火柴頭初始花芽分化與葉生長的同生關(guān)系2

池源+徐小穎+徐義昆+金銀根

摘要：應(yīng)用植物形態(tài)學(xué)解剖觀察、蘇木精整染、石蠟法連續(xù)切片以及顯微觀察拍照技術(shù)，研究火柴頭初始花芽分化與葉生長的同生關(guān)系。結(jié)果表明：火柴頭種子萌發(fā)后，經(jīng)過約20 d的營養(yǎng)生長，至主莖出現(xiàn)4～6張真葉時，主莖頂端花芽開始分化，其分化進(jìn)程與真葉數(shù)、真葉面積呈正相關(guān)，整個分化過程歷經(jīng)約15 d；幼苗進(jìn)入4葉期后，花芽分化從分化初期過渡到苞片及花序原基分化期；幼苗進(jìn)入5葉期后，花芽分化進(jìn)入萼片及花瓣原基分化期；幼苗進(jìn)入6葉期后，花芽分化進(jìn)入雄、雌蕊原基分化期。

關(guān)鍵詞：火柴頭；初始花芽分化；葉生長；同生關(guān)系；開花調(diào)控

中圖分類號：S184；S451文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0174-04

火柴頭（Commelina benghalensis L.）是單子葉植物綱鴨跖草科鴨跖草屬的一年生草本植物。金銀根等指出，火柴頭不僅是枝源型克隆植物，而且可同時進(jìn)行有性生殖，更為特殊的是其在地下開花結(jié)實(shí)的生殖方式[1-2]。火柴頭在整個生長周期中能產(chǎn)生3種生長特性不同的生殖莖、5種開花特性不同的結(jié)實(shí)花以及6類生物學(xué)特性不同的可育種。3種生殖莖為氣生生殖莖、貼地生殖莖、地下生殖莖；5種結(jié)實(shí)花為氣生生殖莖上的雄花、氣生生殖莖上的開花傳粉型兩性花、氣生生殖莖上的閉花受粉型兩性花、貼地生殖莖上的閉花受粉型兩性花、地下生殖莖上的閉花受粉型兩性花[3]；6類可育種為地上大、小種，貼地大、小種和地下大、小種[4]?；谝陨隙鄻拥纳程匦裕鸩耦^形成了極強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，從而在世界范圍內(nèi)廣布性存在。在我國，火柴頭也廣布于諸多省份，尤其在棉花、玉米田間呈片狀或群帶狀分布，與農(nóng)作物競爭光照、肥料、水分以及生長空間而使農(nóng)作物嚴(yán)重減產(chǎn)，再加上火柴頭對多種除草劑都不敏感，一旦在田間蔓延則很難根除[5]。因此，要治理火柴頭這種雜草災(zāi)害，必須弄清其繁殖機(jī)制，以找出有效的控制措施。本研究主要觀察火柴頭幼苗的形態(tài)建成葉的發(fā)育和初始花芽分化過程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，以了解花芽分化與葉發(fā)育的同生關(guān)系，為開花調(diào)控的研究奠定基礎(chǔ)，并為有效治理該種雜草提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料準(zhǔn)備

將火柴頭地上大種均勻地灑在盛有2/3珍珠巖的籃筐中（籃筐尺寸36 cm×25 cm，每框42株，共6框），置于光照培養(yǎng)箱中，晝/夜溫度為27 ℃/25 ℃，光/暗周期為12 h/12 h，晝/夜?jié)穸葹?4%/50%，光照度為176 μmol/（m2·s），每2 d定時加500 mL Hoagland營養(yǎng)液[6]。

1.2莖節(jié)生長點(diǎn)解剖學(xué)觀察

每天定時觀察火柴頭生長情況并拍照記錄；10 d后，每天定時取火柴頭主莖莖節(jié)生長點(diǎn)，用流水沖洗干凈后，制作臨時裝片，顯微觀察并拍照。確定初始花芽分化時間，并作記錄[7-8]。

1.3材料基本參數(shù)的測量

按照真葉數(shù)以及頂葉卷曲程度選取4葉期、5葉期、6葉期、7葉期健康的火柴頭幼苗，每個葉期6株，編號后記錄其相關(guān)的生長時間、不定根、側(cè)根、分枝情況以及頂葉卷曲程度，測量其株莖、株高，以及頂枝3張真葉的葉長、葉寬并計(jì)算其真葉面積，其中葉長是葉片基部至葉尖距離，葉寬是葉片2/3處肩寬，由于大部分真葉在葉片2/3處收尖，因此按葉長×葉寬的2/3計(jì)算葉面積[9-10]。

1.4莖節(jié)生長點(diǎn)石蠟切片的制作

將測量完基本參數(shù)的新鮮幼苗清洗干凈，取長約1 cm頂芽并及時放入福爾馬林-乙酸-乙醇固定液（FAA）[11]中固定12 h，用70%乙醇沖洗后，再用稀釋4倍的徳氏蘇木精于40 ℃加熱染色72 h[12-13]，再用乙醇梯度脫水（乙醇濃度分別是85%、95%、100%），二甲苯與純乙醇梯度置換（二者比例分別是1 ∶[KG-*3]2、1 ∶[KG-*3]1、2 ∶[KG-*3]1），石蠟法包埋、切片（厚度為 10 μm），再經(jīng)展片、烤片、脫蠟、透明后用中性樹脂封片，在Leica顯微鏡下觀察拍照。

2結(jié)果與分析

2.1火柴頭幼苗的生長特性

在光照培養(yǎng)箱溫度穩(wěn)定高于25 ℃、水分充足的情況下，火柴頭地上大種在珍珠巖這種介質(zhì)中經(jīng)歷吸脹吸水、緩慢吸水、生長吸水3個階段后，1～2 d便開始萌動形成幼苗。

火柴頭是典型的單子葉植物，種子萌發(fā)時，胚軸一端突破種孔蓋生長，以這一端末尾膨大的吸盤狀結(jié)構(gòu)為界，向上分化成胚芽鞘（后期形成真葉），向下分化成胚根（后期形成火柴頭根系）。最初，由于胚芽鞘的束縛，真葉卷曲生長；隨著真葉的生長，下胚軸逐漸伸長，到一定長度后，真葉突破胚芽鞘逐漸展開；經(jīng)過約1周后，第1張真葉完全展開，此時胚芽鞘基部再次分化出新葉，新葉裹在第1張真葉基部卷曲生長，到一定長度后展開，當(dāng)這2張真葉大小一致時，基部相交處又會分化形成新葉，如此形成火柴頭莖節(jié)。而與此同時，胚根形成的根系也在不斷趨向成熟，隨著數(shù)目的累積增多，根系逐漸變粗變長，以確保水分的供給?；鸩耦^在這種培養(yǎng)方式下真葉以1張/周的速率健康生長，培養(yǎng)20 d左右進(jìn)入4葉期后，頂端葉芽開始分化形成花芽，從而進(jìn)入火柴頭初花花芽分化期?；鸩耦^的整個生長過程如圖1所示。

2火柴頭花芽分化與葉生長的同生關(guān)系

經(jīng)過對不同葉期、真葉不同發(fā)育程度材料及其補(bǔ)充材料數(shù)周的石蠟切片處理、分析觀察后，得到火柴頭頂端初始花芽分化與葉生長的同生關(guān)系：花芽分化從4葉期（大約生長 20 d）陸續(xù)開始到6葉期（大約生長30 d）基本完成，整個過程歷時約15 d；花芽分化與真葉數(shù)、真葉面積呈正相關(guān)，真葉數(shù)越多，花芽分化越完整；在同一葉期，真葉面積越大，花芽質(zhì)量越好，主要表現(xiàn)在各原基形成的器官體積大而胞質(zhì)飽滿，后期具有較強(qiáng)的生殖能力；花芽分化進(jìn)程越到后期越緊湊，最終趨向成熟。

4葉期一般從分化初期過渡到苞片原基以及花序原基的分化，這段時期的本質(zhì)是營養(yǎng)生長向生殖生長過渡的階段，形成花序之后對于花蕾而言才開始進(jìn)行真正的花芽分化；5葉期一般進(jìn)行萼片原基以及花瓣原基的分化，這段時期分化進(jìn)程加快，各個時期沒有明顯界限，經(jīng)常會看到2～3個時期疊加的情況；6葉期一般進(jìn)行雄、雌蕊原基的分化，這段時期花蕾趨向成熟，雄蕊原基分化形成花藥后，雌蕊原基開始進(jìn)行分化，二者分化緊湊，速度相當(dāng)迅速，最終雄蕊原基比雌蕊原基早一步完成分化，此時花芽分化基本完成；7葉期一般進(jìn)入花成熟時期，花序中的各花蕾完善自身發(fā)育，為后期有性生殖作準(zhǔn)備?；ㄑ糠只M(jìn)程與葉生長的同生關(guān)系見表1。

2.3火柴頭花芽的分化過程

分化初期：莖節(jié)頂端細(xì)胞分化加快，向上隆起，呈半球形

形成營養(yǎng)生長錐，原分生組織細(xì)胞不斷分化，使生長錐變得圓滑豐滿。形態(tài)學(xué)上生長錐細(xì)胞小而密集，通過蘇木精染色后顏色較深（此時細(xì)胞處于生命活性最高、細(xì)胞分裂活性強(qiáng)的階段），細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的體積比較大，其形態(tài)與基底組織細(xì)胞明顯不同，基底組織細(xì)胞發(fā)育更早，已形成成熟液泡，細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)體積比較小，排列不規(guī)則，染色較淺，后期生長錐發(fā)育成近似圓錐狀（圖2-1中Gc）。

苞片原基分化期：營養(yǎng)生長錐頂端變得寬而平坦，兩邊產(chǎn)生凸體，凸起部分形態(tài)相似，染色較深，細(xì)胞排列緊密而且分裂速度快，迅速向上生長，但是二者大小存在差異，說明這2個凸體不是同時發(fā)育的，最終兩邊會結(jié)合到一起，形成苞片，將整個營養(yǎng)生長錐包圍（圖2-2中Bp）。

花序原基分化期：營養(yǎng)生長錐隨著苞片的伸長不斷升高，緊貼著苞片里側(cè)，生長錐逐漸變平，細(xì)胞生長分化速度出現(xiàn)差異，產(chǎn)生3～4個小的凸體即花原基（Fp），這些花原基不在同一平面，共同構(gòu)成花序原基（Ip），后期將發(fā)育成火柴頭的聚傘狀花序，至此莖節(jié)生長點(diǎn)完成由營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡，開始進(jìn)入真正的花芽分化期（圖2-3中Ip；圖2-4中Fp）。

花原基分化期是生殖生長錐（Rc）進(jìn)行自身分化形成花蕾的過程，這些生長錐都要經(jīng)歷由尖變圓、由外到內(nèi)依次產(chǎn)生凸體，形成萼片原基（Se）、花瓣原基（Pet）、雄蕊原基（Sp）、雌蕊原基（Pp）的過程，從而完成花芽分化，形態(tài)結(jié)構(gòu)上可根據(jù)大小、位置來判斷其發(fā)育的早晚以及花芽分化的質(zhì)量（圖2-4至圖2-8）。

萼片原基分化期：當(dāng)花原基繼續(xù)伸長，頂部變得豐滿時，在生殖生長錐最外側(cè)一輪同一水平面上最先對稱地發(fā)育形成3個凸體，這些凸體生長迅速，后期將發(fā)育成萼片，由于切片只能取到1個平面，不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來（圖2-4至圖2-6中Se）。

花瓣原基分化期：當(dāng)苞片頂端形成鉤狀曲折時，緊接著在相鄰萼片基部里側(cè)一輪、同一水平面上對稱地分化形成3個凸體，這些凸體緊貼生殖生長錐兩側(cè)快速發(fā)育，迅速向上生長，最后可形成花瓣，由于切片只能取到1個平面而不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來（圖2-4至圖2-6中Pet）。

雄蕊原基分化期：隨著萼片、花瓣原基的成形，生殖生長錐中心再次隆起，形成6個對稱的凸體，這些凸體逐漸伸長變粗最終依次分化出花藥、花絲，從而形成雄蕊，由于切片只能取到1個平面不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來（圖2-7中Sp）。

雌蕊原基分化期：當(dāng)雄蕊原基開始分化不久形成花藥雛形后，上升到一定高度的生長錐中心再次隆起，形成心皮原基，最終分化出子房、花柱，從而形成雌蕊，由于切片只能取到1個平面不能將所有結(jié)構(gòu)都展示出來（圖2-8中Pp）。

至此花芽分化結(jié)束，性器官逐步完善生殖能力的分化，使整個花序趨向成熟?？v觀整個過程，每個時期并不是彼此獨(dú)立的，同一時段可能進(jìn)行好幾個時期的分化，而且分化節(jié)奏緊湊。

3討論

花芽分化是在植物頂端分生組織感受到一定成花刺激后開始的，整個過程不僅受到外界環(huán)境因子的影響，而且受到植物體內(nèi)諸多因子的調(diào)控。植物體受到成花刺激后，生長點(diǎn)內(nèi)部會發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，為后期的形態(tài)變化提供DNA、RNA等原料物質(zhì)，并提供蛋白酶、礦質(zhì)元素等能源物質(zhì)以及細(xì)胞分裂素、赤霉素等激素物質(zhì)，而這些物質(zhì)大多數(shù)是由葉片合成，通過輸導(dǎo)組織源源不斷地運(yùn)向生長點(diǎn)并在生長點(diǎn)內(nèi)累積的，整個過程終將由量變產(chǎn)生質(zhì)變，形成相互協(xié)調(diào)的體系，進(jìn)而完成成花作用[14]。

目前對于果樹、花卉等一些園藝性木本植物花芽分化的研究較多，而對于火柴頭、水花生等一些危害性草本植物花芽分化過程鮮有研究，而且，目前對雙子葉植物花芽分化的研究較為成熟，對于單子葉植物花芽分化研究較少。其實(shí)植物花芽分化雖然都會經(jīng)歷同樣的幾個過程，但是具體引起成花的誘導(dǎo)因子、成花形態(tài)以及成花發(fā)育方式都有明顯區(qū)別。對于一般植物來說，光誘導(dǎo)作用是最明顯的刺激成花誘導(dǎo)因素[15]，但是不同植物感受光誘導(dǎo)的機(jī)制不同，園藝性木本植物大多是多年生的，在臨界花期感受光周期誘導(dǎo)之前，需要1個低溫春化的刺激作用，而園藝性花卉植物對春化作用不是很敏感，這種植物對光照度要求嚴(yán)格[16]，光照越強(qiáng)，花芽越容易分化，而且分化進(jìn)程也越快，這一點(diǎn)與草本植物很相似。何井瑞研究火柴頭時發(fā)現(xiàn)，火柴頭的初花期一般發(fā)生在5—6月，花芽分化歷程大約為半個月，盛花期一般發(fā)生在7—8月，花芽分化歷程大約為1周，這說明火柴頭花芽分化也明顯受到光期調(diào)控，而且光照度越強(qiáng)，成花能力越強(qiáng)[17]。

花芽分化起始于植物芽軸的頂端，很難從外部形態(tài)準(zhǔn)確地把握花芽分化的起始和不同時期。本研究用形態(tài)學(xué)解剖法對大量火柴頭幼苗莖節(jié)生長點(diǎn)處不同葉芽進(jìn)行解剖，初步得到花芽分化各時期的始末時間，再用石蠟法連續(xù)切片得到火柴頭花芽分化期間的形態(tài)變化過程，找出與葉生長的同生關(guān)系，對從形態(tài)上準(zhǔn)確判斷火柴頭花芽分化的過程和時期有重要的參考價值。

花芽分化開始時生長錐伸長，表面積變大，表面數(shù)層細(xì)胞分裂加速，產(chǎn)生皺褶，在本該形成葉原基的地方產(chǎn)生了胞質(zhì)濃厚的花原基，在花原基上又分化出各器官原基。一般來說，當(dāng)花芽內(nèi)不再進(jìn)行花器官的分化時，花芽分化結(jié)束。不同植物花芽分化發(fā)育形態(tài)各異，張立莎對多年生木本仁果類植物蘋果樹花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，花芽分化順序是花序原基、花萼原基、花瓣原基、雄蕊原基、雌蕊原基[18]；張智等對多年生木本核果類植物桃樹花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，分化過程與蘋果樹相似，就是缺少花序原基形成期，這與植物本身花器官組成特征有關(guān)[19]；楊小明等對2年生園藝性植物甘藍(lán)花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其花芽分化與木本植物相比差異明顯，分化初期生長錐膨大，中心凸體周圍產(chǎn)生3～5個小圓凸體，之后在生長點(diǎn)周圍又形成1圈圓突群，最后由圓突群形成花蕾雛形，隨后花柄伸長，花萼開始分化，與此同時，側(cè)芽也開始分化[20]；陶月良等對黃瓜花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其花芽分化有自身的特點(diǎn)，所有花器官原基發(fā)生完成后并不等于花芽分化的結(jié)束，其花芽分化在最初階段有著明顯的兩性特點(diǎn)，但最終會根據(jù)環(huán)境因素來選擇到底是哪種性器官可以繼續(xù)分化，也就是說黃瓜的花芽分化首先是兩性期，最后為單性期，至此花芽分化才結(jié)束[21]；賀丹等對一年生園藝性花卉植物牡丹、芍藥花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，它們的花芽分化過程具有一定的相似性，分化順序是苞片原基、萼片原基、花瓣原基以及雌雄蕊原基分化期，苞片結(jié)構(gòu)與木本植物也存在著差異[22]。查閱僅有的關(guān)于少數(shù)幾種單子葉植物花芽的研究可知，張丹丹等對多年生單子葉草本植物玉簪花花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其花芽分化過程分為形態(tài)分化前期、被片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期4個時期[23]；黃濟(jì)明等對多年生單子葉草本球根植物麝香百合花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其過程分為莖端未見分化、花原基形成、外層花瓣原基形成、內(nèi)層花瓣原基形成和雌雄蕊形成5個時期[24]；王家艷等對單子葉草本植物細(xì)葉百合花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其過程分為6個時期，即未分化期、分化初期、小花原基分化期、花被原基分化期、雄雌蕊原基分化期、整個花序形成期[25]；安黎哲等對一年生草本植物番茄花芽分化研究發(fā)現(xiàn)，其分化規(guī)律也遵循由外到內(nèi)、由下而上的原則，而且具體分化過程與本研究最為相似[26]。

本研究得到的火柴頭花芽分化順序：苞片原基、花序原基、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基和雌蕊原基分化期。從分化初期到萼片原基分化期，生長速度較慢；當(dāng)進(jìn)入萼片原基分化期后，發(fā)育速度明顯加快，尤其是性器官的分化速度最快，雌雄蕊原基近于同時發(fā)生。在營養(yǎng)生長階段，真葉數(shù)及大小直接影響第1花序分化的早晚，真葉面積影響著花芽分化的數(shù)目與花芽質(zhì)量；花芽開始分化后，頂芽最先分化，頂芽兩側(cè)的上位側(cè)芽隨即也開始分化，一般當(dāng)?shù)?花序的花蕾成形時，其側(cè)芽開始形成花序，如此反復(fù)分化，可以形成頂芽的2～4個花苞，從而過渡到盛花期。

關(guān)于火柴頭的雄、雌蕊原基分化界限不明顯的原因，可能是其花芽分化總歷程較短，致使分配到這2個時期的時間極少，這也體現(xiàn)在整個花芽分化過程由慢到快的節(jié)奏上?；鸩耦^從4葉期開始進(jìn)入分化初期，營養(yǎng)生長錐開始向生殖生長錐過渡，分生組織細(xì)胞不斷積累，形成所需的營養(yǎng)物質(zhì)，到6葉期基本完成花芽分化。van Meulebroek等認(rèn)為，在此過程中8種主要的植物激素（生長素、赤霉素、脫落酸、茉莉酸、水楊酸、玉米素、N-芐基腺嘌呤和油菜素內(nèi)酯）是植物花芽分化重要的信號分子[27]；馮慧等認(rèn)為，細(xì)胞分裂素的存在會促進(jìn)荔枝花芽的分化，荔枝花芽在進(jìn)入花序原基形成期及花序軸形成期后細(xì)胞分裂素含量會逐漸增加，到花器官形成期達(dá)到高峰，而雌雄蕊形成期的細(xì)胞分裂素含量較低[28]；王姍等發(fā)現(xiàn)，在鳳梨花器官發(fā)育時，赤霉素含量上升，脫落酸、玉米素含量處于正常水平，在其花芽誘導(dǎo)期，脫落酸、玉米素含量升高，低水平的生長素、赤霉素促進(jìn)其花芽的誘導(dǎo)，而相對較高的生長素、赤霉素含量利于其花形態(tài)的建成[29]。因此，可以推測火柴頭雄、雌蕊原基分化時期的界限不明顯可能與細(xì)胞分裂素、玉米素、赤霉素等激素含量的變化有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步研究。

花芽分化是有花植物發(fā)育中最為關(guān)鍵的階段[30]，通過了解植物花芽分化的機(jī)制，對合理制定栽培措施、合理進(jìn)行花期調(diào)控以及徹底根除開花結(jié)實(shí)能力強(qiáng)的危害性植物等都有重要意義，闡明火柴頭初始花芽分化進(jìn)程與葉生長的同生關(guān)系，有助于確定控制該雜草的有效手段，減少其危害和損失。

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