石蒜屬植物鱗莖發育機理及調控研究進展

許俊旭，李青竹，楊柳燕，李 心，王 楨，張永春

（上海市農業科學院林木果樹研究所，上海 201403）

0 引言

石蒜屬(Lycoris)為東亞特有屬，主要分布在中國南部地區和日本，具有較高的藥用和觀賞價值[1]。石蒜屬植物（以下簡稱石蒜）包含大約20個種，其中有15個種分布在中國[2]。盡管石蒜分布范圍不廣，但它的花色和花型呈現出豐富的多樣性，因此中國和日本將石蒜作為觀賞植物進行栽培已有幾百年的歷史[3]。另外，石蒜還具有較高的產業開發價值，從石蒜鱗莖中提取出的生物堿已被證明具有鎮痛、消炎、抗病毒、抗瘧疾和抗癌的功能[4-5]。

目前，人們對石蒜鱗莖的需求量日益增大，石蒜自然棲息地被大量破壞性開發，造成野生石蒜資源極大的縮減[6]，例如長江流域和中國西南部地區。因此，提高石蒜的再生效率不僅對商業生產，更對于保護其野生資源都是非常必要的。

目前石蒜有3種繁殖方式：種子繁殖、組織培養和營養繁殖。種子繁殖主要存在2個主要問題：一是從種子萌發到開花需經歷4～5年漫長的幼苗期，二是在幼苗期存在較多遺傳變異。而組織培養過程中存在的嚴重污染和低再生效率等問題也使得石蒜組織培養變得困難[7-8]，因此營養繁殖是目前商業生產的主要模式。然而，石蒜鱗莖膨大速率慢、發育周期長，子鱗莖繁殖效率低，且生產上還未形成較為系統性的調控其鱗莖發育的技術手段。

本研究就石蒜鱗莖發育過程中鱗莖膨大和小鱗莖發生過程的機制展開綜述，并對目前的調控措施進行探討，旨在明確石蒜鱗莖發育的機理及調控手段，為生產上利用植物生長調節劑等手段提高其鱗莖的再生效率提供理論依據。

1 石蒜鱗莖膨大機理及調控

1.1 石蒜鱗莖膨大的生理調控規律

在石蒜的生長發育過程中，光合產物等干物質不斷分配到地下鱗莖，并主要以淀粉的形式儲藏在鱗莖中，既為石蒜的生長發育提供大量營養，也有利于將來繁殖出新的小鱗莖[9]。因此，石蒜的鱗莖起著“儲藏庫”的作用，而淀粉是其鱗莖主要的養分貯藏形式。

有研究表明，淀粉是石蒜鱗莖實現膨大的物質基礎。左慧[9]等對不同年份‘石蒜’(Lycoris radiata)生物學性狀差異性及營養物質含量進行了分析，發現‘石蒜’鱗莖中淀粉含量隨著生長發育年份的增長而增加[9]。Chang等[6]對花后休眠期不同大小‘換錦花’(Lycoris sprengeri)鱗莖中淀粉等營養物質做了相關研究后，發現隨著‘換錦花’鱗莖的膨大，淀粉粒積累明顯，淀粉和蔗糖含量逐漸上升。Xu[10]等通過分析營養生長期同一栽培環境下‘石蒜’鱗莖膨大過程中碳水化合物含量的變化，發現隨著‘石蒜’鱗莖的膨大，淀粉含量有先升高后降低的趨勢，而可溶性糖含量不斷升高。

在高等植物中，淀粉可以被水解為可溶性糖，為植物的形態建成提供必要的能量，如鱗莖發育、葉芽生長以及花芽分化等[11]。可溶性糖是石蒜鱗莖主要的養分轉運形式[12]，是鱗片增厚、新鱗片形成的能量與物質基礎。有研究表明，石蒜鱗莖中內層鱗片的可溶性糖含量最高，表明由淀粉分解后得到的可溶性糖主要轉運至細胞分裂最旺盛的內層鱗片中，從而促進內層鱗片的膨大與發育[10]。

石蒜鱗莖中碳水化合物的積累和代謝受到一系列基因的調控，且一些基因也被證明與石蒜鱗莖的膨大密切相關。Chang等[6]對‘換錦花’鱗莖膨大過程中淀粉合成及代謝相關的基因進行了分析，包括編碼淀粉分解相關酶的LsBAM1，LsAMY1，LsAMY3基因以及編碼淀粉合成酶SSS的LsSS1基因，發現LsSS1基因在‘換錦花’鱗莖膨大過程中表達上調，而淀粉分解相關基因的表達都在此過程中下調，且與淀粉酶活性的變化負相關。另外，Xu[10]等對‘石蒜’鱗莖膨大過程中12個淀粉合成及代謝相關基因的表達變化進行了檢測，發現分別編碼α和β淀粉酶的LrAMY3和LrBAMY3基因，編碼顆粒結合淀粉合成酶GBSS的LrGBSS1基因，以及分別編碼腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶AGPase大小亞基的LrAGPL1和LrAGPS1基因都在‘石蒜’鱗莖膨大過程中表達上調，且都與其對應酶活性的變化較為一致，尤其以AGPase酶活性和LrAGPL1和LrAGPS1基因表達的變化最為顯著，推測其可能是調控石蒜鱗莖膨大的關鍵淀粉合成基因。

AGPase是淀粉合成的關鍵酶，它催化淀粉合成的第一步由l-磷酸葡萄糖(G-1-P)形成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)的關鍵反應[13]。在糧食作物中，過表達編碼AGPase大小亞基的基因能夠顯著提高玉米(Zea mays.L)和小麥(Triticum aestivum.L)籽粒中淀粉的含量，從而增加粒重[14-15]。另外，在鱗莖類植物唐菖蒲(Gladilolus hybridus)中，發現沉默表達GhAGPL1和GhAGPS1基因后，唐菖蒲種球淀粉的合成受阻，新球重量顯著降低[16]。因此，在石蒜鱗莖膨大過程中，編碼AGPase大小亞基的基因表達上調，使鱗莖中AGPase活性增強，并與其他淀粉合成及代謝相關基因協同作用，共同調控鱗莖中淀粉的積累、代謝以及鱗莖的膨大過程。

1.2 石蒜鱗莖膨大的激素調控規律

外施激素是調控鱗莖膨大的一種常見手段，且在石蒜鱗莖膨大的研究中已有相關的報道。徐敏等[17]發現施加1 mg/L的萘乙酸(NAA)或5 mg/L的6-芐氨基嘌呤(6-BA)可促進‘紅藍石蒜’(Lycoris haywardii)種球球徑增長，且內源吲哚乙酸(IAA)含量在此過程中顯著升高，表明IAA可能是‘紅藍石蒜’營養生長時期中主要的調控內源激素之一。佘琳芳[18]發現外施適宜濃度的氯吡苯脲(CPPU)對‘換錦花’小鱗莖的膨大有一定促進作用，處理的最適濃度為7.5 mg/L。肖郁綿等[19]通過對‘石蒜’葉面噴施CPPU、氯化膽堿(CC)和水楊酸(JA)，發現這3種激素對石蒜鱗莖的膨大均有一定的促進作用。許俊旭等[20]對‘石蒜’外施CPPU和多效唑(PP333)，發現這2種激素都能夠促進‘石蒜’鱗莖的膨大。

激素調控石蒜鱗莖膨大的作用與鱗莖碳水化合物的代謝過程密切相關。外源CPPU處理能夠通過提高淀粉代謝相關酶的活性，加速‘石蒜’和‘換錦花’鱗莖中淀粉的合成與積累過程，從而促進鱗莖的膨大[18-21]。外施SA和高濃度的CC后，β淀粉酶活性顯著降低，AGPase酶活性有所升高，淀粉積累率升高[19-21]。外施PP333能夠促進鱗莖中編碼AGPase大小亞基LrAGPL1和LrAGPS1基因的表達水平，從而提高AGPase酶的活性，加速鱗莖中淀粉積累過程，最終促進‘石蒜’鱗莖的膨大[20]。

然而，上述激素調控的應用多還是參考其他植物中已報道的研究結果，選擇上具有一定的隨機性和盲目性，因此，了解石蒜鱗莖膨大過程中自身內源激素的調控規律很有必要。許俊旭等[22]對‘石蒜’鱗莖膨大過程中內源激素含量和激素合成、信號轉導相關基因的表達變化進行研究后發現：內源赤霉素(GA)能夠負調控‘石蒜’鱗莖的膨大，而內源IAA、細胞分裂素(CK)、JA和水楊酸(SA)正向調控，內源脫落酸(ABA)可能在‘石蒜’鱗莖膨大的調控過程中作用不大[22]。在此基礎上，后續可以有針對性地研究和探討外施IAA、CK、JA和SA等激素對石蒜鱗莖膨大的調控作用，以及各激素作用效果之間的差異。另外，筆者了解到GA是唯一一種能夠抑制石蒜鱗莖膨大的激素，而GA的這種抑制作用也在馬鈴薯塊莖膨大過程中被證明[23-24]。因此，在生產中可利用外施赤霉素抑制劑如PP333等的方式加速鱗莖的膨大，這已在百合[25]和‘石蒜’[20]鱗莖膨大的調控中得到應用。

1.3 石蒜鱗莖膨大的施肥調控

氮、磷、鉀等大量元素是石蒜等藥用植物生長發育的必需營養，而長期以來石蒜的種植均以采用粗放式管理——廣種薄收為主要方式，極少對其進行施肥[26]。通過有效施肥，能夠增加石蒜干鮮物質的積累量，為豐產優質培育提供技術指導[26]。劉志高等[27]通過對肥料主效應的分析得出氮、磷和鉀在一定范圍內對石蒜鱗莖質量增長能夠起到促進的作用，促進效果大小依次為：鉀、氮、磷。鮑淳松等[28-29]對‘中國石蒜’(Lycoris chinensis)和‘紅藍石蒜’施用不同水平的尿素，發現高用量施用尿素對‘紅藍石蒜’葉片數量、葉片長度、芽數、鱗莖數量以及鱗莖生物量等均產生了顯著的負面影響，表明石蒜屬植物可能不宜用尿素作為氮素使用，但‘紅藍石蒜’對磷鉀肥（磷酸二氫鉀）的需求量較大，耐受性良好[29]，可作為石蒜屬植物栽培過程中的磷鉀肥。但還有研究表明，施肥對增加石蒜鱗莖產量的作用效果不明顯[30]，且補充微量元素也無顯著效果[31]，因此推測石蒜可能只需要少量施肥，但有關施肥種類和施用次數仍需進一步研究。

2 石蒜的小鱗莖發生機理及調控

2.1 石蒜小鱗莖起源及發育過程的生理調控規律

在一年生鱗莖或球莖植物中，如郁金香、西紅花和唐菖蒲等，母球每年由新生的子球所替代[32]。然而，石蒜科家族的大部分成員，如石蒜、朱頂紅和水仙等，多年生母鱗莖會一直存在，而小鱗莖在基部鱗莖盤上出現[32]。

Ren等[33]對‘換錦花’和‘忽地笑’(Lycoris aurea)的鱗莖切割后進行離體培養，觀察小鱗莖的起源過程，發現在其背軸面鱗片的腋部會形成腋芽，并逐漸發育成小鱗莖，且‘換錦花’形成小鱗莖的能力要強于‘忽地笑’[33]。Xu等[34]同樣對‘石蒜’鱗莖進行四分法切割，利用氣培法觀測小鱗莖的發生過程，發現‘石蒜’小鱗莖優先于最內層鱗片與鱗莖盤的交界處發生，其能在最初萌發出腋芽，并逐漸發育成小鱗莖。

在小鱗莖發生過程中，母鱗莖中的淀粉逐漸降解，并以可溶性糖的形式為其形態建成提供必要的能量。Ren等[33]對石蒜屬植物小鱗莖形成過程中母鱗莖鱗片的淀粉粒進行了觀察，發現隨著小鱗莖的形成和發育，母鱗莖鱗片中淀粉粒降解明顯，且這種淀粉粒的降解過程最先在外部鱗片中被觀察到。Xu等[34]對‘石蒜’小鱗莖發生過程中各部位淀粉和可溶性糖含量的變化進行了分析，發現母鱗莖中淀粉含量隨著小鱗莖的發育逐漸降低，且外層鱗片中淀粉的消耗速率最為顯著，而小鱗莖中淀粉和可溶性糖的含量逐漸升高。以上結果表明在石蒜小鱗莖的起源和發育過程中，母鱗莖中淀粉分解并運輸至小鱗莖中的可溶性糖是其發生的主要能量源，且母鱗莖對淀粉的調動過程優先在外層鱗片中發生，隨后進行到中部和內部鱗片。

在百合和其他球根花卉鱗莖中，蔗糖是可溶性糖的主要形式，可占可溶性糖含量的70%[35]。蔗糖可作為淀粉合成的直接底物[36]，其在蔗糖合酶SUS的催化作用下逐漸分解[37-38]，分解后得到的產物在淀粉合成酶AGPase、SSS和GBSS的作用下逐步合成淀粉[38]，這一過程有利于小鱗莖的發生。另外，Xu等[34]對‘石蒜’小鱗莖發生過程中碳水化合物代謝相關基因的表達變化進行了分析，發現分別編碼SUS的SUS2基因、編碼AGPase大小亞基的AGPL2和AGPS2基因、編碼SSS的SS3基因以及編碼GBSS的GBSS1基因在此過程中顯著上調，表明這些基因可能在‘石蒜’小鱗莖發生過程的碳水化合物代謝調控中起較為關鍵的作用。

2.2 石蒜小鱗莖發生過程的激素調控規律

在利用外施激素調控石蒜屬植物小鱗莖發生的研究中，已有萘乙酸(NAA)、吲哚丁酸(IBA)、二氯苯氧乙酸(2,4-D)以及GA3、6-BA等激素的使用報道，這些激素在一定濃度范圍可提高石蒜屬植物的繁殖系數，但也有一些激素會抑制[39]。謝菊英[40]等利用GA3、NAA、2,4-D、6-BA 4種激素對‘石蒜’種球進行浸球處理，發現以150 mg/L NAA處理的種球其平均子球數量最多，以50 mg/L GA3處理的子球平均重量最重，而2,4-D對‘石蒜’的繁殖有明顯的抑制作用。李玉萍等[41]同樣指出了外施2,4-D對石蒜小鱗莖發生的抑制作用，然而其研究結果還表明外施GA3也抑制了小鱗莖的發生，這與謝菊英[40]等的研究結果相矛盾。常樂等[42]利用外源植物生長延緩劑烯效唑和多效唑處理研究其對石蒜小鱗莖發育的影響，結果發現其對‘石蒜’和‘換錦花’的繁殖系數無明顯影響。另外，王燕[43]和王遠等[44]研究了外施生長素類激素NAA和IBA對石蒜小鱗莖發生效率的影響，發現IBA能有效提高石蒜的繁殖效率[43]，然而王遠等[44]指出不同濃度的IBA對‘石蒜’、‘換錦花’繁殖效率的影響不顯著，但不同濃度的NAA能顯著提高石蒜的繁殖效率。

綜合以上結果，目前有關利用外施激素促進石蒜小鱗莖繁殖效率的報道主要集中于生長素類激素，如NAA、IBA等。然而，還有報道指出，這類激素對石蒜科植物（如朱頂紅）小鱗莖的發生有明顯的抑制作用，且會增加鱗片的腐爛率[36]。因此，目前人們對于在生產上利用何種激素促進石蒜小鱗莖的發生還缺乏統一的認識，且對于激素調控小鱗莖發生機理的闡釋也比較缺乏。

因此，首先明確石蒜小鱗莖發生過程中內源激素的調控規律很有必要。肖郁綿的研究結果表明鱗莖中較高的GA/ABA比值可以作為新鱗莖形成的標志之一；IAA水平升高可能對‘忽地笑’小鱗莖形成有一個刺激作用，同樣可以作為鱗莖形成的標志之一[21]。任梓銘[45]的研究指出生長素對小鱗莖發生的調控可能經由響應生長素而產生的乙烯介導，而乙烯的合成又對生長素轉運產生影響，二者相互作用，共同參與調控石蒜屬植物小鱗莖的發生及發育。Xu等[34]對‘石蒜’小鱗莖發生過程中內源激素含量、激素合成及信號轉導相關基因的表達變化進行了分析，發現內源IAA、CK、GA、JA和SA正向調控小鱗莖的發生，而內源ABA可能在小鱗莖發生過程中起負調控作用。上述研究結果初步明確了各內源激素對石蒜小鱗莖發生的調控作用，后續研究將在此基礎上較有針對性地探討外源激素的作用效果以及其與內源激素調控規律之間的差異。

2.3 石蒜小鱗莖發生過程的農藝措施調控

和自然分球相比，人工切割繁殖可明顯提高石蒜子球的繁殖系數[41]。目前關于鱗莖切割方式的研究較多[41-42,46]，但綜合來看認為母鱗莖切分塊數或切刀數越少，獲得子球數量越少、繁殖系數越低，但子球質量較大；切分塊數或切刀數越多，包括雙鱗片法等，繁殖系數越高，但獲得的子球較小，成為商品球所需經歷的時間也較長。因此，在生產中人們要根據母鱗莖的大小以及不同的生產需求來合理選擇切割繁殖方式，不可盲從。

另外，有學者還利用其他農藝措施促進石蒜小鱗莖的發生，如GGR6生根粉浸球和外源一氧化氮(NO)等[47-49]。結果發現較高濃度(50～75 mg/L)的GGR6號生根粉可通過提高石蒜鱗莖內的氮代謝和碳水化合物代謝活性，從而促進子球的發生及根系的發育[47-48]，而外源NO可以提高‘黃長筒石蒜’(Lycoris longituba var.flava)鱗莖內IAA和GA的含量，促進‘黃長筒石蒜’體內的氮代謝和碳水化合物代謝，進而有利于‘黃長筒石蒜’子球發生及根系發育，提高繁殖系數[48-49]。

3 石蒜鱗莖發育過程中相關基因的調控

目前，石蒜基因的克隆和功能分析集中于花發育（如ANS，CHS，DFR，F3H，F3’5’H和FLS等）[50-53]，逆境相關基因（如S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因[54]，抗旱相關基因LrCMO、LrP5CS、LrRab等[55-56]）以及參與次生代謝物合成相關的LaOMT1基因[57]等。然而，目前對石蒜鱗莖發育過程中一些基因的挖掘和功能分析還缺乏相關的研究。

常樂對‘換錦花’鱗莖進行了轉錄組測序，獲得了一些在‘換錦花’鱗莖中表達量較高的基因，如脂氧合酶、α葡聚糖H型塊莖磷酸化酶(GHTP)、α海藻糖磷酸合酶等[58]。Chang等[59]還對‘換錦花’休眠期的多年生成熟鱗莖和一年生幼年期小鱗莖進行測序，獲得了一些差異表達的基因，如假定的鈣反應轉錄共激活因子，以及參與光合作用途徑和α亞麻酸途徑的一些基因。Wang等[60]對‘石蒜’幼苗進行JA處理后進行轉錄組測序，篩選到一批差異表達基因，這些基因參與生長發育、次生代謝過程，以及行使轉錄因子和轉運蛋白等功能[60]。另外，前期還對‘石蒜’鱗莖膨大和小鱗莖發生這兩個過程進行了轉錄組測序，鑒定到一批各自在鱗莖發育過程中表達差異的基因，包括碳水化合物合成及代謝、激素合成及信號轉導相關基因[22,34]，這些基因可為后續研究其在調控石蒜鱗莖發育中的功能提供參考。

4 展望

石蒜屬植物原產中國，資源豐富，且因其具有獨特的觀賞價值和藥用價值，產業化開發潛力巨大。然而，石蒜鱗莖自然膨大速率慢、自然繁殖效率低，因此多年來主要以掠奪式的自然采挖為主，使得石蒜資源儲量急劇減少，瀕危滅絕。目前針對這些產業問題所開展的研究基礎也比較薄弱，人工規模化繁育、生態栽培與加工利用等方面都缺乏系統性研究。

本研究綜述了石蒜鱗莖發育過程中的生理機制和調控措施，初步明確石蒜鱗莖膨大及小鱗莖發生的生理規律，并希望借此通過人為調控手段來促進石蒜鱗莖膨大，以及提高小鱗莖的繁殖效率。筆者認為后續研究可以從以下幾個方面展開：（1）加強石蒜鱗莖發育的基礎研究，在生理研究的基礎上，挖掘并解析調控石蒜鱗莖發育的限制作用因子，為利用分子生物學手段調控石蒜鱗莖的發育提供理論基礎；（2）實現石蒜種球的規模化繁育和生產技術體系，通過對石蒜鱗莖不同切割方式、不同基質配比、不同消毒方式、不同激素配比等條件的優化，獲得適宜的高增殖系數的切割繁殖技術措施，形成高效的繁育技術體系；（3）形成高效生態栽培技術體系，調整水肥管理、激素調控等方案，形成種球快速生長技術模式，確定種球適宜采收的時間和方式，制定適宜的采后水肥管理技術，獲得一次性種球栽培、多年采挖的可持續栽培模式；（4）打造石蒜賞花、藥用一體化產業鏈，利用各地的林地資源，開展石蒜林地栽培及多種植物的配置的研究，形成“石蒜花海”規模化的景觀效果，通過種球產量的測算與景觀平衡分析，在合適的時間點采收石蒜鱗莖進行藥用成分物質的深加工，從而形成一條完整的產業鏈。希望通過以上手段，能夠有效解決石蒜繁育、栽培、推廣利用中的瓶頸問題，從而促進其產業化的發展。