洋蔥花器數(shù)目變異研究

蔣景龍

（陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院，陜西漢中723001）

花不僅是有性生殖植物的繁殖器官，也是植物分類學(xué)中的一個(gè)重要依據(jù)?；ㄆ餍螒B(tài)的奇特性、多樣性、數(shù)目的增減等都可以為植物的分類和系統(tǒng)發(fā)育提供重要依據(jù)?；ㄆ鞫鄳B(tài)性是指花器形態(tài)多樣性、發(fā)育狀態(tài)多樣性和數(shù)目多樣性的簡(jiǎn)稱。高等植物的成花過(guò)程一直是植物發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)，花器數(shù)目的變異研究為進(jìn)一步研究花的結(jié)構(gòu)、起源、進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育多樣性提供依據(jù)［1］。中國(guó)在被子植物系統(tǒng)發(fā)育方面的研究起步較晚，在花器官發(fā)生影響的報(bào)道中大多利用植物激素、物理或化學(xué)方法處理獲得花器多態(tài)性材料［2］。對(duì)于在自然條件下，花器官發(fā)生過(guò)程中發(fā)生的變異及其原因分析的研究鮮有報(bào)道。

據(jù)中國(guó)植物志記載洋蔥（Allium cepa L．）屬百合科，蔥屬，正常洋蔥小花，花被片6片，花瓣?duì)?，排?輪，雄蕊6枚，花柱1枚，子房3室，基部合生。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于洋蔥的分類一直存在爭(zhēng)議，大多數(shù)學(xué)者將其分到了百合科，而在J．哈欽森系統(tǒng)中將其分到石蒜科。本課題組在研究洋蔥雄性不育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在自然生長(zhǎng)條件下，3個(gè)品系中均出現(xiàn)了洋蔥花器官數(shù)目變異現(xiàn)象，包括雄蕊、子房、花柱和花被片數(shù)目的變異?；ㄆ鞯钠嫣匦院蛿?shù)目的變異均可以為植物的分類和系統(tǒng)發(fā)育提供重要依據(jù)，因此對(duì)于洋蔥這樣在分類學(xué)上具有爭(zhēng)議的植物，花器數(shù)目變異的發(fā)現(xiàn)將為洋蔥的分類和系統(tǒng)發(fā)育提供一定的依據(jù)?；ㄆ鞯陌l(fā)育既受基因調(diào)控又受環(huán)境影響，花器數(shù)目的變異對(duì)豐富植物花器多樣性與發(fā)育模式和系統(tǒng)發(fā)育研究有著非常重要的意義。

1 材料和方法

1．1 植物材料

洋蔥JQS－1、MST－140、Red beauty 3個(gè)品種的鱗莖均由甘肅省酒泉市酒泉農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。其中JQS－1是從美國(guó)引進(jìn)的雄性不育系，黃皮、鱗莖較大，MST－140為甘肅省酒泉市酒泉農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的雄性不育系，黃皮、鱗莖比JQS－1 小，Red beauty為酒泉農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的可育系，紅皮、鱗莖大小與JQS－1相似。為了研究JQS－1的育性和生理特征，不育系MST－140 和可育系Red beauty作為對(duì)照組。

1．2 方 法

將3個(gè)品種的洋蔥鱗莖同時(shí)栽培在實(shí)驗(yàn)園地，株行距各0．33m，各品種間，設(shè)置隔離，常規(guī)栽培管理。洋蔥花序開(kāi)放后，每個(gè)品種選3～4株，每株隨機(jī)選取100～200朵開(kāi)放的小花，在Olympus解剖鏡下，觀察每朵小花花被片數(shù)目、雄蕊數(shù)目、子房數(shù)目和柱頭的數(shù)目變異情況，并對(duì)典型變異的小花進(jìn)行數(shù)碼攝像。同時(shí)，分別取發(fā)育正常和異常的花藥，放在潔凈的載玻片上，搗碎并去除殘?jiān)我坏未姿嵫蠹t，用針尖攪拌均勻，蓋上蓋玻片后，在普通光學(xué)Olympus顯微鏡下觀察比較正?；ㄋ幒彤惓；ㄋ幹谢ǚ哿５男螒B(tài)。雄蕊數(shù)目為6枚視為正常小花，數(shù)目增多或減少均為雄蕊數(shù)目變異的異常小花。

雄蕊數(shù)目變異小花比例（%）＝雄蕊數(shù)目異常小花數(shù)（5或7或8或9或10或11）／觀察的小花總數(shù)

總變異率（%）＝雄蕊異常小花總數(shù)／觀察的小花總數(shù)

2 結(jié)果與分析

2．1 雄蕊數(shù)目的變異

通過(guò)對(duì)3個(gè)品種不同洋蔥植株花序的小花中花器數(shù)目觀察統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)一些小花雄蕊數(shù)目為5枚（圖版Ⅰ，A、B），比正常洋蔥小花的6枚雄蕊（圖版Ⅰ，C、D）減少了1枚。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)一些小花的雄蕊數(shù)目比正常小花雄蕊數(shù)目有所增加。有些小花雄蕊數(shù)目增加至7枚（圖版Ⅰ，E～G）、8枚（圖版Ⅰ，H～K）、9枚（圖版Ⅰ，L～N）、10枚（圖版Ⅰ，O）甚至11枚（圖版Ⅰ，P）。

通過(guò)對(duì)3個(gè)品種洋蔥花序中隨機(jī)選取的小花雄蕊數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)MST－140花序中雄蕊數(shù)目變異的小花比例最高，為20．24%，而JQS－1 和Red beauty洋蔥花序中雄蕊數(shù)目變異的小花比例稍低，分別為17．07%和16．69%（表1），這表明洋蔥花序發(fā)育過(guò)程中雄蕊數(shù)目的變異具有普遍性。3個(gè)品種洋蔥雄蕊數(shù)目變化的小花類型中，7枚雄蕊小花的比例最高，分別為14．33%、14．03%、12．20%（表1），其次為8 枚雄蕊小花的比例，比例最低的為5枚、9枚、10枚和11枚雄蕊的小花。

在雄蕊數(shù)目正常和異常的洋蔥小花中均發(fā)現(xiàn)一些發(fā)育異常的花藥。正?；ㄋ幰话銥榫G色或黃色，新鮮、飽滿、表面非常光滑（圖版Ⅰ，Q），花粉量大、花粉粒形狀規(guī)則、分散均勻（圖版Ⅰ，R、S）。異?；ㄋ幊尸F(xiàn)黃褐色，表面凹凸不平并出現(xiàn)皺縮，體積瘦小，比正?；ㄋ幮。▓D版Ⅰ，T），花粉萎縮，干癟，花粉量小，大量花粉粒形狀不規(guī)則（圖版Ⅰ，U、V）。

表1 3種洋蔥花序中具不同雄蕊數(shù)目的小花比例Table 1 Ratio of variation floret with different stamens in onion inflorescence of three cultivars

2．2 雌蕊數(shù)目的變異

正常的洋蔥小花有1個(gè)花柱（圖版Ⅱ，B），在觀察的洋蔥小花中發(fā)現(xiàn)了含有多花柱的小花，即1個(gè)小花中含有2個(gè)（圖版Ⅱ，D）或3個(gè)柱頭的現(xiàn)象（圖版Ⅱ，E）。正常的洋蔥小花子房3室（圖版Ⅱ，B），在觀察的洋蔥小花中發(fā)現(xiàn)了子房數(shù)目變異現(xiàn)象，有的小花減少1室，即有2室（圖版Ⅱ，A），有的小花增加1室，即有4室（圖版Ⅱ，C、D），目前為止，發(fā)現(xiàn)子房最多增加3室，即6室（圖版Ⅱ，E）。柱頭增多現(xiàn)象多發(fā)生在子房數(shù)目增多的小花中。

2．3 花被片數(shù)目的變異及與雄蕊、花柱、子房數(shù)目變異間的關(guān)系

正常的洋蔥小花有6片花被片，在觀察的洋蔥小花中發(fā)現(xiàn)了一些小花的花被片數(shù)目比正常洋蔥小花花被片數(shù)目增加了1～4片，即含有7片（圖版Ⅱ，F(xiàn)）、8片（圖版Ⅱ，G、K）、9 片（圖版Ⅱ，H、N）和10片花被片（圖版Ⅱ，L、M）。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了比正常洋蔥小花花被片數(shù)目減少了1片的小花（圖版Ⅱ，I）?；ㄆ鲾?shù)目變異的小花中，花被片數(shù)目與雄蕊數(shù)目的變異有同步增減和非同步增加2種類型。例如，雄蕊和花被片同時(shí)減少了1個(gè)，剩下的5枚雄蕊和5片花被片一一對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)，雄蕊的基部和花被片的基部合生，且空間上呈輻射對(duì)稱（圖版Ⅱ，I）。在雄蕊數(shù)目增加的小花中也存在這種現(xiàn)象，例如，同時(shí)出現(xiàn)7、8、9個(gè)對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)的花被片和雄蕊（圖版Ⅱ，F(xiàn)～H）。但是也發(fā)現(xiàn)了不對(duì)應(yīng)增加的情況，如有的小花的花被片數(shù)目是6片，雄蕊的數(shù)目卻增加至7枚（圖版Ⅱ，J）。有的小花雄蕊的數(shù)目為6，花被片的數(shù)目卻增加至8片（圖版Ⅱ，K），還有的小花花被片為9片，雄蕊卻為8枚（圖版Ⅱ，N）。

3 討 論

洋蔥是異花授粉蟲(chóng)媒花，結(jié)實(shí)率一直不是很高，在進(jìn)化上，蟲(chóng)媒花植物的花被片是引誘昆蟲(chóng)傳粉的器官，因此在不影響花粉產(chǎn)生的情況下花被片數(shù)目的增加對(duì)引導(dǎo)昆蟲(chóng)傳粉是有利的。同時(shí)雄蕊、花柱數(shù)目增加對(duì)提高花的授粉率具有重要意義［3］。花的形成分為花亞區(qū)的形成和花器官的發(fā)生2個(gè)重要階段。當(dāng)花原基中細(xì)胞的數(shù)目確定后，花原基進(jìn)一步分化為花萼、花瓣、雄蕊和心皮花器官的4個(gè)同心圓區(qū)域的花亞區(qū)［4］。當(dāng)花原基分別產(chǎn)生不同器官的同心區(qū)域后，在同一區(qū)域中的細(xì)胞進(jìn)一步平周分裂產(chǎn)生花器官原基?；ㄆ鲾?shù)目的次生性變化可通過(guò)原基分裂、原基融合或次生原基的形成而產(chǎn)生，花原基細(xì)胞數(shù)目的增減導(dǎo)致花器官數(shù)目增減［5］。在JQS－1、MST－140、Red beauty 3個(gè)常規(guī)栽培品種的洋蔥小花中均發(fā)現(xiàn)花被片、雄蕊、子房與花柱數(shù)目的增減，分析認(rèn)為這些變異可能發(fā)生在花亞區(qū)形成階段，花器官亞區(qū)細(xì)胞數(shù)目的增減所致。細(xì)胞數(shù)目的增減又與細(xì)胞分裂速度增減有關(guān)，最終導(dǎo)致花被片和雄蕊數(shù)目的增減。王祖秀等［6］研究發(fā)現(xiàn)韭蘭的花被裂片數(shù)和雄蕊數(shù)目的多種變異，可能與花器官亞區(qū)形成的早期調(diào)節(jié)或與細(xì)胞分裂速度改變有關(guān)，這與本研究中發(fā)現(xiàn)的洋蔥花器變異極為相似。

植物花器是基因和環(huán)境條件相互作用產(chǎn)生的一種表型。對(duì)于花器官發(fā)育的遺傳控制機(jī)理國(guó)外已提出多種模型。它們由ABC 類基因控制。如果這些基因發(fā)生突變，則產(chǎn)生4 個(gè)亞區(qū)間花器官的錯(cuò)位發(fā)育，但我們所觀察到的洋蔥花器數(shù)目的變異卻不能用“ABC模型”或“ABCD 模型”［7－8］和“ABCDE模型”［9－10］解釋。在原基分化形成期各種花器官的特征、數(shù)目和位置均已明確，Leyser和Furner在對(duì)擬南芥突變體研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了它的各輪花器官數(shù)目均有增加，此后被Clark等證實(shí)其花器官數(shù)目的增加是由于花分生組織過(guò)度增生所引起［11－13］。國(guó)鳳利和孟繁靜報(bào)道的新發(fā)現(xiàn)的矮牽牛突變體efficient中提到了子房數(shù)目增加了1～2個(gè)，雄蕊增加1枚、花瓣和萼片數(shù)目增加1～2枚，心皮數(shù)目的增加導(dǎo)致雌蕊柱頭和子房體積顯著增大，形成較大的果實(shí)等現(xiàn)象［3］。李耘等［14］在研究水稻front突變體時(shí)發(fā)現(xiàn)該突變體的小花雄蕊從正常6枚增加到7、8、9枚，心皮數(shù)目從1增加到2、3個(gè)，而內(nèi)稃和外稃的數(shù)目沒(méi)有變化的現(xiàn)象。此外，在水稻的fon1－1和fon1－2等位突變體研究中發(fā)現(xiàn)，fon1－1中雌蕊的數(shù)目增加到了2～3枚，但是雄蕊、內(nèi)稃、外稃的數(shù)目均沒(méi)有變化，而在fon1－2突變體中雌蕊的數(shù)目卻增加到了4～9枚，雄蕊數(shù)目增加到了7～12枚，額外的內(nèi)稃、外稃也被發(fā)現(xiàn)。這種雄蕊和雌蕊數(shù)目大幅度增加的現(xiàn)象，他們認(rèn)為主要取決于在3輪和4輪之間產(chǎn)生一個(gè)新的雄蕊輪或在3 輪中產(chǎn)生額外的雄蕊［15］。由于洋蔥花器數(shù)目的變異既不是花器官的錯(cuò)位發(fā)育，也不是由基因突變產(chǎn)生的可穩(wěn)定遺傳的變異。因此控制洋蔥花被片與雄蕊細(xì)胞分裂速度和細(xì)胞分裂模式的基因表達(dá)可能受到某種環(huán)境因素的影響所致，這也是變異不穩(wěn)定的原因，同時(shí)環(huán)境因素也可能影響不同小花花器數(shù)目變異間的頻率差異。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)只要是子房增加或減少，花被片和雄蕊也必定伴隨著增加或減少的現(xiàn)象。這說(shuō)明在洋蔥的花器發(fā)育中決定心皮數(shù)目的基因也同時(shí)影響雄蕊和花被片的發(fā)育。雄蕊和花被片數(shù)目出現(xiàn)同步或不同步變異類型，其原因可能是花被片和雄蕊原基形成過(guò)程中，在其兩者之間多產(chǎn)生了1～2輪原基，每一輪仍然發(fā)育成3枚，這1～2輪原基有可能最終發(fā)育成雄蕊也有可能最終發(fā)育成花被片，或者部分發(fā)育成雄蕊和花被片。在分布上，很多雄蕊變異的小花在花序上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域化，即變異的小花在花序中總是緊靠在一起成區(qū)存在，說(shuō)明在花序發(fā)育的過(guò)程中，某一個(gè)區(qū)的分生組織發(fā)生了變化，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)洋蔥小花的花器官發(fā)育也發(fā)生變化。

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圖版Ⅰ 洋蔥雄蕊數(shù)目的變異與花藥和花粉的粒形態(tài)A、B．小花中雄蕊數(shù)目為5；C、D．小花中雄蕊數(shù)目為6；E～G．小花中雄蕊數(shù)目為7；H～K．小花中雄蕊數(shù)目為8；L～N．小花中雄蕊數(shù)目為9；O．小花中雄蕊數(shù)目為10；P．小花中雄蕊數(shù)目為11；C、D．正常小花，其余均為異常小花；Q．發(fā)育正常洋蔥花藥；R、S．發(fā)育正常的花粉；T．異常的洋蔥花藥；U、V．發(fā)育異常的花粉。PlateⅠ Variations of stamen number and morphology of anther and pollen in onion flowersFig．A，B．Stand for 5stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for 6stamens in onion floret；Fig．E－G．Stand for 7stamens in onion floret；Fig．H－K．Stand for 8stamens in onion floret；Fig．L－N．Stand for 9stamens in onion floret；Fig．O．Stands for 10stamens in onion floret；Fig．P．Stands for 11stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for the normal florets and others are abnormal florets．Fig．Q．Shows normal anthers in onion flowers．Fig．R，S．Show normal pollen．Fig．T．Shows abnormal anthers in onion flowers．Fig．U，V．Show abnormal pollen．

圖版Ⅱ 洋蔥雌蕊、雄蕊與花被片數(shù)目的變異A．子房數(shù)目2花柱為1的變異小花；B．子房數(shù)目3花柱為1的正常小花；C．子房數(shù)目4花柱為1的變異小花；D．子房數(shù)目4花柱為2的變異小花；E．子房數(shù)目6花柱為3的變異小花（花中1、2、3、5、6．表示小花中子房的數(shù)目；＊．表示花柱位置）。A～D．表示花被片和雄蕊數(shù)目相同的小花；E～I(xiàn)．表示雄蕊數(shù)目與花被片數(shù)目不相同：E．花被片數(shù)目正常（6枚），雄蕊增加1枚（7枚）；F．雄蕊數(shù)目正常（6枚）花被片數(shù)目增加2片（8片）；G．雄蕊數(shù)目為9，花被片數(shù)目為10；H．雄蕊數(shù)目為11，花被片數(shù)目為10；I．雄蕊數(shù)目為8，花被片數(shù)目為9。1、2、3、5、6等數(shù)字表示雄蕊，a、b、c、d、e、f等表示花被片。PlateⅡ Variations of pistil，stamen and tepal number in onion flowers Fig．A．Stands for the variation flower with 2ovaries and 1style；Fig．B．Stands for the normal flower with 3ovaries and 1style；Fig．C．Stands for the variation flower with 4ovaries and 1style；Fig．D．Stands for the variation flower with 4ovaries and 2styles；Fig．E．Stands for the variation flower with 6ovaries and 3styles（1，2，3，4，5，6show the number of ovaries．＊shows the position of style）；Fig．F－I．Show the onion flowers which has the same number of pistils and stamens；Fig．G－N．Show the onion flowers which has the different number of pistils and stamens；Fig．J．Stands for an onion flower with 6pistils and 7stamens；Fig．K．Stands for an onion flower with 6stamens and 8pistils；Fig．L．Stands for an onion flower with 9stamens and 10pistils；Fig．M．Stands for an onion flower with11stamens and 10pistils；Fig．N．Stands for an onion flower with 8stamens and 9pistils；The 1，2，3and 4indicant the number of stamen and a，b，c，d，e and f show the number of pistils．