荸薺球莖膨大及淀粉積累規(guī)律研究

徐國(guó)鑫，李效尊，楊百戰(zhàn)，杜紹印，尹靜靜，吳修

（1.山東省水稻研究所/山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水生生物研究中心，濟(jì)南，250100；2.郯城縣種子公司）

荸薺（Eleocharis dulcis，Eleocharis tuberosa），又名馬蹄、地栗、烏芋等，是莎草科荸薺屬多年生草本植物，原產(chǎn)印度和中國(guó)南方地區(qū)[1]。荸薺球莖表皮呈紅褐色至黑褐色，肉質(zhì)細(xì)嫩、清脆爽口；其營(yíng)養(yǎng)成分豐富，每100 g 鮮品中含碳水化合物21.8 g、蛋白質(zhì)1.5 g、脂肪0.1 g、粗纖維0.5 g[2]。目前，我國(guó)荸薺總種植面積約5 萬(wàn)hm2，分布于華北、華東、華南等多個(gè)省份；在山東濟(jì)寧、臨沂、棗莊、泰安等地區(qū)均有種植。

荸薺球莖一般在秋季形成并膨大，在膨大中后期積累大量淀粉作為貯藏物質(zhì)。目前針對(duì)荸薺的研究主要集中于種質(zhì)資源、栽培技術(shù)、組培快繁和生理生化等方面，關(guān)于球莖膨大機(jī)理的研究比較缺乏[3]。朱世東[4]研究表明，荸薺球莖膨大約需70 d，經(jīng)歷一個(gè)“快—慢—快”的過(guò)程：膨大前期（1～20 d）球莖生長(zhǎng)速度快、膨大中期（21～40 d）生長(zhǎng)速度減緩、膨大后期（41～70 d）生長(zhǎng)速度再次加快[4,5]。施國(guó)新等[6]利用石蠟切片技術(shù)，發(fā)現(xiàn)球莖膨大早期薄壁細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，細(xì)胞橫截面積增大；淀粉粒首先從球莖基部中央的薄壁細(xì)胞開始積累，然后推向球莖頂部和周圍細(xì)胞[6]。

樹脂切片技術(shù)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)研究，與石蠟切片相比，樹脂切片能夠更加完整和清晰地顯示細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)。本研究利用樹脂切片結(jié)合組織化學(xué)技術(shù)，清晰地顯示出荸薺球莖不同發(fā)育時(shí)期的細(xì)胞形態(tài)，分析了淀粉粒的分布和積累規(guī)律，同時(shí)觀察了球莖表皮及皮層細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加深了對(duì)荸薺球莖膨大機(jī)理的理解。

1 材料與方法

1.1 供試材料

野生荸薺品種采集于山東郯城縣，種植于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲馬泉試驗(yàn)基地。于2014 年8～9 月，采取發(fā)育早期（膨大10 d）、發(fā)育中期（膨大30 d）和發(fā)育后期（膨大50 d）的球莖。

1.2 試驗(yàn)方法

b.席夫（Schiff）試劑。稱取0.5 g 堿性品紅，加入100 mL 蒸餾水，沸水浴加熱溶解5 min，冷卻至室溫后經(jīng)濾紙過(guò)濾，加入1 g 偏亞硫酸氫鈉和2 mL濃鹽酸，充分混勻后避光密封保存。約24 h 后，試劑變成淺黃色即可使用。

c.改良甲苯胺藍(lán)染色液。稱取0.5 g 甲苯胺藍(lán)，加入100 mL 30%的乙醇，加熱至65℃，攪拌30 min，過(guò)濾后避光保存。

d.制片與染色。樹脂切片制作參照Wei 等[7]的方法。染色方法參考Bronner 等[8]的方法，并進(jìn)行改進(jìn)。將載玻片浸入0.4%（W/W）的高碘酸鉀溶液中氧化20 min，自來(lái)水沖洗，蒸餾水浸洗3 次，每次2 min；浸入Schiff 試劑中染色20 min，自來(lái)水沖洗，蒸餾水浸洗2 次，每次1 min。將載玻片浸入改良甲苯胺藍(lán)染色液中，染色2 min，自來(lái)水沖洗，蒸餾水浸洗2次，每次1 min，35℃烘干。中性樹膠封片，顯微鏡觀察拍照。

圖1 荸薺球莖的膨大過(guò)程

圖2 荸薺球莖不同發(fā)育時(shí)期薄壁細(xì)胞結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 荸薺球莖發(fā)育過(guò)程形態(tài)變化

荸薺球莖膨大10 d 時(shí)，直徑約10 mm，表皮為白色；膨大至30 d 時(shí)，直徑約20 mm，表皮顏色略有加深；膨大至50 d 時(shí)，直徑約30 mm，表皮開始變?yōu)楹稚▓D1）。

2.2 球莖膨大過(guò)程淀粉粒積累和細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化

在顯微鏡下觀察染色后的切片，可以看到淀粉粒被染成紅色，細(xì)胞壁及細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)被染成淺藍(lán)色至藍(lán)黑色（圖2）。球莖的薄壁細(xì)胞含有較大的液泡，淀粉粒由于受到液泡的擠壓分布于細(xì)胞邊緣（圖2D）。伴隨著球莖的膨大，薄壁細(xì)胞中的淀粉粒數(shù)目增多、體積增大，薄壁細(xì)胞的橫截面積也顯著增大（圖2A、C）。在球莖膨大10 d 和30 d 時(shí)，薄壁細(xì)胞中的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)清晰，呈橢球形，內(nèi)有黑色的核仁（圖2D、E）；膨大至50 d 時(shí)，由于淀粉粒大量積累，細(xì)胞核被擠壓成不規(guī)則形（圖2F）。

圖3 球莖膨大中期和后期表皮細(xì)胞形態(tài)

圖4 皮層細(xì)胞結(jié)構(gòu)

在球莖膨大過(guò)程中，表皮細(xì)胞的形態(tài)也發(fā)生明顯變化，其橫截面長(zhǎng)度由約15 μm（圖3A）拉伸到約50 μm（圖3B）。另外，在表皮細(xì)胞下方是皮層細(xì)胞，由12～15 層薄壁細(xì)胞組成；皮層細(xì)胞與內(nèi)側(cè)基本組織之間存在2 層較小的細(xì)胞（圖4），在切片制備的過(guò)程中，這2 層細(xì)胞容易與球莖內(nèi)側(cè)的組織分離（圖4B），其功能尚不清楚。皮層細(xì)胞中散落分布一些橢球形的分泌細(xì)胞，其液泡內(nèi)部含有的物質(zhì)被染為橙色（圖4），內(nèi)含物成分尚不明確。

3 討論與結(jié)論

根據(jù)已有的研究結(jié)果，荸薺球莖在發(fā)育后期體積迅速增大，干物質(zhì)含量迅速增加[4]。通過(guò)比較球莖發(fā)育后期（膨大50 d）和中期（膨大30 d）的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)膨大50 d 時(shí)，薄壁細(xì)胞中的淀粉粒大量積累、互相擠壓，占據(jù)細(xì)胞內(nèi)較多的空間，甚至影響了細(xì)胞核的形態(tài)，這說(shuō)明淀粉積累是球莖干物質(zhì)含量增加的主要因素。此外，研究發(fā)現(xiàn)為適應(yīng)球莖發(fā)育后期的迅速膨大，表皮細(xì)胞的長(zhǎng)度被拉伸數(shù)倍，說(shuō)明球莖表面積的增加主要是通過(guò)表皮細(xì)胞的伸展，而不是表皮細(xì)胞數(shù)目的增加。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為，荸薺有抗腫瘤、抗菌、防治呼吸道疾病、清肺化痰等作用[2]，荸薺的藥用功效可能與荸薺皮中的甾醇、多糖和酯類等多種活性成分有關(guān)[9～13]。研究發(fā)現(xiàn)荸薺球莖的皮層細(xì)胞間分布有橙色的分泌細(xì)胞，分泌細(xì)胞可能是上述活性成分的存儲(chǔ)部位，因此進(jìn)一步探明分泌細(xì)胞的物質(zhì)成分和積累規(guī)律，有助于提高荸薺皮的資源利用效率。

[1]趙有為，曹碚生.水生蔬菜[M].重慶：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1990.

[2]蔡健.荸薺的營(yíng)養(yǎng)保健和加工利用[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2005（2）：40-42.

[3]李峰，柯衛(wèi)東，劉義滿.荸薺研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江蔬菜，2006（8）：39-43.

[4]朱世東.荸薺球莖膨大生理的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，1996，24（1）：50-53.

[5]朱世東，李曙軒.荸薺球莖的形成與膨大[J].中國(guó)蔬菜，1987（2）：1-4.

[6]施國(guó)新，常福辰，徐祥生.荸薺匍匐莖的發(fā)育和球莖的膨大研究[J].南京師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1989，12（4）：71-76.

[7]Wei N,Tan C,Qi B,et al.Changes in gravitational forces induce the modification of Arabidopsis thaliana silique,pedicel positioning [J]. Journal of Experimental Botany 2010,61(14):3 875-3 884.

[8]Bronner R.Simultaneous demonstration of lipids and starch in plant tissues[J].Stain Technology,1975,50(1):1-4.

[9]吳士筠，邱品瓊.荸薺皮和荸薺肉的提取液抑菌作用研究[J].食品科學(xué)，2009，30（19）：143-146.

[10]李婕姝，賈冬英，姚開，等.荸薺皮多糖體外清除自由基活性的研究[J].氨基酸和生物資源，2008，30（4）：7-9.

[11]郭艷華，胡思前.荸薺皮提取物對(duì)亞硝化反應(yīng)抑制作用研究[J].食品與機(jī)械，2008，24（3）：64-66.

[12]李冬生，王金華.荸薺葉莖提取物抑菌作用的研究[J].糧油加工與食品機(jī)械，2003（10）：76-77.

[13]張全軍.荸薺皮抑菌物質(zhì)的提取及穩(wěn)定性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.