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产生日期：　　 来源：中国马铃薯 2004年第4期&
&&& 马铃薯(Solanum tuberosttm L.)属茄科茄属植物，常见的育种途径有：常规二倍体杂交法、四倍体水平的品种间杂交法、远缘种间杂交法、2 n配子利用法。这些途径都是通过有性生殖产生马铃薯变异体，通过系谱、回交、轮回选择的方法，需经过6-8代选出附合目标性状的新个体。进入20世纪90年代，随着生物技术的深入发展，人类对植物细胞遗传行为、基因表达传递行为达到分子水平深入了解，作物育种工作者开始引入了除单纯户外有性杂交育种之外，又一育种方法一室内体细胞无性系变异育种法，其中组织培养tissue culture)诱导再生植株的突变就是最常用的一种。当马铃薯外植体茎尖脱毒分生组织）培养时，由于组培环境引发了细胞异染色质DNA延迟复制，产生了较田间自然突变率高出500倍的大量变异[2]。这一现象己越来越被马铃薯育种工作者所认可，并成为一条马铃薯育种的有效途径。现从组织培养及组织培养在马铃薯育种上的发展历史、理论体系、应用现状、未来展望等方面逐一论述。
1& 马铃薯及其它作物组织培养的发展简史
&&& 1902年德国植物学家Haberlandt根据细胞学说，提出高等植物器官和组织可以不断分割至单个细胞，这个细胞具有潜在全能性功能。为证明这一观点，他用被子植物的叶肉细胞、髓细胞、气孔保卫作材料进行离体培养，由于营养条件不够了解，实验未能成功，但却起到先锋的作用。1904年Hanning最先在含有无机盐及有机成分的培养基上成功地培养了萝卜和辣椒的胚，发现离体的胚可以在培养基上充分发育，并有提早萌发成苗现象。1922年Robbins培养了长度为1.45-3.75 cm的豌豆作物茎尖，结果形成了一些缺绿的叶和根。1933年我国李继侗等曾在银杏离体培养时，发现了3以上大小的胚在培养基上即可正常生长，其胚乳提取物能促进银杏离体胚的生长，1934年White通过对番茄根尖的组织培养，建立了第一个有活跃生长的无性繁殖系。到这时有关离体实验才获得真正成功。1944年Morel进行了葡萄茎尖组织培养的尝试，获得了愈伤组织和根。1948年Skoog和崔徵发现，腺嘌呤或腺苷可以解除生长素（IAA）对芽形成的抑制作用，从而诱导烟草的茎段形成芽，确立了腺嘌呤与生长素的比例是控制芽和根分化的主要条件之一，建立了器官形成的概念。1955年Skoog及其同事在鲱鱼精子的提取物中发现了激动素，它对促进芽的形成活性比腺嘌呤高出约3万倍。1957年Skoog和Miller发现了激动素与生长素之间的不同比例的配合对生长和分化的作用，即激动素与生长素之比高时易形成芽，低时则形成根。
&&& 1955年法国人莫勒尔和他的同事们，以马铃薯茎尖为外植体成功地产生无病毒植株，20世纪60年代以后由于组织培养技术日趋成熟和完善，世界各地的植物组织培养研究和产业化应用进入迅速发展阶段，几乎所有的马铃薯生产国都使用这项技术进行脱毒快繁，并部分地进行育种研究。
2组织培养诱导突变的理论依据
&&& 植物组织培养是指植物的离体细胞、组织或器官在人工培养基上的生长、维持或分化。组织培养成功的依据是细胞的全能性、均等性、全息性。我们知道高等植物体具有十分复杂的组织和器官，构成这些组织或器官的细胞，其形态和功能也是各不相同的，但他们都是同一受精卵的后代，都是细胞有丝分裂的产物，有丝分裂的均等性保证了这些细胞都具有相同的遗传组成，它们在形态和功能上的差异是后天分化造成的，是生物体自我控制系统对不同基因表达严格调节的结果。因为在个体发育过程中，并非所有基因都同时发挥作用，只有极少数基因终生发挥作用，绝大多数基因发挥作用的时间很短，它们表达的时间、位置与程序受体内调节系统的严格控制。各种组织中的细胞，即使是十分特化了的细胞，都具有相同的遗传组成，只要在合适的环境条件，就可以解除分化，发挥出初合子的功能，发育出一个新的个体，到目前为止，几乎从所有植物的特化组织，都诱出了再生株。
&&& 组织培养所形成的愈伤组织或再生植株，由于细胞分裂都是有丝分裂，每个细胞都是当初原始细胞的后裔，基因型应当是一致的，不应当有遗传变异存在，实际上无论有无诱变剂存在，由组织培养产生的再生株后代都存在着大量的变异[2]。
&&& 一种变异是染色体数目与结构的变异，引起这种变异与组织培养时有丝分裂异染色质延迟复制有关。McCoy和Benzion对这种变异机理研究的较深入，他们选用的作物是燕麦和玉米。他们提出着丝粒区异染色质延迟复制引起染色体桥形成与断裂的假说，常染色质在S期即DNA合成期）复制而异染色质在S期后期复制，组织培养条件下，异染色质复制延迟得更多，这样在细胞分裂后期，染色单体的着丝粒，在纺锤丝的牵引下向两极移动，而在着丝粒周围的异染色质处，由于尚未完成复制而彼此不能分开，从而形成染色桥，最后引起染色体断裂，形成端着丝染色体和无着丝粒的染色体断片，或者非同源染色体在断头处连接起来，形成相互易位。这样就使得外植体经过一定时间的组织培养，其愈伤组织或诱发的再生植株，染色体数目和结构发生了广泛的变异[2]。Rhoade9 1984)对小黑麦、蚕豆、马铃薯等作物再生植株的细胞学分析，也同样表明了这一点。
&&& 另一种情况，由组织培养产生的再生株也存在大量的基因突变，它包括核基因突变和胞质基因突变[2]。最容易识别的变异是形态方面变异，在玉米中，Phillip≤1987)等人曾从再生株中分离出45个形态变异，在马铃薯中．Wheele( 1985)等人也发现了如花色、叶色、果肉色、果皮色、芽眼深浅和形状等简单突变，也有一些数量性状变异，如节间长度和薯块数量等变异。抗病性变异方面出现的频率一般比较高，马铃薯再生株中，大约1%是抗早斑病和晚疫病的。甘蔗再生株变异中，抗斐济病、霜霉病和叶斑病的频率较高，还有一些化学变异，一般很难观察到，它们对植株的外部形态没有影响或影响较小，如同工酶突变、营养缺陷型突变、氮代谢或碳代谢突变、抗药性突变、抗逆性突变、抗病性突变等。
3马铃薯再生植株中变异株的研究内容和存在问题
3.1& 外植体的选择
&&& 外植体是指从植物体上切取的用来进行组织培养的材料，外植体的选择取决于研究的目的和植物的类型，几乎所有植物的活体组织都可以用作外植体诱发愈伤组织或进行悬浮培养，但特定的外植体是取得成功的必要条件，双子叶植物再生能力比单子叶植物要强，而单子叶植物又比裸子植物要强，胚胎组织或幼嫩组织比老组织再生能力强，营养体生殖部分分离的外植体比从有性生殖组织分离的外植体容易培养成功，同一植株基部至顶端存在再生能力梯度[2,10,11]。马铃薯组织培养使用的外植体是块茎产生的不定芽。
3.2茎尖外植体的接种与再生植株的诱发
&&& 茎尖要事先进行清水、氯化汞消毒，而后在解剖镜下剥离茎尖至0.1-0.2 mm大小，置于MS+KT0.5+GA1的固体培养基上，要注意茎尖的极性，生理上部位置的在培养基上仍然应当保持上部位置，将来器官发生时会自然而然地上部出芽下部发根。接种后茎尖下部切割面组织会有少数细胞开始进行有丝分裂并形成愈伤组织，愈伤组织最初是由一团无定形和无方向的疏松排列的薄壁细胞所组成，并没有固定的可以预见的组织形式，经过一段时间的培养，愈伤组织发生一定程度分化，形成导管细胞、筛管细胞、栓质细胞、分泌细胞和表皮细胞等，通过对培养基细胞分裂素与生长素的调节，经过1-2次继代培养，逐渐器官发生，诱发出再生植株，当然为了增加变异株我们通常在组织培养过程中增设叫射线、X射线、p射线、紫外线等辐射诱导处理。最后一次继代培养时适时练苗，然后移植到已经消过毒的蛭石栽培盘中，逐步过渡到大田自然条件下生长。
3.3& 马铃薯再生变异株的识别方法与考评指标
&&& 一是室内细胞学行为直接鉴定。取马铃薯再生株田间移植45 d左右的旺盛苗茎尖，在实验室进行体细胞有丝分裂期观察：以及盛花期花粉母细胞减数分裂观察，找出马铃薯染色体数目的整倍体变异或非整倍体变异，尤其对单倍体、二倍体、双二倍体变异株进一步分类鉴定[2]。
&&& 二是从形态学特征和生理特性上间接鉴定。常用的性状考评指标有：育性指标、器官性状指标、产量指标、抗病指标、抗邀盐旱冷）指标。①育性指标：二倍染色体结构的全育，花蕾天然结实；多倍体、双二倍体结构的部分可育；染色体非整倍体变异、单倍体、三倍体结构的一般不育。②器官性状：马铃薯多倍体变异往往引起植株分枝量减少，开花延迟，部分叶片肥大，薯块变大等巨大性变异。双二倍体也有类似性状虽不及四倍体表现明显，但较二倍体明显。其它变异植株有的壮大，有的弱小需进一步考评其它指标，准备将来单目标性状应用。③产量指标：马铃薯的产品器官是地下块茎，也是最终的产量来源。变异后茎尖组织分化形成的地下匍匐茎膨大机理必然与原品种有差异，膨大期有时提前有时落后，终止期有时提前有时落后，测产时间要灵活掌握不可一概而论。④抗病指标：分病毒性病害和真菌性病害（主要有环腐病、晚疫病、早疫病、疮痂病），一般分为1，2，3，4，5五级制考评。⑤抗逆指标：如抗旱性、耐盐性、耐冷性，一般分为1，3，5，7，9五级制考评。
3.4存在问题
&&& 组织培养条件再生植株器官形成时，可能有许多愈伤组织参与，而这些细胞的遗传成分有的是变异的，有的是不变异的。后期表现的突变性状呈块状不均匀分布。造成具体育种鉴定的取样不确定性，即细胞学分析、分生组织繁殖、器官繁殖、营养体繁殖的不确定性，使变异染色体和变异性状传递不下去。
&&& 组织培养条件虽然比田间突变率高，能保证大量的变异母体，但从再生株所观察到的只限于植物形态方面变异，而大量的化学突变如同工酶突变、营养缺陷型突变、基因DNA序列方面的某些突变还很难观察到，有些良好变异株会擦肩而过，消然丢失。
4& 组织培养在马铃薯育种中的应用展望
&&& 组织培养是一种打破传统的新型繁衍后代方法，能最大效率地利用空间，使高等作物生长发育的微生物化”，田间马铃薯育种材料圃种植45000株/hm2，在组织培养室每4 cm2培养1株，且能多层架放置培养瓶，加上繁殖周期短，变异母体材料扩大了500-2000倍。同时由于组织培养条件使染色体突变率的增强，若再增设人工诱导突变剂，提高了变异率，所以组织培养在马铃薯育种是一种很有潜力的方法[13]。
&&& 从20世纪90年代至今，随着细胞分子领域的深入，基因DNA序列的测定，人类对生命的微生理化，为现代生物技术辅助育种成为可能，至今已有许多作物成功地进行基因转移、表达基因调控、体细胞无性系杂交、细胞器移植、花粉单倍体培养、单倍体加倍纯合等，而这些辅助育种手段都离不开组织培养。
&&& 可见，21世纪开展马铃薯及其它作物育种，应用组织培养技术势在必行，前景美好。
杨林栋，郭瑞锋，皇甫红芳(山西省农科院高寒区作物研究所)握住科学钥匙 打开科学之门
马铃薯成长日记
出品：科普中国
制作：农业部食物与营养发展研究所 王秀丽
监制：中国科学院计算机网络信息中心
在所有的农作物中，马铃薯算是最好种植的一类。每当有边角地块又不想撂荒时，农民们总会选择“投下几粒马铃薯”。因为它是最好伺候的小主，与其它粮食作物相比，马铃薯不仅抗旱、早熟，而且淀粉含量高、种植适应性好，素有“铁杆庄稼”的美称。在我国东北地区，人们对于马铃薯种植有着极为亲切的描述，在他们眼里：“马铃薯耐自然灾害，喜欢冷凉气候，只要种上，多少都会有收成，只要开花，就能到田垄取‘蛋’糊口，解决温饱”。
图1 马铃薯自然名片
马铃薯，一年生草本植物，株高可达100厘米，地下形成块茎，可供食用，其丰富的淀粉含量使其成为仅次于玉米、小麦和大米的世界第四大粮食作物。马铃薯为茄科，属于开花植物家族，与至少1000种其他品种同为茄属，其中包括西红柿和茄子。马铃薯有两个亚种，即安第斯种（S. andigena）与普通栽培种（S. tuberosum），二者差异甚微。安第斯种适应短日照条件，而且主要在安第斯地区种植；普通栽培种是通过少量引入欧洲的安第斯马铃薯繁殖而来，后逐步适应了在较长日照下生长，目前在全世界广泛种植。
在其起源地，由于马铃薯充饥耐饿，产量大、适应性强，被当地的印第安人认为是上苍赐予的礼物，称为“巴巴司”。16世纪，西班牙殖民者进入南美发现马铃薯并将其带上船队，随着新航线的开发马铃薯被带到世界各地，所到之处造福人类。
马铃薯的植物形态
马铃薯植株按形态结构可分为根、茎、叶、花、果实和种子等几部分。马铃薯的根是由块茎繁殖生长而成的须根系，包括主体根系和匍匐根。主体根系由块茎发芽早期形成，分枝能力强，分布宽度30厘米左右，深度可达150～200 厘米。匍匐根一般由地下茎的下部各节上陆续发生，分枝能力较弱，长度10～20厘米，分布在表土层。
图2 马铃薯植株示意图
由于马铃薯属于块茎类作物，其生长茎的构成相对复杂，包括地上茎、地下茎、匍匐茎和块茎四部分，尽管都是同源器官，但它们的形态和功能各不相同。块茎芽眼萌发的幼芽发育形成的地上枝条称地上茎，简称茎。茎的横切面在节处为圆形，节间部分为三棱、四棱或多棱。茎具有分枝特性，分枝形成的早晚、多少、部位和形态因品种而异。一般早熟品种茎秆较矮，分枝发生晚；中晚熟品种茎秆粗壮，分枝发生早而多，并以基部分枝为主。马铃薯的地下茎，即主茎的地下结薯部位，由地表向下至母薯，由粗逐渐变细，长度一般在10cm 左右，因品种、播种深度和生育期培土高度而异。匍匐茎则是由地下茎节上的腋芽发育而成，顶端膨大形成块茎，匍匐茎发生后，略呈水平方向生长，其顶端呈钥匙形的弯曲状，茎尖在弯曲的内侧，在匍匐茎伸长时，起保护作用，担负着输送营养和水分的功能。
图3 马铃薯的花、叶及果实
块茎是缩短而肥大的变态茎，既是产品器官，又是繁殖器官，匍匐茎顶端停止极性生长后，由于皮层、髓部及韧皮部薄壁细胞的分生和扩大，并积累大量淀粉，从而使匍匐茎顶端膨大形成块茎。块茎的大小、形状依品种和生长条件而异，一般每块重50～250 g，大块可达1500 g 以上，一般呈圆形、长筒形、椭圆形，表皮有白、黄、红、紫等颜色，果肉有白、黄、红、紫等，有些块茎由于色素分布不均也可能呈现多彩颜色，其中食用品种以黄肉和白肉者居多。
发芽出叶后的马铃薯最初发生的几片叶均为单叶，以后逐渐长出奇数羽状复叶。每个复叶由顶生小叶和3～7对侧生小叶、侧生小叶之间的小裂叶、侧生小叶叶柄上的小细叶和复叶叶柄基部的托叶构成。复叶互生，呈螺旋型排列。马铃薯为自花授粉作物，花序为聚伞花序，花冠有白、浅红、紫红及蓝色等，雄蕊5 枚，抱合中央的为雌蕊。
马铃薯可食用部分为地下块茎，但这并不意味着马铃薯就没有果实。马铃薯的果实被称为浆果，位于地上茎分支上，呈圆形或椭圆形，果皮为绿色、褐色或紫绿色。果实内含种子100～250 粒，当年采收的种子，发芽率一般为50％～60％，贮藏一年的种子发芽率较高，一般可达85％～90％。
马铃薯生长日记
第一阶段：第0～30 天，块茎发芽
发芽期是指从种薯解除休眠，芽眼处开始萌芽、抽生芽条，直至幼苗出土的阶段。发芽期的长短因品种特性、种薯生理年龄、贮藏条件、催芽处理和催芽状况、栽培季节和种植水平等的不同，一般为20～30 天。发芽期马铃薯器官生成的核心是根系形成和芽条生长，同时伴随着叶、侧枝和花原基（花原基就是花芽生长点之无形源）等器官的分化。这一时期是马铃薯发苗、扎根、结薯和壮株的基础时期， 也是获得高产稳产的基础时期。
作为马铃薯生长的最初阶段，发育是否良好首先受制于种薯是否通过休眠、以及休眠解除的程度或种薯生理年龄的大小；其次取决于种薯的营养成分的含量，以及是否携带病害；最后的影响因素是发芽过程中需要的环境条件，如土壤墒情、温度、栽培措施等。
第二阶段：第30～55 天，幼苗长成
幼苗期是马铃薯块茎从出苗到植株现蕾（出现花蕾）为止，亦称团棵期，这个阶段历时15～25 天，马铃薯成苗比粮棉和蔬菜作物（粮棉等作物要60～70 天）快得多。这种速熟特性，是块茎繁殖作物生物学上的重要优点，它有利于争天时、夺地利，充分有效地利用光能，在单位时间、单位面积上制造出更多的有机质。
马铃薯幼苗期是以茎叶生长和根系发育为中心的时期，这一时期幼叶长成并开始利用光合作用制造养分，逐渐由茎养转为自养。该阶段还从种薯内源源不断得到营养供给，同时伴随着匍匐茎的形成、伸长以及花芽分化。
图4 马铃薯生长发育过程图
这一阶段虽然生长总量不大，但是处于承上启下的关键时期，全部的同化系统和产品器官都在这个时期内分化建立，是进一步繁殖生长的基础阶段。幼苗期马铃薯对水肥十分敏感，要求有充足的氮肥、适宜的温度和土壤湿度以及良好的通气条件。
第三阶段：第55～85 天，块茎形成
块茎形成期从现蕾开始至开花为止，该阶段一般经历20～30 天。进入块茎形成期，主茎开始急剧拔高，株高将达到最大高度的1/2 左右，主茎及茎叶已全部形成，并有分枝和分枝叶展开。早熟品种叶面积将达到最大叶面积的80%，晚熟品种将达到50% 左右，主茎顶端开始孕育花蕾，匍匐茎停止伸长，顶端开始膨大。
这一阶段，马铃薯植株从以地上茎叶生长为重点转向地上茎叶生长和地下块茎形成同时进行。此时，叶片光合作用进行营养制造、茎叶根系生长进行营养消耗、小块茎生长进行营养积累三者相互促进，相互制约，茎叶生长出现短暂缓慢现象，一般持续7～10 天。随着块茎的形成和茎叶的生长，植株对肥水的需求量不断增加，要求土壤保持疏松通气的良好状态和适应的生长温度。
第四阶段：第85～107 天，块茎膨大
块茎膨大期也叫块茎增长期，从开花历经盛花、收花，直到茎叶开始衰老为止，一般经历马铃薯茎叶和块茎干重平衡到茎叶和块茎鲜重平衡的化学物理变化过程，一般持续15～22 天。这个阶段，植物生长以块茎体积增大和重量增加为重点，是以地上茎叶生长为主转入以地下块茎生长为主的关键阶段。研究表明，马铃薯全生育期所形成的干物质总量的40%～75% 是在此阶段形成，所以该阶段是马铃薯一生中肥水需求量最多也是最大的时期，通常要求土壤有丰富的有机质，并具有微酸性，良好的土壤通气性，较适宜的温度条件和较低的夜间气温条件。
第五阶段：第107～132 天，淀粉积累
干物质积累期，也叫淀粉积累期，从终花开始至茎叶枯萎为止。一般早熟品种在盛花末期、中晚熟品种在终花期茎叶停止生长，一旦植株基部叶片开始衰老变黄，茎叶和块茎鲜重达到平衡，就标志着植株进入了干物质积累期。一般历时15～25 天。
这一时期最大的生育特点是以淀粉转运积累为中心，虽然茎叶停止了生长，但光合作用仍在旺盛地进行，不断制造有机质，大量向块茎中转移。这一时期，尽管块茎体积不再明显增大，但干物质重量显著增加，块茎总重量继续增加。研究表明，在此期间增加的产量可占总产量的30%～40%。在这个时期，栽培方面的中心任务是防止茎叶早衰，尽量延长茎叶的寿命，增加光合作用的时间和强度，让其积累更多有机质。同时要防止土壤板结和过高的温度，控制氮肥的施用量， 保持土壤湿度。
第六阶段：第132 天，丰收在望
马铃薯与谷类作物不同，没有严格的成熟期，通常根据栽培目的和生产需要安排，只要达到商品成熟期（或达到种用标准），即可收获。北方地区，由于一年一熟，正常条件下，植株绝大部分或全部枯死，薯皮木栓化（木栓化是指植物的细胞壁不透水和空气，细胞内原生质与周围环境隔绝而死亡）程度较高，并开始进入休眠状态，这时即认为达到生理成熟期。
第七阶段：第132 天后，休眠待生
马铃薯块茎的休眠实际上是从块茎膨大开始的，但在栽培上则认为马铃薯收获储藏后是其休眠期的开始。休眠期的长短一般按收获到芽眼萌发幼芽的天数计算， 因品种和温度而异。在一般室温条件下，有些品种休眠期可短至1月，有些则长达4～5 个月。当温度超过7℃以上，湿度适中、通风条件好时，处于休眠期的马铃薯会自然苏醒，随着温度的升高，休眠期相对缩短而提早发芽；温度控制在2～4℃条件下时，块茎可长期保持休眠状态。马铃薯块茎的休眠属生理性自然休眠，处于休眠期的块茎即使给予适宜的温度、水分和气体条件也不会发芽。
马铃薯汲日月之精华，浸大地之精髓，历经发芽、长苗、结薯、膨大、淀粉积累、休眠等几个时期，完成一个生命的轮回，长达3-5个月的地下生活，为的是向人间提供美味珍馐。
人们种植马铃薯的历史已经超过五千年了，据说，全世界的马铃薯品种统计起来有上千种。而至今，马铃薯由于其生态的安全性、生产的高产性、经济的高效性以及顽强的适应性，已经成为世界上种植最为广泛的作物之一，“黄金粮食”的美誉当之无愧。是金子总会发光，无论大到一门学问还是小到一粒块茎，都是适用的，能成为全世界范围内广泛风靡流行的东西，必然有其过人之处。
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作者： 农业部食物与营养发展研究所 王秀丽
[责任编辑: 宋金玉]
块茎,马铃薯,休眠