPD相差无几;检测的效率又以AFLP最高。由于AFLP和RAPD直接对DNA序列进行比较,所以检测差异效率明显要高于蛋白质表达水平,尤其是AFLP分子标记法。龙雯虹等也对云南芋种质资源进行了RAPD的分子标记研究,但其所用材料较少,仅为10份。7常用的杂交育种芋是以无性繁殖为主的作物,在自然条件下很少开花,花期一般在8-9月,华南地区有的材料会在2-4月开花。黄新芳等对保存在国家种质武汉水生蔬菜资源圃的287份芋种质资源进行调查后发现:多子芋中只有绿柄品种群和乌绿柄品种群中有少数品种在个别年份能开花,且乌绿柄品种群开花的比例高于绿柄品种群,红紫柄品种群一般不开花。另外,叶柄用和花用芋及茎用芋(匍匐茎)一般都能开花。陆绍春等研究表明,采用赤霉素浸泡种芋,并结合短日照8～10h处理,植株开花率可达40%。芋开花后结实率很低,辛红婵等认为这主要是因为同一花序中胚珠的发育有较大差异,未成熟的胚珠及无极性化的胚珠不能产生正常发育的雌配子,因此不能进行正常的受精作用,这给芋的杂交育种带来很大的困难。尽管如此,芋仍能通过杂交获得杂交种。Otsuka等曾从两个二倍体芋(C.esculentaSchott)杂交获得三倍体,并解释说三倍体芋可由未减数配子与一正常减数的配子受精而产生,从而为三倍体的形成机制提供了证据。H.Yoshino等曾在尼泊尔收集到1株芋属和海芋属(Alocasia)的杂种。为了证实在自然条件下属间杂交发生的可能性,他们进行了芋和海芋属1个种(A.brisbanensis)的属间杂交,获得大量杂交种子,但只有少数种子发芽,仅获得1个单株。通过RAPD分析,认为此属间杂种是由芋的未减数雌配子与海芋的正常花粉杂交而成。Okada等曾通过人工杂交获得芋与大野芋的种间杂种,Matthews等通过对芋属中的芋、大野芋与海芋属的1个种(A.macrorrhiza)的DNA分析,认为芋属与海芋属有较近的系统发育关系。以上研究表明,芋的属间、种间、种内杂交是可能的,这也为芋通过杂交育种创造新种质资源提供了可能。韩青梅等曾分离出芋叶片和叶柄的原生质体,并可使约6.2%原生质体通过化学途径发生融合,经培养后获得愈伤组织,但尚未诱导出芽体。李储学用60Co-&射线照射未萌动的种芋,选育出鲁芋头1号。8关