滇重樓花藥開閉運(yùn)動的影響因子及細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制探討

王艷芳+李戈+唐玲+楊春勇+李榮英

[摘要] 為了研究滇重樓花藥開閉運(yùn)動的影響因子及細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制，觀察花藥開閉運(yùn)動現(xiàn)象與對應(yīng)生態(tài)因子變化，設(shè)計(jì)不同光照、溫度、濕度試驗(yàn)和人工淋雨試驗(yàn)，觀察各因子對花藥開閉運(yùn)動的影響，制作石蠟切片，觀察花藥開閉運(yùn)動時(shí)細(xì)胞形態(tài)變化。結(jié)果表明花藥早開晚閉運(yùn)動由外界生態(tài)因子調(diào)節(jié)，總體趨勢是高溫、強(qiáng)光、低濕利于花藥開裂，低溫、弱光、高濕利于花藥閉合。該實(shí)驗(yàn)中，各生態(tài)因子對花藥開裂的影響從大到小依次為濕度、溫度、光照，各生態(tài)因子對花藥閉合的影響從大到小依次為光照、濕度、溫度，雨天雨滴的直接接觸導(dǎo)致花藥的快速閉合。從其細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)變化看，花藥早開晚閉運(yùn)動就是一個(gè)花粉囊壁細(xì)胞失水開裂和吸水閉合的過程，推測不同光照、溫度和濕度條件引發(fā)了細(xì)胞內(nèi)不同的生理活動，導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓變化，進(jìn)而導(dǎo)致花藥開裂或閉合。而花藥遇雨閉合是一個(gè)簡單的物理調(diào)節(jié)過程，雨點(diǎn)落在花藥上，直接浸泡花藥，導(dǎo)致花藥細(xì)胞滲透壓變化吸水閉合。

[關(guān)鍵詞] 滇重樓； 花藥開閉運(yùn)動； 生態(tài)因子； 細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制

[Abstract] In order to study the effect elements of anthers opening-closing movement of Paris polyphylla var. yunnanensis， and its cell morphology regulatory mechanism. Anthers daily opening in the morning and closing in the evening and its corresponding ecological elements changes were recorded. Different light， temperature， humidity experiment and artificial rainfall experiment were designed to observe the effect on anthers opening-closing movement， paraffin sections were made to observe the cell morphology change when the anthers daily opening and closing. The result showed that the movement of anthers daily opening and closing was regulated by ecological elements. The overall trend was high temperature and strong light， low humidity was favorable for anther opening， and low temperature， weak light， high humidity was favorable for anther closing. In this experiment， the effect of these ecological elements on the movement of anthers opening from strong to weak was humidity， temperature， light. The effect of these ecological elements on the movement of anthers closing from strong to weak was light， humidity， temperature. The direct contact of the raindrops causes the rapid closing of the anthers in the rain. Observing the cell morphology change when anthers opening and closing， it was a pollen sac dehydration and water-absorption process， different light， temperature and humidity conditions induce different physiological activities in the cell， which caused the cell osmotic pressure change， eventually resulting in anther opening and closing movement. But anthers closing caused by the rain was a simple physical adjustment process， the raindrops fell on the anthers directly， which caused anthers soaked water and change of the cell osmotic pressure， then resulting in anther closing.

[Key word] Paris polyphylla var. yunnanensis； the movement of anther opening and closing； ecological element； cell morphology regulatory mechanism

在重樓傳粉研究中，許多學(xué)者觀察到了重樓花藥遇雨閉合及每天早晨開裂傍晚閉合的現(xiàn)象，認(rèn)為其在應(yīng)對外界不良環(huán)境，提高雄性適應(yīng)度方面具有重要意義[1-3]。筆者在西雙版納滇重樓傳粉生物學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，花粉可以在花藥上保存10 d以上，且花粉活力一直很高[4] 。由于滇重樓花被特化為條狀，對內(nèi)側(cè)的花性器官無保護(hù)作用，滇重樓開花時(shí)正處在西雙版納雨季，花粉很容易被雨水從花粉囊中沖洗掉，正是由于花藥這種遇雨閉合的行為，延長了花粉在花藥上的存在時(shí)間，還可以保持花粉干燥，保證了花粉活力。另外重樓主要依靠蠅類傳粉[1] ，其只在白天活動，因此花藥夜間閉合不會影響傳粉，還可以將花粉保存于花粉囊內(nèi)，減少了外界不良環(huán)境影響，延長了花粉在花藥上的存在時(shí)間和花粉活力。

遇雨閉合與花藥早開晚閉的影響因素及細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制，關(guān)于這方面的研究近年正在開始，王定康等[5]報(bào)道花藥早開晚閉是由生態(tài)因子控制的，并認(rèn)為高溫可以加速早晨花藥開裂，推遲傍晚花藥閉合，黑暗促使花藥閉合，光照促使花藥開裂，濕度對花藥開閉影響不大，花藥遇雨閉合是雨滴的作用。趙崢等[6]報(bào)道溫度是影響滇重樓花藥開裂時(shí)間的主導(dǎo)因子。那么光照和溫度因子對花藥開閉的影響程度究竟如何？濕度對花藥開閉毫無影響嗎？雨滴又是如何影響花藥閉合的？本研究詳細(xì)觀察了花藥早開晚閉的情況，及對應(yīng)的生態(tài)因子的變化。在人工氣候箱設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，研究了光照、濕度、溫度對花藥開閉運(yùn)動的影響程度。設(shè)計(jì)了人工淋雨試驗(yàn)，觀察雨滴對花藥開裂的影響。通過石蠟切片觀察花粉囊不同開閉狀態(tài)時(shí)的細(xì)胞形態(tài)變化，說明調(diào)控花藥開閉運(yùn)動的細(xì)胞形態(tài)學(xué)機(jī)制。意在解決以下幾個(gè)問題，各生態(tài)因子對花藥周期性開閉運(yùn)動的影響程度；花藥遇雨閉合的影響因素；調(diào)控花藥開閉運(yùn)動的細(xì)胞形態(tài)學(xué)機(jī)制。

1 材料

實(shí)驗(yàn)地位于中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所云南分所西雙版納州勐?？h種植基地，海拔1 215 m，年平均氣溫18.5 ℃，最冷月12.3 ℃，最熱月22.8 ℃，年降水量1 523.1 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 061.4 h。實(shí)驗(yàn)材料選自種質(zhì)圃中在云南勐臘縣引種栽培的滇重樓 Paris polyphylla Smith var. yunnanensis （Franch.） Hand.-Mazz種質(zhì)。

2 方法

2.1 花藥開閉運(yùn)動現(xiàn)象觀察 隨機(jī)標(biāo)記20株在盛花期的滇重樓植株，連續(xù)3 d，每天早晨7∶30—9∶00，下午18∶30—21∶00每隔半小時(shí)記錄每朵花花藥開閉情況，和對應(yīng)生態(tài)因子包括光照強(qiáng)度、溫度、濕度三者的變化，觀察花藥雨天的狀態(tài)。

2.2 各生態(tài)因子對花藥開閉運(yùn)動影響的研究 采用L9（34）正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了光照、溫度、濕度3個(gè)因子、3水平對花藥開裂的影響，具體見表1。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室人工氣候箱進(jìn)行，選擇開花盛期花朵，每組試驗(yàn)4～6朵花，重復(fù)3次，試驗(yàn)時(shí)間1 h。其中光照和溫度條件由人工氣候箱自動調(diào)節(jié)；20%～30%濕度條件由放入氣候箱的干燥劑調(diào)節(jié)，另2個(gè)濕度條件由放入氣候箱的微型加濕器調(diào)節(jié)。

2.3 人工淋雨試驗(yàn)對花藥閉合的影響 設(shè)計(jì)了人工淋雨試驗(yàn)，觀察花藥在直接淋雨與有避雨措施情況下的閉合情況，淋雨環(huán)境由小型氣霧噴壺產(chǎn)生。

2.4 調(diào)控花藥開閉運(yùn)動的顯微機(jī)制研究 制作石蠟切片，觀察花藥不同開閉狀態(tài)時(shí)顯微結(jié)構(gòu)，研究形成調(diào)控花藥開閉運(yùn)動的細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制。

3 結(jié)果與分析

3.1 花藥開閉運(yùn)動觀察 滇重樓單花頂生，柱頭由5～8個(gè)棒狀裂瓣組成，雄蕊群基數(shù)一般為柱頭裂瓣基數(shù)的2倍，圍繞子房與柱頭生長。每個(gè)花藥由4個(gè)花粉囊組成，中間藥隔膨大將花粉囊兩兩隔開。重樓花期，每天早晨7∶30—9∶30，2個(gè)相鄰花粉囊之間開始開裂，裂縫從花粉囊中間或頂端延伸至整個(gè)花粉囊，花粉囊壁慢慢外卷直至貼合藥隔，花粉在花藥開裂后完全暴露在了空氣中；下午18∶30—21∶00，花粉囊壁離開藥隔，慢慢收攏，直至閉合成2個(gè)完整花粉囊，花藥的這種周期性早晨開裂與傍晚閉合行為貫徹整個(gè)花期。當(dāng)白天遇到下雨時(shí)，花藥也會根據(jù)雨量大小在幾到十幾分鐘內(nèi)閉合，雨過天晴后花藥會再次開裂，見圖1。

每天早晚花藥開率變化情況，及對應(yīng)生態(tài)因子光照、溫度、濕度變化情況見圖2。早上7∶30—9∶30時(shí)段，花藥完成開裂，對應(yīng)光照變化范圍為2 290～6 390 lx，溫度變化范圍為18.8～26.2 ℃，濕度變化范圍為89%～69%。晚上18∶30—21∶00時(shí)段，花藥完成閉合，對應(yīng)光照變化范圍為2 460～0 lx，溫度變化范圍為30.7～23.2 ℃，濕度變化范圍為51.3%～73.3%?；ㄋ幵玳_晚閉運(yùn)動與早晚生態(tài)因子光照、溫度、濕度變化同步進(jìn)行，總體趨勢是升溫、加光、降濕利于花藥開裂，降溫、減光、加濕利于花藥閉合。

3.2 各生態(tài)因子對花藥開閉運(yùn)動的影響 各因素水平下，花藥的開閉率差異明顯，總體趨勢是高溫、強(qiáng)光、低濕利于花藥開裂，低溫、弱光、高濕利于花藥閉合，與室外觀察結(jié)果一致，見表2。

極差分析表明，在各因素設(shè)定的水平范圍內(nèi)，各因子對花藥開裂的影響強(qiáng)度從大到小依次為濕度、溫度、光照，各因素水平影響強(qiáng)度順序?yàn)闈穸?0%～30%> 70%～80%> 95%～100%，溫度30～35 ℃>20～25 ℃>5～10 ℃，光照3 000 lx>1 000 lx>0 lx。花藥開裂的最優(yōu)水平組合為A3B3C1，即光照強(qiáng)度為3 000 lx，溫度為30～35 ℃，濕度為20%～30%，見表3。各因子對花藥閉合的影響強(qiáng)度從大到小依次為光照、濕度、溫度，各因素水平影響強(qiáng)度順序?yàn)楣庹? lx>1 000 lx>3 000 lx，濕度95%～100%>70%～80%>20%～30%，溫度 5～10 ℃>20～25 ℃>30～35 ℃?；ㄋ庨]合的最優(yōu)組合為A1B1C3，即光照強(qiáng)度為0 lx，溫度為5～10 ℃，濕度為95%～100%。

方差分析表明，光照、溫度、濕度3個(gè)因素均極顯著影響花藥開裂（P<0.01），光照、濕度2個(gè)因素極顯著影響花藥閉合（P<0.01），溫度對花藥閉合影響不顯著，見表4。

3.3 人工淋雨試驗(yàn)對花藥閉合的影響 午間人工淋水試驗(yàn)表明，花藥在直接淋雨環(huán)境下，會在5～10 min完成閉合，在遮雨不直接接觸水滴的情況下，雖然周圍環(huán)境濕度達(dá)到了100%，但花粉囊不會立即全部閉合，說明是雨滴的直接接觸導(dǎo)致花藥的快速閉合。

3.4 花藥開閉運(yùn)動的細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制研究 從花藥的切片看，完整花粉囊由3層薄壁細(xì)胞組成，內(nèi)外2層細(xì)胞長條形，首尾相連，排列較整齊，細(xì)胞較小。中間層細(xì)胞長方形，細(xì)胞較大，在接近2個(gè)相鄰花粉囊之間時(shí)，細(xì)胞變小，各層細(xì)胞的細(xì)胞核均很

明顯。當(dāng)花藥成熟，外界生態(tài)因子適宜花藥開裂時(shí)，花藥從2個(gè)相鄰花粉囊之間裂開，開裂后的花粉囊壁只剩下中間層較完整，其細(xì)胞脫水收縮呈緊密排列，胞內(nèi)細(xì)胞核依舊明顯，此時(shí)花粉囊壁仍具有調(diào)節(jié)功能，當(dāng)外界生態(tài)因子適宜花藥閉合時(shí)，細(xì)胞再次吸水完成花藥閉合，見圖3。

4 討論

4.1 各生態(tài)因子對滇重樓花藥開閉運(yùn)動的影響 本實(shí)驗(yàn)觀察到各生態(tài)因子對花藥開閉運(yùn)動影響的總體趨勢是升溫、加光、降濕利于花藥開裂，降溫、減光、加濕利于花藥閉合。同時(shí)正交試驗(yàn)表明，各生態(tài)因子對滇重樓花藥開裂和閉合2個(gè)過程影響程度不同，各因子對花藥開裂的影響從大到小依次為濕度、溫度、光照，且均極顯著影響花藥開裂（P<0.01）。各因子對花藥閉合的影響從大到小依次為光照、濕度、溫度，其中光照、濕度2個(gè)因素極顯著影響花藥閉合（P<0.01），溫度對花藥閉合影響不顯著。而王定康等[5]研究表明滇重樓花藥開閉主要有溫度和光照調(diào)節(jié)，濕度對花藥開閉影響不明顯，趙崢等[6]報(bào)道溫度是影響滇重樓花藥開裂時(shí)間的主導(dǎo)因子，推測造成這一結(jié)果與試驗(yàn)時(shí)時(shí)間長短及設(shè)定條件有關(guān)，同時(shí)也說明各生態(tài)因子調(diào)節(jié)花藥開閉運(yùn)動的復(fù)雜性。另外根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測滇重樓花藥開裂與閉合可能是2個(gè)調(diào)控方式不同的過程，因此各因子對其影響存在差異。

4.2 滇重樓花藥開閉運(yùn)動的細(xì)胞形態(tài)學(xué)調(diào)控機(jī)制 關(guān)于花藥開裂的細(xì)胞形態(tài)學(xué)機(jī)制研究較多[7-8]，花藥開裂有1個(gè)關(guān)鍵組織叫裂口組織，單細(xì)胞層，無細(xì)胞壁加厚，花藥成熟后，引發(fā)茉莉酸類激素調(diào)節(jié)花粉囊壁隔膜組織脫水，同時(shí)花粉囊壁上的水通道蛋白表達(dá)，K+離子及一些碳水化合物的次生代謝產(chǎn)物在水通道蛋白作用下進(jìn)入花粉粒使其膨脹，對裂口組織產(chǎn)生壓力，使花藥開裂，有關(guān)花藥閉合的細(xì)胞形態(tài)學(xué)研究未見報(bào)道。

從本實(shí)驗(yàn)滇重樓花粉囊壁細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化看，其花藥開閉運(yùn)動是1個(gè)花粉囊壁失水開裂和吸水閉合的過程。與其他植物花藥成熟后開裂不同的是，滇重樓花藥成熟后，呈現(xiàn)的是一種周期性的開閉運(yùn)動，由晝夜的光照、溫度和濕度條件變化引發(fā)，生物體的這種能夠感受外界條件的變化并對之積極的發(fā)生反應(yīng)而呈現(xiàn)出各種活動狀態(tài)的屬性稱為感應(yīng)運(yùn)動。郁金香、番紅花可以感受溫度變化，使花瓣不同部位生長速度不同，呈現(xiàn)晝開夜合的周期性變化[9]。滇重樓花藥的這種感應(yīng)運(yùn)動機(jī)制未見報(bào)道，結(jié)合花藥細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化，推測是光照、溫度和濕度條件變化引發(fā)細(xì)胞內(nèi)不同生理活動，導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓變化，造成細(xì)胞失水或吸水，進(jìn)而導(dǎo)致花藥開裂或閉合，但具體機(jī)制如何，需要進(jìn)一步試驗(yàn)。

關(guān)于花藥遇雨快速閉合，推測其跟花藥晝開夜合復(fù)雜的生理活動調(diào)控不同，本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為其更像是一個(gè)簡單的物理調(diào)節(jié)過程，雨點(diǎn)落在花藥上，直接浸泡花藥導(dǎo)致花藥細(xì)胞滲透壓變化吸水閉合，因此花藥遇雨閉合的速度與雨滴浸泡花藥的速度相關(guān)。

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[責(zé)任編輯 呂冬梅]