石蒜属植物鳞茎发育机理及调控研究进展

许俊旭，李青竹，杨柳燕，李 心，王 桢，张永春

（上海市农业科学院林木果树研究所，上海 201403）

0 引言

石蒜属(Lycoris)为东亚特有属，主要分布在中国南部地区和日本，具有较高的药用和观赏价值[1]。石蒜属植物（以下简称石蒜）包含大约20个种，其中有15个种分布在中国[2]。尽管石蒜分布范围不广，但它的花色和花型呈现出丰富的多样性，因此中国和日本将石蒜作为观赏植物进行栽培已有几百年的历史[3]。另外，石蒜还具有较高的产业开发价值，从石蒜鳞茎中提取出的生物碱已被证明具有镇痛、消炎、抗病毒、抗疟疾和抗癌的功能[4-5]。

目前，人们对石蒜鳞茎的需求量日益增大，石蒜自然栖息地被大量破坏性开发，造成野生石蒜资源极大的缩减[6]，例如长江流域和中国西南部地区。因此，提高石蒜的再生效率不仅对商业生产，更对于保护其野生资源都是非常必要的。

目前石蒜有3种繁殖方式：种子繁殖、组织培养和营养繁殖。种子繁殖主要存在2个主要问题：一是从种子萌发到开花需经历4～5年漫长的幼苗期，二是在幼苗期存在较多遗传变异。而组织培养过程中存在的严重污染和低再生效率等问题也使得石蒜组织培养变得困难[7-8]，因此营养繁殖是目前商业生产的主要模式。然而，石蒜鳞茎膨大速率慢、发育周期长，子鳞茎繁殖效率低，且生产上还未形成较为系统性的调控其鳞茎发育的技术手段。

本研究就石蒜鳞茎发育过程中鳞茎膨大和小鳞茎发生过程的机制展开综述，并对目前的调控措施进行探讨，旨在明确石蒜鳞茎发育的机理及调控手段，为生产上利用植物生长调节剂等手段提高其鳞茎的再生效率提供理论依据。

1 石蒜鳞茎膨大机理及调控

1.1 石蒜鳞茎膨大的生理调控规律

在石蒜的生长发育过程中，光合产物等干物质不断分配到地下鳞茎，并主要以淀粉的形式储藏在鳞茎中，既为石蒜的生长发育提供大量营养，也有利于将来繁殖出新的小鳞茎[9]。因此，石蒜的鳞茎起着“储藏库”的作用，而淀粉是其鳞茎主要的养分贮藏形式。

有研究表明，淀粉是石蒜鳞茎实现膨大的物质基础。左慧[9]等对不同年份‘石蒜’(Lycoris radiata)生物学性状差异性及营养物质含量进行了分析，发现‘石蒜’鳞茎中淀粉含量随着生长发育年份的增长而增加[9]。Chang等[6]对花后休眠期不同大小‘换锦花’(Lycoris sprengeri)鳞茎中淀粉等营养物质做了相关研究后，发现随着‘换锦花’鳞茎的膨大，淀粉粒积累明显，淀粉和蔗糖含量逐渐上升。Xu[10]等通过分析营养生长期同一栽培环境下‘石蒜’鳞茎膨大过程中碳水化合物含量的变化，发现随着‘石蒜’鳞茎的膨大，淀粉含量有先升高后降低的趋势，而可溶性糖含量不断升高。

在高等植物中，淀粉可以被水解为可溶性糖，为植物的形态建成提供必要的能量，如鳞茎发育、叶芽生长以及花芽分化等[11]。可溶性糖是石蒜鳞茎主要的养分转运形式[12]，是鳞片增厚、新鳞片形成的能量与物质基础。有研究表明，石蒜鳞茎中内层鳞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转运至细胞分裂最旺盛的内层鳞片中，从而促进内层鳞片的膨大与发育[10]。

石蒜鳞茎中碳水化合物的积累和代谢受到一系列基因的调控，且一些基因也被证明与石蒜鳞茎的膨大密切相关。Chang等[6]对‘换锦花’鳞茎膨大过程中淀粉合成及代谢相关的基因进行了分析，包括编码淀粉分解相关酶的LsBAM1，LsAMY1，LsAMY3基因以及编码淀粉合成酶SSS的LsSS1基因，发现LsSS1基因在‘换锦花’鳞茎膨大过程中表达上调，而淀粉分解相关基因的表达都在此过程中下调，且与淀粉酶活性的变化负相关。另外，Xu[10]等对‘石蒜’鳞茎膨大过程中12个淀粉合成及代谢相关基因的表达变化进行了检测，发现分别编码α和β淀粉酶的LrAMY3和LrBAMY3基因，编码颗粒结合淀粉合成酶GBSS的LrGBSS1基因，以及分别编码腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶AGPase大小亚基的LrAGPL1和LrAGPS1基因都在‘石蒜’鳞茎膨大过程中表达上调，且都与其对应酶活性的变化较为一致，尤其以AGPase酶活性和LrAGPL1和LrAGPS1基因表达的变化最为显著，推测其可能是调控石蒜鳞茎膨大的关键淀粉合成基因。

AGPase是淀粉合成的关键酶，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)的关键反应[13]。在粮食作物中，过表达编码AGPase大小亚基的基因能够显著提高玉米(Zea mays.L)和小麦(Triticum aestivum.L)籽粒中淀粉的含量，从而增加粒重[14-15]。另外，在鳞茎类植物唐菖蒲(Gladilolus hybridus)中，发现沉默表达GhAGPL1和GhAGPS1基因后，唐菖蒲种球淀粉的合成受阻，新球重量显著降低[16]。因此，在石蒜鳞茎膨大过程中，编码AGPase大小亚基的基因表达上调，使鳞茎中AGPase活性增强，并与其他淀粉合成及代谢相关基因协同作用，共同调控鳞茎中淀粉的积累、代谢以及鳞茎的膨大过程。

1.2 石蒜鳞茎膨大的激素调控规律

外施激素是调控鳞茎膨大的一种常见手段，且在石蒜鳞茎膨大的研究中已有相关的报道。徐敏等[17]发现施加1 mg/L的萘乙酸(NAA)或5 mg/L的6-苄氨基嘌呤(6-BA)可促进‘红蓝石蒜’(Lycoris haywardii)种球球径增长，且内源吲哚乙酸(IAA)含量在此过程中显著升高，表明IAA可能是‘红蓝石蒜’营养生长时期中主要的调控内源激素之一。佘琳芳[18]发现外施适宜浓度的氯吡苯脲(CPPU)对‘换锦花’小鳞茎的膨大有一定促进作用，处理的最适浓度为7.5 mg/L。肖郁绵等[19]通过对‘石蒜’叶面喷施CPPU、氯化胆碱(CC)和水杨酸(JA)，发现这3种激素对石蒜鳞茎的膨大均有一定的促进作用。许俊旭等[20]对‘石蒜’外施CPPU和多效唑(PP333)，发现这2种激素都能够促进‘石蒜’鳞茎的膨大。

激素调控石蒜鳞茎膨大的作用与鳞茎碳水化合物的代谢过程密切相关。外源CPPU处理能够通过提高淀粉代谢相关酶的活性，加速‘石蒜’和‘换锦花’鳞茎中淀粉的合成与积累过程，从而促进鳞茎的膨大[18-21]。外施SA和高浓度的CC后，β淀粉酶活性显著降低，AGPase酶活性有所升高，淀粉积累率升高[19-21]。外施PP333能够促进鳞茎中编码AGPase大小亚基LrAGPL1和LrAGPS1基因的表达水平，从而提高AGPase酶的活性，加速鳞茎中淀粉积累过程，最终促进‘石蒜’鳞茎的膨大[20]。

然而，上述激素调控的应用多还是参考其他植物中已报道的研究结果，选择上具有一定的随机性和盲目性，因此，了解石蒜鳞茎膨大过程中自身内源激素的调控规律很有必要。许俊旭等[22]对‘石蒜’鳞茎膨大过程中内源激素含量和激素合成、信号转导相关基因的表达变化进行研究后发现：内源赤霉素(GA)能够负调控‘石蒜’鳞茎的膨大，而内源IAA、细胞分裂素(CK)、JA和水杨酸(SA)正向调控，内源脱落酸(ABA)可能在‘石蒜’鳞茎膨大的调控过程中作用不大[22]。在此基础上，后续可以有针对性地研究和探讨外施IAA、CK、JA和SA等激素对石蒜鳞茎膨大的调控作用，以及各激素作用效果之间的差异。另外，笔者了解到GA是唯一一种能够抑制石蒜鳞茎膨大的激素，而GA的这种抑制作用也在马铃薯块茎膨大过程中被证明[23-24]。因此，在生产中可利用外施赤霉素抑制剂如PP333等的方式加速鳞茎的膨大，这已在百合[25]和‘石蒜’[20]鳞茎膨大的调控中得到应用。

1.3 石蒜鳞茎膨大的施肥调控

氮、磷、钾等大量元素是石蒜等药用植物生长发育的必需营养，而长期以来石蒜的种植均以采用粗放式管理——广种薄收为主要方式，极少对其进行施肥[26]。通过有效施肥，能够增加石蒜干鲜物质的积累量，为丰产优质培育提供技术指导[26]。刘志高等[27]通过对肥料主效应的分析得出氮、磷和钾在一定范围内对石蒜鳞茎质量增长能够起到促进的作用，促进效果大小依次为：钾、氮、磷。鲍淳松等[28-29]对‘中国石蒜’(Lycoris chinensis)和‘红蓝石蒜’施用不同水平的尿素，发现高用量施用尿素对‘红蓝石蒜’叶片数量、叶片长度、芽数、鳞茎数量以及鳞茎生物量等均产生了显著的负面影响，表明石蒜属植物可能不宜用尿素作为氮素使用，但‘红蓝石蒜’对磷钾肥（磷酸二氢钾）的需求量较大，耐受性良好[29]，可作为石蒜属植物栽培过程中的磷钾肥。但还有研究表明，施肥对增加石蒜鳞茎产量的作用效果不明显[30]，且补充微量元素也无显著效果[31]，因此推测石蒜可能只需要少量施肥，但有关施肥种类和施用次数仍需进一步研究。

2 石蒜的小鳞茎发生机理及调控

2.1 石蒜小鳞茎起源及发育过程的生理调控规律

在一年生鳞茎或球茎植物中，如郁金香、西红花和唐菖蒲等，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员，如石蒜、朱顶红和水仙等，多年生母鳞茎会一直存在，而小鳞茎在基部鳞茎盘上出现[32]。

Ren等[33]对‘换锦花’和‘忽地笑’(Lycoris aurea)的鳞茎切割后进行离体培养，观察小鳞茎的起源过程，发现在其背轴面鳞片的腋部会形成腋芽，并逐渐发育成小鳞茎，且‘换锦花’形成小鳞茎的能力要强于‘忽地笑’[33]。Xu等[34]同样对‘石蒜’鳞茎进行四分法切割，利用气培法观测小鳞茎的发生过程，发现‘石蒜’小鳞茎优先于最内层鳞片与鳞茎盘的交界处发生，其能在最初萌发出腋芽，并逐渐发育成小鳞茎。

在小鳞茎发生过程中，母鳞茎中的淀粉逐渐降解，并以可溶性糖的形式为其形态建成提供必要的能量。Ren等[33]对石蒜属植物小鳞茎形成过程中母鳞茎鳞片的淀粉粒进行了观察，发现随着小鳞茎的形成和发育，母鳞茎鳞片中淀粉粒降解明显，且这种淀粉粒的降解过程最先在外部鳞片中被观察到。Xu等[34]对‘石蒜’小鳞茎发生过程中各部位淀粉和可溶性糖含量的变化进行了分析，发现母鳞茎中淀粉含量随着小鳞茎的发育逐渐降低，且外层鳞片中淀粉的消耗速率最为显著，而小鳞茎中淀粉和可溶性糖的含量逐渐升高。以上结果表明在石蒜小鳞茎的起源和发育过程中，母鳞茎中淀粉分解并运输至小鳞茎中的可溶性糖是其发生的主要能量源，且母鳞茎对淀粉的调动过程优先在外层鳞片中发生，随后进行到中部和内部鳞片。

在百合和其他球根花卉鳞茎中，蔗糖是可溶性糖的主要形式，可占可溶性糖含量的70%[35]。蔗糖可作为淀粉合成的直接底物[36]，其在蔗糖合酶SUS的催化作用下逐渐分解[37-38]，分解后得到的产物在淀粉合成酶AGPase、SSS和GBSS的作用下逐步合成淀粉[38]，这一过程有利于小鳞茎的发生。另外，Xu等[34]对‘石蒜’小鳞茎发生过程中碳水化合物代谢相关基因的表达变化进行了分析，发现分别编码SUS的SUS2基因、编码AGPase大小亚基的AGPL2和AGPS2基因、编码SSS的SS3基因以及编码GBSS的GBSS1基因在此过程中显著上调，表明这些基因可能在‘石蒜’小鳞茎发生过程的碳水化合物代谢调控中起较为关键的作用。

2.2 石蒜小鳞茎发生过程的激素调控规律

在利用外施激素调控石蒜属植物小鳞茎发生的研究中，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等激素的使用报道，这些激素在一定浓度范围可提高石蒜属植物的繁殖系数，但也有一些激素会抑制[39]。谢菊英[40]等利用GA3、NAA、2,4-D、6-BA 4种激素对‘石蒜’种球进行浸球处理，发现以150 mg/L NAA处理的种球其平均子球数量最多，以50 mg/L GA3处理的子球平均重量最重，而2,4-D对‘石蒜’的繁殖有明显的抑制作用。李玉萍等[41]同样指出了外施2,4-D对石蒜小鳞茎发生的抑制作用，然而其研究结果还表明外施GA3也抑制了小鳞茎的发生，这与谢菊英[40]等的研究结果相矛盾。常乐等[42]利用外源植物生长延缓剂烯效唑和多效唑处理研究其对石蒜小鳞茎发育的影响，结果发现其对‘石蒜’和‘换锦花’的繁殖系数无明显影响。另外，王燕[43]和王远等[44]研究了外施生长素类激素NAA和IBA对石蒜小鳞茎发生效率的影响，发现IBA能有效提高石蒜的繁殖效率[43]，然而王远等[44]指出不同浓度的IBA对‘石蒜’、‘换锦花’繁殖效率的影响不显著，但不同浓度的NAA能显著提高石蒜的繁殖效率。

综合以上结果，目前有关利用外施激素促进石蒜小鳞茎繁殖效率的报道主要集中于生长素类激素，如NAA、IBA等。然而，还有报道指出，这类激素对石蒜科植物（如朱顶红）小鳞茎的发生有明显的抑制作用，且会增加鳞片的腐烂率[36]。因此，目前人们对于在生产上利用何种激素促进石蒜小鳞茎的发生还缺乏统一的认识，且对于激素调控小鳞茎发生机理的阐释也比较缺乏。

因此，首先明确石蒜小鳞茎发生过程中内源激素的调控规律很有必要。肖郁绵的研究结果表明鳞茎中较高的GA/ABA比值可以作为新鳞茎形成的标志之一；IAA水平升高可能对‘忽地笑’小鳞茎形成有一个刺激作用，同样可以作为鳞茎形成的标志之一[21]。任梓铭[45]的研究指出生长素对小鳞茎发生的调控可能经由响应生长素而产生的乙烯介导，而乙烯的合成又对生长素转运产生影响，二者相互作用，共同参与调控石蒜属植物小鱗茎的发生及发育。Xu等[34]对‘石蒜’小鳞茎发生过程中内源激素含量、激素合成及信号转导相关基因的表达变化进行了分析，发现内源IAA、CK、GA、JA和SA正向调控小鳞茎的发生，而内源ABA可能在小鳞茎发生过程中起负调控作用。上述研究结果初步明确了各内源激素对石蒜小鳞茎发生的调控作用，后续研究将在此基础上较有针对性地探讨外源激素的作用效果以及其与内源激素调控规律之间的差异。

2.3 石蒜小鳞茎发生过程的农艺措施调控

和自然分球相比，人工切割繁殖可明显提高石蒜子球的繁殖系数[41]。目前关于鳞茎切割方式的研究较多[41-42,46]，但综合来看认为母鳞茎切分块数或切刀数越少，获得子球数量越少、繁殖系数越低，但子球质量较大；切分块数或切刀数越多，包括双鳞片法等，繁殖系数越高，但获得的子球较小，成为商品球所需经历的时间也较长。因此，在生产中人们要根据母鳞茎的大小以及不同的生产需求来合理选择切割繁殖方式，不可盲从。

另外，有学者还利用其他农艺措施促进石蒜小鳞茎的发生，如GGR6生根粉浸球和外源一氧化氮(NO)等[47-49]。结果发现较高浓度(50～75 mg/L)的GGR6号生根粉可通过提高石蒜鳞茎内的氮代谢和碳水化合物代谢活性，从而促进子球的发生及根系的发育[47-48]，而外源NO可以提高‘黄长筒石蒜’(Lycoris longituba var.flava)鳞茎内IAA和GA的含量，促进‘黄长筒石蒜’体内的氮代谢和碳水化合物代谢，进而有利于‘黄长筒石蒜’子球发生及根系发育，提高繁殖系数[48-49]。

3 石蒜鳞茎发育过程中相关基因的调控

目前，石蒜基因的克隆和功能分析集中于花发育（如ANS，CHS，DFR，F3H，F3’5’H和FLS等）[50-53]，逆境相关基因（如S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因[54]，抗旱相关基因LrCMO、LrP5CS、LrRab等[55-56]）以及参与次生代谢物合成相关的LaOMT1基因[57]等。然而，目前对石蒜鳞茎发育过程中一些基因的挖掘和功能分析还缺乏相关的研究。

常乐对‘换锦花’鳞茎进行了转录组测序，获得了一些在‘换锦花’鳞茎中表达量较高的基因，如脂氧合酶、α葡聚糖H型块茎磷酸化酶(GHTP)、α海藻糖磷酸合酶等[58]。Chang等[59]还对‘换锦花’休眠期的多年生成熟鳞茎和一年生幼年期小鳞茎进行测序，获得了一些差异表达的基因，如假定的钙反应转录共激活因子，以及参与光合作用途径和α亚麻酸途径的一些基因。Wang等[60]对‘石蒜’幼苗进行JA处理后进行转录组测序，筛选到一批差异表达基因，这些基因参与生长发育、次生代谢过程，以及行使转录因子和转运蛋白等功能[60]。另外，前期还对‘石蒜’鳞茎膨大和小鳞茎发生这两个过程进行了转录组测序，鉴定到一批各自在鳞茎发育过程中表达差异的基因，包括碳水化合物合成及代谢、激素合成及信号转导相关基因[22,34]，这些基因可为后续研究其在调控石蒜鳞茎发育中的功能提供参考。

4 展望

石蒜属植物原产中国，资源丰富，且因其具有独特的观赏价值和药用价值，产业化开发潜力巨大。然而，石蒜鳞茎自然膨大速率慢、自然繁殖效率低，因此多年来主要以掠夺式的自然采挖为主，使得石蒜资源储量急剧减少，濒危灭绝。目前针对这些产业问题所开展的研究基础也比较薄弱，人工规模化繁育、生态栽培与加工利用等方面都缺乏系统性研究。

本研究综述了石蒜鳞茎发育过程中的生理机制和调控措施，初步明确石蒜鳞茎膨大及小鳞茎发生的生理规律，并希望借此通过人为调控手段来促进石蒜鳞茎膨大，以及提高小鳞茎的繁殖效率。笔者认为后续研究可以从以下几个方面展开：（1）加强石蒜鳞茎发育的基础研究，在生理研究的基础上，挖掘并解析调控石蒜鳞茎发育的限制作用因子，为利用分子生物学手段调控石蒜鳞茎的发育提供理论基础；（2）实现石蒜种球的规模化繁育和生产技术体系，通过对石蒜鳞茎不同切割方式、不同基质配比、不同消毒方式、不同激素配比等条件的优化，获得适宜的高增殖系数的切割繁殖技术措施，形成高效的繁育技术体系；（3）形成高效生态栽培技术体系，调整水肥管理、激素调控等方案，形成种球快速生长技术模式，确定种球适宜采收的时间和方式，制定适宜的采后水肥管理技术，获得一次性种球栽培、多年采挖的可持续栽培模式；（4）打造石蒜赏花、药用一体化产业链，利用各地的林地资源，开展石蒜林地栽培及多种植物的配置的研究，形成“石蒜花海”规模化的景观效果，通过种球产量的测算与景观平衡分析，在合适的时间点采收石蒜鳞茎进行药用成分物质的深加工，从而形成一条完整的产业链。希望通过以上手段，能够有效解决石蒜繁育、栽培、推广利用中的瓶颈问题，从而促进其产业化的发展。