火柴頭初始花芽分化與葉生長的同生關系

池源+徐小穎+徐義昆+金銀根

摘要：應用植物形態學解剖觀察、蘇木精整染、石蠟法連續切片以及顯微觀察拍照技術，研究火柴頭初始花芽分化與葉生長的同生關系。結果表明：火柴頭種子萌發后，經過約20 d的營養生長，至主莖出現4～6張真葉時，主莖頂端花芽開始分化，其分化進程與真葉數、真葉面積呈正相關，整個分化過程歷經約15 d；幼苗進入4葉期后，花芽分化從分化初期過渡到苞片及花序原基分化期；幼苗進入5葉期后，花芽分化進入萼片及花瓣原基分化期；幼苗進入6葉期后，花芽分化進入雄、雌蕊原基分化期。

關鍵詞：火柴頭；初始花芽分化；葉生長；同生關系；開花調控

中圖分類號：S184；S451文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0174-04

火柴頭（Commelina benghalensis L.）是單子葉植物綱鴨跖草科鴨跖草屬的一年生草本植物。金銀根等指出，火柴頭不僅是枝源型克隆植物，而且可同時進行有性生殖，更為特殊的是其在地下開花結實的生殖方式[1-2]。火柴頭在整個生長周期中能產生3種生長特性不同的生殖莖、5種開花特性不同的結實花以及6類生物學特性不同的可育種。3種生殖莖為氣生生殖莖、貼地生殖莖、地下生殖莖；5種結實花為氣生生殖莖上的雄花、氣生生殖莖上的開花傳粉型兩性花、氣生生殖莖上的閉花受粉型兩性花、貼地生殖莖上的閉花受粉型兩性花、地下生殖莖上的閉花受粉型兩性花[3]；6類可育種為地上大、小種，貼地大、小種和地下大、小種[4]。基于以上多樣的生殖特性，火柴頭形成了極強的生態適應性，從而在世界范圍內廣布性存在。在我國，火柴頭也廣布于諸多省份，尤其在棉花、玉米田間呈片狀或群帶狀分布，與農作物競爭光照、肥料、水分以及生長空間而使農作物嚴重減產，再加上火柴頭對多種除草劑都不敏感，一旦在田間蔓延則很難根除[5]。因此，要治理火柴頭這種雜草災害，必須弄清其繁殖機制，以找出有效的控制措施。本研究主要觀察火柴頭幼苗的形態建成葉的發育和初始花芽分化過程中的形態結構特征，以了解花芽分化與葉發育的同生關系，為開花調控的研究奠定基礎，并為有效治理該種雜草提供依據。

1材料與方法

1.1材料準備

將火柴頭地上大種均勻地灑在盛有2/3珍珠巖的籃筐中（籃筐尺寸36 cm×25 cm，每框42株，共6框），置于光照培養箱中，晝/夜溫度為27 ℃/25 ℃，光/暗周期為12 h/12 h，晝/夜濕度為74%/50%，光照度為176 μmol/（m2·s），每2 d定時加500 mL Hoagland營養液[6]。

1.2莖節生長點解剖學觀察

每天定時觀察火柴頭生長情況并拍照記錄；10 d后，每天定時取火柴頭主莖莖節生長點，用流水沖洗干凈后，制作臨時裝片，顯微觀察并拍照。確定初始花芽分化時間，并作記錄[7-8]。

1.3材料基本參數的測量

按照真葉數以及頂葉卷曲程度選取4葉期、5葉期、6葉期、7葉期健康的火柴頭幼苗，每個葉期6株，編號后記錄其相關的生長時間、不定根、側根、分枝情況以及頂葉卷曲程度，測量其株莖、株高，以及頂枝3張真葉的葉長、葉寬并計算其真葉面積，其中葉長是葉片基部至葉尖距離，葉寬是葉片2/3處肩寬，由于大部分真葉在葉片2/3處收尖，因此按葉長×葉寬的2/3計算葉面積[9-10]。

1.4莖節生長點石蠟切片的制作

將測量完基本參數的新鮮幼苗清洗干凈，取長約1 cm頂芽并及時放入福爾馬林-乙酸-乙醇固定液（FAA）[11]中固定12 h，用70%乙醇沖洗后，再用稀釋4倍的徳氏蘇木精于40 ℃加熱染色72 h[12-13]，再用乙醇梯度脫水（乙醇濃度分別是85%、95%、100%），二甲苯與純乙醇梯度置換（二者比例分別是1 ∶[KG-*3]2、1 ∶[KG-*3]1、2 ∶[KG-*3]1），石蠟法包埋、切片（厚度為 10 μm），再經展片、烤片、脫蠟、透明后用中性樹脂封片，在Leica顯微鏡下觀察拍照。

2結果與分析

2.1火柴頭幼苗的生長特性

在光照培養箱溫度穩定高于25 ℃、水分充足的情況下，火柴頭地上大種在珍珠巖這種介質中經歷吸脹吸水、緩慢吸水、生長吸水3個階段后，1～2 d便開始萌動形成幼苗。

火柴頭是典型的單子葉植物，種子萌發時，胚軸一端突破種孔蓋生長，以這一端末尾膨大的吸盤狀結構為界，向上分化成胚芽鞘（后期形成真葉），向下分化成胚根（后期形成火柴頭根系）。最初，由于胚芽鞘的束縛，真葉卷曲生長；隨著真葉的生長，下胚軸逐漸伸長，到一定長度后，真葉突破胚芽鞘逐漸展開；經過約1周后，第1張真葉完全展開，此時胚芽鞘基部再次分化出新葉，新葉裹在第1張真葉基部卷曲生長，到一定長度后展開，當這2張真葉大小一致時，基部相交處又會分化形成新葉，如此形成火柴頭莖節。而與此同時，胚根形成的根系也在不斷趨向成熟，隨著數目的累積增多，根系逐漸變粗變長，以確保水分的供給。火柴頭在這種培養方式下真葉以1張/周的速率健康生長，培養20 d左右進入4葉期后，頂端葉芽開始分化形成花芽，從而進入火柴頭初花花芽分化期。火柴頭的整個生長過程如圖1所示。

2.2火柴頭花芽分化與葉生長的同生關系

經過對不同葉期、真葉不同發育程度材料及其補充材料數周的石蠟切片處理、分析觀察后，得到火柴頭頂端初始花芽分化與葉生長的同生關系：花芽分化從4葉期（大約生長 20 d）陸續開始到6葉期（大約生長30 d）基本完成，整個過程歷時約15 d；花芽分化與真葉數、真葉面積呈正相關，真葉數越多，花芽分化越完整；在同一葉期，真葉面積越大，花芽質量越好，主要表現在各原基形成的器官體積大而胞質飽滿，后期具有較強的生殖能力；花芽分化進程越到后期越緊湊，最終趨向成熟。

4葉期一般從分化初期過渡到苞片原基以及花序原基的分化，這段時期的本質是營養生長向生殖生長過渡的階段，形成花序之后對于花蕾而言才開始進行真正的花芽分化；5葉期一般進行萼片原基以及花瓣原基的分化，這段時期分化進程加快，各個時期沒有明顯界限，經常會看到2～3個時期疊加的情況；6葉期一般進行雄、雌蕊原基的分化，這段時期花蕾趨向成熟，雄蕊原基分化形成花藥后，雌蕊原基開始進行分化，二者分化緊湊，速度相當迅速，最終雄蕊原基比雌蕊原基早一步完成分化，此時花芽分化基本完成；7葉期一般進入花成熟時期，花序中的各花蕾完善自身發育，為后期有性生殖作準備。花芽分化進程與葉生長的同生關系見表1。

2.3火柴頭花芽的分化過程

分化初期：莖節頂端細胞分化加快，向上隆起，呈半球形，形成營養生長錐，原分生組織細胞不斷分化，使生長錐變得圓滑豐滿。形態學上生長錐細胞小而密集，通過蘇木精染色后顏色較深（此時細胞處于生命活性最高、細胞分裂活性強的階段），細胞核與細胞質的體積比較大，其形態與基底組織細胞明顯不同，基底組織細胞發育更早，已形成成熟液泡，細胞核與細胞質體積比較小，排列不規則，染色較淺，后期生長錐發育成近似圓錐狀（圖2-1中Gc）。

苞片原基分化期：營養生長錐頂端變得寬而平坦，兩邊產生凸體，凸起部分形態相似，染色較深，細胞排列緊密而且分裂速度快，迅速向上生長，但是二者大小存在差異，說明這2個凸體不是同時發育的，最終兩邊會結合到一起，形成苞片，將整個營養生長錐包圍（圖2-2中Bp）。

花序原基分化期：營養生長錐隨著苞片的伸長不斷升高，緊貼著苞片里側，生長錐逐漸變平，細胞生長分化速度出現差異，產生3～4個小的凸體即花原基（Fp），這些花原基不在同一平面，共同構成花序原基（Ip），后期將發育成火柴頭的聚傘狀花序，至此莖節生長點完成由營養生長向生殖生長的過渡，開始進入真正的花芽分化期（圖2-3中Ip；圖2-4中Fp）。

花原基分化期是生殖生長錐（Rc）進行自身分化形成花蕾的過程，這些生長錐都要經歷由尖變圓、由外到內依次產生凸體，形成萼片原基（Se）、花瓣原基（Pet）、雄蕊原基（Sp）、雌蕊原基（Pp）的過程，從而完成花芽分化，形態結構上可根據大小、位置來判斷其發育的早晚以及花芽分化的質量（圖2-4至圖2-8）。

萼片原基分化期：當花原基繼續伸長，頂部變得豐滿時，在生殖生長錐最外側一輪同一水平面上最先對稱地發育形成3個凸體，這些凸體生長迅速，后期將發育成萼片，由于切片只能取到1個平面，不能將所有凸體結構都展示出來（圖2-4至圖2-6中Se）。

花瓣原基分化期：當苞片頂端形成鉤狀曲折時，緊接著在相鄰萼片基部里側一輪、同一水平面上對稱地分化形成3個凸體，這些凸體緊貼生殖生長錐兩側快速發育，迅速向上生長，最后可形成花瓣，由于切片只能取到1個平面而不能將所有凸體結構都展示出來（圖2-4至圖2-6中Pet）。

雄蕊原基分化期：隨著萼片、花瓣原基的成形，生殖生長錐中心再次隆起，形成6個對稱的凸體，這些凸體逐漸伸長變粗最終依次分化出花藥、花絲，從而形成雄蕊，由于切片只能取到1個平面不能將所有凸體結構都展示出來（圖2-7中Sp）。

雌蕊原基分化期：當雄蕊原基開始分化不久形成花藥雛形后，上升到一定高度的生長錐中心再次隆起，形成心皮原基，最終分化出子房、花柱，從而形成雌蕊，由于切片只能取到1個平面不能將所有結構都展示出來（圖2-8中Pp）。

至此花芽分化結束，性器官逐步完善生殖能力的分化，使整個花序趨向成熟。縱觀整個過程，每個時期并不是彼此獨立的，同一時段可能進行好幾個時期的分化，而且分化節奏緊湊。

3討論

花芽分化是在植物頂端分生組織感受到一定成花刺激后開始的，整個過程不僅受到外界環境因子的影響，而且受到植物體內諸多因子的調控。植物體受到成花刺激后，生長點內部會發生一系列生理生化反應，為后期的形態變化提供DNA、RNA等原料物質，并提供蛋白酶、礦質元素等能源物質以及細胞分裂素、赤霉素等激素物質，而這些物質大多數是由葉片合成，通過輸導組織源源不斷地運向生長點并在生長點內累積的，整個過程終將由量變產生質變，形成相互協調的體系，進而完成成花作用[14]。

目前對于果樹、花卉等一些園藝性木本植物花芽分化的研究較多，而對于火柴頭、水花生等一些危害性草本植物花芽分化過程鮮有研究，而且，目前對雙子葉植物花芽分化的研究較為成熟，對于單子葉植物花芽分化研究較少。其實植物花芽分化雖然都會經歷同樣的幾個過程，但是具體引起成花的誘導因子、成花形態以及成花發育方式都有明顯區別。對于一般植物來說，光誘導作用是最明顯的刺激成花誘導因素[15]，但是不同植物感受光誘導的機制不同，園藝性木本植物大多是多年生的，在臨界花期感受光周期誘導之前，需要1個低溫春化的刺激作用，而園藝性花卉植物對春化作用不是很敏感，這種植物對光照度要求嚴格[16]，光照越強，花芽越容易分化，而且分化進程也越快，這一點與草本植物很相似。何井瑞研究火柴頭時發現，火柴頭的初花期一般發生在5—6月，花芽分化歷程大約為半個月，盛花期一般發生在7—8月，花芽分化歷程大約為1周，這說明火柴頭花芽分化也明顯受到光期調控，而且光照度越強，成花能力越強[17]。

花芽分化起始于植物芽軸的頂端，很難從外部形態準確地把握花芽分化的起始和不同時期。本研究用形態學解剖法對大量火柴頭幼苗莖節生長點處不同葉芽進行解剖，初步得到花芽分化各時期的始末時間，再用石蠟法連續切片得到火柴頭花芽分化期間的形態變化過程，找出與葉生長的同生關系，對從形態上準確判斷火柴頭花芽分化的過程和時期有重要的參考價值。

花芽分化開始時生長錐伸長，表面積變大，表面數層細胞分裂加速，產生皺褶，在本該形成葉原基的地方產生了胞質濃厚的花原基，在花原基上又分化出各器官原基。一般來說，當花芽內不再進行花器官的分化時，花芽分化結束。不同植物花芽分化發育形態各異，張立莎對多年生木本仁果類植物蘋果樹花芽分化研究發現，花芽分化順序是花序原基、花萼原基、花瓣原基、雄蕊原基、雌蕊原基[18]；張智等對多年生木本核果類植物桃樹花芽分化研究發現，分化過程與蘋果樹相似，就是缺少花序原基形成期，這與植物本身花器官組成特征有關[19]；楊小明等對2年生園藝性植物甘藍花芽分化研究發現，其花芽分化與木本植物相比差異明顯，分化初期生長錐膨大，中心凸體周圍產生3～5個小圓凸體，之后在生長點周圍又形成1圈圓突群，最后由圓突群形成花蕾雛形，隨后花柄伸長，花萼開始分化，與此同時，側芽也開始分化[20]；陶月良等對黃瓜花芽分化研究發現，其花芽分化有自身的特點，所有花器官原基發生完成后并不等于花芽分化的結束，其花芽分化在最初階段有著明顯的兩性特點，但最終會根據環境因素來選擇到底是哪種性器官可以繼續分化，也就是說黃瓜的花芽分化首先是兩性期，最后為單性期，至此花芽分化才結束[21]；賀丹等對一年生園藝性花卉植物牡丹、芍藥花芽分化研究發現，它們的花芽分化過程具有一定的相似性，分化順序是苞片原基、萼片原基、花瓣原基以及雌雄蕊原基分化期，苞片結構與木本植物也存在著差異[22]。查閱僅有的關于少數幾種單子葉植物花芽的研究可知，張丹丹等對多年生單子葉草本植物玉簪花花芽分化研究發現，其花芽分化過程分為形態分化前期、被片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期4個時期[23]；黃濟明等對多年生單子葉草本球根植物麝香百合花芽分化研究發現，其過程分為莖端未見分化、花原基形成、外層花瓣原基形成、內層花瓣原基形成和雌雄蕊形成5個時期[24]；王家艷等對單子葉草本植物細葉百合花芽分化研究發現，其過程分為6個時期，即未分化期、分化初期、小花原基分化期、花被原基分化期、雄雌蕊原基分化期、整個花序形成期[25]；安黎哲等對一年生草本植物番茄花芽分化研究發現，其分化規律也遵循由外到內、由下而上的原則，而且具體分化過程與本研究最為相似[26]。

本研究得到的火柴頭花芽分化順序：苞片原基、花序原基、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基和雌蕊原基分化期。從分化初期到萼片原基分化期，生長速度較慢；當進入萼片原基分化期后，發育速度明顯加快，尤其是性器官的分化速度最快，雌雄蕊原基近于同時發生。在營養生長階段，真葉數及大小直接影響第1花序分化的早晚，真葉面積影響著花芽分化的數目與花芽質量；花芽開始分化后，頂芽最先分化，頂芽兩側的上位側芽隨即也開始分化，一般當第1花序的花蕾成形時，其側芽開始形成花序，如此反復分化，可以形成頂芽的2～4個花苞，從而過渡到盛花期。

關于火柴頭的雄、雌蕊原基分化界限不明顯的原因，可能是其花芽分化總歷程較短，致使分配到這2個時期的時間極少，這也體現在整個花芽分化過程由慢到快的節奏上。火柴頭從4葉期開始進入分化初期，營養生長錐開始向生殖生長錐過渡，分生組織細胞不斷積累，形成所需的營養物質，到6葉期基本完成花芽分化。van Meulebroek等認為，在此過程中8種主要的植物激素（生長素、赤霉素、脫落酸、茉莉酸、水楊酸、玉米素、N-芐基腺嘌呤和油菜素內酯）是植物花芽分化重要的信號分子[27]；馮慧等認為，細胞分裂素的存在會促進荔枝花芽的分化，荔枝花芽在進入花序原基形成期及花序軸形成期后細胞分裂素含量會逐漸增加，到花器官形成期達到高峰，而雌雄蕊形成期的細胞分裂素含量較低[28]；王姍等發現，在鳳梨花器官發育時，赤霉素含量上升，脫落酸、玉米素含量處于正常水平，在其花芽誘導期，脫落酸、玉米素含量升高，低水平的生長素、赤霉素促進其花芽的誘導，而相對較高的生長素、赤霉素含量利于其花形態的建成[29]。因此，可以推測火柴頭雄、雌蕊原基分化時期的界限不明顯可能與細胞分裂素、玉米素、赤霉素等激素含量的變化有關，具體原因有待進一步研究。

花芽分化是有花植物發育中最為關鍵的階段[30]，通過了解植物花芽分化的機制，對合理制定栽培措施、合理進行花期調控以及徹底根除開花結實能力強的危害性植物等都有重要意義，闡明火柴頭初始花芽分化進程與葉生長的同生關系，有助于確定控制該雜草的有效手段，減少其危害和損失。

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