紫花苜蓿根頸芽發(fā)育成枝過程中葉元的發(fā)生模式研究

方強(qiáng)恩，張勃，師尚禮

(草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

?

紫花苜蓿根頸芽發(fā)育成枝過程中葉元的發(fā)生模式研究

方強(qiáng)恩，張勃，師尚禮*

(草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

葉元由節(jié)、節(jié)間、葉器官以及葉腋下的側(cè)生分生組織組成，是植物莖枝生長發(fā)育的基本單位。本研究首次采用掃描電鏡技術(shù)，通過跟蹤觀察WL168紫花苜蓿根頸芽從萌發(fā)至孕蕾期頂端分生組織的微形態(tài)發(fā)育過程，初步探討了苜蓿葉元的發(fā)生發(fā)育規(guī)律。結(jié)果顯示，在苜蓿葉元發(fā)生過程中，復(fù)葉原基以向頂式的模式形成。腋芽原基和復(fù)葉原基均起源于頂端分生組織，但兩者并非同步生長，苜蓿葉元的發(fā)育過程由此表現(xiàn)出兩種模式：模式Ⅰ和模式Ⅱ。模式Ⅰ，復(fù)葉原基發(fā)育能力強(qiáng)，腋芽原基在側(cè)小葉原基形成后才出現(xiàn)，發(fā)育速度緩慢；模式Ⅱ，腋芽原基在托葉原基形成后便開始發(fā)生，相對模式Ⅰ發(fā)生時(shí)間提前，生長速度明顯快于復(fù)葉原基和生長錐。苜蓿根頸芽在返青出土前，其葉元以模式Ⅰ發(fā)生，出土后，轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ舰颉．?dāng)?shù)厣先~元數(shù)增加到16～17時(shí)，腋芽原基發(fā)育為花序，小花原基開始出現(xiàn)。分析表明，根頸芽葉元的發(fā)生由模式I轉(zhuǎn)向模式Ⅱ是苜蓿營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的標(biāo)志，苜蓿根頸芽在返青出土前已完成了其營養(yǎng)器官的發(fā)生，出土后即轉(zhuǎn)入成花過渡期。

紫花苜蓿；根頸芽；葉元；原基

高等植物的生長發(fā)育是由頂端分生組織(shoot apical meristem，SAM)不斷產(chǎn)生重復(fù)單位，即葉元(phytomer)(又稱體節(jié)metamer)的過程[1-3]。每個(gè)葉元包括兩類亞單位：節(jié)點(diǎn)亞單位(nodal sub-unit)和節(jié)間亞單位(internodal sub-unit)，前者產(chǎn)生側(cè)生結(jié)構(gòu)(包括葉片、腋芽)，后者形成莖結(jié)構(gòu)(cauline structures)[4]。植物結(jié)構(gòu)的這種重復(fù)發(fā)育模式，使得只需跟蹤觀察莖端分生組織的變化特征就能窺視其發(fā)育的全貌。在植物不同生長階段，雖然葉元中各組成部分(節(jié)間、葉和腋芽)的發(fā)育特點(diǎn)不盡相同[4]，但其“節(jié)-莖-葉連續(xù)體(node-stem-leaf contiuum)”結(jié)構(gòu)不會變化，它是植物內(nèi)在的自主性生理單元(autonomous physiological units)[5-6]。葉元所體現(xiàn)的這種拓?fù)鋵W(xué)特征，為研究植物生長規(guī)律提供了新的視角和手段[7-10]。

目前，研究者已通過葉元研究對水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)、大麥(Hordeumvulgare)、白三葉(Trifoliumrepens)等栽培植物的生長發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了探索，并獲得了很多有價(jià)值的成果[8,12-14]。Fournier和Andrieu[15]研究表明，玉米莖稈的生長進(jìn)程可劃分為4個(gè)階段，其中葉元長度變化和葉鞘的出現(xiàn)是階段1向階段2轉(zhuǎn)變的起始標(biāo)志。Sylvie和Jean[7]應(yīng)用葉元概念研究了水稻葉片和分蘗發(fā)生的同步性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)主莖和蘗枝的葉片同步發(fā)生，腋芽能否發(fā)育為蘗芽取決于其空間拓?fù)湮恢靡约爸髑o的發(fā)育階段。Kurihara等[11]研究發(fā)現(xiàn)，分析馬鈴薯(Solanumtuberosum)葉元的數(shù)量特征可以有效評價(jià)塊莖在不同生長階段的發(fā)育狀態(tài)，從而預(yù)測最終塊莖產(chǎn)量。

紫花苜蓿(Medicagosativa，文中簡稱苜蓿)是世界上種植規(guī)模最大、利用價(jià)值最高的優(yōu)質(zhì)牧草[16]。在其地下根頸部能持續(xù)形成大量根頸芽是苜蓿最重要的生長特性[17]，這種特性有利于苜蓿抗寒、抗旱和再生[18]。苜蓿的再生枝主要來自根頸芽[19-20]，單株根頸芽數(shù)量和發(fā)育成枝能力是決定苜蓿高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[21]，但目前有關(guān)根頸芽發(fā)育成枝的規(guī)律仍不清楚。因此，研究根頸芽的發(fā)生發(fā)育機(jī)理對苜蓿育種和高產(chǎn)栽培均有重要意義。最新研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥的莖端生長由營養(yǎng)階段向生殖階段轉(zhuǎn)變時(shí)其葉元特征發(fā)生了顯著變化，葉元中第一個(gè)節(jié)間的伸長是該植物轉(zhuǎn)向生殖生長的可靠標(biāo)志[4,22]。據(jù)此推測，苜蓿根頸芽從萌發(fā)出土到發(fā)育成枝、成花過程中，其葉元的發(fā)生方式可能也存在著某種規(guī)律性變化。本研究選取WL168紫花苜蓿為材料，利用掃描電鏡跟蹤觀察了根頸芽發(fā)育成熟前后其芽端葉元的發(fā)生過程，試圖回答兩個(gè)問題：1)苜蓿葉元中葉片、腋芽的發(fā)生方式及其早期發(fā)育的時(shí)間次序是怎樣的；2)根頸芽從營養(yǎng)生長期向生殖生長期轉(zhuǎn)變時(shí)，葉元的發(fā)生方式是否發(fā)生了變化。

1 材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)材料為WL168(M.sativa‘WL168’)，種子購自北京正道生態(tài)科技有限公司。WL168是近年來由美國牧草資源公司(Forage Genetics International，F(xiàn)GI)培育出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗紫花苜蓿品種，秋眠級為2，抗寒級為1。該品種適應(yīng)性強(qiáng)，在我國東北、內(nèi)蒙古、新疆、西藏、甘肅和青海等地均可種植，是干旱、寒冷地區(qū)的首選品種。

1.2試驗(yàn)地概況及種植管理

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭州牧草試驗(yàn)站進(jìn)行，該地區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明、光照充足。海拔1517.3 m。年平均降雨量320 mm，年日照時(shí)數(shù)2474.4 h。田間試驗(yàn)小區(qū)面積3 m×3 m，4次重復(fù)。2013年4月17日播種。播前結(jié)合整地施磷肥750 kg/hm2、氮磷復(fù)合肥375 kg/hm2。條播，播種行距30 cm，播量為15 kg/hm2。播種深度1.5～2.0 cm。田間管理包括間苗、中耕除草、適時(shí)灌溉。播種當(dāng)年分別于7月5日、8月25日兩次刈割，每次留茬高度均為5 cm。

1.3試驗(yàn)方法

取樣：自2014年3月5日開始取樣。每次挖取5株長勢一致的植株(根頸深為3 cm左右)，在距離根頸1 cm內(nèi)的部位摘取長度相似的根頸芽15個(gè)，其中5個(gè)清洗后用2.5%戊二醛固定，用于掃描電鏡觀測。另10個(gè)用50%FAA固定，以備統(tǒng)計(jì)葉元數(shù)。芽出土前，每5 d取樣1次。芽出土后，按葉齡(地上完全展開的葉片數(shù))取樣，直到13葉齡時(shí)(孕蕾期)結(jié)束。

葉元數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法：取FAA固定后的芽置于解剖鏡下，用針和鑷子自下而上逐個(gè)剝下鱗葉(scale leaf，芽基部的鱗片狀葉)和幼葉(embryonic leaf，芽頂端沒有展開的早期葉)，直到芽端生長錐和兩個(gè)葉原基外露。鱗葉數(shù)和幼葉數(shù)之和便是葉元數(shù)。對于芽生長出土后發(fā)育而來的再生枝，分地下葉元數(shù)和地上葉元數(shù)兩部分分別統(tǒng)計(jì)。地下葉元數(shù)即地下鱗葉(scale)數(shù)，地上葉元數(shù)是地上莖部展開的葉片數(shù)(即葉齡數(shù))和頂端幼葉數(shù)之和。

葉元發(fā)生過程的掃描電鏡觀察：取2.5%戊二醛固定2 h后的芽，切取頂端1～2 cm，放在鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，濾紙?zhí)崆坝肞BS緩沖液浸濕，然后在解剖鏡下輕輕剝離幼葉直至芽露出生長錐，立即移入培養(yǎng)皿內(nèi)用0.1 mmol/L的PBS沖洗3次，每次15 min；然后依次用30%，50%，70%，85%，95%和100%的乙醇脫水，每次15～20 min，其中100%乙醇置換2次；用1∶1的乙醇∶叔丁醇溶液置換30 min，再用100%叔丁醇置換2次，每次30 min；將置換后的芽置于4℃ 冰箱中預(yù)冷，然后放入VFD-21S冷凍干燥儀中進(jìn)行干燥。待樣品干燥后，用碳導(dǎo)電膠粘到樣品臺上，在MSP-2S 型磁控離子濺射儀上噴金90 s。最后用日立S-3400N掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)進(jìn)行觀察、拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1葉元的發(fā)生模式

發(fā)育成熟的苜蓿葉元由三出復(fù)葉、腋芽、節(jié)、節(jié)間組成，復(fù)葉包括托葉、一對側(cè)小葉和一個(gè)頂端小葉(圖1,圖2A)。苜蓿根頸芽萌發(fā)出土發(fā)育為枝條的過程，是頂端分生組織不斷重復(fù)形成葉元的過程(圖2B)，利用掃描電鏡技術(shù)可以完整地觀察到葉元的初始發(fā)育變化。從時(shí)間進(jìn)程看，一個(gè)葉元的發(fā)育正好是伴隨復(fù)葉原基的形成而完成的(圖1)。依據(jù)早期葉原基、托葉原基、側(cè)小葉原基、腋芽原基和頂端小葉原基發(fā)生的時(shí)空次序，苜蓿葉元的發(fā)育形成過程可區(qū)分為5個(gè)階段(stages，S1～S5，圖1)。

本研究發(fā)現(xiàn)，在根頸芽出土前后的不同發(fā)育時(shí)期，葉元形成過程中5個(gè)階段的發(fā)生特點(diǎn)不盡相同，總體表現(xiàn)為兩種發(fā)育模式。

2.1.1模式Ⅰ 該模式下葉元的發(fā)生過程：在S1階段，芽頂端組織通過分化生長，首先在其一側(cè)邊緣出現(xiàn)凸起，形成條狀的早期葉原基(incipient leaf primordium，圖1A)，此時(shí)未見其他任何器官的分化。S2階段，葉原基向高、寬、厚3個(gè)方向生長，在其兩側(cè)分化出了托葉原基(stipule primordium，ST)。托葉原基半包圍頂端分生組織(圖1A)。S3階段，在托葉原基和葉原基之間形成了兩個(gè)側(cè)小葉原基(lateral leaflet primordium，LL，圖1B)。同時(shí)，在相對葉原基180°方向的位置，下一個(gè)葉元的早期葉原基已經(jīng)開始顯現(xiàn)(圖1B，※)。S4階段，在葉原基近軸基部出現(xiàn)了腋芽原基(axillary bud primordium，AB，圖1C)。由于葉原基與生長錐同時(shí)在不斷進(jìn)行頂端生長和邊緣生長，在該階段托葉和側(cè)小葉原基更加清晰易辨。S5階段，在葉原基遠(yuǎn)軸面發(fā)育出了毛狀體(trichomes)(圖1D，箭頭)，頂端小葉原基(terminal leaflet primordium，TL)形成，發(fā)育增大的托葉和葉片原基明顯向內(nèi)收攏，包裹住了腋芽原基和部分頂端分生組織。至此，一個(gè)葉元單位中的所有組成結(jié)構(gòu)便全部發(fā)育形成。模式Ⅰ中葉元各組成的形成順序?yàn)椋涸缙谌~原基(節(jié))→托葉原基→側(cè)小葉原基→腋芽原基→頂端小葉原基。

2.1.2模式Ⅱ 在模式Ⅱ中，S1階段的發(fā)育與模式Ⅰ相同(圖1E)。S2階段，1對托葉原基(ST)在早期葉原基兩側(cè)形成，此時(shí)在其基部已能隱約看到正在發(fā)生的腋芽原基(圖1E，※)。S3階段，腋芽原基(AB)形成(圖1F)，同時(shí)，在斜對葉原基(夾角小于180°)的位置，又開始了下一個(gè)葉元的發(fā)育(圖1F，※)。S4階段，在托葉原基和葉原基中間出現(xiàn)2個(gè)側(cè)葉原基(LL ) (圖1G)，該階段中腋芽原基發(fā)育速度很快，其生長高度已經(jīng)與葉原基接近。S5階段，在葉原基頂端遠(yuǎn)軸面可以看到正在形成的毛狀體(圖1H，箭頭)，頂端小葉原基(TL)發(fā)育形成。此時(shí)，腋芽原基繼續(xù)在偏離中心的位置快速生長，膨大鼓起，體積幾乎與生長錐相同，而且生長高度明顯超出葉片。至此，一個(gè)葉元單元全部發(fā)育完成。模式Ⅱ中葉元各組成的形成順序是：早期葉原基(節(jié))→托葉原基→腋芽原基→側(cè)小葉原基→頂端小葉原基。

圖1 紫花苜蓿葉元的兩種形成模式

2.2根頸芽發(fā)育進(jìn)程中葉元的變化特征

根頸芽在出土前，葉元以模式Ⅰ發(fā)生(圖2，表1)。新的葉元總是在前一葉元的相對位置(180°)有規(guī)律的出現(xiàn)。隨著葉元數(shù)的增加，芽不斷增長，臨出土?xí)r葉元數(shù)已增至(18.30±1.40)個(gè)(表1)。芽出土后，很快進(jìn)入3葉齡期，在地下預(yù)先形成的葉元中有(10.20±1.10)個(gè)已露出地面，地下保留約(7.00±2.00)個(gè)葉元(表1)。與出土前相比，此時(shí)新葉元開始在偏離上一葉元正對面的位置發(fā)生，腋芽原基的發(fā)育速度明顯快于小葉原基，葉元發(fā)育開始表現(xiàn)出模式Ⅱ的發(fā)生特征(圖2D～I(xiàn))。隨后，新葉元的發(fā)生愈加偏離前一葉元的中心軸，腋生分生組織發(fā)生速度不斷增加，體積變大(圖2E～I(xiàn))。

10葉齡期，葉元形成速度增加，此時(shí)在芽頂端能同時(shí)看到3個(gè)正在發(fā)育的葉元(圖2G)。到11葉齡期，葉元形成速度進(jìn)一步加快(表1)，芽端有5個(gè)葉元正在發(fā)育(圖2H)，地上葉元數(shù)已增加到(17.50±1.29)個(gè)(表1)。此時(shí)第16節(jié)的腋生分生組織已經(jīng)發(fā)育為花序原基，并在其基部開始出現(xiàn)苞片和花原基(圖2H)。自11葉齡開始，花序原基快速分化，發(fā)育速度和生長體積均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了頂端分生組織(圖2H～I(xiàn))，從此，苜蓿開始縱向由下而上、橫向從外到內(nèi)不斷分化出大量花原基(圖2I)。

圖2 紫花苜蓿根頸芽生長成枝過程中葉元的發(fā)育變化

表1 返青期紫花苜蓿根頸芽發(fā)育進(jìn)程中葉元的變化特征Table 1 Phytomer developmental characteristics of crown bud of alfalfa during spring regrowth

3 討論

3.1苜蓿葉元發(fā)育過程中葉片與腋芽原基的發(fā)生

豆科植物復(fù)葉的發(fā)生方式具有多樣性。研究報(bào)道，百脈根(Lotusjaponicus)葉原基的發(fā)生順序是向基式(basipetal)的[23]。蒺藜苜蓿(M.truncatula)的復(fù)葉則以向頂式(acropetal)的模式發(fā)生[24]。豌豆(Pisumsativum)復(fù)葉結(jié)構(gòu)特殊，葉頂端有卷須，在葉片早期發(fā)育過程中，小葉原基是向頂式發(fā)生的，但卷須卻是以向基式的模式發(fā)生[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿的復(fù)葉發(fā)生模式為向頂式，與蒺藜苜蓿相同。復(fù)葉原基在發(fā)生過程中共出現(xiàn)了早期葉原基、托葉原基、側(cè)小葉原基和頂端小葉原基4個(gè)原基類型，這4個(gè)類型的原基沿縱軸方向自下而上依次形成。關(guān)于植物復(fù)葉中小葉沿縱軸發(fā)生方向的差異性，有一種解釋認(rèn)為是由于復(fù)葉原基縱軸方向激活小葉原基細(xì)胞發(fā)生分化的區(qū)域不同而引起的。如果葉原基基部細(xì)胞分化活躍，新的小葉原基會由頂向基發(fā)育，相反，如果頂部細(xì)胞分化活躍，則新小葉原基由基向頂發(fā)育[26]。Ikeuchi等[27]通過對白屈菜(Chelidoniummajus)的研究發(fā)現(xiàn)，雖然白屈菜的葉原基表現(xiàn)出向基式的發(fā)育模式，但葉原基中活躍細(xì)胞在縱軸方向開始分化生長的位點(diǎn)是不固定的，該研究結(jié)果顯然與上述解釋不符。目前關(guān)于植物葉片發(fā)生方式的多樣性問題還沒有合理的解釋[28]，其形成機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿葉元的形成過程表現(xiàn)出兩種模式：模式Ⅰ和模式Ⅱ。在這兩種模式中，腋芽原基的發(fā)生時(shí)間和發(fā)育能力并不同。模式Ⅰ，在托葉原基和側(cè)小葉原基形成期間還觀察不到腋芽原基。腋芽原基直到側(cè)小葉原基形成后才出現(xiàn)，且生長緩慢，之后被增大的葉原基包圍；模式Ⅱ中，腋芽原基在托葉原基形成期就已經(jīng)發(fā)生，該原基發(fā)生后生長快速，很快高出了葉原基和生長錐(見圖1F-H)。Long和Barton[29]研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥早期生長階段，其基生葉腋部觀察不到腋生分生組織，腋生分生組織一直到莖生葉片形成之后才出現(xiàn)，這與本文研究結(jié)果相似。關(guān)于腋芽分生組織的發(fā)生原理有兩種解釋[30]：一是保留分生組織假說(reserve meristem hypothesis)，這一假說認(rèn)為腋芽原基與其上的葉片原基一樣都起源于同一群頂端分生組織細(xì)胞，這些細(xì)胞從來沒有喪失它們的分生特性。另一種假說為從頭起始假說(initiation de novo hypothesis)，認(rèn)為腋芽分生組織是在葉片形成后由其腋部的細(xì)胞重新起始形成的。據(jù)此判斷，苜蓿和擬南芥腋芽的發(fā)生特征似乎符合從頭起始假說。但有學(xué)者通過原位雜交技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥在營養(yǎng)生長期，其基部葉腋中雖然觀察不到組織學(xué)上有明顯區(qū)別的腋芽分生組織，但在原基的近軸一側(cè)已有部分細(xì)胞表達(dá)LAS基因，LAS是腋芽分生組織起始所需要的基因，由此表明該位置早已具備形成腋芽分生組織的潛力，這一結(jié)果又支持了保留分生組織假說[31]。Leyser[32]分析認(rèn)為，保留分生組織假說和從頭起始假說可能并非明顯不同的機(jī)制，只是其調(diào)控基因的表達(dá)和原基中細(xì)胞分化范圍不同而已。

3.2苜蓿葉元發(fā)生模式的意義

植物在不同發(fā)育時(shí)期，其葉元各組成(節(jié)間、葉片和腋芽)的生長發(fā)育會表現(xiàn)出相應(yīng)的變異性[3]。這種變異性可以用來鑒別植物的發(fā)育階段[33-34]。Pouteau和Albertini[4]通過分析葉元的變化特征評價(jià)了擬南芥營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)生長期，葉元中僅見基生的葉片，觀察不到明顯的節(jié)間和腋枝。當(dāng)發(fā)育轉(zhuǎn)向生殖生長階段時(shí)，葉元發(fā)生了兩次標(biāo)志性變化：一次是節(jié)間首次伸長生長(bolting)，節(jié)部發(fā)育出腋生繁殖枝(paraclade)；另一次是從節(jié)部直接開出第一朵花。由于這兩次變化發(fā)生的時(shí)間和空間是不同的，因此擬南芥的生殖生長表現(xiàn)出兩個(gè)不同的發(fā)育區(qū)段：莖生葉區(qū)和花序區(qū)，在莖生葉區(qū)葉元側(cè)生結(jié)構(gòu)包括莖生葉和發(fā)達(dá)的側(cè)生分枝，而花序區(qū)葉元的側(cè)生結(jié)構(gòu)僅有小花。Leyser[32]簡練概括了擬南芥整個(gè)發(fā)育階段的變化特征，認(rèn)為擬南芥葉片原基和腋芽原基都是由初生分生組織產(chǎn)生的原基分化而來，但在營養(yǎng)生長階段，原基主要用于產(chǎn)生葉片；成花過渡期，原基主要用于產(chǎn)生腋芽分生組織；到成花期，腋芽分生組織發(fā)育為小花。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿葉元的發(fā)育變化特征與擬南芥相似。當(dāng)葉元以模式Ⅰ發(fā)育時(shí)，葉原基發(fā)生早，且發(fā)育快速。腋芽原基在側(cè)小葉原基形成后才出現(xiàn)，發(fā)育緩慢，很快被增大的葉片原基包圍。顯然，該模式下分生組織細(xì)胞的分化主要傾向于產(chǎn)生葉原基，葉原基對腋芽和生長錐起到明顯的保護(hù)作用。當(dāng)轉(zhuǎn)變到模式Ⅱ后，腋芽原基在托葉原基形成后便出現(xiàn)，與模式Ⅰ相比，發(fā)生時(shí)間提前，且生長速度明顯快于葉原基和生長錐。該時(shí)期葉器官的發(fā)育相對滯后，分生組織細(xì)胞的分化以腋芽發(fā)育為主。葉片由于發(fā)育遲緩，對芽端生長錐和腋芽原基的保護(hù)作用明顯減弱。兩個(gè)葉元間的相對著生位置也發(fā)生了變化(表1)。當(dāng)?shù)厣先~元數(shù)增加到16～17后，腋芽分生組織發(fā)育為花序原基，苞片和小花原基也開始形成。根據(jù)Leyser[32]的觀點(diǎn)，在苜蓿根頸芽發(fā)育過程中，葉元的模式Ⅰ發(fā)育時(shí)期為營養(yǎng)器官生長期，模式Ⅱ發(fā)育時(shí)期為成花過渡期，葉元發(fā)生方式由模式Ⅰ轉(zhuǎn)向模式Ⅱ是苜蓿營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。當(dāng)?shù)厣先~元數(shù)增加到16～17后，發(fā)育進(jìn)入成花期。

苜蓿根頸芽發(fā)育成枝的能力決定單莖生物量的形成，是影響苜蓿高產(chǎn)的一個(gè)潛在指標(biāo)[21]。本研究首次從葉元水平揭示了苜蓿根頸芽發(fā)育進(jìn)程中生長階段的轉(zhuǎn)變過程和判斷方法，這為根頸芽發(fā)育成枝機(jī)理和苜蓿高產(chǎn)栽培技術(shù)研究提供了理論基礎(chǔ)。

3.3苜蓿根頸芽的預(yù)生長

大多數(shù)溫帶多年生草本植物會利用前一年或更早預(yù)發(fā)生的芽在當(dāng)年形成更新枝[35-36]，不同植物再生芽的預(yù)發(fā)生時(shí)間是不同的。Meloche和Diggle[37]發(fā)現(xiàn)，薔薇科羽葉花屬植物Acomastylisrossii的葉和花序提前3年預(yù)先發(fā)生。高山植物珠芽蓼(Polygonumviviparum)的葉與花序從預(yù)發(fā)生到成熟至少需要4年時(shí)間[38]。不同物種間芽的預(yù)先發(fā)育程度也存在差異。有些植物僅預(yù)先形成莖、葉等營養(yǎng)器官，也有植物會預(yù)先形成莖、葉以及花序[39-40]。目前關(guān)于草本植物芽預(yù)生長的研究主要集中在溫帶高山草原與北極凍原植物的生態(tài)適應(yīng)性方面[38,41]，有關(guān)栽培作物芽預(yù)生長規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。本文研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿根頸芽的大多數(shù)葉節(jié)是在前一個(gè)生長季形成的。返青出土前根頸芽已經(jīng)預(yù)先形成(18.30±1.40)個(gè)葉元。出土后，早期預(yù)先形成的(10.20±1.10)個(gè)葉元隨之露出地面，葉元的發(fā)生模式此時(shí)也由出土前的模式Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ舰颍?dāng)?shù)厣先~元數(shù)增加到(17.50±1.29)個(gè)時(shí)，腋芽分生組織發(fā)育為花序。根據(jù)上述研究結(jié)果分析，苜蓿根頸芽在返青出土前已經(jīng)預(yù)先完成了營養(yǎng)器官的發(fā)生，出土后便立即向成花期過渡。Stubbendieck和Burzlaff[42]在對格蘭馬草(Boutelouagracilis)葉元發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)，該植物分蘗芽從發(fā)生到開花平均發(fā)育13個(gè)葉元，其中前6個(gè)葉元是提前1年預(yù)發(fā)生的，后7個(gè)葉元在返青期形成并很快發(fā)育為生殖枝，這種預(yù)生長特性與本研究結(jié)果相似。Diggle[38]認(rèn)為，芽的預(yù)生長特性有利于植物莖葉和繁殖結(jié)構(gòu)在下一個(gè)生長季開始后迅速成熟。因此，根頸芽的預(yù)先發(fā)育為苜蓿返青期的快速生長和高產(chǎn)牧草的形成奠定了基礎(chǔ)。

[1] Mündermann L, Erasmus Y, Lane B,etal.Quantitative modeling ofArabidopsisdevelopment.Plant Physiology, 2005, 139:960-968.

[2] Evert R F.Esau’s Plant Anatomy (3rd ed.)[M].New Jersey:John Wiley & Sons, Inc, 2006.

[3] Cheplick G P.Population differentiation in the tiller architecture ofMicrostegiumvimineum(Poaceae) in relation to habitat.Plant Species Biology, 2015, 30:16-27.

[4] Pouteau S, Albertini C.An assessment of morphogenetic fluctuation during reproductive phase change inArabidopsis.Annals of Botany, 2011, 107:1017- 1027.

[5] Watson M A, Casper B B.Morphogenetic constraints on patterns of carbon distribution in plants.Annual Reviews of Ecology and Systematics, 1984, 15:233-258.

[6] Rolf S, Rolf R.The fundamental relevance of morphology and morphogenesis to plant research.Annals of Botany, 1997, 80:571-582.

[7] Sylvie J, Jean D.Synchronism of leaf and tiller emergence relative to position and to main stem development stage in a rice cultivar.Annals of Botany, 2005, 95:401-412.

[8] Brian P F, Jerome D F, Udda L,etal.The barley phytomer.Annals of Botany, 2007, 100:725-733.

[9] Singels A, Inman-Bamber N G.Modelling genetic and environmental control of biomass partitioning at plant and phytomer level of sugarcane grown in controlled environments.Crop & Pasture Science, 2011, 62:66-81.

[10] Zhu J Q, Bruno A, Jan V,etal.Towards modelling the flexible timing of shoot development:simulation of maize organogenesis based on coordination within and between phytomers.Annals of Botany, 2014, 114:753-762.

[11] Kurihara H, Kuroda T, Kinoshita O.Morphological bases of shoot growth to estimate tuber yields with special reference to phytomer concept in potato plant.Japanese Journal of Crop Science, 1978, 47:690-698.

[12] Robin C, Hay M J, Newton P C.Effect of light quality (red:far-red ratio) and defoliation treatments applied at a single phytomer on axillary bud outgrowth inTrifoliumrepensL.Oecologia, 1994, 100:236-242.

[13] Helene G, Claude V, Baudry N.Comparison of horizontal spread of white clover (TrifoliumrepensL.) grown under two artificial light sources differing in their content of blue light.Annals of Botany, 1998, 82:41-48.

[14] Jochem B E, Jan V.Modeling branching in cereals.Frontiers in Plant Science, 2013, 4:1-6.

[15] Fournier C, Andrieu B.Dynamics of the elongation of internodes in maize (ZeamaysL.):analysis of phases of elongation and their relationships to phytomer development.Annals of Botany, 2000, 86:551-563.

[16] Yue Y H, Qi X, Wang Y R,etal.Persistence of 35Medicagosativavarieties at the 10th year after establishment.Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(1):58-64.

[17] Ernest S.Alfalfa and Relatives:Evolution and Classification ofMedicago[M].Wallingford:CABI, 2011.

[18] Marquez-Ortiz J J, Johnson L D.Crown morphology relationships among alfalfa plant introductions and cultivars.Crop Science, 1996, 36:766-771.

[19] Pembleton K G, Volenec J J.Partitioning of taproot constituents and crown bud development are affected by water deficit in regrowing alfalfa.Crop Science, 2010, 50:989-999.

[20] Dan U, Marvin H H.Alfalfa Germination and Growth[M].Wisconsi, Madison:University of Wisconsin, 2011.

[21] Volenec J J.Physiological control of alfalfa growth and yield[A].In:Smith D L, Hamel C.Crop Yield, Physiology and Processes[M].Berlin, Heidelberg:Springer-Verlag, 1999.

[22] Pouteau S, Albertini C.The significance of bolting and floral transitions as indicators of reproductive phase change inArabidopsis.Journal of Experimental Botany, 2009, 60(12):3367-3377.

[23] Luo J H, Yan J, Weng L,etal.Different expression patterns of duplicated PHANTASTICA-like genes inLotusjaponicussuggest their divergent functions during compound leaf development.Cell Research, 2005, 15:665-677.

[24] Wang H L, Chen J H, Wen J Q,etal.Control of compound leaf development by FLORICAULA/LEAFY Ortholog SINGLE LEAFLET1 inMedicagotruncatula.Plant Physiology, 2008, 146:1759-1772 .

[25] Hofer J, Ellis T H.The genetic control of patterning in pea leaves.Trends in Plant Science, 1998, 11(3):439-444.

[26] Gleissberg S.Comparative analysis of leaf shape development in Papaveraceae-Papaveroideae.Flora, 1998, 193:269-301.

[27] Ikeuchi M, Tatematsu K, Yamaguchi T,etal.Precocious progression of tissue maturation instructs basipetal initiation of leaflets inChelidoniummajussubsp.asiaticum(Papaveraceae).American Journal of Botany, 2013, 100:1116-1126.

[28] Tsukaya H .Comparative leaf development in angiosperms.Current Opinion in Plant Biology, 2014, 17:103-109.

[29] Long J, Barton M K.Initiation of axillary and floral meristems inArabidopsis.Developmental Biology, 2000, 218:341-353.

[30] Garrison R.Studies in the development of axillary buds.American Journal of Botany, 1955, 42:257-266.

[31] Thomas G, Oliver C, Elisabeth S,etal.Molecular analysis of the LATERAL SUPPRESSOR gene inArabidopsisreveals a conserved control mechanismfor axillary meristem formation.Genes & Development, 2003, 17:1175-1187.

[32] Leyser O.Regulation of shoot branching by auxin.Trends in Plant Science, 2003, 8:541-545.

[33] Diggle P K.Heteroblasty and the evolution of flowering phonologies.International Journal of Plant Sciences, 1999, 160:123-134.

[34] Jones C S.An essay on juvenility, phase change, and heteroblasty in seed plants.International Journal of Plant Sciences, 1999, 160:105-111.

[35] Vesk P A, Westoby M.Funding the bud bank:a review of the costs of buds.Oikos, 2004, 106:200-208.

[36] Jarcuska B.Is preformation of future shoots inFagussylvaticaL.buds reflected in bud/sprouted shoot traits relationships? Dendrobiology, 2011, 66:25-31.

[37] Meloche C G, Diggle P K.Preformation, architectural complexity, and developmental flexibility inAcomastylisrossii.American Journal of Botany, 2001, 88:980-991.

[38] Diggle P K.Extreme preformation in alpinePolygonumviviparum:an architectural and developmental analysis.American Journal of Botany, 1997, 84:154-169.

[39] Geber M A, Kroon H, Watson M A,etal.Organ preformation in mayapple as a mechanism for historical effects on demography.Journal of Ecology, 1997, 85:211-223.

[40] Klimesova J, Klimes L.Bud banks and their role in vegetative regeneration-a literature review and proposal for simple classification and assessment.Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 2007, 8:115-129.

[41] Mark A F.Floral initiation and development in New Zealand alpine plants.New Zealand Journal of Botany, 1970, 8:67-75.

[42] Stubbendieck J, Burzlaff D F.Nature of phytomer growth in blue grama.Journal of Range Management, 1971, 24:154-156.

參考文獻(xiàn)：

[16] 岳彥紅, 齊曉, 王彥榮, 等.35個(gè)10齡紫花苜蓿品種的持久性比較.草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(1):58-64.

Development of phytomers produced by root crown shoots inMedicagosativa

FANG Qiang-En, ZHANG Bo, SHI Shang-Li*

KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation,CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,SinoU.S.CenterforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China

The phytomer, consisting of a node, leaflike organ, internode, and lateral meristem in the axil of a leaf, is a basic structural unit of shoot growth and development.With scanning electron microscopy (SEM), the developmental characteristics of phytomers in alfalfa variety ‘WL168’ were observed throughout the developmental phases of the apical meristem in crown buds from sprouting to flowering.During the development of phytomers, the primordial compound leaf emerged in an acropetal pattern.Both the primordial axillary bud and compound leaf originated from the apical meristem, but they differed in the rhythm of development; phytomers showed two patterns of development.Pattern-I was featured by the faster development of primordial compound leaves than primordial axillary buds which appeared after the formation of lateral primordial leaves.For patternⅡ, primordial axillary buds grew faster than primordial compound leaves, initiating after the formation of primordial stipules.Before the crown bud emerged from the soil, the phytomer developed through pattern-Ⅰ, and immediately after emergence, through pattern-Ⅱ.When the number of aboveground phytomer reached 16-17, the axillary meristem became reproductive.It was concluded that the shift of phytomer development from pattern Ⅰ to pattern Ⅱ can be an indicator of the transition from vegetative to reproductive growth in alfalfa.

alfalfa； crown bud； phytomer； primordium

10.11686/cyxb2015253

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-05-14；改回日期：2015-06-26

國家現(xiàn)代牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系-栽培與草地管理(CARA-35)，農(nóng)業(yè)部牧草種質(zhì)資源保護(hù)與利用(NB2130135)和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金(GSAU-STS-1228)資助。

方強(qiáng)恩(1980-)，男，甘肅天水人，講師，在讀博士。E-mail:fangqen@163.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:shishl@gsau.edu.cn

方強(qiáng)恩, 張勃, 師尚禮.紫花苜蓿根頸芽發(fā)育成枝過程中葉元的發(fā)生模式研究.草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(12):146-154.

FANG Qiang-En，ZHANG Bo，SHI Shang-Li.Development of phytomers produced by root crown shoots inMedicagosativa.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):146-154.