新型根系分离技术培育空中甘薯及其源库关系研究

空中甘薯是甘薯栽培模式的创新，其核心技术是根系分离。以往也有研究空中甘薯的范例，是以营养液水培为基础的根系分离技术，其技术实施要求严格、设施条件高、投资成本大，且仅限于少数长蔓型品种。我们通过前期研究，首次提出用嫁接的方法，以旋花科植物做砧木，使甘薯吸收根和贮藏根在空间和功能上的分离，巧妙的实现在固体基质栽培（尤其是土壤）条件下的根系分离，并发现其潜在技术优势明显。我们的前期研究依据充分，技术可行，但还不够深入。我们相信通过对该新型根系分离技术的全面深入研究，从新的技术层面上解决因水培带来的实施成本高、技术难度大、栽培品种和方式受限等不足，并从形态、生理生化和基因水平系统研究该新型根系分离机理及新型源库关系，对其发生机理进行阐释，为实现甘薯块根的单株连续采收，充分发挥其生产潜力和增加其附加值提供科学依据和技术支撑。

光合作用的转运分配和积累是甘薯育种及栽培的一个重要核心问题，即源流库关系问题。空中甘薯是在对甘薯源库关系的研究方式方法的研究的基础上发展起来的。在对甘薯源流库关系研究方式方法的研究上，先后发展了交互嫁接、单叶嫁接、营养液膜、砂砾栽培等多种方法。砂砾栽培栽培中已经初步显现了甘薯根系功能分离的雏形，在此基础上，近年来发展了甘薯水耕栽培连续结薯（即空中甘薯）技术，使吸收根和贮藏根根系功能在空间和功能上分离，深入研究发现该技术有成本较高和仅限长蔓品种的不足。本项目总结前人研究和初步试验的基础上，首次提出用嫁接的方法，以旋花科植物做砧木，使吸收根和贮藏根根系功能在空间和功能上的分离，巧妙实现在固体基质栽培（尤其是土壤）条件下的空中结薯。经过三年的研究，本项目首先从技术层面上建立了利用土壤等固体基质栽培的根系功能分离技术，通过开展各关键环节的技术研究，形成了一种新的完善的空中甘薯嫁接栽培系统。砧木不结地下块根、与甘薯具有良好的嫁接亲和性、压蔓基质不含养分等三大因素是空中甘薯嫁接栽培和根系功能分离的关键。空中甘薯嫁接栽培系统具有技术简单、管理方便、成本低的特点，易于推广和使用，同时也是一种研究甘薯源库关系的新型技术平台。其次，本项目从发生机理方面对该新型源库关系进行了研究。通过对该空中甘薯嫁接栽培系统的生物学产量和源库关系分析，结果证明了利用不结块根的旋花科植物作砧木，能有效阻止地上部分绝大部分光合产物向地下运输，使其在地上部分积累形成空中甘薯；空中甘薯正立和倒立栽培条件下，在光合产物的积累速率上较相同栽培条件下的对照植株分别提高10%和30%。对空中甘薯生长的研究表明，空中压蔓后的20天藤蔓长出数量足够的根、20-55天部分根系开始膨大并快速形成块根，叶绿素荧光参数揭示了在块根形成关键过程中光合能力的变化情况，比较转录组和相关基因表达水平的验证揭示了嫁接能有效阻止地上部分绝大部分光合产物向地下运输在运输水平上的分子机制。进一步地，研究还发现本项目建立的技术平台在研究甘薯源库关系方面具有独到的优势，进而获得了国家自然科学基金面上项目的后续资助，将会在光合产物运输效率对空中甘薯源和库的反馈作用机制上作深入研究。