魔芋组培快繁理论基础：高产栽培与加工技术

(一)魔芋组培快繁的理论基础

1.植物细胞全能性与植株再生

植物组织培养的理论基础是细胞全能性。一个生活的植物细胞，只要有完整的膜系统和细胞核，它就会有一整套发育成一个完整植株的遗传基础，在适当的条件下可以通过分裂、分化再生成一个完整的植株，这就是所谓的细胞全能性。但在自然状态下，由于细胞在植物体内所处位置及生理条件的不同，它的分化受到各方面的调控，致使其所具有的遗传信息不能全部表达出来，所以只能形成某种特化细胞，构成植物体的一种组织或一个器官的一部分。植物组织和细胞培养技术就是以细胞全能性作为理论依据，用人为的方法创造出一个适合于细胞脱分化以及再分化的理想条件，使细胞的全能性得以发挥，实现植株再生。

在植物组织培养中，一个成熟的细胞或分化细胞转变成为分生状态的过程，叫做脱分化;植物的成熟细胞经历了脱分化之后，能再形成完整的植株，这一过程叫做再分化，或简称为分化，或叫做再生。

一般认为，细胞分子再生潜力与其分化程度呈负相关，即细胞分化程度越高，其再生能力越低，所以应尽量选取幼嫩的植物组织作为培养的材料。同时，还应该考虑到，一定的基因型再生能力并不是一成不变的，高度分化的细胞或组织只要条件合适，也有产生再生植株的可能。这种可能性能否变为现实，还有待于人们继续努力。

在植物组织培养中，由活体植物上提取下来的接种在培养基上的无菌细胞、组织、器官等均称为外植体，由外植体到再生植株的途径有多种，可划分为丛生芽、不定芽、胚状体、原球茎发育4种类型，如下图所示。

其中丛生芽发育途径是指用外源细胞分裂素促使外植体的休眠侧芽启动生长，达到无性快繁的目的。

原球茎发育途径较为特殊。在兰科植物种子发芽过程中，种子萌发初期并不出现胚根，只是胚逐渐膨大，以后种皮的一端破裂，胀大的胚呈小圆锥状，称作原球茎。原球茎可理解为缩短的、呈珠粒状的、由胚性细胞组成的、类似嫩茎的器官。兰科植物组培中能诱导形成原球茎，原球茎本身可以增殖，以后萌发出小植株。(www.xing528.com)

不定芽发育途径和胚状体的发育途径均经过愈伤组织阶段。所谓愈伤组织，原本是指植物在受伤后其伤口表面上形成的一团薄壁细胞。植物组织培养中愈伤组织是指在人工培养基上，外植体经过脱分化转变成为分生状态，形成的一团无序生长的薄壁细胞。愈伤组织经过再分化形成完整植株有两种途径，一种是经过器官发生途径形成不定芽和不定根，芽和根等器官的形成是由愈伤组织不同部位形成的。另一种是经过体细胞胚胎发生途径形成再生植株，在愈伤组织的表面或内部形成类似于合子胚的结构，称为体细胞胚或胚状体，经过球形胚、心形胚、鱼雷形胚、子叶胚，再发育成完整的小植株。一般认为，愈伤组织中的不定芽是多细胞起源，而体细胞胚是单细胞起源的，因此由体细胞胚发育成的植株的各部分在遗传组成上应当是一致的，不存在嵌合现象。

2.魔芋离体快繁植株再生途径

魔芋离体培养成苗途径较多，主要有:①茎尖、幼芽或球茎外植体携带的休眠芽萌动直接成苗;②球茎切块诱导产生微型球茎，分化芽和根;③外植体形成愈伤组织经过器官发生途径形成不定芽生根成苗;④外植体形成愈伤组织，产生胚状体成苗。

庄承记等采用滇魔芋、白魔芋、花魔芋、勐海魔芋等4种魔芋的叶、鳞叶、花序、根状茎、球茎和茎尖为外植体，通过多种途径获得魔芋再生植株。除了由外植体诱导愈伤组织再分化小植株，他们还利用茎尖和鳞叶、球茎切块培养，诱导形成多芽苗，产生再生植株;另外还采用球茎切块诱导产生微型球茎、分化芽和根，长成小植株。吴毅歆则用胞芽萌动诱导分化成丛生芽，最后将芽体分株生根成苗。

魔芋的组织培养，采用较多的途径是用外植体诱导愈伤组织，愈伤组织分化出不定芽，最后生根成苗。魔芋球茎、根状茎、鳞片、花芽、叶芽等外植体都能形成愈伤组织并正常分化成苗，愈伤组织经过器官发生途径形成不定芽和不定根成苗，是魔芋组培快繁的主要成苗方式。正常情况下愈伤组织先产生不定芽再生根成苗，但在激素配比不当或培养基不适情况下，愈伤组织先产生不定根，这种情况下再诱导出苗的频率较低。在培养基蒸发量较大、较干燥的培养条件下，愈伤组织表面形成类似魔芋种子的小球茎，顶端主芽萌发、基部生根，形成再生植物，但出现频率不高。这一成苗途径可用于魔芋种质资源组织培养的低温保存。此外，这一途径也被利用来生产微型试管芋，其优点是生产不受季节限制，在不适合组培苗出瓶栽培的时间里仍可生产;缺点是种芋形成率较低，对环境温度要求高，生产成本相对较高，所以多数试管芋生产还是采用试管苗直接在瓶内形成试管小球茎的方法。

高等植物组培过程中形成体细胞胚的情况具有普遍性，目前报道具有体细胞胚发生能力的有43个科，92属，近200种。魔芋组培过程亦可产生类似合子胚的特殊结构，魔芋愈伤组织的内部和表面都有细胞胚，具有外起源和内起源两种方式。外起源的细胞胚发生在外植体切口处或愈伤组织表面，由多细胞的拟分生组织发育而成;内起源的细胞胚可发生在愈伤组织的内部。胚细胞为单细胞起源，其发育途径与其他作物不完全相同，周围没有其他的分生细胞团，胚原细胞的细胞壁加厚，似与周围细胞处于“生物隔离”状态，第一次分裂形成两个细胞后，两细胞胚即进入无序分裂，最后形成具有明显珠芽结构的球茎原始体，类同于分子胚的发育过程，在愈伤组织表面形成胚细胞团的结构。由此建立的无性系能避免嵌合体的发生，可作抗性育种和生物工程育种的方法之一。但这一途径不适于魔芋组培苗的快速繁殖，因为魔芋体细胞胚的发生频率低，只在继一、二代的培养物中获得，之后似乎丧失了发生能力，而且体细胞的深休眠很难打破。

综上所述，魔芋组培植株再生途径较多，但主要成苗方式还是通过外植体诱导愈伤组织，再分化不定芽成苗。这种方法分化率高，繁殖系数大。其缺点是繁殖后代在遗传上不够稳定，若培养条件不当，容易产生变异。黄丹枫等研究魔芋愈伤组织的细胞可划分为近圆形薄壁细胞、拟分生组织细胞、长形细胞、管状分子细胞、衰败型细胞等5种。近圆形薄壁细胞是分化细胞的主要形态，它们在特定条件下，向拟分生组织细胞或衰败型细胞转化，促进其分裂、生长，可获取大量的愈伤组织和扩大繁殖系数。拟分生组织细胞是具有分化潜力的分生组织细胞，包括胚性细胞和具有器官发生能力的分生细胞团，促进近圆形薄壁细胞向拟分生组织细胞转化，有利于诱导器官的发生。长形细胞的出现是器官分化的标志，它使不定芽或不定根沿着轴向伸展。管状分子细胞的出现是维管束分化形成的象征。衰败型细胞率先发生于接近培养基部分的愈伤组织表层，随着培养时间延长及培养基中营养物质的消耗而增多。抑制衰败型细胞的发生，能使愈伤组织保持幼龄状态。在组培过程中，5种细胞的比例能有效地反映培养材料的生理状态和细胞分化的潜在能力。将细胞类型的解剖分析与细胞分化的形态特征和激素控制相结合，可以实现细胞的定向调控，对魔芋组培具有指导性的作用。