茄果類、瓜類花芽分化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

劉 霞，張巍巍，魏 健，馮大領(lǐng)

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001)

0 引 言

植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大部分比較抽象，學(xué)生很難在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1]?；ㄑ糠只侵参飳W(xué)教學(xué)中較難理解的知識(shí)點(diǎn)，雖然實(shí)驗(yàn)過程中通過觀察棉花等植物的花芽永久制片可使學(xué)生對(duì)花芽結(jié)構(gòu)有一定的了解，但由于實(shí)驗(yàn)材料受季節(jié)影響且植物生長時(shí)期難以把握，花芽切片制作比較困難[2]，學(xué)生基本上只能觀察到花芽分化6個(gè)時(shí)期(花芽未分化期、花芽分化初期、(花序分化期)、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期和雌蕊原基分化期)中的1～2個(gè)時(shí)期，使學(xué)生不能充分理解其整個(gè)發(fā)育過程。因此，在花器官形成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)花芽分化過程的研究是非常有必要的。

花芽分化是有花植物發(fā)育的關(guān)鍵階段，同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜的形態(tài)建成過程[3]。當(dāng)莖端生長點(diǎn)感應(yīng)了特定的光周期和溫差，葉芽轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄑ浚罱K分化形成花或花序[4]?；ㄑ糠只瘶?biāo)志著植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L[5]，在生理和形態(tài)兩個(gè)方面都發(fā)生了重大改變。植物花的發(fā)育過程可分為開花過渡期、分生組織特征決定期、花器官發(fā)生期和花器官形態(tài)建成期4個(gè)階段[6]，而花芽分化期則跨越花器官發(fā)生期與花器官形態(tài)建成期兩個(gè)階段，由此可見花芽分化對(duì)于植物果實(shí)成熟的重要性。花芽分化的正常與否對(duì)花形成的正?；蚧斡兄匾绊?，從而進(jìn)一步影響成果率、果實(shí)的畸形與否以及果實(shí)品質(zhì)[7]，因此花芽分化的研究對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極為重要的作用[8]。

本研究通過對(duì)番茄(Solanum lycopersicum)、茄子(Solanum melongena)、辣椒(Cayenne pepper)、南瓜(Cucurbita moschata)、黃瓜(Cucumis sativus)的花器官分化的形態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行解剖觀察和比較分析，并對(duì)花芽分化時(shí)期進(jìn)行階段性分級(jí)，探明其花芽分化各個(gè)階段形成的時(shí)間以及各時(shí)期花芽分化的結(jié)構(gòu)特征，使學(xué)生充分理解花芽結(jié)構(gòu)及其分化過程，為植物學(xué)實(shí)驗(yàn)中花芽分化部分的教學(xué)提供材料，有利于發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和提高實(shí)驗(yàn)技能，也可為茄果類和瓜類生產(chǎn)中制定合理的栽培與管理措施提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)其花期調(diào)控和品種選育也具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

番茄品種名為粉圣；茄子品種名為黑茄冠；辣椒品種名為德國特大牛角；南瓜品種名為超甜蜜本—雜交一代；黃瓜品種名為新津優(yōu)1號(hào)—雜交一代。土壤為校園土壤和沙土以4∶1的比例配置。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與用具

體視顯微鏡為Moticam2306，3.0M Pixel USB2.0，自帶電腦觀察軟件Motic Images Plus 2.0 ML，具有采集窗Motic動(dòng)態(tài)成像模板。恒溫箱型號(hào)為pax-35°B，光照度12 000 lx，有效體積350 L，控溫波動(dòng)為±1 ℃。實(shí)驗(yàn)用具有32孔穴盤、不銹鋼托盤、培養(yǎng)皿、鑷子、解剖針、刀片等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 催芽與播種

將實(shí)驗(yàn)班分為5個(gè)小組，每組在茄子、番茄、辣椒、南瓜、黃瓜種子中任選一種。將種子平鋪于放好濾紙的培養(yǎng)皿中，注入適量蒸餾水(以剛剛沒過種子為宜)，并作好標(biāo)記。將培養(yǎng)皿放入無光照恒溫培養(yǎng)箱中，茄子30 ℃下浸種12 h，其他種子25 ℃下浸種6 h。浸種后倒掉水分，沖洗種子，只留下少量水分保持濾紙濕潤。因茄子種子需變溫催芽，則將恒溫培養(yǎng)箱調(diào)節(jié)為兩個(gè)周期(1為30 ℃，16 h；2為20 ℃，8 h)。其他種子25 ℃催芽，時(shí)間24 h。當(dāng)種子“露白”，在已經(jīng)滅菌的苗床(32孔的穴盤)進(jìn)行播種，再用塑料薄膜覆蓋，放置于向陽處。分別記錄種子名稱和播種時(shí)間。

1.3.2 觀察

在各植物子葉期、真葉期、小花蕾期、大花蕾時(shí)期分別取其頂芽或側(cè)芽各5個(gè)，放置于體視顯微鏡下，用解剖針解剖觀察其生長錐生長發(fā)育情況，并用計(jì)算機(jī)上Motic Images Plus 2.0 ML中采集窗Motic動(dòng)態(tài)成像模板觀察并且拍照記錄，如此重復(fù)3～5次，至能選出能明顯分辨出各自花芽發(fā)育級(jí)別的清晰圖像為止。

1.4 花芽形態(tài)發(fā)育分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

0級(jí)未分化期，生長錐上只有葉芽，沒有花芽，呈長圓錐形。

1級(jí)花芽分化初期，生長錐頂端逐漸增寬，其上有圓狀突起。

2級(jí)萼片花瓣分化期，花芽拉長，基部變細(xì)，芽頂變平，邊緣有明顯的小突起。

3級(jí)雄蕊分化期，花芽繼續(xù)拉長，呈圓形或長圓形，花柄及萼片明顯可見，已達(dá)到肉眼可見的小蕾程度。

4級(jí)雌蕊分化期，花器官發(fā)育完全，花蕾較大。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄的花芽分化

番茄子葉期莖芽端的生長錐呈長圓錐形，無花芽分化跡象，屬于花芽分化0級(jí)特征,見圖1(a)；出苗12 d后，肉眼可見第一片真葉，莖端出現(xiàn)1級(jí)特征，為花芽分化初期，生長錐頂端逐漸增寬，其上有圓狀突起,見圖1(b)；而在2片真葉期出現(xiàn)2級(jí)特征,見圖1(c);花基部變細(xì)，芽頂變平，邊緣有明顯的小突起，屬于萼片和花瓣分化期；在達(dá)到肉眼可見的小花蕾的時(shí)候，花芽繼續(xù)拉長，呈圓形或長圓形，花柄及萼片明顯可見，為雄蕊分化期，花芽分化達(dá)到3級(jí),見圖1(d)；大花蕾時(shí)進(jìn)入雌蕊分化期，花器官各部分分化完成，為花芽分化4級(jí),見圖1(e)。

2.2 茄子的花芽分化

茄子子葉期有花芽0級(jí)特征,見圖2(a);其生長錐長度短于番茄；1片真葉時(shí)出現(xiàn)1級(jí)特征,見圖2(b);之后部分出現(xiàn)2級(jí)特征,見圖2(c);而出現(xiàn)肉眼可見小花蕾時(shí)即為出現(xiàn)3級(jí)特征,見圖2(d);而大花蕾即有明顯的4級(jí)特征,見圖2(e)。

2.3 辣椒的花芽分化

辣椒子葉期展現(xiàn)花芽0級(jí),見圖3(a);之后在子葉期未出現(xiàn)真葉時(shí)出現(xiàn)1級(jí)特征,見圖3(b);當(dāng)出現(xiàn)4片真葉時(shí)達(dá)到2級(jí)特征,見圖3(c);出現(xiàn)肉眼可見小花蕾程度時(shí)出現(xiàn)3級(jí)特征,見圖3(d);而成長到大花蕾時(shí)即為出現(xiàn)4級(jí)特征,見圖3(e)。

(a) 0級(jí)

(b) 1級(jí)

(c) 2級(jí)

(d) 3級(jí)

(e) 4級(jí)

(a) 0級(jí)

(b) 1級(jí)

(c) 2級(jí)

(d) 3級(jí)

(e) 4級(jí)

(a) 0級(jí)

(b) 1級(jí)

(c) 2級(jí)

(d) 3級(jí)

(e) 4級(jí)

2.4 黃瓜的花芽分化

黃瓜為單性花雌雄同株，雄花多簇生，雌花單生。黃瓜子葉期出現(xiàn)花芽0級(jí)特征,見圖4(a);而出現(xiàn)1片真葉時(shí)出現(xiàn)1級(jí)特征,見圖4(b);兩片真葉時(shí)出現(xiàn)2級(jí)特征,見圖4(c);而肉眼可見小花蕾時(shí)即出現(xiàn)3級(jí)特征。由于黃瓜為單性花，雌雄異株，在3級(jí)特征出現(xiàn)的同時(shí)雌雄花的特征也顯現(xiàn)。3級(jí)雄花見圖4(d)，3級(jí)雌花見圖4(f);大花蕾期為4級(jí)特征，雌雄花分化更加明顯，雄花花芽4級(jí)見圖4(e)，雌花花芽4級(jí)見圖4(g)。

(a) 0級(jí)

(b) 1級(jí)

(c) 2級(jí)

(d) 黃瓜雄花花芽3級(jí)

(e) 黃瓜雄花花芽4級(jí)

(f) 黃瓜雌花花芽3級(jí)

(g) 黃瓜雌花花芽4級(jí)

2.5 南瓜的花芽分化

南瓜亦為雌雄同株，雄花出現(xiàn)較早，分布于基部，雌花出現(xiàn)較晚[5]。南瓜子葉期為花芽發(fā)育0級(jí),見圖5(a);當(dāng)南瓜幼苗出現(xiàn)2片真葉時(shí)進(jìn)入花芽發(fā)育1級(jí),見圖5(b);而當(dāng)出現(xiàn)4片真葉時(shí)出現(xiàn)2級(jí)特征,見圖5(c);小花蕾期,3級(jí)雌花見圖5(d1)3級(jí)雄花見圖5(f);大花蕾期,4級(jí)雌花見圖5(e1),4級(jí)雄花見圖5(g)。詳細(xì)分布見表1。

表1 不同植物花芽分化出現(xiàn)級(jí)別的不同時(shí)期分布表

注：“-”代表無其他級(jí)別出現(xiàn)

3 結(jié) 語

本研究中的茄果類和瓜類植物的花芽發(fā)育符合典型的花芽發(fā)育過程，均按照花萼、花冠、雄蕊、雌蕊的順序進(jìn)行分化。茄果類與瓜類中不同植物在不同生長時(shí)期，花芽分化階段不同。一般規(guī)律是在子葉期和1片真葉期為花芽分化的0級(jí)和1級(jí)，2～4片真葉期達(dá)到花芽分化2級(jí)，小花蕾期為3級(jí)花芽分化，大花蕾期為4級(jí)花芽分化。秦俊芬等[9]發(fā)現(xiàn)美洲南瓜(CucurbitapepoL.)雄花和雌花在最初的發(fā)育過程中均形成3個(gè)雄蕊，但雄花中沒有觀察到雌蕊的發(fā)育，而雌花有一個(gè)兩性階段，后期隨著雌蕊的發(fā)育，雄蕊逐漸退化，與我們的研究結(jié)果相似。而在甜瓜(Cucumismelo)的兩性花發(fā)育過程中，最早出現(xiàn)形態(tài)差異時(shí)，雄花原基體積快速增大，雌花和兩性花原基中心開始凹陷形成下位子房[10]，與黃瓜花芽的發(fā)育類似。影響花芽分化的因素很多，如環(huán)境及栽培方式[11-12]、溫度[13]，幼苗體內(nèi)氮素水平的高低[14]、激素水平[15-16]等。

(a) 0級(jí)

(b) 1級(jí)

(c) 2級(jí)

(d) 黃瓜雌花花芽3級(jí)

(e) 黃瓜雌花花芽4級(jí)

(f) 黃瓜雄花花芽3級(jí)

(g) 黃瓜雄花花芽4級(jí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生驗(yàn)證和鞏固理論知識(shí)的重要環(huán)節(jié)，相對(duì)理論教學(xué)更具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性，是植物學(xué)教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和創(chuàng)新能力以及提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要作用[17-18]。傳統(tǒng)的植物學(xué)實(shí)驗(yàn)幾乎全為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，因此，對(duì)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革越來越受到重視，出現(xiàn)了對(duì)多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[19]、數(shù)字切片的應(yīng)用[20]、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建[2]等多方面的研究。而基于“研究性學(xué)習(xí)”理念的課程改革是教學(xué)改革的重要方式，由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯啃詫?shí)驗(yàn)，使學(xué)生不僅僅只是簡單驗(yàn)證課堂理論知識(shí)，并且可以充分重視科學(xué)問題答案的不確定性[21]?；ㄑ糠只难芯啃詫?shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施在提高了此知識(shí)點(diǎn)教學(xué)效果的同時(shí)，也鍛煉了學(xué)生的科學(xué)研究思維和實(shí)驗(yàn)技能。