牛蒡繁育系統與花部特征研究

摘要" ［目的］了解牛蒡生殖特性，為其栽培育種提供理論基礎。［方法］通過野外觀察，運用異交指數（OCI）、花粉胚珠比（P/O）及套袋試驗等研究方法對大連地區遼寧中醫藥大學內牛蒡的花部特征及繁育系統進行研究。［結果］牛蒡群體花期一般為34～35 d，花期重疊，每年6月下旬開始到7月末結束，其花粉和柱頭具有活力且柱頭在全天都具有活力；OCI為4，P/O為5 666，異花授粉需要傳粉者，風對其傳粉作用不明顯；套袋試驗中自然套袋與自然對照均可結實，結實率分別為99.0%和69.5%，去雄去柱頭后套袋結實率為0，不具有無融合生殖特性。［結論］牛蒡具有異交特性且自花授粉可結實，風媒傳粉可能性小。

關鍵詞" 牛蒡；花部特征；繁育系統；雜交指數；花粉胚珠比

中圖分類號" S631.9" 文獻標識碼" A" 文章編號" 0517-6611（2024）05-0185-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.044

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Breeding System and Floral Syndrome of Arctium lappa

XING Yan-ping1， ZHAO Rong1，XU Liang1，2 et al

（1.School of Pharmacy， Liaoning University of Traditional Chinese Medicine， Dalian， Liaoning 116600;2. Liaoning Provincial Technical Service Center for Quality Monitoring of Traditional Chinese Medicine Materials， Dalian，Liaoning 116600）

Abstract" ［Objective］To understand the reproductive characteristics of A. lappa and provide theoretical basis for its cultivation and breeding. ［Method］Flowering syndrome and breeding system of A. lappa growing in Liaoning University of Traditional Chinese Medicine in Dalian were studied by field observation， outcrossing index （OCI）， pollen-ovule ratio （P/O） and bagging test. ［Result］ A. lappa population generally had 34-35 days of flowering period and overlapped flowering period. From late June to the end of July， pollen and stigma had vigor and the stigma had vigor throughout the day， OCI=4， P/O=5 666， cross-pollinators needed pollination， and the effect of wind on its pollination was not obvious. Both natural bagging and natural control were fruitful and the seed setting rate was 99.0% and 69.5% respectively. The setting rate of bagging at the emasculate and removing stigma of head was 0，it did not have apomixis characteristics. ［Conclusion］ A. lappa had the characteristics of cross-pollination and it also could self-pollination and fructification. And the possibility of wind pollination was low.

Key words" Arctium lappa;Floral syndrome;Breeding system;Outcrossing index （OCI）;Pollen-ovule ratio （P/O）

基金項目" 遼寧省百千萬人才工程資助項目（2021921039）；遼寧省科技廳項目（2020-MS-224）；國家自然科學基金項目（81874338，81773852）。

作者簡介" 邢艷萍（1986—），女，遼寧北票人，高級實驗師，博士，從事藥用植物資源鑒定研究。*通信作者，教授，博士，博士生導師，從事藥用植物資源評價和鑒定研究。

收稿日期" 2023-04-11；修回日期" 2023-06-01

牛蒡（Arctium lappa）為菊科（Compositae）植物，歷代本草記載，其果、葉、根均可入藥。牛蒡干燥成熟果實牛蒡子為我國傳統中藥，始載于《名醫別錄》［1］，具有疏散風熱、宣肺透疹、解毒利咽的功效，主要用于治療風熱感冒、咳嗽痰多、麻疹、風疹、咽喉腫痛、痄腮、丹毒、癰腫瘡毒［2］。牛蒡根具有多種活性成分，具有抗菌作用［3］。牛蒡葉中的主要成分綠原酸也具有抗菌作用［4］。此外，牛蒡肥大的肉質根可作蔬菜食用，葉柄及嫩葉也可食用［5］，具有豐富的營養和保健作用，是具有潛力的經濟作物。目前，藥用牛蒡子產于全國，不同產地藥材質量具有一定差異［4，6］，而且栽培牛蒡子藥材產量低，大面積種植牛蒡子處于虧損狀態。國內對于牛蒡的研究主要集中于栽培技術、藥理療效、藥材質量和鑒定等方面［7-12］，但關于牛蒡繁育系統與花部特征的相關研究鮮有報道，這是牛蒡品種改良和選育等的重要基礎。

植物繁育系統主要研究的是花的形態特征、花的開放式樣、花各部位的壽命、傳粉者種類和頻率、自交親和程度和交配系統，其中交配系統是核心［13］。目前多種藥用植物，如蒙古蒲公英、暗紫貝母、直緣烏頭花等的繁育系統已有報道［14-16］，這些研究是藥用植物開展有性雜交育種的理論基礎，可為人工選育新品種提供理論依據［17-18］。該研究通過野外觀察、套袋去雄等試驗對牛蒡的花部特征和繁育特性進行研究，旨在為牛蒡植物資源居群遺傳特性、栽培育種及質量控制等研究提供理論參考。

1 "材料與方法

1.1" 植物材料

供試的牛蒡為野生引種，栽種于遼寧中醫藥大學藥草園，約150株。2017、2018 年6—7月，選擇天氣晴朗的日期對生長健壯、無病蟲害的植株進行觀察和試驗。

1.2" 試驗方法

1.2.1" 牛蒡花部綜合特征研究。

1.2.1.1" 花設計特征觀察。

隨機選取10株牛蒡，標記30朵盛開的花序，記錄花序顏色、柱頭形態為羊角狀的單花顏色、柱頭和花藥的位置關系等，并用游標卡尺測量其花序直徑、花冠長度、子房長寬、雌雄蕊等長度。取新鮮的牛蒡花粉和花柱，其中花粉直接進行粘樣，花柱需在經2.5%戊二醛和1%鋨酸溶液中雙固定，0.1 mol/L磷酸緩沖液沖洗，乙醇梯度脫水，乙酸異戊酯置換，CO2臨界點干燥后再進行粘樣。花粉和花柱粘樣后進行噴金、觀察及拍照。

1.2.1.2" 開花動態研究。

對不同植株單個花序和單花進行觀測。標記不同的牛蒡植株20株，在花朵開放前每天觀察一次，開放當日每1 h觀察一次，對花朵花瓣伸展、花絲伸長、花藥開裂、花粉散出、花柱伸長以及柱頭形態變化等進行記錄拍照。

1.2.1.3" 開花物候觀測。

花期觀測主要觀測從開花到花閉時間。觀察120株牛蒡開花情況，花序以第一朵單花展開為開始開花到花序最內層最后一朵單花開放為開花結束。參照Barrett等［19］的方法，對牛蒡的始花期、花盛期、持續期和花末期進行記錄。

1.2.2" 繁育系統研究。

1.2.2.1" 花粉特性和柱頭活性。

花粉活力的研究通過0.4%氯化三苯基四氮唑（TTC）溶液染色測得［15］。花粉的采集：標記不同植株共10個花序，套上紗網，用于后續采集花粉。09：00—18：00每隔1 h采集一次花粉，進行染色觀察，每次每個處理分別取3個固定大小的視野統計，單次統計的花粉數不少于100個，重復3次。

花粉數量及散粉率計算參照朱更瑞等［20］的方法，計算出合生花藥中花粉的數量；散粉率計算時取羊角狀單花，將花藥部分切下，并測得花藥中花粉的數量。重復3次。

柱頭的可授性通過過氧化氫-聯苯胺法進行檢測［14］。在牛蒡盛花期，09：00開始每隔1 h分別取柱頭發育為羊角狀、“Y”字狀和棒狀的單花進行檢測，至18：00結束。

1.2.2.2" 異交指數（outcrossing index，OCI）。

按照Dafni［21］標準，統計并得出牛蒡的異交指數。

1.2.2.3" 花粉胚珠比（pollen-ovule ratio，P/O）。

取心皮在體視顯微鏡下解剖，統計胚珠數，重復20次。平均單花花粉量除以單花胚珠數得到P/O值。按Cruden［22］標準，得出其自交異交情況。

1.2.2.4" 風媒鑒定。

參照崔大練等［23］的重力玻片法對牛蒡風媒傳粉特性進行檢測。具體操作：選取處于盛花期牛蒡單株5株，株高55～60 cm，冠幅30～45 cm，在植株8個方位上，從根部開始每個方位放置4片涂有凡士林的載玻片，間距為20 cm，間隔1 d取回。重復3次。樣品在顯微鏡下統計花粉粒數。

1.2.2.5" 套袋試驗。

該試驗以自然花序為對照，對花期的牛蒡進行套袋處理。自然套袋：對未開放的花蕾直接套硫酸紙袋；去雄去柱頭套袋：在蕾期將花序的柱頭和花藥除去后套硫酸紙袋。每個處理重復10次，待種子成熟后，統計結籽率。

2" 結果與分析

2.1" 牛蒡花部特征研究

2.1.1" 花設計特征觀察。

牛蒡單株花序數量平均為123.0朵，頭狀花序直徑為1.26 cm，單個花序單花數為52.3朵，單花花冠管狀，花冠長為0.57 cm，子房長寬分別為0.35、0.18 cm，花柱高為1.79 cm，花藥長0.40 cm，花藥5枚聯合，柱頭與花藥距離為0.20 cm，柱頭高于花藥。在電鏡下花柱表面密布花柱毛（圖1a），沿花柱生長方向著生，內側分布柱狀乳突（圖1b），花粉粒顯微形態為近球形（圖1c），表面具刺，3孔溝，平均直徑為38.6 μm，直徑長度為37.8～40.2 μm，大小變異范圍較小。

2.1.2" 開花動態。在整個開花過程中牛蒡花柱頭未伸出花冠時為粉紅色，后期隨著花柱的生長和花藥的伸出表現為花藥部分為紫色，花冠粉紅色；單花花冠長度幾乎無變化；合生花藥紫色，將花柱包于內側，單花開放時花藥成熟，沿花柱一側開裂，花粉附著在花柱上，這種現象與蒲公英屬（Taraxacum）植物類似［23］；柱頭在單花開放后會繼續生長，形態呈棒狀至羊角狀（圖2），柱頭與花藥的距離會逐漸增大，黃白色花粉會分布在此處。花序無香氣，花序中單花從內到外逐層開放，逐層衰老萎蔫。

2.1.3" 花期觀測。

表1所示牛蒡在大連地區6月下旬初開始開花，盛花期在7月中旬，在7月下旬進入開花末期，少數植株花期可持續到8月末，但盛開的花序多為植株末端花序。單花從露粉到凋謝為2～5 d，平均為3 d，花序的壽命是2～5 d，平均3 d，單花與花序壽命隨溫度升高時間變短，在花末期其單花和花序壽命也會變短。整個種群的花期為34～35 d。群體中個體之間具有花期重疊的特征。

2.2" 繁育系統研究

2.2.1" 花粉特性和柱頭活性。

牛蒡單花花粉數量為5 666個，在柱頭狀態為羊角狀時，散粉率為89.4%，散粉較完全。染色結果顯示，牛蒡花粉09：00開始到18：00單花柱頭3種形態下的花粉均具有活力，且花粉活力較高，均在90%以上。

由表2可知，在09：00時，牛蒡柱頭在棒狀、“Y”字狀、羊角狀3種形態下均具有可授性（圖3），之后活力均有增強，在18：00之后活力消失，可見牛蒡具有雌雄同熟特征；羊角狀在全天可授性強于其他2種狀態，可能是由于該時期是柱頭生長最后時期，柱頭逐漸變長，不斷有新組織出現，有利于保持其活性。

2.2.2" 異交指數（OCI）。

牛蒡頭狀花序直徑為1.26 cm，雌雄同熟，柱頭與花藥距離為0.31 cm，雌雄異位，由此得出牛蒡的異交指數為4，根據Dafin［21］的標準，牛蒡在有性繁殖過程中以異交為主，部分自交親和，需要傳粉媒介。

2.2.3" 花粉胚珠比（P/O）。

牛蒡單花的花粉數量為5 666粒，胚珠為1個，P/O為5 666。根據Cruden［22］ 標準判斷可知，牛蒡為專性異交植物。

2.2.4" 套袋試驗。

牛蒡在自然、自然套袋、去雄去柱頭套袋狀態下結實率分別為99.0%、69.5%和0，具有顯著差異（Plt;0.01）。牛蒡去雄去柱頭不能結實，說明牛蒡不存在無融合生殖現象。自然植株結實率顯著高于自然套袋植株（Plt;0.01），說明牛蒡存在自交的繁殖方式，但可能由于自交親和性或者自交授粉限制導致結實率較低。

2.2.5" 風媒鑒定。

在冠幅之內花序下面單個載玻片上少數能收集到較多的花粉，多數載玻片上數量極少，離開植株的第4排以外的載玻片上均未收集到花粉，表明牛蒡花粉并未被風傳播較遠距離。在電鏡下花粉粒顯微形態為近球形，具脊，脊上具刺，花柱表面密布花柱毛，這一結構與蒙古蒲公英類似［23］，可能具有將花粉固定到花柱上的功能。

3" 討論與結論

花部結構及特征會對植物傳粉者的類型、活動規律以及植物傳粉機制產生重要影響［13］。牛蒡頭狀花序為鮮艷的紫色，單株花序數量大，同時散粉時具有大量的花粉，可以吸引昆蟲訪花。花粉表面具有脊和刺，易于黏附在訪花昆蟲身體上，完成傳粉，同時田間也觀察到大量昆蟲訪花。植物花期重疊這一特征也促進了對傳粉昆蟲的吸引，在植物群體中通常會集中開花，增加群體對昆蟲的吸引力，增加傳粉程度。但植物開花過多也會導致傳粉者的飽和，而導致后期的傳粉障礙［24-25］。牛蒡花期較長，雖然在盛花期開花數量最多，但是不同開花時期持續的時間相近，并沒有出現暴發式開花，這也可能是對昆蟲傳粉的適應機制。OCI檢測結果顯示牛蒡具有昆蟲傳粉的特性，風媒檢測結果也顯示風對牛蒡傳粉作用不明顯，由此可以推斷蟲媒為牛蒡的主要傳粉方式。

P/O、OCI和套袋試驗是檢測繁育系統的主要方法［26］，牛蒡的OCI和P/O檢測結果均顯示其屬于異花授粉植物，結合套袋試驗以及傳粉媒介檢測結果顯示，牛蒡屬于混合交配系統。此外，植物還可以通過自身的特征來影響自交，如雌雄異位、異熟等。牛蒡單花具有雌雄異位、花柱異長等異花授粉特征。同時，自花授粉植物的花部結構能夠使得花粉在不借助任何外力的情況下即能傳播到自花柱頭上［27］，牛蒡雖然雌雄幾乎同熟，柱頭生長最后彎曲成羊角狀時其柱頭可授性仍然很強，花粉也具有活力，但是從結構來看其單花無法在不借助外力的情況下接觸到自花花粉，但是套袋試驗說明牛蒡可以自主完成自交，可能是同一花序上單花互相接觸完成授粉，那么花序中開花較晚的單花授粉機會減少，可能也是導致其結子率低于自然對照的原因。通常情況下花粉形態在種內比較穩定，在花粉變異較大情況下會出現花粉敗育，如張遲等［28］對“甌柑”的研究，牛蒡花粉的大小形態較均一，具有活力和可育性，同時牛蒡不具有無融合生殖現象，說明牛蒡的種子繁殖為有性繁殖。

綜上所述，牛蒡屬于蟲媒花，混合交配系統，不具有無融合生殖現象。此外，牛蒡的花期為34～35 d，在每年的7月下旬至8月下旬。牛蒡花粉和柱頭在一天的時間內都具有活力，且活力較強。

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