荸薺雌蕊及花粉管萌發的形態觀察

歐昆鵬 何芳練 王艷 江文 高美萍 閉志強 陳麗娟 董偉清 桂杰

摘 要：以“桂蹄2號”荸薺品種的雌蕊柱頭及其授粉過程的形態為觀察對象，從微觀的角度揭示荸薺的授粉過程，為開展荸薺雜交育種提供參考。結果表明：荸薺雌蕊有2～4個柱頭，白色絲狀，維管束狀，表皮維管密生有長形的半透明分枝毛茸；授粉后，花粉緊密地結合在分枝毛茸上，相互識別后，花粉管可以能夠穿入分枝茸毛并不斷生長，將花粉內的遺傳物質輸送到維管束內。

關鍵詞：荸薺；柱頭；分枝茸毛；授粉

中圖分類號：S645.3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431007

荸薺（Eleocharis tuberose），又名馬蹄，莎草科荸薺屬，原產于我國南部和印度，廣泛布于全世界，以熱帶和亞熱帶居多，如在朝鮮、日本、越南、美國等也有栽培（柯衛東等，2003）；在我國主要分布在長江流域及以南各省，廣西種植面積最大，達到近2萬hm2，占我國種植面積的50%。

隨著荸薺產業的發展，市場對荸薺品種特性的要求越來越高，當前的荸薺育種依舊是以變異為重要的育種方式，這種體系很難適應市場的變化。近年來，莎草科種子植物的研究開始受到人民的不斷關注，研究人員開始對荸薺開花結子習性和種子發芽等方面進行了研究，并揭示了荸薺在開展雜交育種的可能性。在上述研究基礎上，為進一步探明荸薺雜交的現象，筆者對荸薺柱頭進行了觀察和人工輔助授粉試驗，并通過對授粉過程的觀察研究，揭示荸薺授粉及花粉管形態。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

種植于廣西農業科學院生物技術研究所種質資源圃的“桂蹄2號”荸薺品種，選擇生長健壯、無病害花莖葉的花穗。

1.2 試驗方法

1.2.1 雌蕊的光學顯微鏡觀察

荸薺群體盛花期為8～9月份，選擇雌蕊處于盛花期的花穗，將花穗的覆瓦狀鱗片用小鑷子剝離，將鱗片內包裹的整個雌蕊完整取下進行測量觀察；

選擇荸薺種子成熟的12月份，摘取健壯花莖葉的花穗，剝離鱗片，取出完整雌蕊，觀察結構。

1.2.2 荸薺群體

盛花期為8～9月份，上午9：00～11：00為荸薺雜交授粉的最佳時間，分別選擇完全開放的雄蕊和雌蕊花莖葉為雜交的父本和母本進行人工授粉，授粉后立即套袋，約2h后，摘取花穗進行制樣觀察。

用剪刀將花穗的花絲剪下來，小心放置滴有蒸餾水的載玻片上，用光學顯微鏡進行觀察、拍照。

將摘取的花穗用固定液，固定，脫水，置換，臨界點干燥，噴金，觀察。用自制紙筒將荸薺花穗包裹，放入固定液中進行固定進行電鏡觀察。逐級脫水的乙醇濃度為為30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇進行脫水。在電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與分析

2.1 雌蕊的光學顯微鏡觀察

觀察還發現，種子成熟后的花穗表面逐漸轉變成淺黃色，鱗片始終緊密包裹，所有從鱗片伸出的雌、雄蕊完全凋落；剝開鱗片后發現，約有1mm長度的柱頭仍然包裹在鱗片內，與雌蕊的整個花柱完整地被保存下來。

雌蕊的花柱長約3mm，呈扁圓柱形，在接近子房的約1/4花柱處快速膨大，并與子房相連，其硬度逐漸增加，與子房的連接處可見明顯的縊節；種子成熟后，剝開鱗片看到花柱呈棕黑色，自然彎曲狀，通過40倍光學顯微鏡下可以觀察到花柱中間有一條黑色的管道。

2.2 雌蕊授粉后的光學顯微鏡觀察

觀察還發現，在花粉管不斷的生長過程中，花粉內的物質不斷地向萌發孔一端集中，并通過萌發孔向花粉管生長的方向運動，隨著花粉管的生長不斷前進；但是在輸送過程中，花粉內物質在花粉管運動并不是單向的，有物質回流的現象，但外流速度明顯大于回流速度，但所有物質最終都會流入柱頭的維管。花粉物質從進入維管到全部進入維管的整個輸送過程大約5～10min。

實驗觀察到花粉管都是通過與分枝茸毛結合并穿入，沒有觀察到直接通過維管束穿入的現象，并且穿入分枝茸毛的部位也不固定，可以是任何部位，有的在尖端，有的在中部，有的在基部。觀察還發現另外一個現象，有極少數的花粉與分枝茸毛結合后萌發出花粉管，但是花粉管沒有找到合適的進入點，就緊貼著分枝茸毛的表面向基部不斷生長（如圖8），直至找到能夠穿入的點為止。

2.3 電鏡觀察

在2500～3000倍掃描電鏡下，可以清晰地觀察到整個荸薺柱頭、花粉及其授粉形態。與光學顯微鏡觀察的結果一致，荸薺柱頭呈維管束狀，維管向外延伸出分枝茸毛；花粉粒夾雜在分枝茸毛之間并緊密地貼在分枝茸毛上，識別其萌發出的花粉管插入了分枝茸毛的內部，插入的部位有的處于分枝茸毛的頂端（如圖9），有的處于分枝茸毛的中部（如圖10）。在掃描電鏡下，同樣沒有觀察到花粉管直接進入維管進行物質傳送的現象。

通過電鏡圖片也清晰地觀察到，荸薺花粉表面雕紋為顆粒狀，為雙層結構，內比為薄膜，外壁為顆粒狀物質結構。花粉管萌發孔區域的表面在花粉管萌發后呈撕裂狀，說明花粉管是花粉粒的內壁形成的，內壁薄膜通過萌發孔突破花粉外壁的向外伸出細管形成管狀結構，通過與分枝茸毛識別后直接進入了后者內部。如圖所示，花粉管萌發的位置位于橢圓形花粉管的兩端，因此，可以推定荸薺花粉的萌發孔位于在兩極附近。通過掃描電鏡比例尺測量出花粉粒和花粉管的大小，極軸長約為32μm，赤道軸長約為28μm，花粉管的直徑約4μm。

3 討論

當前，對荸薺的研究大多集中在栽培和活性物質成分的利用研究上，少數研究者也對荸薺生長周期的規律探究，對荸薺花器結構進行了較為細致的觀察。

本研究通過對荸薺花粉粒和花粉管在柱頭萌發的形態進行光學和掃描顯微觀察，從微觀角度展示了荸薺雌蕊柱頭的維管結構、花粉粒的形態結構以及授粉2h后花粉管的萌發形態，揭示了荸薺授粉過程中花粉內遺傳物質傳送的途徑，從根本上明確了荸薺完全能夠進行雜交授粉的理論，為荸薺進行雜交育種提供了可靠的理論依據和實際參考，為進一步開展荸薺雜交育種開辟了一條廣闊的研究途徑。

從實驗觀察情況分析，花粉粒與柱頭的結合是隨機的，但不是所有花粉粒都能夠萌發，只有兩極與分枝茸毛相接觸并識別后的花粉粒才能成功萌發出花粉管；由柱頭維管延伸出來密布于柱頭四周的分枝茸毛對荸薺進行授粉有著至關重要的作用：在柱頭表面構建了花粉粒的承載結構，能夠阻礙自花或異花至上而下掉落的成熟花粉粒的繼續下落，有效地擴大了柱頭授粉的面積；花粉的結合器官和花粉管的穿入通道，實驗觀察到的所有花粉粒的遺傳物質，都是通過花粉與分枝茸毛結合后才能萌發花粉管，花粉管進入分枝茸毛后不斷生長，遺傳物質跟隨花粉管的不斷生長進入最終被輸送進入柱頭的維管，有關結合機理還有待于進一步研究。

研究發現荸薺柱頭絕大多數雌蕊都是3個柱頭，偶有2～4個柱頭的現象，與相關文獻報道有不同。每個柱頭的分枝茸多達數百根，大量分枝茸毛與花粉接觸后得到的遺傳物質傳送都直接進入相應的維管，然而花粉管生長停止、遺傳物質的輸送情況、以及雌蕊如何進行輸送調節等相關機理機制有待于進一步探明。

有關莎草科的研究報道不多，有學者近年來開展了對海南、山東、貴州等地的莎草科植物進行了調查研究，都還處于資源調查階段。荸薺是莎草科植物中被認識和研究最多的作物之一，也是莎草科植物中能夠大面積種植的經濟作物，對其進行相關研究，有助于對莎草科植物的研究提供理論參考。