洋蔥花器數目變異研究

蔣景龍

（陜西理工學院 生物科學與工程學院，陜西漢中723001）

花不僅是有性生殖植物的繁殖器官，也是植物分類學中的一個重要依據。花器形態的奇特性、多樣性、數目的增減等都可以為植物的分類和系統發育提供重要依據。花器多態性是指花器形態多樣性、發育狀態多樣性和數目多樣性的簡稱。高等植物的成花過程一直是植物發育生物學領域研究的前沿和熱點，花器數目的變異研究為進一步研究花的結構、起源、進化和系統發育多樣性提供依據［1］。中國在被子植物系統發育方面的研究起步較晚，在花器官發生影響的報道中大多利用植物激素、物理或化學方法處理獲得花器多態性材料［2］。對于在自然條件下，花器官發生過程中發生的變異及其原因分析的研究鮮有報道。

據中國植物志記載洋蔥（Allium cepa L．）屬百合科，蔥屬，正常洋蔥小花，花被片6片，花瓣狀，排成2輪，雄蕊6枚，花柱1枚，子房3室，基部合生。長期以來，對于洋蔥的分類一直存在爭議，大多數學者將其分到了百合科，而在J．哈欽森系統中將其分到石蒜科。本課題組在研究洋蔥雄性不育過程中發現，在自然生長條件下，3個品系中均出現了洋蔥花器官數目變異現象，包括雄蕊、子房、花柱和花被片數目的變異。花器的奇特性和數目的變異均可以為植物的分類和系統發育提供重要依據，因此對于洋蔥這樣在分類學上具有爭議的植物，花器數目變異的發現將為洋蔥的分類和系統發育提供一定的依據。花器的發育既受基因調控又受環境影響，花器數目的變異對豐富植物花器多樣性與發育模式和系統發育研究有著非常重要的意義。

1 材料和方法

1．1 植物材料

洋蔥JQS－1、MST－140、Red beauty 3個品種的鱗莖均由甘肅省酒泉市酒泉農業科學研究所提供。其中JQS－1是從美國引進的雄性不育系，黃皮、鱗莖較大，MST－140為甘肅省酒泉市酒泉農業科學研究所培育的雄性不育系，黃皮、鱗莖比JQS－1 小，Red beauty為酒泉農業科學研究所培育的可育系，紅皮、鱗莖大小與JQS－1相似。為了研究JQS－1的育性和生理特征，不育系MST－140 和可育系Red beauty作為對照組。

1．2 方 法

將3個品種的洋蔥鱗莖同時栽培在實驗園地，株行距各0．33m，各品種間，設置隔離，常規栽培管理。洋蔥花序開放后，每個品種選3～4株，每株隨機選取100～200朵開放的小花，在Olympus解剖鏡下，觀察每朵小花花被片數目、雄蕊數目、子房數目和柱頭的數目變異情況，并對典型變異的小花進行數碼攝像。同時，分別取發育正常和異常的花藥，放在潔凈的載玻片上，搗碎并去除殘渣，滴一滴醋酸洋紅，用針尖攪拌均勻，蓋上蓋玻片后，在普通光學Olympus顯微鏡下觀察比較正常花藥和異常花藥中花粉粒的形態。雄蕊數目為6枚視為正常小花，數目增多或減少均為雄蕊數目變異的異常小花。

雄蕊數目變異小花比例（%）＝雄蕊數目異常小花數（5或7或8或9或10或11）／觀察的小花總數

總變異率（%）＝雄蕊異常小花總數／觀察的小花總數

2 結果與分析

2．1 雄蕊數目的變異

通過對3個品種不同洋蔥植株花序的小花中花器數目觀察統計，發現一些小花雄蕊數目為5枚（圖版Ⅰ，A、B），比正常洋蔥小花的6枚雄蕊（圖版Ⅰ，C、D）減少了1枚。同時，也發現一些小花的雄蕊數目比正常小花雄蕊數目有所增加。有些小花雄蕊數目增加至7枚（圖版Ⅰ，E～G）、8枚（圖版Ⅰ，H～K）、9枚（圖版Ⅰ，L～N）、10枚（圖版Ⅰ，O）甚至11枚（圖版Ⅰ，P）。

通過對3個品種洋蔥花序中隨機選取的小花雄蕊數目進行統計，發現MST－140花序中雄蕊數目變異的小花比例最高，為20．24%，而JQS－1 和Red beauty洋蔥花序中雄蕊數目變異的小花比例稍低，分別為17．07%和16．69%（表1），這表明洋蔥花序發育過程中雄蕊數目的變異具有普遍性。3個品種洋蔥雄蕊數目變化的小花類型中，7枚雄蕊小花的比例最高，分別為14．33%、14．03%、12．20%（表1），其次為8 枚雄蕊小花的比例，比例最低的為5枚、9枚、10枚和11枚雄蕊的小花。

在雄蕊數目正常和異常的洋蔥小花中均發現一些發育異常的花藥。正常花藥一般為綠色或黃色，新鮮、飽滿、表面非常光滑（圖版Ⅰ，Q），花粉量大、花粉粒形狀規則、分散均勻（圖版Ⅰ，R、S）。異常花藥呈現黃褐色，表面凹凸不平并出現皺縮，體積瘦小，比正常花藥小（圖版Ⅰ，T），花粉萎縮，干癟，花粉量小，大量花粉粒形狀不規則（圖版Ⅰ，U、V）。

表1 3種洋蔥花序中具不同雄蕊數目的小花比例Table 1 Ratio of variation floret with different stamens in onion inflorescence of three cultivars

2．2 雌蕊數目的變異

正常的洋蔥小花有1個花柱（圖版Ⅱ，B），在觀察的洋蔥小花中發現了含有多花柱的小花，即1個小花中含有2個（圖版Ⅱ，D）或3個柱頭的現象（圖版Ⅱ，E）。正常的洋蔥小花子房3室（圖版Ⅱ，B），在觀察的洋蔥小花中發現了子房數目變異現象，有的小花減少1室，即有2室（圖版Ⅱ，A），有的小花增加1室，即有4室（圖版Ⅱ，C、D），目前為止，發現子房最多增加3室，即6室（圖版Ⅱ，E）。柱頭增多現象多發生在子房數目增多的小花中。

2．3 花被片數目的變異及與雄蕊、花柱、子房數目變異間的關系

正常的洋蔥小花有6片花被片，在觀察的洋蔥小花中發現了一些小花的花被片數目比正常洋蔥小花花被片數目增加了1～4片，即含有7片（圖版Ⅱ，F）、8片（圖版Ⅱ，G、K）、9 片（圖版Ⅱ，H、N）和10片花被片（圖版Ⅱ，L、M）。同時也發現了比正常洋蔥小花花被片數目減少了1片的小花（圖版Ⅱ，I）。花器數目變異的小花中，花被片數目與雄蕊數目的變異有同步增減和非同步增加2種類型。例如，雄蕊和花被片同時減少了1個，剩下的5枚雄蕊和5片花被片一一對應生長，雄蕊的基部和花被片的基部合生，且空間上呈輻射對稱（圖版Ⅱ，I）。在雄蕊數目增加的小花中也存在這種現象，例如，同時出現7、8、9個對應生長的花被片和雄蕊（圖版Ⅱ，F～H）。但是也發現了不對應增加的情況，如有的小花的花被片數目是6片，雄蕊的數目卻增加至7枚（圖版Ⅱ，J）。有的小花雄蕊的數目為6，花被片的數目卻增加至8片（圖版Ⅱ，K），還有的小花花被片為9片，雄蕊卻為8枚（圖版Ⅱ，N）。

3 討 論

洋蔥是異花授粉蟲媒花，結實率一直不是很高，在進化上，蟲媒花植物的花被片是引誘昆蟲傳粉的器官，因此在不影響花粉產生的情況下花被片數目的增加對引導昆蟲傳粉是有利的。同時雄蕊、花柱數目增加對提高花的授粉率具有重要意義［3］。花的形成分為花亞區的形成和花器官的發生2個重要階段。當花原基中細胞的數目確定后，花原基進一步分化為花萼、花瓣、雄蕊和心皮花器官的4個同心圓區域的花亞區［4］。當花原基分別產生不同器官的同心區域后，在同一區域中的細胞進一步平周分裂產生花器官原基。花器數目的次生性變化可通過原基分裂、原基融合或次生原基的形成而產生，花原基細胞數目的增減導致花器官數目增減［5］。在JQS－1、MST－140、Red beauty 3個常規栽培品種的洋蔥小花中均發現花被片、雄蕊、子房與花柱數目的增減，分析認為這些變異可能發生在花亞區形成階段，花器官亞區細胞數目的增減所致。細胞數目的增減又與細胞分裂速度增減有關，最終導致花被片和雄蕊數目的增減。王祖秀等［6］研究發現韭蘭的花被裂片數和雄蕊數目的多種變異，可能與花器官亞區形成的早期調節或與細胞分裂速度改變有關，這與本研究中發現的洋蔥花器變異極為相似。

植物花器是基因和環境條件相互作用產生的一種表型。對于花器官發育的遺傳控制機理國外已提出多種模型。它們由ABC 類基因控制。如果這些基因發生突變，則產生4 個亞區間花器官的錯位發育，但我們所觀察到的洋蔥花器數目的變異卻不能用“ABC模型”或“ABCD 模型”［7－8］和“ABCDE模型”［9－10］解釋。在原基分化形成期各種花器官的特征、數目和位置均已明確，Leyser和Furner在對擬南芥突變體研究過程中發現了它的各輪花器官數目均有增加，此后被Clark等證實其花器官數目的增加是由于花分生組織過度增生所引起［11－13］。國鳳利和孟繁靜報道的新發現的矮牽牛突變體efficient中提到了子房數目增加了1～2個，雄蕊增加1枚、花瓣和萼片數目增加1～2枚，心皮數目的增加導致雌蕊柱頭和子房體積顯著增大，形成較大的果實等現象［3］。李耘等［14］在研究水稻front突變體時發現該突變體的小花雄蕊從正常6枚增加到7、8、9枚，心皮數目從1增加到2、3個，而內稃和外稃的數目沒有變化的現象。此外，在水稻的fon1－1和fon1－2等位突變體研究中發現，fon1－1中雌蕊的數目增加到了2～3枚，但是雄蕊、內稃、外稃的數目均沒有變化，而在fon1－2突變體中雌蕊的數目卻增加到了4～9枚，雄蕊數目增加到了7～12枚，額外的內稃、外稃也被發現。這種雄蕊和雌蕊數目大幅度增加的現象，他們認為主要取決于在3輪和4輪之間產生一個新的雄蕊輪或在3 輪中產生額外的雄蕊［15］。由于洋蔥花器數目的變異既不是花器官的錯位發育，也不是由基因突變產生的可穩定遺傳的變異。因此控制洋蔥花被片與雄蕊細胞分裂速度和細胞分裂模式的基因表達可能受到某種環境因素的影響所致，這也是變異不穩定的原因，同時環境因素也可能影響不同小花花器數目變異間的頻率差異。研究過程中發現只要是子房增加或減少，花被片和雄蕊也必定伴隨著增加或減少的現象。這說明在洋蔥的花器發育中決定心皮數目的基因也同時影響雄蕊和花被片的發育。雄蕊和花被片數目出現同步或不同步變異類型，其原因可能是花被片和雄蕊原基形成過程中，在其兩者之間多產生了1～2輪原基，每一輪仍然發育成3枚，這1～2輪原基有可能最終發育成雄蕊也有可能最終發育成花被片，或者部分發育成雄蕊和花被片。在分布上，很多雄蕊變異的小花在花序上呈現明顯的區域化，即變異的小花在花序中總是緊靠在一起成區存在，說明在花序發育的過程中，某一個區的分生組織發生了變化，導致這個區洋蔥小花的花器官發育也發生變化。

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圖版Ⅰ 洋蔥雄蕊數目的變異與花藥和花粉的粒形態A、B．小花中雄蕊數目為5；C、D．小花中雄蕊數目為6；E～G．小花中雄蕊數目為7；H～K．小花中雄蕊數目為8；L～N．小花中雄蕊數目為9；O．小花中雄蕊數目為10；P．小花中雄蕊數目為11；C、D．正常小花，其余均為異常小花；Q．發育正常洋蔥花藥；R、S．發育正常的花粉；T．異常的洋蔥花藥；U、V．發育異常的花粉。PlateⅠ Variations of stamen number and morphology of anther and pollen in onion flowersFig．A，B．Stand for 5stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for 6stamens in onion floret；Fig．E－G．Stand for 7stamens in onion floret；Fig．H－K．Stand for 8stamens in onion floret；Fig．L－N．Stand for 9stamens in onion floret；Fig．O．Stands for 10stamens in onion floret；Fig．P．Stands for 11stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for the normal florets and others are abnormal florets．Fig．Q．Shows normal anthers in onion flowers．Fig．R，S．Show normal pollen．Fig．T．Shows abnormal anthers in onion flowers．Fig．U，V．Show abnormal pollen．

圖版Ⅱ 洋蔥雌蕊、雄蕊與花被片數目的變異A．子房數目2花柱為1的變異小花；B．子房數目3花柱為1的正常小花；C．子房數目4花柱為1的變異小花；D．子房數目4花柱為2的變異小花；E．子房數目6花柱為3的變異小花（花中1、2、3、5、6．表示小花中子房的數目；＊．表示花柱位置）。A～D．表示花被片和雄蕊數目相同的小花；E～I．表示雄蕊數目與花被片數目不相同：E．花被片數目正常（6枚），雄蕊增加1枚（7枚）；F．雄蕊數目正常（6枚）花被片數目增加2片（8片）；G．雄蕊數目為9，花被片數目為10；H．雄蕊數目為11，花被片數目為10；I．雄蕊數目為8，花被片數目為9。1、2、3、5、6等數字表示雄蕊，a、b、c、d、e、f等表示花被片。PlateⅡ Variations of pistil，stamen and tepal number in onion flowers Fig．A．Stands for the variation flower with 2ovaries and 1style；Fig．B．Stands for the normal flower with 3ovaries and 1style；Fig．C．Stands for the variation flower with 4ovaries and 1style；Fig．D．Stands for the variation flower with 4ovaries and 2styles；Fig．E．Stands for the variation flower with 6ovaries and 3styles（1，2，3，4，5，6show the number of ovaries．＊shows the position of style）；Fig．F－I．Show the onion flowers which has the same number of pistils and stamens；Fig．G－N．Show the onion flowers which has the different number of pistils and stamens；Fig．J．Stands for an onion flower with 6pistils and 7stamens；Fig．K．Stands for an onion flower with 6stamens and 8pistils；Fig．L．Stands for an onion flower with 9stamens and 10pistils；Fig．M．Stands for an onion flower with11stamens and 10pistils；Fig．N．Stands for an onion flower with 8stamens and 9pistils；The 1，2，3and 4indicant the number of stamen and a，b，c，d，e and f show the number of pistils．