滇重樓花藥開閉運動的影響因子及細胞形態學調控機制探討

王艷芳+李戈+唐玲+楊春勇+李榮英

[摘要] 為了研究滇重樓花藥開閉運動的影響因子及細胞形態學調控機制，觀察花藥開閉運動現象與對應生態因子變化，設計不同光照、溫度、濕度試驗和人工淋雨試驗，觀察各因子對花藥開閉運動的影響，制作石蠟切片，觀察花藥開閉運動時細胞形態變化。結果表明花藥早開晚閉運動由外界生態因子調節，總體趨勢是高溫、強光、低濕利于花藥開裂，低溫、弱光、高濕利于花藥閉合。該實驗中，各生態因子對花藥開裂的影響從大到小依次為濕度、溫度、光照，各生態因子對花藥閉合的影響從大到小依次為光照、濕度、溫度，雨天雨滴的直接接觸導致花藥的快速閉合。從其細胞形態結構變化看，花藥早開晚閉運動就是一個花粉囊壁細胞失水開裂和吸水閉合的過程，推測不同光照、溫度和濕度條件引發了細胞內不同的生理活動，導致細胞滲透壓變化，進而導致花藥開裂或閉合。而花藥遇雨閉合是一個簡單的物理調節過程，雨點落在花藥上，直接浸泡花藥，導致花藥細胞滲透壓變化吸水閉合。

[關鍵詞] 滇重樓； 花藥開閉運動； 生態因子； 細胞形態學調控機制

[Abstract] In order to study the effect elements of anthers opening-closing movement of Paris polyphylla var. yunnanensis， and its cell morphology regulatory mechanism. Anthers daily opening in the morning and closing in the evening and its corresponding ecological elements changes were recorded. Different light， temperature， humidity experiment and artificial rainfall experiment were designed to observe the effect on anthers opening-closing movement， paraffin sections were made to observe the cell morphology change when the anthers daily opening and closing. The result showed that the movement of anthers daily opening and closing was regulated by ecological elements. The overall trend was high temperature and strong light， low humidity was favorable for anther opening， and low temperature， weak light， high humidity was favorable for anther closing. In this experiment， the effect of these ecological elements on the movement of anthers opening from strong to weak was humidity， temperature， light. The effect of these ecological elements on the movement of anthers closing from strong to weak was light， humidity， temperature. The direct contact of the raindrops causes the rapid closing of the anthers in the rain. Observing the cell morphology change when anthers opening and closing， it was a pollen sac dehydration and water-absorption process， different light， temperature and humidity conditions induce different physiological activities in the cell， which caused the cell osmotic pressure change， eventually resulting in anther opening and closing movement. But anthers closing caused by the rain was a simple physical adjustment process， the raindrops fell on the anthers directly， which caused anthers soaked water and change of the cell osmotic pressure， then resulting in anther closing.

[Key word] Paris polyphylla var. yunnanensis； the movement of anther opening and closing； ecological element； cell morphology regulatory mechanism

在重樓傳粉研究中，許多學者觀察到了重樓花藥遇雨閉合及每天早晨開裂傍晚閉合的現象，認為其在應對外界不良環境，提高雄性適應度方面具有重要意義[1-3]。筆者在西雙版納滇重樓傳粉生物學研究中發現，花粉可以在花藥上保存10 d以上，且花粉活力一直很高[4] 。由于滇重樓花被特化為條狀，對內側的花性器官無保護作用，滇重樓開花時正處在西雙版納雨季，花粉很容易被雨水從花粉囊中沖洗掉，正是由于花藥這種遇雨閉合的行為，延長了花粉在花藥上的存在時間，還可以保持花粉干燥，保證了花粉活力。另外重樓主要依靠蠅類傳粉[1] ，其只在白天活動，因此花藥夜間閉合不會影響傳粉，還可以將花粉保存于花粉囊內，減少了外界不良環境影響，延長了花粉在花藥上的存在時間和花粉活力。

遇雨閉合與花藥早開晚閉的影響因素及細胞形態學調控機制，關于這方面的研究近年正在開始，王定康等[5]報道花藥早開晚閉是由生態因子控制的，并認為高溫可以加速早晨花藥開裂，推遲傍晚花藥閉合，黑暗促使花藥閉合，光照促使花藥開裂，濕度對花藥開閉影響不大，花藥遇雨閉合是雨滴的作用。趙崢等[6]報道溫度是影響滇重樓花藥開裂時間的主導因子。那么光照和溫度因子對花藥開閉的影響程度究竟如何？濕度對花藥開閉毫無影響嗎？雨滴又是如何影響花藥閉合的？本研究詳細觀察了花藥早開晚閉的情況，及對應的生態因子的變化。在人工氣候箱設計了正交試驗，研究了光照、濕度、溫度對花藥開閉運動的影響程度。設計了人工淋雨試驗，觀察雨滴對花藥開裂的影響。通過石蠟切片觀察花粉囊不同開閉狀態時的細胞形態變化，說明調控花藥開閉運動的細胞形態學機制。意在解決以下幾個問題，各生態因子對花藥周期性開閉運動的影響程度；花藥遇雨閉合的影響因素；調控花藥開閉運動的細胞形態學機制。

1 材料

實驗地位于中國醫學科學院藥用植物研究所云南分所西雙版納州勐海縣種植基地，海拔1 215 m，年平均氣溫18.5 ℃，最冷月12.3 ℃，最熱月22.8 ℃，年降水量1 523.1 mm，年平均日照時數2 061.4 h。實驗材料選自種質圃中在云南勐臘縣引種栽培的滇重樓 Paris polyphylla Smith var. yunnanensis （Franch.） Hand.-Mazz種質。

2 方法

2.1 花藥開閉運動現象觀察 隨機標記20株在盛花期的滇重樓植株，連續3 d，每天早晨7∶30—9∶00，下午18∶30—21∶00每隔半小時記錄每朵花花藥開閉情況，和對應生態因子包括光照強度、溫度、濕度三者的變化，觀察花藥雨天的狀態。

2.2 各生態因子對花藥開閉運動影響的研究 采用L9（34）正交試驗，設計了光照、溫度、濕度3個因子、3水平對花藥開裂的影響，具體見表1。試驗在實驗室人工氣候箱進行，選擇開花盛期花朵，每組試驗4～6朵花，重復3次，試驗時間1 h。其中光照和溫度條件由人工氣候箱自動調節；20%～30%濕度條件由放入氣候箱的干燥劑調節，另2個濕度條件由放入氣候箱的微型加濕器調節。

2.3 人工淋雨試驗對花藥閉合的影響 設計了人工淋雨試驗，觀察花藥在直接淋雨與有避雨措施情況下的閉合情況，淋雨環境由小型氣霧噴壺產生。

2.4 調控花藥開閉運動的顯微機制研究 制作石蠟切片，觀察花藥不同開閉狀態時顯微結構，研究形成調控花藥開閉運動的細胞形態學調控機制。

3 結果與分析

3.1 花藥開閉運動觀察 滇重樓單花頂生，柱頭由5～8個棒狀裂瓣組成，雄蕊群基數一般為柱頭裂瓣基數的2倍，圍繞子房與柱頭生長。每個花藥由4個花粉囊組成，中間藥隔膨大將花粉囊兩兩隔開。重樓花期，每天早晨7∶30—9∶30，2個相鄰花粉囊之間開始開裂，裂縫從花粉囊中間或頂端延伸至整個花粉囊，花粉囊壁慢慢外卷直至貼合藥隔，花粉在花藥開裂后完全暴露在了空氣中；下午18∶30—21∶00，花粉囊壁離開藥隔，慢慢收攏，直至閉合成2個完整花粉囊，花藥的這種周期性早晨開裂與傍晚閉合行為貫徹整個花期。當白天遇到下雨時，花藥也會根據雨量大小在幾到十幾分鐘內閉合，雨過天晴后花藥會再次開裂，見圖1。

每天早晚花藥開率變化情況，及對應生態因子光照、溫度、濕度變化情況見圖2。早上7∶30—9∶30時段，花藥完成開裂，對應光照變化范圍為2 290～6 390 lx，溫度變化范圍為18.8～26.2 ℃，濕度變化范圍為89%～69%。晚上18∶30—21∶00時段，花藥完成閉合，對應光照變化范圍為2 460～0 lx，溫度變化范圍為30.7～23.2 ℃，濕度變化范圍為51.3%～73.3%。花藥早開晚閉運動與早晚生態因子光照、溫度、濕度變化同步進行，總體趨勢是升溫、加光、降濕利于花藥開裂，降溫、減光、加濕利于花藥閉合。

3.2 各生態因子對花藥開閉運動的影響 各因素水平下，花藥的開閉率差異明顯，總體趨勢是高溫、強光、低濕利于花藥開裂，低溫、弱光、高濕利于花藥閉合，與室外觀察結果一致，見表2。

極差分析表明，在各因素設定的水平范圍內，各因子對花藥開裂的影響強度從大到小依次為濕度、溫度、光照，各因素水平影響強度順序為濕度20%～30%> 70%～80%> 95%～100%，溫度30～35 ℃>20～25 ℃>5～10 ℃，光照3 000 lx>1 000 lx>0 lx。花藥開裂的最優水平組合為A3B3C1，即光照強度為3 000 lx，溫度為30～35 ℃，濕度為20%～30%，見表3。各因子對花藥閉合的影響強度從大到小依次為光照、濕度、溫度，各因素水平影響強度順序為光照0 lx>1 000 lx>3 000 lx，濕度95%～100%>70%～80%>20%～30%，溫度 5～10 ℃>20～25 ℃>30～35 ℃。花藥閉合的最優組合為A1B1C3，即光照強度為0 lx，溫度為5～10 ℃，濕度為95%～100%。

方差分析表明，光照、溫度、濕度3個因素均極顯著影響花藥開裂（P<0.01），光照、濕度2個因素極顯著影響花藥閉合（P<0.01），溫度對花藥閉合影響不顯著，見表4。

3.3 人工淋雨試驗對花藥閉合的影響 午間人工淋水試驗表明，花藥在直接淋雨環境下，會在5～10 min完成閉合，在遮雨不直接接觸水滴的情況下，雖然周圍環境濕度達到了100%，但花粉囊不會立即全部閉合，說明是雨滴的直接接觸導致花藥的快速閉合。

3.4 花藥開閉運動的細胞形態學調控機制研究 從花藥的切片看，完整花粉囊由3層薄壁細胞組成，內外2層細胞長條形，首尾相連，排列較整齊，細胞較小。中間層細胞長方形，細胞較大，在接近2個相鄰花粉囊之間時，細胞變小，各層細胞的細胞核均很

明顯。當花藥成熟，外界生態因子適宜花藥開裂時，花藥從2個相鄰花粉囊之間裂開，開裂后的花粉囊壁只剩下中間層較完整，其細胞脫水收縮呈緊密排列，胞內細胞核依舊明顯，此時花粉囊壁仍具有調節功能，當外界生態因子適宜花藥閉合時，細胞再次吸水完成花藥閉合，見圖3。

4 討論

4.1 各生態因子對滇重樓花藥開閉運動的影響 本實驗觀察到各生態因子對花藥開閉運動影響的總體趨勢是升溫、加光、降濕利于花藥開裂，降溫、減光、加濕利于花藥閉合。同時正交試驗表明，各生態因子對滇重樓花藥開裂和閉合2個過程影響程度不同，各因子對花藥開裂的影響從大到小依次為濕度、溫度、光照，且均極顯著影響花藥開裂（P<0.01）。各因子對花藥閉合的影響從大到小依次為光照、濕度、溫度，其中光照、濕度2個因素極顯著影響花藥閉合（P<0.01），溫度對花藥閉合影響不顯著。而王定康等[5]研究表明滇重樓花藥開閉主要有溫度和光照調節，濕度對花藥開閉影響不明顯，趙崢等[6]報道溫度是影響滇重樓花藥開裂時間的主導因子，推測造成這一結果與試驗時時間長短及設定條件有關，同時也說明各生態因子調節花藥開閉運動的復雜性。另外根據本實驗結果推測滇重樓花藥開裂與閉合可能是2個調控方式不同的過程，因此各因子對其影響存在差異。

4.2 滇重樓花藥開閉運動的細胞形態學調控機制 關于花藥開裂的細胞形態學機制研究較多[7-8]，花藥開裂有1個關鍵組織叫裂口組織，單細胞層，無細胞壁加厚，花藥成熟后，引發茉莉酸類激素調節花粉囊壁隔膜組織脫水，同時花粉囊壁上的水通道蛋白表達，K+離子及一些碳水化合物的次生代謝產物在水通道蛋白作用下進入花粉粒使其膨脹，對裂口組織產生壓力，使花藥開裂，有關花藥閉合的細胞形態學研究未見報道。

從本實驗滇重樓花粉囊壁細胞結構變化看，其花藥開閉運動是1個花粉囊壁失水開裂和吸水閉合的過程。與其他植物花藥成熟后開裂不同的是，滇重樓花藥成熟后，呈現的是一種周期性的開閉運動，由晝夜的光照、溫度和濕度條件變化引發，生物體的這種能夠感受外界條件的變化并對之積極的發生反應而呈現出各種活動狀態的屬性稱為感應運動。郁金香、番紅花可以感受溫度變化，使花瓣不同部位生長速度不同，呈現晝開夜合的周期性變化[9]。滇重樓花藥的這種感應運動機制未見報道，結合花藥細胞形態學變化，推測是光照、溫度和濕度條件變化引發細胞內不同生理活動，導致細胞滲透壓變化，造成細胞失水或吸水，進而導致花藥開裂或閉合，但具體機制如何，需要進一步試驗。

關于花藥遇雨快速閉合，推測其跟花藥晝開夜合復雜的生理活動調控不同，本實驗認為其更像是一個簡單的物理調節過程，雨點落在花藥上，直接浸泡花藥導致花藥細胞滲透壓變化吸水閉合，因此花藥遇雨閉合的速度與雨滴浸泡花藥的速度相關。

[參考文獻]

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[3] 王定康，孫桂芳，陳雪，等.幾種重樓屬植物花藥開裂和關閉現象的研究[J].安徽農業科學，2008， 36（9）：3709.

[4] 王艷芳，李戈，唐玲，等.西雙版納滇重樓傳粉生物學研究[J].中國中藥雜志，2013，38（17）：2773.

[5] Wang Dingkang， Sun Guifang， Wang Lifang， et al. A novel mechanism controls anther opening and closing in Paris polyphylla var. yunnanensis[J].Chin Sci Bull，2009，54（2）：244.

[6] 趙崢， 尹芳園，耿開友，等.生態因子對滇重樓花藥開裂的影響[J].廣西植物，2016，36（10）：1192.

[7] 丁澤琴，王志敏，牛義，等. 植物花藥開裂機制研究進展[J].中國蔬菜，2013（8）：12.

[8] 華水金，孟華兵，王學德，等. 植物花藥開裂的細胞學和分子生物學機制[J].細胞生物學雜志，2007（29）：389.

[9] 任海云. 植物的感性運動[J].植物學通報，1995，30（9）：30.

[責任編輯 呂冬梅]