貴州引種香榧(雌)雄球花發育及小孢子發生研究

任少華, 張馳強, 周鑫偉, 王 陳

(貴州省植物園, 貴陽 550004)

香榧(TorreyagrandisFort. ex Lindl. cv. Merrillii)系紅豆杉科榧樹屬,雌雄異株,是經人工培育的我國特有珍稀干果,集果用、藥用、油用、材用、綠化等一體的綜合性經濟樹種,浙江、安徽、江西、湖北等地為主要種植區。目前,香榧的相關研究主要集中在食用、品種選育、轉錄組測序、病蟲害防治[1-5]等領域。余象煜等[6]、湯仲塤等[7]雖然在生殖生物學方面做了相關研究,但貴州省作為香榧引種地,對于引種后的雄球花發育規律等未見相關報道。

有性繁殖是香榧人工造林、雜交育種等的主要方法之一,由于香榧雌雄異株,種子有深度休眠現象,并且樹體童期較長[8-9],現香榧多以人工嫁接繁殖為主,但是嫁接所用接穗常從少數具有優良性狀的植株采集,繁育苗木易出現共祖現象,削弱種群間遺傳多樣性。

因此,本研究以香榧基地的優良植株為試驗材料,采用石蠟切片技術,以引種后的香榧小孢子葉球發育和小孢子的發生為研究區域,擬探討香榧雄株在引種地的開花特征,為其生殖生物學、生殖期管理以及今后的雜交育種研究奠定基礎[10-11]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和試驗地概況

試驗材料為貴州省植物園香榧良種采穗圃內的優質雄株。貴州省植物園位于貴陽市北郊7 km處鹿沖關,地處中亞熱帶,地理位置為北緯26°34′,東經106°42′,海拔1 210～1 411 m。年平均氣溫為14 ℃,最冷月1月份平均氣溫4.6 ℃,極端最低氣溫-6.4 ℃,最熱月7月份平均氣溫23.8 ℃,極端最高氣溫32.1 ℃,年平均降水量1 200 mm,年平均相對濕度80%,無霜期289 d,全年日照時數1 174 h。園區土壤有成土母巖為白云質石灰巖、砂巖發育的黃壤,pH值為5～7。

1.2 試驗方法

香榧小孢子葉球外觀形態觀測,對試驗所選樣株進行觀察,記錄其生長、發育過程。

樣本采集。小孢子葉球首次出現后,每月采集觀測株不同方位,生長良好的10～15個小孢子葉球。花芽分化與小孢子發生早期,每3 d采樣;減數分裂期,每天采樣。帶回實驗室后,放入冰箱4 ℃保存,備用。運用常規切片制作方法制作石蠟切片,水洗。番紅固綠染色,制作中性樹膠封片,顯微鏡鏡檢,利用相機(日本尼康,NIKON DS-U 3)采集圖像。

2 結果與分析

2.1 小孢子葉球生長、發育

經試驗觀測發現,香榧在5月中下旬至6月初形成小孢子葉球(圖1 A),一般長在一年生的嫩枝上,從葉腋中凸起,大小約2 mm。7月下旬至8月下旬,花枝上小孢子葉球開始發育(圖1 B),頂端變圓,但仍被芽鱗緊裹,苞片與芽鱗界限明顯,但體積仍然很小,營養芽頂端較尖;9—12月為小孢子葉球生長旺盛期,鱗片分化結束,小孢子葉球中軸迅速伸長,在中軸由下而上分化小孢子葉原基(圖1 C、D)。至翌年2月中下旬,體積逐步增大,小孢子葉球從緊包的芽鱗中顯現(圖1 E)。3月中下旬至4月,小孢子葉球成熟,體積變化不明顯。小孢子葉球生長、發育過程中,其顏色由淺綠色逐漸變為淺黃色、黃褐色(圖1 F)。4月上、中旬發育為成熟花粉粒,花粉粒無氣囊,小孢子葉軸伸長,將成熟的小孢子囊推出,香榧開始散粉(圖1 G)。

注:A為小孢子葉球初現;B為小孢子葉球開始發育;C、D為小孢子葉球生長旺盛時期;E為小孢子葉球成熟時期;F和G為散粉期。

香榧雄球花發育周期可以分為花芽期、膨大現蕾期、變色期、成熟散粉期等幾個階段。 1) 花芽期:5月下旬至翌年2月上旬,由綠色芽鱗緊包的小孢子葉球,單生或頂生于當年生新枝葉腋,苞片包被。形態上,這個時期的小孢子葉球只是體積的變大。 2) 膨大現蕾期:2月中、下旬至3月中下旬,小孢子葉球開始生長,伸出苞片,膨大;小孢子葉球從緊包的芽鱗中顯現,當芽鱗松開后,呈放射狀分布的花蕾(即小孢子葉)裸露,小孢子囊出現,這一過程稱之現蕾。 3) 變色期:3月下旬至4月上旬,小孢子囊仍然緊密相連,而顏色由綠變黃,小孢子葉呈深綠色。 4) 成熟散粉期:4月上、中旬,緊接變色期之后,小孢子球全部變為黃色,小孢子葉相互分離,小孢子囊裂開,花粉完全成熟,隨即成熟散粉。小孢子球內的小孢子囊開裂,進入散粉階段。散粉期間,根據散出的花粉量多少,也可細分為3個時段。a初粉期:黃色小孢子球全部顯露,個別小孢子囊開裂,散出少量花粉。b盛粉期:全部小孢子囊裂口大開,散出大量花粉。c末粉期:花粉基本散盡,花枝上的小孢子葉球變為黃褐色,呈枯萎狀態。

小孢子葉球由9～20個、呈放射狀排列在中軸上的小孢子葉組成,外被苞片(圖2 A)。小孢子葉包含3～4個小孢子囊,排列在小孢子葉尖端(圖2 B)。

香榧小孢子葉球生長發育進程中,其外部的物候形態表征與內部花粉發育是相互對應進行的。

2.2 小孢子發生

香榧小孢子發生的過程如圖3所示。小孢子葉球原基發生在5月中下旬至6月上旬,小孢子葉球中軸及其基部的鱗片分化時期(圖3 A)。從此時起到8月上、中旬(圖3 B),鱗片分化結束,小孢子葉球中軸快速伸長,在中軸上由下而上分化小孢子葉原基,最初為一團圓形、細胞質很濃的分裂細胞。9月上、中旬小孢子葉原基迅速分化成小孢子葉,并于小孢子葉基部外側形成乳突狀花粉囊,其中充滿體型大、細胞質濃的造胞組織。9月下旬至10月上中旬造胞組織進行有絲分裂,形成大量花粉母細胞。10月下旬,花粉母細胞減數分裂,進入四分體初期(圖3 C),直到次年2月中、下旬均處于四分體時期(圖3 D;圖4),此時,花粉囊呈長橢圓形,絨氈層及1個小孢子葉的3～4個花粉囊清晰可見(圖5)。次年3月底,四分體分離,形成單核花粉(圖3 E、圖3 F),4月上旬,小孢子葉球開放,二核花粉粒全部形成,此時花粉囊的絨氈層已被大部分吸收,只留下藥室的外壁。

圖3 小孢子發生

注:A為四面體形四分體。

注:A為著生于小孢子葉頂端的小孢子囊(個數不等,3～4個)。

2.3 小孢子的形態觀察

從香榧小孢子的電鏡掃描圖像可以得出,成熟花粉單粒,近球形,直徑為22～27 μm,褶皺成三歧狀隆起,表面具有稀疏、大小不一的細瘤,無溝孔、無氣囊(圖6 Ⅰ～Ⅱ)。采集的同一地點不同單株類型小孢子在表觀上無明顯差異,表明一種植物花粉形態具有很強遺傳保守性。

圖6 小孢子的形態觀察

顯微結構:香榧成熟花粉呈橢圓形或圓形,有一個假萌發孔,顯微鏡下能看到兩層壁,外壁厚,內壁薄(圖6Ⅲ)。成熟花粉中含有少量淀粉,具二核(圖6 ⅢA);敗育花粉淀粉含量更多,花粉壁薄,僅具單核(圖6 ⅢB)。

2.4 大孢子葉球的形態觀察

如圖7所示,大孢子葉球生長發育完成時,傳粉滴出現,即雌球花發育成熟可以授粉。傳粉滴膨大至飽滿球形時為大孢子葉球的最佳授粉狀態。若授粉時溫度低于14 ℃,傳粉滴會回縮,待授粉區域溫度回升,傳粉滴會再次吐露。

注:Ⅰ為3月22日生長狀態;A為假種皮;B為珠被;C為珠心;Ⅱ為4月17日生長狀態。

3 小結與討論

對貴州引種后的香榧雄球花(小孢子葉球)發育周期有了較清晰的認識,對雄花各個生長階段的外部形態和顯微結構有較準確的掌握:當年5月中下旬,一年生嫩枝上形成小孢子葉球原基,以造孢組織即鱗片緊緊包裹的形態越冬。在花芽發育過程中如遇不良氣候條件,若越冬期間遭遇凍害等不良氣候影響,則易導致花粉敗育,敗育花粉可達40%以上[6]。9—12月小孢子葉球生長旺盛期,小孢子葉球中軸迅速伸長,肉眼可見體積逐步增大,至翌年2月中下旬,小孢子母細胞開始分化,小孢子葉球從緊包的芽鱗中顯現。3月中下旬至4月初,小孢子葉球成熟,體積變化不明顯。結合小孢子葉球內外結構分析,僅通過外部形態觀測即可了解香榧雄球花成熟時間[12]。

小孢子葉球生長、發育過程中,其外觀顏色從嫩綠色變至黃褐色。4月上、中旬發育為成熟花粉粒,花粉粒無氣囊,小孢子葉軸伸長、增粗,將成熟的小孢子囊推出,花粉成熟,小孢子葉球開始散粉。香榧雄球花整個生長、發育周期持續11個月左右。

通過對小孢子葉球外部形態與小孢子發育進程的對應關系展開研究,認為貴州引入地的香榧小孢子葉球原基早于原產地浙江等地出現。四分體多呈四面體結構。多年對香榧花粉采集時期的研究發現,花粉成熟后散粉時間很短,尤其是氣溫高、晴天會促進小孢子囊散粉。因此,花粉采集時間取決于小孢子葉球的顏色及開裂程度,天氣好時應抓緊時間采收,以備人工授粉使用。

經過試驗觀測可知,香榧雄球花早雌花2～7 d開裂散粉,待到雌花進入最佳授粉的盛花狀態時,雄球花已經進入末花期,花粉活性減弱、花粉量大大減少,從而降低授粉率。再者貴州省處于香榧產業發展初期,主要側重產業的規模、香榧成年母樹的產量以及栽種后所帶來的綜合效益,故香榧從業者在種植香榧時極易出現雄株少雌株多的局面,雌雄株配置比例不當,使得授粉用花粉數量遠遠不能自給。由此,需要人工干預輔助授粉,進而提高香榧授粉率和坐果率。

觀測過程中發現,成熟花粉遇水或以水作為溶劑的液體,其內壁能迅速膨脹,在赤道區膨脹更顯著,幾秒鐘內,外壁在中間一處破裂,并迅速脫離花粉。在脫離過程中,外壁收縮成突起,常被誤認為是花粉發芽。下一步將對香榧有性生殖中雄配子體發育等展開研究。