珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法
2023-09-20 06:02:05
專利名稱：珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法
技術領域：
本發明屬於魔芋培植和種植方法技術領域。
背景技術：
目前國內外人工種植的魔芋品種，在經過3～4年的生長後，部分魔芋球莖會出現開花的現象。通常，魔芋開花結籽過程為有性繁殖，其雜交育種在自然環境條件下同一植株雌雄花蕊自花授粉因雌蕊早熟導致同株不育，而異株雜交成功的機率極其有限，導致魔芋果實成熟率極低，要獲得種子的機會很低，這是花魔芋、白魔芋等魔芋品種繁殖係數僅有2～3倍的主要原因。因此，傳統的魔芋種植方式基本都是採用地下大的魔芋球莖旁側生出的小魔芋球莖或是繁殖根(莖)的方式來進行繁殖，致使魔芋的繁殖係數低，農戶種芋資金投入大，加上種植過程要經過夏季高溫高溼環境，魔芋軟腐病、白絹病發病率高，嚴重製約了魔芋產量的提高，致使魔芋種植量有限，難以成為地方農業的支柱產業。
珠芽魔芋(A.bulbifer)是近年在我國雲南省邊境一帶發現的一種野生魔芋的馴化種，該魔芋具有塊芋大、含水量低、乾燥後的乾片出粉率高等特點。其植株外觀獨特，除可通過在地面上的植株葉面上生長出的眾多珠芽球莖作為其繁殖材料外，還有一條不為人們認知的重要育種途徑，即可能以開花進行無性繁殖的方式結籽獲得種子。
珠芽魔芋為全三倍體種，具有39對染色體組成的基因組，這與國內目前種植的花魔芋及白魔芋染色體數為26或28對完全不同。珠芽魔芋在文獻上有過報導，但記載內容僅局限在植物分類方面，人們對其詳細的生物學特性以及潛在的經濟意義認識十分有限。由於未形成正常有性繁殖必須的單倍子配體，珠芽魔芋開花後可以沒有授粉的過程而能以無融合性生殖(apomixis)的方式進行其自身的繁衍，這與其他魔芋品種開花時需進行異花授粉方能得到種子為理論依據的魔芋傳統繁殖方式截然不同。
珠芽魔芋存在無性開花結籽的現象，但並非所有多年生的魔芋球莖都能自然開花。更為遺憾的是，珠芽魔芋在開花的植株中花葉同生現象較為普遍，當出現花葉同株時，由於葉的生長速度遠快於花的生長速度，並隨著葉片的迅速生長，母體球莖內的養分會被快速消耗，導致花苞結籽所產生的種子生長更為緩慢，果實長不大，結籽數量少，不能多枚結實，甚至種子難以生長成熟，致使繁殖率仍然較低。因此，要獲得規模化的開花植株，必須對目標魔芋球莖進行人工誘導，方可能獲得批量、成熟的繁殖用種子。
發明內容
本發明的目的正是為了解決上述現有技術的不足而提供一種利用人為改變珠芽魔芋的生長環境，將花葉動態可逆過程向著有利於開花基因的方向進行誘導，同時，抑制長葉基因，以便將魔芋球莖的養分完全用於開花後種子的生長，使每一顆種子苞內生長多枚種子，增加結籽數量，能夠獲得數量多、成熟、飽滿的種子，大大提高珠芽魔芋繁殖率的人工誘導開花無性育種方法。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的。
珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，該方法步驟為(1)進行開花誘導即在白天最高溫度為10℃～25℃並常有日照的天氣條件下，將珠芽魔芋(A.bulbifer)球莖置於日光下或能透過日光的通風的室內保存，抑制球莖上的側芽萌發成葉芽並使球莖上發出的根尖逐漸枯萎，以促使魔芋球莖的頂芽分化成花芽並逐漸萌發；(2)植栽並抑制開花後的長葉植株即從花芽萌發至開花期間，適時將球莖植栽於土壤中或沙中或浸泡於水中，並將球莖上部的一部分暴露於空氣中接受日光照射，以日光阻止側芽根系的生長，將長葉植株抑制在萌芽狀態，或者人工將長出的葉芽扳除，一直栽到花苞結籽成熟。
開花誘導期的氣溫最好是白天最高溫度為15℃～22℃；植栽的魔芋球莖要在常有日照的環境中度過整個生長期；當花苞處於含苞欲放、但尚未開放時，可用人工將花苞的雄蕊整體切除。
無性繁殖的重要特徵是花的形成與正常受精的有性繁殖結果是完全相同的，但珠芽魔芋無性繁殖花中某些與母本基因型相同的三倍體細胞染色體能夠形成胚囊，這些胚囊無須受精可直接發育成胚，無性繁殖的種子與母本基因型完全相同，這種繁殖方式更有利於珠芽魔芋將原生態的優勢特徵及種性在人工引種規模家化種植後很好地遺傳下來。
現有理論認為，魔芋具有花葉不見面的特點即長葉植株就不會開花；開花植株就不會生長帶葉植株。而珠芽魔芋具有的花葉同生現象，在魔芋品種中十分罕見，預示著其組織中基因遺傳特點與白魔芋、花魔芋等魔芋品種有顯著的不同。
本發明認為，珠芽魔芋花葉同生現象和開花是以無融合性生殖的無性繁殖(apomixis)方式進行其自身的繁衍，無須授粉而可繁殖出種子是採用人工誘導技術的理論基礎。之所以存在花葉同生現象，是因為花葉基因在一定環境條件下具有可逆平衡的「開關基因」模型，即珠芽魔芋球莖在不同的生長期間，其組織中存在一個花芽基因和葉芽基因的可逆轉換平衡。
在魔芋球莖的整個生長期間，長葉基因多數時間處於優勢地位，開花基因處於弱勢，尤其是早期及中期階段。當魔芋球莖生長3年以上，開花基因逐漸處於強勢，長葉基因則逐漸處於弱勢即「休眠」地位，若滿足一定的環境條件，同一球莖上頂芽開花植株一般會先於側芽帶葉植株的生長。然而在頂芽開花後，側芽的長葉基因往往也會被激活，迅速生長出多棵帶葉的高大植株，長葉基因又重新處於優勢地位。這可以從實際的花葉同生現象中花苞十分矮小，而帶葉植株特別高大的生長過程中清晰可見。另外，花葉同生現象中，花苞雖然經歷了2～3個月不算短的生長期間，但生長十分緩慢。
珠芽魔芋帶葉植株的生長，葉芽是靠母體營養長出新魔芋筍，再在新生苗周圍長出營養根後以此從土壤中吸收水分和養料，母體塊莖作為營養源會逐漸腐爛(也稱為「換頭」)，完成「換頭」的生長過程，以便形成新的塊莖並在生長過程中逐漸膨大。而頂芽開花結籽的過程是一個花苞不斷吸收和消耗母體塊莖營養的過程，在種子生長未達到成熟以前，母體塊莖作為營養源是不會腐爛的，塊莖組織中葡甘聚糖的消耗或減少只是在進行一個能量轉移的過程。
當處於較高溫度(白天最高溫度10℃～25℃，最好是15℃～22℃)、日光照射充足的乾燥環境下，珠芽魔芋球莖的頂芽會朝著有利於花芽分化方向進行。在此環境下，頂芽在春季到來時逐漸萌發，頂芽周圍同時伴有根尖出現。由於處於乾燥的日光照射下，根系進一步生長被環境條件所抑制，長出的根尖逐漸枯萎，此時，魔芋球莖即會誘導批量產生開花植株。
珠芽魔芋在花苞長出及開花後的一定時期，球莖並不需要外界提供水分。但開花以後，植株生長需要母體提供養分。由於母體球莖在冬春季節儲存幾個月後脫水量較大，球莖需要土壤或水環境中吸取水分以供組織中葡甘聚糖轉化為能量用於種子的生長。因此，可以從球莖上的花芽萌發至開花期間，適時將球莖植栽於土壤中或沙中或浸泡於水中。在開花後3～4個月，花苞種子的生長較為緩慢，而埋於土壤中的球莖的側芽極有可能迅速生長出帶葉的植株，一旦長葉植株生長，母體球莖的養分就會被快速消耗，因此，這一階段必須有效抑制長葉植株的側芽生長。由於側芽通常是處於魔芋球莖的上半部位，因此，抑制側芽的有效方法是採用暴露球莖上部的一部分於空氣中，以日光阻止側芽根系的生長，從而將長葉植株抑制在萌芽狀態。若這一階段採用日光也難以抑制葉芽的生長，則必須採取人工「扳芽」的方法將帶葉側芽強行扳除，以保證開花植株所需的養分來源。在種子生長期間，特別是進入種子生長膨大的中後期，由於所需養分量大，導致母體球莖快速收縮，若球莖所處環境過於乾燥，母體球莖的養分轉化會因為組織中水分的缺乏而出現缺失，造成種子養分供應不足，種子生長出現不飽滿、乾癟甚至枯死的情況。因此，將球莖進行植栽，可確保球莖內葡甘聚糖能充分轉化為種子生長所需的養分，得到結實粒高、飽滿、一顆多粒的成熟種子。
在種子生長期間，陽光的作用亦很重要。在種子的整個生長期間，儘管母體球莖幾乎無根系從土壤中吸收養分的過程，但在有充足陽光照射的環境，種子要比在遮陰的環境中長勢更好，成熟期也要早。
種子成熟後，每個花苞所結種子可長至肉穗花序柱頭頂部，一般有300～500粒種子，多的可達800粒以上，每顆果實形如松粒大小，其中每粒又可能包含2～4枚種子，也即是說，一個成熟的花苞可獲得1000～2500枚種子。
本發明的方法完全改變了傳統的用小魔芋球莖或是繁殖根(莖)的方式來繁殖魔芋的方法，實現了魔芋的播種繁殖，給魔芋繁殖方式帶來了革命性的突破。該方法顯著增加了珠芽魔芋的繁殖係數，可比傳統白魔芋、花魔芋提高繁殖係數80～100倍以上。用其種子種植出的魔芋具有耐高溫高溼、抗病能力強、產量高、葡甘聚糖含量高、可切塊種植等獨特優勢。採用本發明方法的魔芋球莖植株開花率在90％以上，開花植株結籽成熟超過95％，開花結籽成熟後的種子，出苗成活率一般皆在98％以上，種植1年後的小球莖大約可長到核桃大小，重量可達20～30克左右。另一有意義的結果是，採用人工誘導的方法，發明人還獲得了一定數量在同一母體球莖上生長二棵開花植株的罕見現象，並且該二植株的種子皆能正常生長成熟。
具體實施例方式
本發明的方法分為兩個步驟1、進行開花誘導。
秋季收穫後的珠芽魔芋頂芽非常短，其顏色為粉紅色，但通常不易觀察到，頂芽優勢不是很明顯，這一點與花魔芋非常顯眼的粉紅色頂芽及極強的頂芽優勢有截然的區別。也即是說，收穫後往往無法分辨頂芽是葉芽還是花芽。在魔芋球莖的儲存期間，頂芽周圍常會出現多苗生長現象。通常，每年的1～3月間，是花芽誘導的最佳時期。這一時期在東南亞地區和我國西南地區以及西北部分地區的天氣環境條件基本有如下特點一是白天最高溫度在10℃～25℃之間，二是有充足的陽光照射，三是有乾燥的環境，特別適宜人工進行花芽誘導。尤其是珠芽魔芋原生資源本身出自雲南及周邊的東南亞國家和地區，本發明的方法應用於資源原生地進行規模化的人工繁殖具有得天獨厚的優勢。因此，選擇在春季將珠芽魔芋球莖置於日光下或能透過日光的通風的室內保存，抑制球莖上的側芽萌發成葉芽並使球莖上發出的根尖逐漸枯萎，以促使魔芋球莖的頂芽分化成花芽並逐漸萌發。用於誘導開花的球莖的選擇應該以重量在1千克以上，塊莖成熟飽滿，頂芽部分無腐爛和外傷，所選球莖杜絕再進行切塊分割。
2、植栽並抑制開花後的長葉植株。
在從花芽萌發至開花期間的任何時間，將魔芋球莖植栽於土壤或沙中或浸泡於水中。由於長葉植株的側芽通常生長於魔芋球莖的上半部位，因此，要將球莖上部的一部分暴露於空氣中接受日照，以日光阻止側芽根系的生長，將長葉植株抑制在萌芽狀態。若這一階段採用日光也難以抑制葉芽的生長，可採取人工「扳芽」的方法將帶葉側芽強行扳除。
不能過早將魔芋球莖下地植栽，否則，球莖的開花率會大幅度降低，長葉植株數量會很多，難以達到獲得規模化育種的目的。用人工誘導促使頂芽儘可能分化成花芽，同時抑制側芽萌發成葉芽是人工誘導開花無性繁殖育種的關鍵。
在種子的整個生長期間，儘量使植株能夠得到充足的陽光照射，在有充足陽光照射的環境，種子要比在遮陰的環境中長勢更好，成熟期也要早一個月左右。
實施例一選擇在霜降後收挖個體重量在1千克以上的飽滿球莖200個，在日光下曬3～4天後，將球莖置於透光的乾燥木架(或其它類似環境)上分層擺放儲存。需要注意的是，待人工誘導的球莖一律不能切塊，也儘可能不要使球莖出現局部腐爛現象，以免減少後期開花植株的能量儲備。在冬季期間，球莖頂芽分化生長緩慢，此階段重要的是防止球莖在夜間低於零度(0℃)以下的室外環境中被凍壞，實際操作中，球莖應該放置於較為保溫的通風透光的房間。
當春季來臨，氣溫回升，白天最高溫度達到10℃～25℃，最好是15℃～22℃左右時，將珠芽魔芋球莖置於日光下，或者置於能透過日光的通風的房間內，抑制球莖上的側芽萌發成葉芽，並使球莖上發出的根尖逐漸枯萎，以促使頂芽分化成花芽並逐漸萌發；然後，從花芽萌發開始至開始開花期間，根據情況和條件隨時將球莖植栽於陽光照射較為強烈的土壤中，並將球莖上部的一部分暴露於空氣中接受日光照射，採用人工誘導抑制球莖上部的側芽長出葉芽。由於種子的生長過程基本以原母體塊莖為養分來源，不必擔心在其生長過程中，土埋過淺是否會影響地下球莖的根系生長。生長過程中，母體球莖可能亦會有少量營養根生長，但多數無營養根生長。無論是何種情形，皆不影響種子的生長成熟過程。若這一階段採用日光也難以抑制葉芽的生長，則可採取人工「扳芽」的方法將帶葉側芽強行除去，以保證開花植株所需的養分來源。保持充足的日照，讓植栽的植株一直生長直至種子成熟。
經過6～7個月的生長，種子的顏色要經歷橘黃—紫紅—綠色—橘紅(或黃)四個變化階段，到當年12月或是次年1月，種子顆粒也從芝麻粒大小逐漸長至松子粒大小，最後生長成熟。在整個生長階段，種子所需的養分基本是由地下母體塊莖中所含的葡甘聚糖提供，但也常常會出現杆莖根部周圍生長出少量的營養吸收根，同時又從土壤中吸收養分為母體球莖及種子提供部分營養物質的現象。本方法結籽成熟達到95％以上。
實施例二採用水培法。球莖的花芽誘導過程同實施例一。珠芽魔芋塊莖耐水性強，因種子生長所需養分可完全來源於母體球莖，故可採用水中浸泡栽培法，方便地獲得成熟的種子。
選擇20株經過誘導處理過的開花珠芽魔芋球，將其莖浸泡於水中，所用容器可以是塑料桶或是塑膠袋，加水高度約為球莖高度的1/2～2/3，但是，切忌將魔芋球莖完全浸泡於水中。否則，開花植株根部容易出現腐爛而導致種子生長的中斷。將浸泡球莖置於室外陽光能照射到的自然環境。在種子生長早期的5～9月份，應該經常補水以保證球莖在提供養分及其生理過程中所需的足夠水分，10月份以後，需水量則較少。在生長過程中，種子苞的顏色會從紫紅色逐漸變為綠色，至當年12月份左右時，最後變為橘紅(或黃)色，得到成熟的種子。本方法結籽成熟達到95％以上。
實施例三採用沙埋法人工集中栽培。在收穫後選擇100個體重量在2千克以上的球莖作為誘導育種的母體球莖。球莖的花芽誘導過程同實施例一。將已經出現花苞的球莖，將球莖的4/5部分埋於山沙或是河沙中，使植株花莖的根部及球莖的上部微微暴露於空氣。在植株的整個生長期間，根據沙子的乾濕程度經常澆水，保持種子生長過程球莖能夠正常提供養分。開花植株在當年12月至來年1～2月份即可獲得大量成熟種子。本方法結籽成熟達到95％以上。
實施例四去「雄」培育法。此例亦是珠芽魔芋開花無性繁殖結籽的實驗證明。
選擇20個重量在1千克以上、生長飽滿的魔芋球莖，球莖的花芽誘導過程同實施例一。在經過人工誘導處理後，球莖頂芽已經生長出花苞，當花苞處於「含苞欲放」，也即尚未開放時，分別將花苞外圍用不鏽鋼刀片削開，並將花苞的雄蕊及以上部分整體切除，然後將處理過的植株經沙埋或土埋分別隔離置於自然的光照環境讓其自然生長。在經過「去雄」處理後，「雌蕊」部分會在1～2個月內長時間保持橘黃色的原色，而不象未經「去雄」的花苞，在花完全開放特別是散發出腐敗蛋白質氣味後，「雌蕊」部分橘黃色會在3～5天內變為紫紅色，且頂尖部分會很快收縮。20株去「雄」後的開花植株在隨後生長過程中，需要根據植株生長情況不時澆水，以便魔芋球莖內組織能進行正常的能量轉換，滿足種子生長之需。經過6～7個月的生長，種子無一例外地皆能生長成熟。從種子的生長期及種子的成熟度觀察，與未去「雄」得到的種子在外觀上無任何區別。去「雄」後得到的種子在來年種植時，出苗率及地下球莖的膨大率也與未去「雄」得到的種子一致，亦無明顯區別。本方法結籽成熟達到95％以上。
權利要求
1.珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，其特徵在於，該方法步驟為(1)進行開花誘導即在白天最高溫度為10℃～25℃並常有日照的天氣條件下，將珠芽魔芋(A.bulbifer)球莖置於日光下或能透過日光的通風的室內保存，抑制球莖上的側芽萌發成葉芽並使球莖上發出的根尖逐漸枯萎，以促使魔芋球莖的頂芽分化成花芽並逐漸萌發；(2)植栽並抑制開花後的長葉植株即從花芽萌發至開花期間，適時將球莖植栽於土壤中或沙中或浸泡於水中，並將球莖上部的一部分暴露於空氣中接受日光照射，以日光阻止側芽根系的生長，將長葉植株抑制在萌芽狀態，或者人工將長出的葉芽扳除，一直栽到花苞結籽成熟。
2.根據權利要求1所述的珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，其特徵在於，進行開花誘導時的氣溫最好是白天最高溫度為15℃～22℃。
3.根據權利要求1所述的珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，其特徵在於，植栽的魔芋球莖在常有日照的環境中度過整個生長期。
4.根據權利要求1所述的珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，其特徵在於，當花苞處於含苞欲放、但尚未開放時，用人工將花苞的雄蕊整體切除。
全文摘要
珠芽魔芋人工誘導開花無性育種方法，本發明通過對珠芽魔芋球莖進行開花誘導，抑制球莖上的側芽萌發成葉芽並使球莖上發出的根尖枯萎，促使魔芋球莖的頂芽分化成花芽並在球莖植栽後人工抑制開花後的長葉植株生長，使花苞能夠結籽成熟，收穫到大量可繁殖魔芋的種子。本發明完全改變了傳統的用小魔芋球莖或是繁殖根(莖)的方式來繁殖魔芋的方法，實現了魔芋的播種繁殖，給魔芋繁殖方式帶來了革命性的突破。該方法顯著增加了珠芽魔芋的繁殖係數，用其種子種植出的魔芋具有耐高溫高溼、抗病能力強、產量高、葡甘聚糖含量高、可切塊種植等獨特優勢。
文檔編號A01G7/06GK1775002SQ20051004863
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月21日 優先權日2005年11月21日
發明者張東華, 周凡, 趙建榮, 米開先 申請人:雲南耕耘魔芋資源開發有限責任公司