红花石蒜开花过程中鳞茎淀粉粒分布动态

马美霞，魏绪英，于 芬，张 瑶，杨 玉，吴 靖，蔡军火*

（1.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045；2.江西财经大学 艺术学院，江西 南昌 330032）

【研究意义】红花石蒜（Lycoris radiata）为石蒜科（Amaryllidaceae）石蒜属（Lycoris）鳞茎类植物，主要分布在东亚暖温带和亚热带地区[1]，具有较高的观赏与药用价值和独特的生物学特性[2]（花叶不相见），花后秋季出叶，夏季无叶休眠[3]，从它们的鳞茎中分离出来的生物碱可以抑制病毒、炎症、肿瘤和癌症[4-5]，是目前中国原产、仅有的少数尚未被国外“抢先育种”的本土特色新型球根花卉，科研价值较高，开发潜力巨大。石蒜属植物内淀粉含量十分丰富，鳞茎含有淀粉40%，是石蒜中主要的碳水化合物[6]。当淀粉被降解为可溶性糖，也可为植物的生长提供碳和能量[7]，母鳞茎部分降解的淀粉颗粒也可作为小鳞茎萌生和发育的能量来源[8]，它的合成、积累及代谢对其生长与发育有重要影响[9-10]。

【前人研究进展】目前，有关石蒜属植物淀粉的研究主要包括忽地笑（Lycoris aurea）鳞茎高温催花过程中养分代谢[11]和种子萌发中多糖研究[12]、石蒜（lycoris radiata）球茎营养成分年变化规律研究[13]和中国石蒜（Lycoris chinensis）鳞茎中淀粉粒的分布特征研究等[14]。左慧等[13]、罗琦[15]通过对石蒜属的石蒜（L.radiata）、忽地笑（L.aurea）、中国石蒜（L.chinensis）、长筒石蒜（L.longituba）等7 种不同植物的不同生长发育期淀粉的含量变化进行了研究，发现石蒜属植物中淀粉的含量随着生长发育年份的增长而增加，养分以可溶性糖的形式不断地供给地上部分的生长发育。目前关于石蒜生长发育规律的研究多从解剖学、生理学等角度来进行，但以“淀粉代谢”为主轴来进行石蒜鳞茎发育与休眠机制的研究尚未见报道。目前，测定淀粉粒大小的方法主要有扫描电子显微镜法（SEM）[16-17]、激光粒度仪（LPA）[18]，测量精度高，但操作难度大、不适合淀粉粒群体的数量化分析。

淀粉常以淀粉粒的形式存在于组织细胞中[19]，作为细胞主要能量和碳藏库的淀粉粒，其数量与面积等的变化与植物生长发育密切相关[20]。淀粉粒的粒径是淀粉粒的基本属性，淀粉颗粒大小也会对淀粉特性有显著影响[21]。由于植物中的淀粉粒数量与面积、粒径大小不稳定，会随着发育时期和含淀粉细胞所在部位等而变化[22-23]。因此，研究不同石蒜属植物淀粉颗粒大小和分布范围是了解其生长发育和淀粉特性的基础。

【本研究切入点】本文以红花石蒜（L.radiata）为研究对象，采用石蜡切片和显微观测法，利用Image-Pro Plus 统计软件比较分析了石蒜开花过程中（5 个时期：抽莛期、莛快速生长期、始花期、盛花期、末花期）鳞茎内淀粉粒的形态与分布特征。【拟解决的关键问题】旨在为进一步掌握石蒜鳞茎各个部位淀粉时空分布的规律，明确鳞茎特异化结构与功能及其“源—库”转换规律提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试红花石蒜（Lycoris radiata）鳞茎直径为（d=（3.5±0.2）cm）的4年生种球（2020年9月），无病虫害，定植（2017 年5 月）于江西农业大学花圃基地（28.76°N，115.83°E），生长健壮。以不同发育阶段划分，分别于试验材料的抽莛期（2020 年9 月10 日）、莛快速生长期（2020 年9 月15 日）、始花期（2020 年9 月20）、盛花期（2020年9月23）、末花期（2020年9月28）5个阶段在江西农业大学花圃基地挖取，每次1组，每组包含3个重复。

1.2 测定方法

在5个不同发育阶段分别将每组石蒜各分为鳞茎（内层鳞片2～4片、中层鳞片5～8片、外层鳞片9～12片）上部、中部、下部、鳞茎盘这几个不同部位进行取样。每个时期随机挑选的无分球大型红花石蒜种球，09：00 左右进行取样，作为石蜡切片的原材料。所有样品带回实验室后清洗外部褐色表皮，从鳞片中切取0.5 cm×0.5 cm小块，采集新鲜材料固定于50% FAA 固定液（V（福尔马林）∶V（冰醋酸）∶V（70%乙醇）=1∶1∶18）中，时间为48 h以上。经过脱水、透明、渗蜡、包埋、切片、粘片、展片、染色、透明、封藏等步骤，得到5个时期的永久石蜡切片，切片厚度8µm，番红固绿染色。每个部位随机取3个视野的淀粉粒，作为3个重复，每个重复的面积为24万µm2（800×300的矩形选框）。在蔡司光学显微镜下拍摄成数码照片存在电脑硬盘供分析观察鳞片中淀粉粒的结构及分布情况，以上实验重复3次，结果取3次重复的平均值。

1.3 数据处理

采用Image-Pro Plus 软件对淀粉粒的数量、平面面积、粒径、密度进行测量统计。用Excel 和SPSS24.0软件进行试验资料的统计检验（单因素方差分析、独立样本T检验），Origin软件进行作图分析。

2 结果与分析

采用番红固绿染色对抽莛期、莛快速生长期、始花期、盛花期、末花期5 个时期的鳞茎进行石蜡切片观察，各个重复间观察的结果一致，观察结果支持相同的结论。各时期石蒜鳞茎淀粉粒的数量、面积、粒径、密度均发生明显的变化。

2.1 红花石蒜淀粉粒时空分布特征定性分析

2.1.1 淀粉粒的形态及其时间分布规律 在光学显微镜下，观察红花石蒜鳞茎切片时发现，细胞壁及其它结构在染色后呈浅绿色，而淀粉粒呈红色。图1显示，红花石蒜鳞茎淀粉粒可分为单粒、复粒。以单粒淀粉粒为主，且淀粉粒的形态多数为椭圆形，少数为多边形，可清晰的看到多数淀粉粒存在脐点，且位于淀粉粒的中心处。图2鳞茎盘可观察到存在的层纹，且相较于鳞茎而言，鳞茎盘细胞中淀粉粒最多，面积和粒径较小，大小比较均匀，变化幅度小，整齐度高。

图1 鳞茎淀粉粒单粒和复粒Fig.1 Bulb starch granules single and compound granules

图2 鳞茎盘淀粉粒层纹Fig.2 Starch granulae in bulb disc

由图3 得知，在红花石蒜开花过程中的任一时期（5 个时期），鳞片内的淀粉粒分布呈现规律性变化。首先，无论是内层、中层，还是外层鳞片，鳞片内的淀粉粒分布密度均呈现出“内侧（左）小，外侧（右）大”的显著差异性，即在同一层的鳞片内，从外向内，淀粉粒由多变少；其次，在同一鳞茎内，不同部位的鳞片（内层、中层、外层）内所含的淀粉粒大小及其密度有明显差异，即淀粉粒数量及分布密度由内层向外层逐渐变少，变小，而淀粉粒大小则呈现出由内向外逐渐变大的趋势（由大到小依次为内层、中层、外层）。

红花石蒜开花过程中鳞茎盘内的淀粉粒也具有一定规律性。5 个时期中盛花期鳞茎盘内的淀粉粒数量最少，其次为始花期，末花期的鳞茎盘内的淀粉粒最多。在红花石蒜开花过程中，不同时期（5 个阶段）鳞片内的淀粉粒分布也有明显差异。从内层鳞片看，5个不同时期淀粉粒分布有明显变化；即在开花过程中，外侧淀粉粒逐渐变少，密度变小，如抽莛期显著大于莛快速伸长期，始花期大于末花期（图3A，3I，3Q）；其次，大淀粉粒明显减少，小淀粉粒占比则逐渐增加（图3C，3Q，3S）。

图3 红花石蒜开花过程中鳞片内淀粉粒的分布Fig.3 Distribution of starch grains in the scales of Lycoris radiata during flowering

2.1.2 淀粉粒的空间分布特征 为进一步了解同一层鳞片内的淀粉粒的分布情况，研究以抽莛期鳞片石蜡切片为例，比较了石蒜鳞片不同部位（上部、中部、下部）的淀粉分布差异。图4 表明，红花石蒜鳞片上的淀粉粒在纵向分布上（鳞片的上部、中部、下部）的差异不明显（如淀粉粒的面积、密度）；但鳞茎和鳞茎盘上的淀粉粒差异非常明显，鳞茎中淀粉粒的面积和粒径明显大于鳞茎盘。

图4 红花石蒜抽莛期鳞片内淀粉粒的分布Fig.4 Distribution of starch grains in scales of Lycoris radiata at scaping stage

2.2 红花石蒜淀粉粒时空分布特征的数量化分析

2.2.1 不同开花时期鳞茎淀粉粒形态与分布动态变化 基于对石蜡切片的定性观察，借助Image-Pro Plus分析软件，对石蒜鳞片内淀粉粒的形态与分布特征进行量化分析。结果表明，在红花石蒜开花过程中，5 个不同时期之间的鳞茎内层鳞片的淀粉粒分布（平均表面积和粒径）有显著差异（有小到大依次为末花期、盛花期、始花期、莛快速生长期、抽莛期），而淀粉粒数量和密度无显著差异。这表明，从石蒜抽莛到开花的过程中，鳞茎内层的淀粉粒数量虽无显著变化，但是粒径的大小却呈逐渐变小趋势，说明该时期鳞片细胞内的淀粉代谢是以分解为主。

从图5 得知，在红花石蒜开花过程的5 个时期中，内层鳞片中的淀粉表面积和粒径以抽莛期最大，显著大于其他4 个时期；淀粉数量虽以盛花期最多，但与其他4 个时期无显著差异。淀粉分布密度虽以始花期的最高，但与其他4 个时期也无显著差异。总体表现出随着开花进程的推进，淀粉粒在逐渐变小。

图5 红花石蒜5个时期鳞茎内层中部淀粉粒分布Fig.5 Distribution of starch grain in the inner layer of bulb of Lycoris radiata at five stages

从图6 得知，在红花石蒜开花过程的5 个时期中，中层鳞片中的淀粉数量、粒径、平均表面积均以始花期最高，且显著高于其他4 个时期；而分布密度则以莛速长期和末花期最高，显著高于其他3 个时期。总体表现出随着开花进程的推进，中层鳞片内的淀粉粒的数量、大小和表面积均呈先升后降的趋势，而密度差异性不显著。

图6 红花石蒜5个时期鳞茎中层中部淀粉粒分布分析Fig.6 Distribution of starch grains in the middle middle of bulb of Lycoris radiata at five stages

从图7得知，在红花石蒜开花过程的5个时期中，外层鳞片中的淀粉数量也以始花期最高，其次是莛快速生长期；淀粉粒面积则以抽莛期最高，其次为莛快速生长期；粒径也以抽莛期最高，而淀粉的分布密度无显著差异。总体表现随着开花进程的推进，外层鳞片内淀粉粒的面积和粒径呈下降趋势。

图7 红花石蒜5个时期鳞茎外层中部淀粉粒分布Fig.7 Distribution of starch grains in the outer middle of bulb of Lycoris radiata at five stages

从图8得知，在红花石蒜开花过程的5个时期中，鳞茎盘中的淀粉数量以末花期最高，其次是始花期；淀粉粒面积则以抽莛期最高；再次为莛快速伸长期，粒径也以抽莛期最高，而淀粉的分布密度无显著差异。总体表现出随着开花进程的推进，鳞茎盘内的淀粉粒的面积和粒径呈下降趋势，而密度呈增加趋势。

图8 红花石蒜5个时期鳞茎盘淀粉粒分布Fig.8 Distribution of starch grain in bulb disc of Lycoris radiata at five stages

2.2.2 不同部位鳞茎淀粉粒的空间分布规律 以抽莛期石蒜为例，鳞茎内层鳞片的淀粉粒的空间分布（上部、中部、下部）具显著差异，即在内层鳞片的中部，淀粉粒数量显著多于上部和下部（由少到多依次为上部、下部、中部）。而淀粉粒的面积、粒径、密度却以上部最高，其次是中部，下部再次之。这说明在相同的鳞片内（以内层鳞片为例），物理学下端的淀粉粒面积、粒径、密度均较中部、上部偏大，淀粉粒分布也更集中；而淀粉粒数量以中部最多（图9）。

图9 石蒜抽莛期鳞茎内层不同部位淀粉粒分布Fig.9 Distribution of starch granule in different parts of inner layer of bulb of Lycoris radiata at early growth scapus stage

图10 表明，从淀粉粒的数量和分布密度来看，红花石蒜鳞茎盘的中部的淀粉粒数量和密度均显著高于四周；而淀粉粒的平均面积和粒径却显著小于四周。与鳞片相比，鳞茎盘内的淀粉粒面积和粒径相对更小。

图10 石蒜抽莛期鳞茎盘淀粉粒分布Fig.10 Distribution of starch grain in bulb disc of Lycoris radiata lactiflora at scapscaping stage

3 结论与讨论

3.1 开花过程中淀粉粒的时间分布与鳞茎“源-库”转化规律有一定关联

研究表明，在红花石蒜开花（抽莛-开花）过程中，不同时期内层鳞片内的淀粉粒数量无显著差异，然而淀粉粒的面积和粒径却均表现出逐渐变小的趋势。说明在开花过程中，红花石蒜内层鳞片细胞内的淀粉代谢是以水解为主，此时的鳞茎主要发挥“源”的作用。

中层和外层鳞片内的淀粉数量在开花过程中均呈先升后降趋势。其中，中层鳞片中的淀粉粒径、平均表面积呈先升后降趋势，而外层鳞片中的淀粉面积和粒径均一直呈下降趋势。这说明，在开花前期（抽莛期-始花期），鳞茎主要发挥“库”功能；而在开花的中后期（始花期-盛花期-末花期），鳞茎仍然主要发挥“源”功能。这可能是由于石蒜从抽莛期到始花期可以进行光合作用，淀粉粒的含量相对增加，而盛花期消耗养分最多，到末花期时消耗的养分减少。

研究还表明，红花石蒜鳞茎盘细胞中的淀粉粒面积和粒径明显小于鳞叶（图9和图10），这与鳞茎盘主要发挥“营养的运输”和“短暂的营养贮藏（小粒淀粉）”功能相符合。

3.2 红花石蒜鳞茎内淀粉粒的空间分布特征与物种的能量供给特点密切相关

研究表明，在石蒜开花过程中，淀粉粒数量、密度呈现出由内层向外层逐渐变少、变小的趋势，而单粒淀粉粒的面积和粒径则呈逐渐变大的趋势。说明，石蒜开花是一个耗能过程，外层鳞叶的作用主要是作为“营养库”，而石蒜鳞片中的淀粉分解后所得到的可溶性糖主要是转运至细胞分裂最旺盛的内层鳞片中[24]，所以内层主要作为“营养源”，而中层鳞叶主要作为备用“营养源”。在红花石蒜的生长过程中，优先消耗外层鳞片的养分，供应内层鳞叶和鳞茎芽的发育，在外层鳞叶耗尽时，中层鳞叶代替外层鳞叶成为新的主要“营养源”。这与孙红梅等[25]、夏宜平等[26]对百合生长先消耗外层鳞片养分的研究结果大体一致。

此外，在相同鳞片的垂直分布（上部、中部、下部）淀粉粒的数量、面积、粒径、密度整体呈现上部＜下部的趋势。其中，抽莛期鳞茎内层鳞片内的淀粉数量在其上部、中部、下部之间的空间分布差异显著，由少到多依次表现为上部、下部、中部。然而，淀粉粒的面积、粒径、密度由小到大依次为上部、中部、下部的趋势，这与邵京等[14]研究中国石蒜鳞茎中淀粉粒的垂直分布无显著差异的研究结果不完全一致，可能与二者的开花期和出叶时期均不同有关。