陽春砂有性生殖特性的研究進(jìn)展（綜述）

林美珍，田惠橋

（1.漳州衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 廈門 361005）

陽春砂有性生殖特性的研究進(jìn)展（綜述）

林美珍1，田惠橋2

（1.漳州衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 廈門 361005）

陽春砂是我國珍稀瀕危的藥用植物，以其果實(shí)入藥。由于陽春砂柱頭高于花藥，自然傳粉結(jié)實(shí)率低，嚴(yán)重制約了果實(shí)產(chǎn)量。為揭示陽春砂果實(shí)形成的基礎(chǔ)，探討提高陽春砂產(chǎn)量的對(duì)應(yīng)策略，本文就陽春砂的形態(tài)特征、生態(tài)習(xí)性、花粉發(fā)育、胚囊發(fā)育及開花、傳粉、受精等有性生殖研究狀況進(jìn)行綜述。

陽春砂；授粉；有性生殖；特性

陽春砂Amomum villosum是中國四大南藥之一，也是珍稀瀕危的藥用植物，歷來被視為“醫(yī)林珍品”，在中醫(yī)藥界享有盛譽(yù)。陽春砂以其果實(shí)入藥，味辛，性溫，具有化濕開胃、溫脾止瀉、理氣安胎等功效，主治濕濁中阻、脘痞不饑、脾胃虛寒、嘔吐泄瀉、妊娠惡阻、胎動(dòng)不安等病癥［1］，為消化系統(tǒng)之良藥。

陽春砂由于花器官構(gòu)造特殊即柱頭高于花藥，較難自花授粉；花序生于匍匐地面的根狀莖上，被繁茂的地上莖和葉所遮蓋，昆蟲難于傳粉。自然傳粉結(jié)實(shí)率低［2］，制約了陽春砂的可持續(xù)發(fā)展，也引起了學(xué)者們的廣泛興趣。本文就陽春砂有性生殖特性的研究狀況進(jìn)行綜述分析，旨在為促進(jìn)陽春砂的資源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展提供資料。

1　形態(tài)特征

陽春砂為姜科Zingiberaceae豆蔻屬Amomum多年生草本植物［3］。植株高達(dá)2.0～3.0 m，具根狀莖和直立莖（圖1： A）。根狀莖伸長且匍匐地面，節(jié)上被褐色膜質(zhì)鱗片；直立莖散生，不分枝，基部膨大成球狀（圖1： B）。葉2列，葉片長披針形，長20～37 cm，寬3.5～7.5 cm；葉鞘開放，抱莖，具凹陷的方格狀網(wǎng)紋。穗狀花序橢圓形，生于根狀莖的花葶上，每花序有花7～13朵；苞片披針形，黃綠色；小苞片管狀；花萼管筒狀，頂端具3淺齒；花冠管狀，由3裂片組成，后方1片呈兜狀；唇瓣倒卵狀，中脈凸起，黃色并染有紫紅色；能育雄蕊1枚，藥隔附屬體花瓣?duì)?；雌蕊子房下位?室，中軸胎座，胚珠多數(shù)，花柱細(xì)長，從兩藥室之間穿出，柱頭漏斗狀高于花藥（圖1： C）。蒴果近圓形，長1.5～2.0 cm，寬1.0～1.8 cm；成熟時(shí)紫紅色，果皮被軟刺（圖1： D）；種子多角形，被白色粘性的假種皮?；ㄆ?～6月，果期7～9月［3］。

2　生態(tài)學(xué)特性

陽春砂分布于東經(jīng)99°56′～112°26′，北緯21°27′～23°27′的熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，主產(chǎn)云南、廣東、廣西和福建，多為栽培。以廣東省陽春市為道地產(chǎn)區(qū)，云南省西雙版納為最大引種區(qū)，栽培面積最大，年產(chǎn)量最多［4］。福建省的主要種植區(qū)是漳州市長泰縣。

陳蔚文［5］報(bào)道，陽春砂適宜生長在溫暖、濕潤、多霧的氣候環(huán)境，年平均氣溫22～28 ℃生長良好，遇短暫低溫仍能越冬生長。3～4月平均氣溫12 ℃以上時(shí)花芽開始萌動(dòng)，5～6月氣溫在20～30 ℃之間，空氣相對(duì)濕度75%～90%，土壤含水量24%～26%，有利于開花。陽春砂為多年生半陰生植物，喜漫射光，忌陽光直射，1～2年苗期需70%～80%蔭蔽度。3年后植株進(jìn)入開花結(jié)果期，蔭蔽度以50%～60%為宜；若過于蔭蔽，植株生長雖然旺盛，但開花結(jié)果少［6］。陳錫沐［7］記載陽春砂喜濕、怕澇、忌旱，一般要求空氣相對(duì)濕度在75%～90%，特別是孕蕾至開花期，其相對(duì)濕度要求90%以上。對(duì)于土壤水分的需求，不同生長時(shí)期需水量各不相同。幼年植株要求土壤含水量為24%～26%；成年植株由于根系發(fā)達(dá)，具有一定的抗旱能力，土壤含水量要求不低于10%，但含水量在22%～26%時(shí)生長良好，低于20%時(shí)生長受到抑制；土壤含水量過高會(huì)影響根系呼吸作用，導(dǎo)致爛根。因此，種植陽春砂宜選擇土層深厚、疏松和腐殖質(zhì)含量豐富、養(yǎng)分充足、保水保肥力強(qiáng)的壤土或沙壤土種植，一般在杉木或柏樹下套種［8］。

3　開花物候期特性

陽春砂的繁殖方式有兩種，即無性分株繁殖和有性種子繁殖。分株繁殖植株在定植后兩年能開花，而種子繁殖的實(shí)生苗需三年才能開花。高偉［9］曾在陽春砂的生殖生物學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，陽春砂花芽在春季3～4月從根狀莖上抽出，花序的成熟開放在5～6月。小花自下而上逐步開放，開放時(shí)間為1 d。一個(gè)花序上的小花全部開完一般為7～13 d，開放時(shí)間一般在7︰00～10︰00am，但因溫度和濕度等環(huán)境條件不同而異，在天氣晴朗，溫度22 ℃，濕度98%時(shí)，開放時(shí)間是清晨7︰00～8︰00am；若在溫度低的陰雨天氣，花開放時(shí)間推遲到 9︰00～10︰00am。溫度對(duì)陽春砂花芽的分化、開放、花藥爆裂和花粉粒的形成有重要影響，其次是光照和水分條件，花開放的最適宜溫度為24～28 ℃，溫度在20 ℃以下花苞無法開放，氣溫32 ℃以上花芽會(huì)被灼傷也無法開放［10］。

4　花粉發(fā)育特性

圖1　陽春砂有性生殖特性Fig. 1　Sexual reproduction characteristics of Amomum villosum

于志忱和韓德聰［11］曾研究陽春砂小孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂和花粉粒發(fā)育，揭示陽春砂的小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂為連續(xù)型，四分體中的四個(gè)小孢子排列方式包括倆側(cè)對(duì)稱式、交互對(duì)生式、三核線形排列式、T形排列式和四細(xì)胞直列式五種形式?；ǚ哿５陌l(fā)育實(shí)際上是小孢子經(jīng)過二次有絲分裂的過程，開花當(dāng)日或次日在花粉囊中形成三細(xì)胞的花粉粒。最近，林美珍等［2］用植物組織化學(xué)方法研究陽春砂花藥發(fā)育過程中營養(yǎng)物質(zhì)的積累、分布和轉(zhuǎn)化特征，發(fā)現(xiàn)陽春砂小孢子母細(xì)胞和四分體小孢子中積累了較多的脂滴，但沒有淀粉粒；到了單核小孢子晚期，細(xì)胞核周圍開始出現(xiàn)淀粉粒，并伴隨著脂滴的積累（圖1： F）；成熟花粉貯存有豐富的淀粉粒和脂滴?；ㄩ_放的前一天，花粉粒為二細(xì)胞型，其表面分布有許多棘突?；ㄋ幈诘臉?gòu)造也很特殊，由表皮和幾層薄壁細(xì)胞以及徑向壁纖維加厚的變形細(xì)胞組成，并已開裂［2］。

5　胚囊發(fā)育特性

有關(guān)陽春砂胚囊發(fā)育的研究資料不多。于志忱等［12］對(duì)春砂仁的大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂和胚囊發(fā)育過程進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)大孢子母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)分裂Ⅰ和Ⅱ后形成橫的分隔壁，產(chǎn)生的四個(gè)大孢子成直線排列，其胚囊發(fā)育屬單孢子胚囊蓼型。錢南芬等［13］曾觀察了陽春砂雌配子體發(fā)育過程，揭示大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂后的四個(gè)大孢子，其中位于珠孔端的三個(gè)大孢子退化，合點(diǎn)端的大孢子連續(xù)進(jìn)行三次有絲分裂形成8核胚囊。成熟胚囊上寬下窄，合點(diǎn)端狹窄延長成盲腸狀，開花當(dāng)天2個(gè)極核融合成次生核從而形成 7細(xì)胞胚囊。在大孢子與胚囊發(fā)育過程中，內(nèi)外珠被也發(fā)育，最后整個(gè)包住珠心。胚囊位于珠孔端兩層珠心細(xì)胞之下。當(dāng)胚囊成熟時(shí)，珠孔端只剩下一層珠心細(xì)胞，它們縱向伸長并膨大，排成柵欄狀，形成珠心冠原，在珠心的合點(diǎn)端有明顯的承珠盤［13］。從陽春砂胚囊結(jié)構(gòu)可以看出，內(nèi)外珠被在受精后發(fā)育成種皮，保護(hù)胚珠，同時(shí)其珠心冠原和承珠盤都有利于受精，所以陽春砂的受精概率比較高，其果實(shí)產(chǎn)量低也許是傳粉難的原因。

6　傳粉生物學(xué)特性

陽春砂為兩性花，雌蕊柱頭高于雄蕊花藥，且花序生于地面的根狀莖上，既不利于風(fēng)媒傳粉，也不利于蟲媒傳粉，其繁育系統(tǒng)屬于兼性自交類型［9］。福建省長泰縣種植的陽春砂自然傳粉結(jié)實(shí)率通常只有3%～8%［2］，提高有效傳粉是增加陽春砂產(chǎn)量的主要策略。張文慶等［14］對(duì)陽春砂的傳粉昆蟲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)最主要的傳粉昆蟲是多種蜜蜂，其中以彩帶蜂傳粉效果最佳，自然狀態(tài)彩帶蜂傳粉的結(jié)實(shí)率可達(dá)71.9%。若人工去唇瓣加噴糖水引誘螞蟻傳粉，能使結(jié)實(shí)率提高2.0倍，可見螞蟻是陽春砂傳粉的重要媒介［15］。采用去唇瓣加手指涂抹花粉的授粉方法可使結(jié)實(shí)率增至82.1%［15］。當(dāng)前在陽春砂生產(chǎn)中，人工輔助授粉的方法主要有去唇瓣正向推拉法、反向推拉法和抹粉法，人工授粉結(jié)實(shí)率可增加到40%～80%，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，且易傷及花芽和根狀莖，不利于大規(guī)模種植［16］。林美珍［17］發(fā)明采用柔質(zhì)工具如帶長柄的粉刷滾筒拍打陽春砂花苞的人工授粉方法，可使陽春砂結(jié)實(shí)率提高3.1倍，值得推廣。

7　受精生物學(xué)特性

陽春砂花藥的花粉量一般在10 000粒左右［5］，小孢子母細(xì)胞經(jīng)連續(xù)減數(shù)分裂形成四分體，在開花的前一天即花苞時(shí)，二胞花粉粒已經(jīng)成熟，花藥也已開裂，為傳粉做好了準(zhǔn)備［2］。

高偉［9］研究報(bào)道陽春砂在開花前1 d、當(dāng)天、后1 d花粉均具有較高的活力，達(dá)78%以上。開花當(dāng)天的花粉，從早上至傍晚都維持在一個(gè)較高水平，花粉活力達(dá)94%以上。花粉活力與溫度和濕度的變化存在相關(guān)性，溫度升高且濕度下降會(huì)抑制花粉活力。開花前1 d柱頭已有接受花粉的活力，達(dá)70%以上；開花當(dāng)天的柱頭可授性最高，達(dá)84%；開花后1 d還殘存30%活力；開花后2～3 d的柱頭失去可授性。因此，在開花當(dāng)天通過人工輔助授粉，可以高效率地提高陽春砂的結(jié)實(shí)率。

陽春砂的子房一般有40～60個(gè)胚珠［13］。在傳粉后16 h，花粉在柱頭上萌發(fā)出花粉管，花粉管沿著柱頭及花柱的通道經(jīng)過珠孔，16～18 h后進(jìn)入子房室，24～28 d后穿過“珠心帽”進(jìn)入胚囊?；ǚ酃苡山z狀器部位穿入一個(gè)助細(xì)胞，此時(shí)助細(xì)胞方解體，兩精子由解體的助細(xì)胞合點(diǎn)端釋放入胚囊，然后分別趨向卵細(xì)胞和次生核，完成雙受精［12—13］。陽春砂受精是雌雄核徹底完成融合后才進(jìn)行有絲分裂，屬有絲分裂前型，胚乳發(fā)育屬于沼生目型［18］。

陽春砂種子包括假種皮、種皮、外胚乳、內(nèi)胚乳、胚。有效成分揮發(fā)油主要存在于胚和假種皮細(xì)胞中，內(nèi)胚乳最外層細(xì)胞與外種皮中也有分布［19］。然而有關(guān)陽春砂胚的發(fā)育和胚細(xì)胞結(jié)構(gòu)與有效成分積累的關(guān)系研究尚未見報(bào)道［18］。

8　結(jié)語

陽春砂為我國資源緊缺的中藥，由于自然傳粉率低影響了果實(shí)產(chǎn)量，挫傷了農(nóng)民種植陽春砂的積極性。目前陽春砂栽培面積逐年減少，嚴(yán)重制約了陽春砂的可持續(xù)發(fā)展和市場(chǎng)供應(yīng)。同時(shí)，由于種植陽春砂主要依靠無性分株繁殖，導(dǎo)致物種嚴(yán)重退化。揭示陽春砂的有性生殖規(guī)律是提高果實(shí)產(chǎn)量的基礎(chǔ)，如何在自然狀態(tài)下，使陽春砂進(jìn)行異花傳粉，保護(hù)種質(zhì)資源是將來進(jìn)一步研究的方向。

陽春砂的花柱具有單孔道，花粉管自柱頭伸到胚囊珠孔端途中不破壞任何細(xì)胞，且“珠心帽”細(xì)胞可能分泌一些多糖類黏液［12］，有利于花粉管穿過和受精過程。因此，陽春砂的受精過程是順暢的，其結(jié)實(shí)率低，單產(chǎn)量低的主要原因是自然狀態(tài)下傳粉受阻。如何通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)、細(xì)胞融合、輻射育種、雜交育種等生物技術(shù)培育出自然授粉率高的新品種，改變陽春砂的生殖特性是提高果實(shí)產(chǎn)量的關(guān)鍵問題。

陽春砂的花粉發(fā)育很特殊，有兩個(gè)值得關(guān)注的植物學(xué)新現(xiàn)象。一是花粉母細(xì)胞沒有厚厚的胼胝質(zhì)壁，減數(shù)分裂后形成的四分體小孢子被2層很薄的細(xì)胞壁包裹、分割（圖1： E）。陽春砂花粉發(fā)育的另一新現(xiàn)象是花粉外壁成分由多糖物質(zhì)構(gòu)成（圖1： G），而非胡蘿卜素和類胡蘿卜素酯的孢粉素物質(zhì)構(gòu)成［2］?；ǚ弁獗诘逆叻鬯鼐哂泻軓?qiáng)的抗酸和抗分解特性，使花粉能長期保存，同時(shí)花粉外壁中還有識(shí)別蛋白，發(fā)揮受精過程中與柱頭發(fā)生識(shí)別反應(yīng)的作用［20］。陽春砂花粉的多糖外壁是否也具有這種識(shí)別功能值得進(jìn)一步研究。

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Review of Sexual Reproduction Characteristics of Amomum villosum

LIN Mei-zhen1， TIAN Hui-qiao2
（1.Zhangzhou Health Vocational College， Zhangzhou 363000， Fujian China； 2.School of Life Sciences， Xiamen University，Xiamen 361005， Fujian China）

Amomum villosum is rare and endangered medicinal plants in China， its fruit is used as medicine. Natural pollination seed setting rate is low for stigma being higher than anther， which severely limits its fruit production. In order to reveal the basis of forming fruit and explore corresponding strategy of improving the yield of A. villosum， the paper summarized research status on sexual reproduction such as morphological characteristics， ecological characteristics， pollen development， embryo sac development， flowering， pollination and fertilization.

Amomum villosum； pollination； sexual reproduction； characteristics

10.3969/j.issn.1009-7791.2015.01.017

Q944.4

A

1009-7791（2015）01-0083-04

2014-12-10

福建省自然科學(xué)基金（2015J0101）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA12437）

林美珍，碩士，教授，從事藥用植物學(xué)研究。E-mail： lmz575@163.com

注：田惠橋?yàn)橥ㄓ嵶髡?。E-mail：hqtian@xmu.edu.cn.