木地膚的開花動態(tài)與花粉活力及柱頭可授性研究

郭紅超，嚴成，魏巖＊

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院 新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊830052；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

木地膚（Kochiaprostrata）為藜科（Chenopodiaceae）地膚屬（Kochia）的多年生小半灌木，廣布于歐亞大陸的干旱和半干旱地區(qū)，是中亞干旱地區(qū)適口性好、營養(yǎng)價值高的牧草品種，是牛羊愛吃的飼料之一［1－2］，具有較高的耐鹽和耐旱生長能力，對退化的鹽化土壤具有改良的潛力［3］。此外，木地膚還可以用作植被恢復的物種［4］。作為一種分布范圍廣泛、生態(tài)價值較高、飼用價值較好的優(yōu)良牧草，迄今為止國內外已有很多研究，但主要集中在形態(tài)［5］、營養(yǎng)器官的結構［6］、生態(tài)型［4］、飼用價值［7］、種子萌發(fā)［8－10］等方面；而對其花粉活力、柱頭可授性等方面的研究相對較少。

系統(tǒng)地了解植物花的性表達特征和繁育特性，是研究植物生活史的前提，也是開展相關研究的基礎［11］。適應傳粉要求是花部進化的根本動力因素之一［12］。在有性生殖中，植物花的性表達特征與傳粉者行為、傳粉機制和植物適合度間有著內在的聯(lián)系［13］，是植物在傳粉系統(tǒng)的選擇壓力下對環(huán)境適應的進化趨勢。研究植物花的性表達特征對于深入理解植物繁殖生物學特性以及植物物種的形成具有重要意義。本文從開花動態(tài)、花粉活力、柱頭可授性等角度對木地膚的開花和性表達特征進行研究，以揭示其繁殖生物學特性及其生態(tài)適應對策，為新疆荒漠地區(qū)飼用半灌木良種的繁育提供理論基礎，為受損生態(tài)系統(tǒng)的保護、恢復提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與研究區(qū)自然概況

木地膚根粗壯，通常多分枝，具一年生短的不育枝和長的生殖枝，葉互生，腋生短枝常數(shù)片集聚呈簇狀，花兩性，通常2～3朵集生于葉腋，排列在當年生枝條上部呈穗狀花序。

研究區(qū)位于新疆烏魯木齊雅瑪里克山，地處準噶爾盆地南緣，屬于低山礫質荒漠，植被類型為小半灌木荒漠小蓬群系，天然植被以小蓬（Nanophytonerinaceum）、散枝豬毛菜（Salsolabrachiata）、紫翅豬毛菜（Salsolaaf－finis）、木地膚為主，蓋度20%～30%。該地區(qū)屬中溫帶荒漠區(qū)，春秋季較濕潤，夏季干旱，熱量充足，冬季漫長而寒冷［14］。

1.2 研究方法

1.2.1 開花動態(tài)的觀察 野外觀察于2013年4月中旬—10月中旬進行。分別在3個種群中選取10株健康、長勢均勻的植株，定株觀察木地膚的開花動態(tài)：隨機選取10個穗狀花序，掛牌標記。從現(xiàn)蕾開始，每天觀察1次，直到花期結束。各花序中隨機選取5朵單花，雄蕊散粉當天每隔0.5h觀察1次，此后每天1次，直到果實成熟。每次觀測時記錄花蕾的變化、花序內花朵開放的順序、花序開放持續(xù)時間，單花花朵開放、花被片伸展、雌雄蕊的變化。

1.2.2 花粉和胚珠比（P/O）的測定 選取將要開放的花20朵取下花藥用1mol/L HCl水解去除藥壁制成10 mL花粉粒懸浮液，吸取5μL懸浮液用血球計數(shù)板計數(shù)花粉數(shù)，重復10次，統(tǒng)計每朵花的花粉量，因為每朵花僅有1個胚珠，故其P/O值即為每朵花花粉數(shù)。依據(jù)Cruden［15］的標準，P/O為2.7～5.4時，其繁育系統(tǒng)為閉花受精；P/O為18.1～39.0時，繁育系統(tǒng)為專性自交；P/O為31.9～396.0時，繁育系統(tǒng)為兼性自交；P/O為244.7～2588.0時，繁育系統(tǒng)為兼性異交；P/O為2108.0～195525.0時，繁育系統(tǒng)為專性異交；亦即P/O值的降低代表近交程度的升高，P/O值的升高表明遠交程度的上升［15］。

1.2.3 花粉活力的檢測 用MTT法測定花粉的活力和壽命［16］。具體方法是：在盛花期將當日開放的花朵取回，置于室內；將散粉后不同時間（0，4，8，12，24，48，72h）花朵的花粉置于載玻片上，同時將少量新鮮花粉置于載玻片上用酒精燈加熱殺死以用作對照；將1滴MTT蔗糖溶液（100mg MTT溶解在5mL 50g/L蔗糖溶液中）滴加到花粉樣品中，充分混勻，讓其風干后再重復置1滴MTT蔗糖溶液，干后在顯微鏡下觀察并統(tǒng)計著色花粉粒和未著色花粉粒的數(shù)目（每片花粉數(shù)＞500粒，重復10次，每次用3朵花）。若花粉變?yōu)樗{黑色則表明有活力，若變?yōu)辄S褐色或無變化則表明無活力。

1.2.4 柱頭形態(tài)特征觀察與柱頭可授性檢測 借助顯微鏡，觀察同一植株從柱頭初露至散粉后不同時間階段柱頭的形態(tài)特征。用MTT法測定柱頭的可授性［16］。具體方法是：在盛花期取柱頭初露至散粉后不同時間階段的柱頭各20個，置于凹面載玻片的凹陷處，每個樣品各加1～2滴 MTT蔗糖溶液（100mg MTT溶解在5mL 50 g/L蔗糖溶液中），充分浸透每個柱頭，約1h后觀察柱頭的顏色變化。若柱頭顏色呈深紫色，則顯示柱頭有活力，具有可授性；若柱頭顏色不變，則顯示柱頭無活力，已失去可授性。

2 結果與分析

2.1 木地膚的開花物候與開花動態(tài)

觀測結果表明，研究地區(qū)的木地膚花期為5月下旬到9月上旬，始花期為5月下旬，6月初進入盛花期，末花期8月初開始，整個花期為89d（5月26日至8月24日）。每個穗狀花序的花朵全部開放需60～80d，單花花期為11～13d。

木地膚穗狀花序的開花順序為：中上部→下部→頂部，位于同一生殖枝中上部的花序先開放，大約5～6d后位于同一生殖枝枝條下部的花序開始大量開放，最后是枝條上部的花序開放；側枝上的花序在主枝下部開花時開始開花，開花順序為自下而上；對于同一聚頭花序的小花而言，其開花順序則為由內向外開放，即中間小花先于兩邊小花開放。

同一枝條上的木地膚柱頭在雄蕊散粉前就已成熟并完成異花授粉，單花花期可分為雌性亞期和雄性亞期，雌性亞期為10～12d，雄性亞期為1d（圖1）。從現(xiàn)蕾到柱頭露出的時間為3～5d，柱頭露出花被片，開花過程進入雌性亞期；根據(jù)柱頭的形態(tài)變化可以將雌性亞期分為5個階段：柱頭露出、柱頭展開、完全展開、授粉、萎蔫，柱頭形狀從卷曲到伸展再到干枯萎蔫；柱頭完成授粉后，子房快速生長，小花在雌性亞期末期長大呈飽滿的橢圓球形，之后花被片開裂，原來卷曲的雄蕊從花被片中伸展出，開花過程進入雄性亞期。雄蕊露出苞片時間一般在8：30－10：30，露出時間隨溫度和濕度有所變化，溫度高時時間提前，濕度大時，時間推遲；雄蕊露出1h后，花被片外翻打開，此時有2～3個雄蕊的花絲伸直把花藥推到柱頭的外側上方，約1h后剩余的花絲也伸直，托出花藥，花藥開裂，花粉散出。散粉持續(xù)3h左右，花藥開裂后，殘留花藥壁不脫落，但顏色變暗褐色，散粉完畢后，花被片合攏，留有花藥殘壁的花絲合攏到花被片上方成束狀，花藥殘壁于第2天脫落，花絲于第3天脫落。野外觀察表明紅色花藥散粉時間一般比黃色花藥晚30～60min。

2.2 木地膚的花粉和胚珠比（P/O）

木地膚的P/O值見表1。從表1中可以看出，木地膚紅色和黃色花藥的單花花粉量為（61900±2106）～（64200±2511），兩者之間無顯著差異（t＝1.253，df＝4，P＞0.05）；木地膚胚珠數(shù)為1枚，因此，木地膚的花粉/胚珠比（P/O）為 （61900±2106）～（64200±2511）（表1）。

表1 木地膚的花粉/胚珠Table 1 Pollen－ovule ratio of K.prostrata

2.3 木地膚的花粉活力和壽命

木地膚雄蕊有紅、黃兩種顏色花藥，從表2可以看出在相同生境下，兩種顏色花藥剛散粉時（0h）花粉活力最高，達80%以上，72h后絕大部分花粉失去活力。相同生境下，不同顏色花藥的花粉壽命有明顯不同。黃花藥和紅花藥的花粉活力在剛散粉時（0h）無差異（t＝0.293，df＝8，P＞0.05），黃花藥的花粉活力在雄蕊散粉8h內維持在60%以上，之后迅速降低至10%以下，即花粉壽命約為8h；紅花藥花粉活力在雄蕊散粉后逐漸降低，散粉4h內維持在65%以上，之后快速下降，8h后已下降到30%左右，花粉壽命約為4h。

表2 木地膚的花粉活力Table 2 Pollen viability of K.prostrata %

2.4 柱頭的形態(tài)特征及其可授性

木地膚有紅黃兩種顏色柱頭，每種柱頭在雄性亞期又有紅黃兩種顏色的花藥，因此木地膚的花有4種不同的柱頭花藥組合類型，但以黃柱頭/黃花藥，黃柱頭/紅花藥居多。

木地膚開花時柱頭先從未展開的花被片中間伸出，此時柱頭呈抱合球狀，呈黃紅色和嫩黃色，經(jīng)檢測有弱可授性（表3）；6～7d后柱頭逐漸展開，呈淺紅色或黃色，顯微鏡下觀察柱頭乳突細胞明顯生長，有分支出現(xiàn)，可以捕捉到花粉粒，可授性較強，可以進行授粉；再經(jīng)過2～3d，柱頭進入完全伸展期，此時的柱頭呈雙叉天線狀，顏色為紫紅色或黃色，柱頭表面的乳突細胞最長，透明有活力（圖2），經(jīng)檢測，此時的柱頭可授性也最強，表現(xiàn)為剛加入MTT蔗糖溶液，柱頭就變?yōu)樽虾谏?，柱頭進入最佳授粉期；木地膚紅色和黃色柱頭的柱頭可授性變化趨勢是一致的，均在柱頭露出6～7d后有較強的可授性；8～10d后可授性最強，柱頭進入最佳授粉期，柱頭顏色也變深；10～12d后，柱頭完成授粉，乳突細胞失活脫水，柱頭萎縮干枯，顏色變暗，逐漸喪失可授性；雄蕊傳粉當天，花藥散粉后，隨著花被片的閉合，花柱枯萎，柱頭可授性迅速喪失（表3）。值得注意的是，在雄蕊散粉前沒有進行授粉的柱頭一直保持強可授性，直到雄蕊散粉后花被片閉合時隨花絲一起枯萎。

3 討論

植物在長期進化過程中產(chǎn)生了各種花的發(fā)育機制以促進異交，并使自交以及雌雄功能之間的相互干擾維系在最低限度。同時，雌雄蕊產(chǎn)生了許多適應環(huán)境的機制，這些機制與雌雄功能、花被發(fā)育及環(huán)境之間是相互適應的［17－20］。

表3 木地膚兩種顏色柱頭的可授性及其形態(tài)特征Table 3 Stigma receptivity and its morphology of the stigma of different colors of K.prostrata

圖1 木地膚開花進程組圖（以黃柱頭/紅花藥為例）Fig.1 Pictures of the flowering course of K.prostrata （The yellow stigma/red anther as an example）

圖2 開花過程中柱頭細胞及柱頭的形態(tài)和顏色變化（紅柱頭）Fig.2 Changes in the shape and color of stigmas in the process of flowering（Red stigma）

Knuth［21］首次提出了雌雄異熟現(xiàn)象。按照兩性功能出現(xiàn)的時間順序雌雄異熟可分為雌性先熟（protogyny）和雄性先熟（protandry），但是雌性先熟在促進異交方面更為有效，因為雌性先熟植物的柱頭成熟先于花藥，可以優(yōu)先接受異株植物花粉實現(xiàn)異交［22］。目前，發(fā)現(xiàn)在毛茛科、莎草科、木蘭科、十字花科、車前科、?？?、樟科、睡蓮科和玄參科等均存在雌性先熟現(xiàn)象［23－24］。風媒傳粉的植物大多存在雌性先熟現(xiàn)象［22，25］。Bertin和 Newman［24］調查發(fā)現(xiàn)，88.5%的風媒植物是雌性先熟，而其他傳粉方式的植物中只有34.8%具有雌性先熟。木地膚為小半灌木，屬風媒花植物，具有一系列適應風媒傳粉的生物學特征：花兩性，小型，不鮮艷，無花冠；具大量的花粉，P/O值大；柱頭呈雙叉狀，上有乳突細胞，便于捕捉花粉。木地膚在開花過程中具有雌性先熟的重要特征，柱頭在剛露出苞片時就具有可授性，隨著柱頭不斷長大變化，柱頭可授性漸強，柱頭可授期10～12d，最佳可授期3～4d，絕大部分柱頭在這一期間完成異花授粉過程，授粉完成后，同一枝條上的雄蕊才露出花被片，花藥裂開，并在一天內完成散粉過程。腎葉臭菘（Symplocarpusrenifolius）是具有雌性先熟的物種，單花花期為23.8d，其中雌性階段為9.2d，占開花時間的38.7%，較長的雌性階段為該物種增加異交機率提供了保證［26］。木地膚的單花花期為11～13d，其中雌性階段為10～12d，占開花時間的92.3%，所以，木地膚存在的雌性先熟機制可以為異交的繁育系統(tǒng)提供良好的保證。

花粉保持生活力時間的長短，一方面由遺傳基因所決定，另一方面也受環(huán)境因素的影響［27］，如茄（Solanum melongena）的花粉在夏季只能存活1d，在冬季則能維持3d；海棗（Phoenixdactylifera）的花粉活力可維持數(shù)月至1年，是花粉壽命最長的植物［28］，刺五加（Acanthopanaxsenticosus）長花絲植株的花粉活力比中花絲植株高，花粉活力及其下降快慢隨生境不同而有所差異［29］。本研究中，觀察到木地膚雄蕊在種群內有分化現(xiàn)象，有紅、黃兩種顏色的花藥。兩種花藥的花粉活力在雄蕊散粉之初都較高（＞80%），黃花藥能持續(xù)8h之后迅速降低，紅花藥比黃花藥晚開裂30～60min，只能維持4h，4h后花粉活力降到30%。植物花粉釋放和傳粉過程具有高度專一化和苛刻性［30］。短暫的花粉壽命使得木地膚必須具有高效的傳粉機制、大量的花粉，以及多樣化的傳粉媒介才能保證傳粉成功。木地膚兩種顏色花藥的高花粉活力以及開裂時間的分化一定意義上延長了花粉壽命，降低了雄性競爭，促進了花粉的輸出和成功授粉率，是木地膚對惡劣環(huán)境的一種適應機制。

柱頭可授性是有性生殖中最主要的環(huán)節(jié)之一，其可授期的長短直接影響花的授粉［31］。不同植物的柱頭可授期所持續(xù)的時間從幾小時到十幾天不等，單花期的長短、開花后的天數(shù)、1d內的不同時辰以及柱頭分泌物的有無等對其均有影響。如多枝檉柳（Tamarixramosissima）柱頭在花開放之前就已具有較強可授性，開花散粉時到開花后約4h可授性最強［32］，冷蒿（Artemisiafrigida）的柱頭保持活力在6d左右，并以開花后第23天的活力達到最高［33］。另外，柱頭的可授性與其形態(tài)特征之間也有密切的對應關系［34］。木地膚柱頭有黃紅兩種顏色，但柱頭可授性無差異。柱頭可授期持續(xù)時間長達11～13d，最佳可授期長3～4d，柱頭授粉后，柱頭萎蔫，柱頭乳突細胞失活，顏色變暗，兩種柱頭的顏色變化和柱頭可授性都有一定的相關性：隨著開花傳粉過程，柱頭顏色從淺到深再到暗黑，柱頭可授性也相應從弱到強再到喪失。需要注意的是，雄蕊散粉當天個別未完成授粉的柱頭仍保持強可授性，直到雄蕊散粉結束。這從一定意義上延長了柱頭可授期的長度，更重要的是和自花散粉發(fā)生短暫重疊，時間上具備了自交的可能，是否存在延遲自交現(xiàn)象還需要通過人工套袋授粉實驗和分子標記進一步證明。

Cruden［15］認為P/O值是兩性花植物中表示性比的有效方法，能較好地反映繁育系統(tǒng)的基本類型。木地膚的P/O值為61900～64200，依據(jù)Cruden［15］的評判標準，其交配方式應屬專性異交。一定的傳粉效率是風媒植物種群進行有效繁殖的關鍵。在不利的傳粉環(huán)境條件下，保障有性繁殖的資源投入，才能保障種群在惡劣環(huán)境中的遺傳變異性和進化適應潛力［35］。從木地膚的性表達特征看，較高的P/O值、高花粉活力、長時間的柱頭可授期以及雌性先熟特征為異花授粉提供了有力保障，使其在氣候惡劣的準噶爾荒漠環(huán)境中有足夠的花粉來進行有效傳粉，是木地膚適應荒漠環(huán)境保證其生殖成功的有效對策。

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