瓜爾豆花芽分化過程的形態(tài)解剖學(xué)研究

鄭群，呂國華，李天來，李格

（1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院園藝系，石河子832003；2沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜系／遼寧省設(shè)施園藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110161）

瓜爾豆（Cyamopsis Tetragonloba（L．）Taub）是一種起源于非洲熱帶或亞洲熱帶地區(qū)的作物，為豆科蝶形花亞科瓜爾豆屬的一個(gè)栽培種。種子胚乳中的半乳甘露聚糖膠廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、食品、炸藥、采礦、農(nóng)藥、石油、醫(yī)藥等領(lǐng)域，素有“王牌膠”之稱［1］。目前，國內(nèi)外關(guān)于瓜爾豆的研究主要側(cè)重于育種、栽培、病害防治及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用等方面［2－4］。瓜爾豆的花小，由苞片、花萼、花冠、雄蕊和雌蕊等部分組成，無限花序型，其特點(diǎn)是在大部分生長期間頂端分化組織不斷生長，可觀察到花從主莖第1個(gè)開花節(jié)向上，在葉腋中成總狀花序著生［5－6］。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，植株從第3或第4節(jié)開始開花結(jié)莢，平均結(jié)莢率不足10%。而花芽分化的時(shí)期、花芽分化和發(fā)育的狀況與結(jié)莢密切相關(guān)，因此，有必要對瓜爾豆的花芽分化特性進(jìn)行研究。有關(guān)豆科草本植物花芽分化的研究已有一些報(bào)道，不同豆科作物花芽分化和發(fā)育過程不盡相同。王福青等［7］將花生的花芽分化過程分為10個(gè)時(shí)期，成熟種子胚芽具有7個(gè)花序原基，雌雄配子體形成時(shí)間不同步。王慶亞等［8］研究認(rèn)為，小豆花序?yàn)閺?fù)總狀花序；花芽形態(tài)分化的進(jìn)程可劃分為7個(gè)期。巫朝福等［9］將綠豆的花芽分化過程劃分為7個(gè)時(shí)期，并劃定了每個(gè)時(shí)期的持續(xù)時(shí)間。韓燕來等［10］認(rèn)為小扁豆的主莖或分枝上某一節(jié)位第1朵小花開放以后，位于該節(jié)位以下各節(jié)位的小花，不論花芽分化到哪一個(gè)時(shí)期，都開始退化，而上部各節(jié)位的小花，隨著植株的生長，仍在繼續(xù)分化，末花期以后再開放的花，基本上都是無效花。但目前關(guān)于瓜爾豆的花芽分化的形態(tài)學(xué)研究，國內(nèi)外還未見報(bào)道。

本試驗(yàn)利用生物顯微制片技術(shù)，對瓜爾豆花芽分化和花器官形成過程進(jìn)行觀察，同時(shí)研究瓜爾豆花芽分化過程與植株形態(tài)特征的相關(guān)關(guān)系，旨在為瓜爾豆的育種、組織培養(yǎng)及高產(chǎn)栽培提供參考。

1 材料與方法

1．1 材料

實(shí)驗(yàn)所使用的瓜爾豆是由石河子大學(xué)園藝系從巴6號中選育出的無分枝的新品系SU－B5。

1．2 方法

選擇同時(shí)出土并且長勢一致的幼苗，自出苗至開花，每天取樣20株，記下葉片數(shù)。帶回實(shí)驗(yàn)室后，在Motic體視顯微鏡下觀察花序和小花的分化情況，并用Motic Images Advanced 3．2軟件進(jìn)行顯微測量。因瓜爾豆各萼片的長短不一，因此在測小花長時(shí)，是從萼片的基部至萼片或花瓣的閉合點(diǎn)。

從出苗至開花，每天另取20株的上胚軸，放入FAA固定液中，真空抽氣2～4h，固定24h以后轉(zhuǎn)入70%的乙醇中，4℃保存，備用。常規(guī)石蠟切片法制作切片，切片厚度為8～10μm，番紅、固綠或鐵礬蘇 木 精 染 色［12－15］，加 拿 大 樹 膠 封 片。 Motic（E221LED－E）生物顯微鏡觀察、拍照。

2 結(jié)果與分析

2．1 瓜爾豆花序的分化及特點(diǎn)

瓜爾豆的花序和花芽分化很早，在幼苗出土后的第2－3天即在第1基生葉的葉腋處形成花序原基（圖版Ⅰ－2、3），繼而在花序原基的四周形成小花原基（圖版Ⅰ－4）。但是，有10%～20%第1基生葉的花序在形成2～3個(gè)小花原基、小花原基分化出苞片和生長點(diǎn)后，苞片伸長，但生長點(diǎn)不再分化其它花器官而逐漸退化（圖版Ⅰ－5、6），或者沒有花序原基的分化。第2基生葉的葉腋處，從出苗后的第3－4天開始分化花序，第2基生葉及以上葉，每片葉的葉腋都能形成正常的花序（圖版Ⅰ－7～11）。同一花序，由基部的小花開始順序向上分化，不同花序由下部節(jié)位的花序向上部節(jié)位的花序分化。不同花序的小花分化既有連續(xù)性又相互重疊，當(dāng)出苗5d后，第一花序的第一小花的小花原基生長點(diǎn)增寬階段，第二小花的生長點(diǎn)已為球形、透明，第三小花正分化苞片；此期植株頂端生長錐已分化出第四片真葉，第三真葉的葉腋內(nèi)已分化出花序原基，第二真葉的葉腋已分化2個(gè)小花的苞片，第一苞片腋下的小花生長點(diǎn)呈黃綠色透明。不過，不同花序分化的小花數(shù)量差異很大，一般第一花序分化的小花數(shù)較少，第二花序次之，第三節(jié)位以上的花序分化的小花數(shù)量較多。瓜爾豆從出苗至現(xiàn)蕾需15－20d，從出苗至開花需25－30d，因環(huán)境溫度、光照條件、土壤水肥狀況等的不同而稍有差異。

瓜爾豆的花序?yàn)橐干偁罨ㄐ?，屬于無限花序類型，如果環(huán)境適宜，每個(gè)花序均可持續(xù)分化小花。單個(gè)花序，在第1朵小花開放時(shí)，可分化小花30～50朵（圖版Ⅰ－12）。在同一個(gè)花序上，基部小花開花結(jié)莢后，花序頂端仍能分化出新的小花，單個(gè)花序的開花期可持續(xù)1個(gè)多月。但每個(gè)花序的結(jié)莢數(shù)為1～12個(gè)不等，因環(huán)境條件和座莢節(jié)位的不同而不同［2］。

2．2 瓜爾豆花芽分化過程及其特點(diǎn)

2．2．1 未分化期

在播種后8d或出苗后2－3d之前，瓜爾豆尚未進(jìn)入花芽分化階段。此時(shí)頂芽生長點(diǎn)的寬度大于高度，呈扁而矮的形態(tài)。其周邊有小的葉原基發(fā)生（Ⅰ－1，Ⅱ－1），依次向外周生有不同發(fā)育階段的幼葉。

2．2．2 花序分化期

在出苗后2－3d，在第一葉的葉腋內(nèi)，花序原基開始分化。花序原基的生長錐與頂芽生長錐相比，更隆起且先端略寬。整個(gè)花序生長錐形似頂部半圓形的長方體，與主軸的橫軸平行（Ⅰ－2），花序軸的縱切面呈三角形（Ⅱ－2）?；ㄐ蚍只院?，縱向生長快于橫向生長，生長錐高大于寬，頂部呈半球形（Ⅱ－3）。

2．2．3 花器官分化期

2．2．3．1 苞片分化期

隨著花序軸的伸長，花序軸頂端漸變平變寬，在其四周的細(xì)胞分裂旺盛，逐漸生出2～3個(gè)苞片原基的突起（Ⅱ－4、5）。可見花序原基的分化要早于苞片的分化。

2．2．3．2 花原基分化期

隨著小苞片原基的進(jìn)一步增大，在其腋內(nèi)形成1枚花原基。在體視顯微鏡下，剛形成的小花原基黃白色、晶瑩透明、高明顯大于寬，呈長圓球形（Ⅰ－4、8），其縱切面呈圓錐形（Ⅱ－4、5）。

2．2．3．3 萼片分化期

苞片內(nèi)的花芽生長錐頂端變得平坦，并從側(cè)面產(chǎn)生萼片原基小突起，5個(gè)萼片原基呈輻射狀排列。5個(gè)萼片原基分化的早晚和生長速度不同，在遠(yuǎn)軸端的萼片最先分化，生長速度也最快，在整個(gè)小花發(fā)育期最長，其它4個(gè)萼片的分化和發(fā)育速度相當(dāng)（Ⅱ－6、7）。初期寬大于長，隨萼片原基增大，長逐漸大于寬。萼片分化后不久，各萼片的基部結(jié)合在一起形成萼筒。

2．2．3．4 花瓣分化期

花原基芽體的寬度進(jìn)一步變寬，在萼片原基內(nèi)側(cè)分化出5個(gè)與萼片相間排列的花瓣原基小突起（Ⅱ－8）。5個(gè)花瓣原基的分化也不同步，也為遠(yuǎn)軸端的兩片龍骨瓣最先分化?；ò暝只?，初期生長很慢，長和寬的增長小于萼片和苞葉原基的增長。

2．2．3．5 雄蕊、雌蕊分化期

在花瓣原基的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)多數(shù)雄蕊原基小突起，其中間漸漸隆起，形成一個(gè)體積較大的突起，此即為組成雌蕊的心皮原基（Ⅱ－9）。雄蕊原基和雌蕊心皮原基形成后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)繼續(xù)分化，此期延續(xù)時(shí)間較長?；ㄑ坷^續(xù)增大，芽內(nèi)雄蕊原基延伸，端部稍大，造孢組織出現(xiàn)。雌蕊心皮原基也相應(yīng)伸長。

2．2．4 藥隔和胚珠形成期

雄蕊原基急劇增長增粗，當(dāng)雄蕊增長到一定長度時(shí)出現(xiàn)藥溝，花藥逐漸明顯，可以辨清花藥和花絲。雌蕊出現(xiàn)柱頭、花柱和子房，并在子房內(nèi)部腹縫線側(cè)形成多個(gè)胚珠原基小突起（Ⅱ－10～12）。

2．2．5 雌、雄配子體分化發(fā)育期

2．2．5．1 花粉母細(xì)胞形成期

在花藥的縱切面上可以見到幾列排列整齊的巨核花粉母細(xì)胞，其染色深、沒有液泡，并逐漸在每個(gè)細(xì)胞的四周積累胼胝質(zhì)將各自分開（Ⅲ－1）。

2．2．5．2 大、小孢子四分體形成期

在花粉母細(xì)胞的胼胝質(zhì)外殼內(nèi)首先分裂形成2個(gè)細(xì)胞即二分體，包圍于共同的胼胝質(zhì)之中（Ⅲ－2），再進(jìn)一步分裂形成有4個(gè)多邊形的小細(xì)胞，即四分體，包圍于共同的胼胝質(zhì)之中，并且四分體細(xì)胞之間也由胼胝質(zhì)分開（Ⅲ－3～6）。小孢子進(jìn)入四分體時(shí)期后，細(xì)胞體積迅速膨大，細(xì)胞染色漸淡，核仁明顯，細(xì)胞核大、透明（Ⅲ－5）；至胼胝質(zhì)解體時(shí)，細(xì)胞的體積逐漸變小，染色質(zhì)集中成染色體，細(xì)胞變圓（Ⅲ－6）?？梢姡℃咦拥陌|(zhì)分裂方式屬于連續(xù)型。

在小孢子四分體初期，在胚珠中形成胚囊母細(xì)胞（Ⅲ－12）；胚囊母細(xì)胞經(jīng)兩次連續(xù)分裂，其中一次為減數(shù)分裂，在小孢子四分體解體前形成4個(gè)排列成縱列的大孢子四分體（Ⅲ－13～15）。可見，大、小孢子的發(fā)育并不同步。

另外，在觀察中發(fā)現(xiàn)：在同一朵花中，同一個(gè)花藥的4個(gè)花粉囊的小孢子發(fā)育具有同步性，但不同花藥的發(fā)育狀態(tài)不一致，10個(gè)花藥的花絲，5個(gè)較長，另5個(gè)較短，長短交替排列，當(dāng)較長花藥已處于單細(xì)胞花粉粒階段時(shí)，而較短的花藥仍處于四分體后期。

2．2．5．3 花粉粒和胚囊形成期

單核花粉粒剛從胼胝釋放出來時(shí)為球形，不久即轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒旎ǚ哿５男螤睿潴w積并未增大，而是直接液泡化，核向細(xì)胞壁移動(dòng)，接著進(jìn)行細(xì)胞核分裂形成營養(yǎng)核和生殖核，生殖核再進(jìn)行一次核分裂形成三細(xì)胞的成熟花粉粒，成熟花粉粒為橄欖球形，有3條縱棱溝；從單核花粉粒至成熟花粉粒，花粉粒的壁逐漸加厚、染色漸深（Ⅲ－7～11）。在形成單核花粉粒的同時(shí)，靠近合點(diǎn)的大孢子進(jìn)行3次連續(xù)的核分裂形成8個(gè)細(xì)胞核，隨即在核間形成細(xì)胞壁構(gòu)成八細(xì)胞的胚囊，包圍于共同的胼胝質(zhì)中，為蓼型胚囊（Ⅲ－16～19）；成熟胚囊的囊腔特大，反足細(xì)胞退化，中間2個(gè)極核融合成1個(gè)大的次生核（Ⅲ－20）。此期經(jīng)歷的時(shí)間最長，約2周。

2．3 花芽分化和發(fā)育與小花大小的關(guān)系

花器官的分化與花蕾大小的關(guān)系見表1。

由表1可以看出，在藥隔和胚珠形成前，花蕾的橫向生長大于徑向生長，以利于各輪花器官的分化，并且花蕾大小的變化較小，從萼片分化至雌雄蕊分化，花蕾從0．103mm×0．104mm 增加到0．168 mm×0．214mm，其增加量很小，即器官的分化速度很快；藥隔和胚珠形成后，花蕾的徑向生長快于橫向生長，藥隔和胚珠形成期、花粉和胚囊母細(xì)胞形成期、四分體形成期、花粉粒和胚囊形成期、花粉粒和胚囊成熟期花蕾的縱／橫分別為1．23∶1、1．53∶1、1∶0．59∶1、1．62∶1和2．71∶1。

表1 花芽分化與花芽大小的關(guān)系Tab．1The relation between the differentiation of flower bud and bud size of guar

不同花器官的分化發(fā)育速度差異很大。從苞片分化至花原基分化歷時(shí)很短，不到1d的時(shí)間；從花原基分化至萼片的分化歷時(shí)較長，需時(shí)3d；萼片分化后，花器官的分化速度又變快，幾乎每天分化一輪花器官；進(jìn)入雌雄配子體發(fā)育期后，歷時(shí)較長，約2周（表1）。盡管各器官的分化具有順序性，但發(fā)育具有重疊性，在某一器官分化的同時(shí)，伴隨1個(gè)或數(shù)個(gè)器官的分化，各器官的體積大小受分化早晚和發(fā)育速度的影響，也受植株生長發(fā)育狀態(tài)和光合能力的影響。

3 小結(jié)與討論

通過實(shí)體解剖和石蠟切片觀察發(fā)現(xiàn)，瓜爾豆幼苗的花序和花芽分化早，當(dāng)幼苗出土3d后即開始花序的分化，至出苗的4d后即開始第一花序第一小花的分化，并且同一花序的不同小花之間，以及不同花序的小花之間的花器官的分化既有順序性又相互重疊，當(dāng)某一花序基部小花開始花原基分化時(shí)，該花序的第三小花、上位節(jié)花序的第二小花、上上位節(jié)花序的第一小花的苞片均已分化。

瓜爾豆是營養(yǎng)生長和生殖生長時(shí)期重疊的作物之一，出苗后4d，第一片真葉還沒展開前就開始花芽分化，約15d后進(jìn)入現(xiàn)蕾期，爾后繼續(xù)分化花芽和大量產(chǎn)生花莢，需要充足的養(yǎng)分。另外瓜爾豆具有無限生長習(xí)性，隨著莖尖不斷向上生長，在每片新生出的葉腋內(nèi)不斷形成新的花序。這種營養(yǎng)生長和生殖生長同步和形成眾多蕾、花、莢的生理特點(diǎn)，使其源、庫矛盾突出，植株易出現(xiàn)早衰，大量蕾、花、莢脫落，結(jié)莢率低。因此，需要充足的基肥，開花結(jié)莢盛期應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充追肥。

對瓜爾豆花芽分化的外部形態(tài)及內(nèi)部的組織分化的綜合研究表明，瓜爾豆花序?yàn)橐干偁罨ㄐ?；花芽形態(tài)分化的進(jìn)程可劃分為：未分化期、花序分化期、花器官分化期、藥隔和胚珠形成期、雌雄配子分化發(fā)育期等5個(gè)大的時(shí)期。瓜爾豆小孢子減數(shù)分裂類型為連續(xù)型；胚囊為蓼型胚囊，雙珠被，彎生胚珠，珠孔彎向柱頭一側(cè)（Ⅲ－13）。大、小孢子和雌、雄配子分化和發(fā)育的關(guān)系為；大孢子母細(xì)胞的分化始于小孢子四分體的初期；單核胚囊發(fā)生于單核花粉粒時(shí)期，雌雄配子體同時(shí)成熟，但大小孢子的減數(shù)分裂并非同時(shí)發(fā)生。

試驗(yàn)研究了瓜爾豆花器官的分化與植株生長和花蕾大小的關(guān)系，可為瓜爾豆的栽培管理和單倍體培養(yǎng)提供參考。

前人的觀察認(rèn)為瓜爾豆在具6、7片真葉后，在第二或第三復(fù)葉（第四或第五真葉）葉腋開始形成花蕾［1，5］，我們前期的田間試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)植株在第三節(jié)以上才開始結(jié)莢［2，16］。但是，本次研究發(fā)現(xiàn)，瓜爾豆80%以上的第一基生葉以及第二基生葉以上各節(jié)的葉腋內(nèi)都能分化花序和小花，因此，采取必要的技術(shù)措施使第一、二節(jié)的花序開花結(jié)莢，對瓜爾豆的早熟豐產(chǎn)具有重要的意義。

王福青等［7］觀察發(fā)現(xiàn)，花生成熟種子胚芽是一個(gè)完整的植株體，具有9條分枝及枝原基、7個(gè)花序原基、24片葉及葉原基。據(jù)我們實(shí)體解剖和石蠟切片觀察，雖然瓜爾豆的花芽分化很早，但成熟種子胚芽中并沒有分化花序原基，瓜爾豆的花序和花原基是種子萌發(fā)后發(fā)育的結(jié)果。

李曉梅等［17］研究認(rèn)為，對光周期反映敏感的晚熟大豆品種“自貢冬豆”在長日條件下會發(fā)生開花逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。瓜爾豆在原產(chǎn)地屬于嚴(yán)格的短日植物［1］，在新疆引種的瓜爾豆雖然經(jīng)過了多年選擇，但是在長日條件下是否也會發(fā)生開花逆轉(zhuǎn)、分化停漬、花粉敗育等現(xiàn)象？如果發(fā)生了這些情況，其對瓜爾豆產(chǎn)量的影響程度又如何？這還有待于今后研究證實(shí)。

圖版Ⅰ 瓜爾豆花序的分化發(fā)育過程Fig．ⅠThe process of differentiation and development of inflorescence

圖版Ⅱ 瓜爾豆的花器官分化過程Fig．ⅡProcess of flower organ differentiation of guar

圖版Ⅲ 雌雄配子的發(fā)育過程 （×640）Fig．ⅢThe development process of male and female gametes of guar（×640）

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