草莓屬及其近緣屬植物的花粉形態(tài)電鏡觀察

韓柏明，趙密珍，王 靜，于紅梅

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所，南京 210014）

草莓屬薔薇科草本植物。全世界草莓屬（Fragaria）約20個(gè)種，由一系列二倍體、四倍體、六倍體和八倍體種構(gòu)成，其中僅一個(gè)種作為栽培種即八倍體的鳳梨草莓（F.xananassa），起源于美洲種弗州草莓（F.virginiana）和智利草莓（F.chiloensis）的自然雜交，草莓屬植物在其演化過(guò)程中經(jīng)歷一系列的多倍化和自然雜交過(guò)程[1]。

花粉是植物攜帶遺傳信息的雄性生殖細(xì)胞，花粉形態(tài)相對(duì)于植物的其他形態(tài)學(xué)標(biāo)記受環(huán)境條件的影響很小，花粉形態(tài)在進(jìn)化上屬較為保守的性狀，花粉大小和表面形態(tài)特征常常被用來(lái)作為植物分類、鑒定、系統(tǒng)演化和親緣關(guān)系的參考依據(jù)[2]。通過(guò)對(duì)花粉形態(tài)的觀察，可直接比較花粉形態(tài)的差異來(lái)探討植物種間分類、系統(tǒng)演化和栽培品種的鑒定[3-5]，也可對(duì)花粉形態(tài)進(jìn)行數(shù)量化處理，通過(guò)對(duì)花粉形態(tài)的聚類分析來(lái)判斷不同種、栽培品種之間的親緣關(guān)系[6-9]。關(guān)于草莓屬植物花粉形態(tài)學(xué)已有報(bào)道，Mass較早對(duì)草莓屬植物的花粉形態(tài)進(jìn)行觀察[10]。葛會(huì)波發(fā)現(xiàn)草莓屬植物的花粉大小與倍性有關(guān)[1]。時(shí)翠平根據(jù)草莓屬四個(gè)二倍體種的花粉形態(tài)特征推測(cè)其親緣演化關(guān)系[11]。張運(yùn)濤觀察四個(gè)草莓栽培品種花粉形態(tài)[12]。本研究應(yīng)用掃描電鏡對(duì)草莓屬及其近緣屬植物進(jìn)行花粉形態(tài)觀察，分析草莓屬植物及其近緣屬植物花粉形態(tài)差異，并根據(jù)花粉形態(tài)特征進(jìn)行聚類分析，從花粉形態(tài)數(shù)量化分類方面探討草莓屬及其近緣屬植物的親緣關(guān)系，為草莓種質(zhì)資源的分類和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料來(lái)自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所國(guó)家果樹(shù)種質(zhì)草莓資源圃，包括草莓屬（Fragaria）野生種、栽培品種和自然五倍體材料以及1份蛇莓屬材料蛇莓（Duchesnea indica）共20份試驗(yàn)材料（見(jiàn)表1）。

表1 試驗(yàn)材料Table1 Strawberry samples used in the experiment

1.2 方法

2011年3～4月，從飽滿尚未開(kāi)放的花蕾取花藥，置于硫酸紙上自然陰干后去除花藥壁，將草莓花粉包裝好放入干燥皿中保存?zhèn)溆?。掃描電鏡觀察在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心電鏡室進(jìn)行。將干燥花粉分別均勻散布到粘有雙面膠帶的樣品臺(tái)上，用日立E1010離子濺射儀中鍍膜后，在日立S-3000掃面電鏡下觀察并拍照。測(cè)量極軸長(zhǎng)、赤軸長(zhǎng)、條脊寬、條脊距、萌發(fā)溝長(zhǎng)，每種花粉測(cè)量20粒，取平均值。

應(yīng)用DPSv7.05專業(yè)版統(tǒng)計(jì)軟件，根據(jù)極軸長(zhǎng)、赤軸長(zhǎng)、條脊寬、條脊距、萌發(fā)溝長(zhǎng)和條脊溝深淺等特征，對(duì)供試材料進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 花粉的形態(tài)和大小

由表2可知，草莓屬植物的花粉均呈長(zhǎng)球形（P/E值為1.92～2.26），不同類別花粉粒大小存在差別，極軸長(zhǎng)在26.22～34.49 μm之間，赤道軸長(zhǎng)在12.21～16.72 μm之間。草莓近緣屬植物蛇莓的花粉粒形態(tài)與草莓屬類似，但花粉粒大于草莓屬花粉粒（極軸長(zhǎng)41.92 μm，赤道軸長(zhǎng)20.89 μm）。包括栽培種鳳梨草莓、弗州草莓和智利草莓等八倍體草莓的花粉粒大于草莓屬二倍體和四倍體種的花粉粒，而草莓自然五倍體材料的花粉大小與八倍體草莓相近。

2.2 花粉的萌發(fā)器官

草莓屬植物具有3條萌發(fā)溝（見(jiàn)圖版Ⅰ-1～9；Ⅱ-1～10），從花粉赤道面可觀察到1～2條萌發(fā)溝，極面可觀察到3條萌發(fā)溝，3條萌發(fā)溝沿著極軸方向以等間距分布，萌發(fā)溝幾乎延伸至兩極。草莓花粉屬Erdtman NPC系統(tǒng)中的N3P4C5類型。蛇莓屬花粉萌發(fā)孔形態(tài)與草莓屬類似（見(jiàn)圖版Ⅰ-10）。

表2 供試花粉的形態(tài)特征Table2 Morphological characters of pollens tested

2.3 花粉的表面紋飾

草莓屬植物花粉表面紋飾均由條紋組成，條紋走向大致與極軸平行。條紋長(zhǎng)短不一，不同種和品種之間在條紋寬和條紋距上存在一定的差別。其中二倍體草莓綠色草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-1）、蝦夷草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-2）、東北草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-3）、森林草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-4）以及四倍體草莓種傘房草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-5）和東方草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-6）等低倍性草莓條紋不明顯，表現(xiàn)為條紋寬度較小，條脊溝較淺；八倍體草莓弗州草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-8）、智利草莓（見(jiàn)圖版Ⅰ-9）和鳳梨草莓（見(jiàn)圖版Ⅱ-11～20）條紋明顯，表現(xiàn)為條紋較寬，條脊溝較深。而自然五倍體草莓介于兩者之間（見(jiàn)圖版Ⅰ-7）。另外，綠色草莓條紋之間有不規(guī)則孔穴（見(jiàn)圖版Ⅰ-1b），傘房草莓條紋上有小的突起（見(jiàn)圖版Ⅰ-5b），蝦夷草莓表面紋飾平行度較好（見(jiàn)圖版Ⅰ-2b）。

在八倍體草莓中，智利草莓條紋最寬，條紋較短（見(jiàn)圖版Ⅰ-9），而弗州草莓最窄，條紋較長(zhǎng)（見(jiàn)圖版Ⅰ-8），而栽培種鳳梨草莓介于兩者之間（見(jiàn)圖版Ⅱ-11～20）。相對(duì)于草莓屬植物來(lái)說(shuō)，蛇莓花粉表面紋飾更加零亂，條紋間距寬窄不一（見(jiàn)圖版Ⅰ-10）。

圖版I 草莓屬植物和蛇莓花粉掃描電鏡觀察Plate I SEM observation on the pollen morphology of the genus Fragaria and its related genus Duchesnea

圖版II 草莓屬植物和蛇莓花粉掃描電鏡觀察Plate II SEM observation on the pollen morphology of the genus Fragaria and its related genus Duchesnea

2.4 聚類分析

對(duì)19份草莓材料和1份蛇莓材料的聚類分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

在等值線8.5左右將一份蛇莓材料和19份草莓材料分為兩個(gè)組。在等值線5時(shí)，可將第Ⅰ類群分為兩個(gè)組，二倍體草莓東北草莓、森林草莓、綠色草莓、蝦夷草莓以及四倍體草莓種東方草莓和傘房草莓被聚為第一組；而同為八倍體的栽培種鳳梨草莓的10個(gè)品種和野生種弗州草莓、智利草莓以及自然五倍體材料被聚為第二組。與二倍體和四倍體草莓相比，自然五倍體草莓的花粉形態(tài)更接近于八倍體草莓，均表現(xiàn)為花粉粒較大，條紋較寬，條紋間距較大。在第一組中，東北草莓首先與東方草莓聚在一起，再依次與森林草莓、綠色草莓、蝦夷草莓聚在一起，最后與傘房草莓聚在一起。對(duì)10個(gè)草莓栽培品種的聚類很分散，親緣關(guān)系很近的品種全明星和春星、明寶和春香并未聚在一起。

圖1 花粉形態(tài)聚類Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of pollen morphology

3 討論

花粉是植物較為保守的器官?；ǚ坌螒B(tài)主要受基因控制，受環(huán)境條件影響較小，因此在植物分類和種質(zhì)資源的親緣關(guān)系研究中具有參考價(jià)值。草莓屬與其近緣屬蛇莓的花粉形態(tài)很相似，僅在花粉大小和表面紋飾上略有差別。通過(guò)對(duì)草莓屬部分野生種和栽培品種共19份材料花粉形態(tài)的比較研究表明，草莓屬花粉形態(tài)為長(zhǎng)球形，具有3個(gè)萌發(fā)孔，外壁紋飾為近似平行的條紋狀。不同種和品種在表面紋飾和花粉大小上有差異。葛會(huì)波研究表明，草莓花粉大小與倍性有關(guān)[1]。在本研究中，三個(gè)八倍體草莓種的花粉大小明顯比二倍體和四倍體草莓大，而在兩個(gè)四倍體種和四個(gè)二倍體種之間花粉大小差異不大。另外，八倍體草莓的條脊寬，條脊溝深，而二倍體和四倍體草莓的條脊窄，條脊溝淺。自然五倍體草莓花粉較大，條脊較寬，條脊溝較深，在形態(tài)上接近八倍體草莓。

花粉形態(tài)的聚類結(jié)果顯示東方草莓、東北草莓、森林草莓和綠色草莓的親緣關(guān)系很近，這與用形態(tài)學(xué)和分子標(biāo)記研究的結(jié)果相似[13-14]。同為八倍體的弗州草莓、智利草莓及其自然雜交種鳳梨草莓被聚在一起。自然五倍體草莓與3個(gè)八倍體草莓種聚在一起，而通過(guò)分子標(biāo)記的研究表明，自然五倍體草莓與東方草莓、東北草莓、森林草莓具有較近的親緣關(guān)系（數(shù)據(jù)另文發(fā)表）。通過(guò)對(duì)10個(gè)草莓栽培品種花粉形態(tài)的聚類分析結(jié)果表明，品種之間的聚類很隨機(jī)，系譜關(guān)系很近的品種并未聚在一起，如全明星和春星、明寶和春香在系譜關(guān)系上是親代和子代的關(guān)系，但通過(guò)花粉形態(tài)聚類不能聚在一起，這可能是由于花粉形態(tài)性狀具有復(fù)雜的遺傳特性有關(guān)，對(duì)種以下的栽培品種特別是像草莓栽培品種來(lái)說(shuō)，其起源和遺傳基礎(chǔ)均比較狹窄，花粉形態(tài)可能不適合用以判斷其親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。

本研究所觀察的花粉種類較少，今后應(yīng)進(jìn)一步采集更多種類的草莓屬以及蛇莓、委陵菜等草莓近緣屬植物的花粉，對(duì)草莓屬及其近源屬植物的花粉形態(tài)作系統(tǒng)觀察，為草莓屬及其近源屬植物的分類、鑒定和系統(tǒng)演化提供孢粉學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

草莓屬與其近緣屬蛇莓的花粉形態(tài)很相似。在草莓屬，花粉大小和表面紋飾和倍性有一定關(guān)系，八倍體草莓花粉較大，表面紋飾較深，而低倍體草莓花粉較小，表面紋飾較淺。在草莓屬，花粉形態(tài)的聚類分析適用于種之間親緣關(guān)系分析，而對(duì)栽培品種不適用。

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