大白杜鵑子房解剖結(jié)構(gòu)及其生態(tài)意義

宋 杰,馬紹宇,蔡艷飛,張 露,楊 維,解瑋佳*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 花卉研究所，云南 昆明 650205；2.國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650205；3.云南省花卉育種重點(diǎn)實驗室，云南 昆明 650205；4.云南省花卉技術(shù)工程研究中心，云南 昆明 650205；5.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650201)

杜鵑屬(Rhododendron)是杜鵑花科(Ericaceae)中最大的屬，也是北溫帶植物區(qū)系中的大屬之一。全世界有1000余種，我國有近570種，占世界杜鵑花資源的半數(shù)以上。我國西南橫斷山脈地區(qū)是世界杜鵑花的起源地和現(xiàn)代分布中心之一。杜鵑花屬植物種類繁多，具有樹形豐富、花葉形態(tài)多樣、色彩艷麗多變、花期長、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)園林綠化資源。國外學(xué)者從宏觀和微觀領(lǐng)域上對杜鵑花進(jìn)行了深入研究。Anderson等[1]首次對杜鵑進(jìn)行了組織培養(yǎng)研究。隨后Wang(1977年)、Preil(1977年)、Hannapel(1981年)、Meyer(1981年)、Economou(1981、1984年)、Read(1982年)和Dabin(1983年)等都對杜鵑進(jìn)行了組織培養(yǎng)研究[2]。Philipson等[3]對杜鵑屬莖節(jié)的解剖研究在有花植物的系統(tǒng)發(fā)育等方面有重要的意義價值。Sleumer[4]根據(jù)花部器官、果實和種子的形態(tài)構(gòu)造，以及植物習(xí)性等特征將杜鵑花屬劃分成8個亞屬，這一觀點(diǎn)在近代分類學(xué)領(lǐng)域中對杜鵑花屬的分類問題取得了重大突破。Goetsch等[5]將分子生物學(xué)應(yīng)用于屬下分類群間親緣關(guān)系的確立等。

國內(nèi)研究杜鵑花主要集中在資源考察[6-8]、形態(tài)學(xué)分類[6,8-10]、生態(tài)與分布[11-12]、植物化學(xué)[13]、孢粉學(xué)[9]、組織培養(yǎng)[14-15]等領(lǐng)域，有關(guān)于解剖學(xué)方面的研究很少，且多局限于粗脈杜鵑(R.coeloneurumDiels)、馬纓杜鵑(R.delavayiFranch)、露珠杜鵑(R.irroratumFranch)、滇南杜鵑(R.hancockiiHemsl)、東南杜鵑(R.dunniiWils)、刺毛杜鵑(R.championiaeHook)等植物葉片的中脈、上下角質(zhì)膜厚度、表皮細(xì)胞層數(shù)、厚度和柵海厚度比，以及中脈維管束結(jié)構(gòu)、葉脈最大導(dǎo)管直徑、氣孔密度等研究[11-12,16-17]。

大白杜鵑(R.decorumFranch)是常綠杜鵑亞屬[SubgenHymenanthes(BL)K. Kocg]中常綠杜鵑組(SectponticumG. Dou)云錦杜鵑亞組(SubsectfortumeaS. Jeumer)的植物。其花淡紅色或白色、花梗淡綠色帶紫紅色，具有較高的觀賞價值，其根、枝葉可入藥。該種主要分布于四川、云南、貴州等地，生長在海拔1000～3700 m的林下、灌叢中或自成純林，喜冷涼、濕潤氣候和腐殖質(zhì)、疏松、濕潤的微酸性土壤，需一定光照但不耐暴曬。目前，對大白杜鵑的研究主要集中在營養(yǎng)成分[17]、耐旱性[18]、種子形態(tài)[19]、基因多態(tài)性分析[20]、組織培養(yǎng)[21-24]、扦插繁殖[24-25]等方面。有關(guān)杜鵑花屬花器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)已有相關(guān)報道，但大多集中在花芽、花序、花冠、花瓣和花萼的形態(tài)特征上[26-28]，而對其雌蕊的解剖結(jié)構(gòu)研究則較為少見。本試驗利用光學(xué)顯微鏡，采用常規(guī)石蠟切片技術(shù)對大白杜鵑的雌蕊進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)觀察，旨在為大白杜鵑野生資源的雜交育種提供解剖學(xué)依據(jù)，補(bǔ)充和完善前人對杜鵑屬植物的形態(tài)、解剖學(xué)研究工作，并從解剖學(xué)的角度研究杜鵑屬植物的系統(tǒng)演化與其生態(tài)適應(yīng)之間的關(guān)系，為該屬的生物進(jìn)化研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該試驗在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所(海拔1926 m，102°41′ E，25°01′ N)進(jìn)行。試驗地屬低緯高原山地季風(fēng)氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，年均氣溫14.5 ℃。年均日照時數(shù)為2445.6 h，日照率56%，年均降雨量1035.3 mm，相對濕度為74%，干濕季分明，5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季。

1.2 供試材料

所用的大白杜鵑雌蕊采自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所自行播種培育的5～6年生開花植株。

1.3 試驗方法

1.3.1 大白杜鵑雌蕊內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察 隨機(jī)采集大白杜鵑雌蕊30個，觀察統(tǒng)計其心皮數(shù)目，在光學(xué)顯微鏡下統(tǒng)計單心皮內(nèi)的胚珠數(shù)。統(tǒng)計單雌蕊內(nèi)的胚珠數(shù)量。

1.3.2 大白杜鵑雌蕊的解剖結(jié)構(gòu)觀察 雌蕊的解剖采用石蠟切片法。參照李正理[29]的方法，隨機(jī)采集大白杜鵑雌蕊30個，將雌蕊放入FAA固定液(甲醛∶冰醋酸∶70%乙醇=1∶1∶18)中固定24 h，隨后轉(zhuǎn)入70%的酒精中，4 ℃冰箱中保存以備石蠟切片用。石蠟切片處理步驟：愛氏蘇木精整體染色3 d，然后用體積分?jǐn)?shù)30%、50%、70%、85%、95%和100%乙醇逐級脫水，經(jīng)TO透明、浸蠟包埋后切片(切片厚度8 μm)，再經(jīng)過展片、烘干、脫蠟、透明后用中性樹膠封片。用Nikon SMZ800 顯微鏡觀察雌蕊的柱頭、花柱、子房和胚珠的形態(tài)及組織解剖結(jié)構(gòu)，用附帶的照相系統(tǒng)拍照記錄。

1.3.3 大白杜鵑果實發(fā)育過程中的子房解剖結(jié)構(gòu)觀察 采用人工授粉的方式對大白杜鵑雌蕊進(jìn)行雜交授粉，在授粉后0、30、60、90、120、150 d分別隨機(jī)采集大白杜鵑雌蕊5個，按1.3.2的方法進(jìn)行石蠟切片處理，觀察其果實發(fā)育過程中的子房解剖結(jié)構(gòu)觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 大白杜鵑雌蕊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

觀察結(jié)果表明，大白杜鵑的雌蕊為10～16個心皮相互連合組成的復(fù)雌蕊，平均12個心皮，單心皮內(nèi)胚珠110～432個，平均253.33個，單果內(nèi)胚珠1320～6912個，平均胚珠數(shù)目為3040個。

2.2 大白杜鵑雌蕊的解剖結(jié)構(gòu)

2.2.1 花柱的解剖結(jié)構(gòu) 花柱為柱頭和子房之間的連接部分，是花粉管進(jìn)入子房的通道，在花粉管生長過程中提供營養(yǎng)物質(zhì)。大白杜鵑的花柱為所有組成復(fù)雌蕊的心皮所衍生而形成的單個花柱，其柱頭成熟時表面有明顯的液體分泌物，為典型的濕柱頭。從大白杜鵑的花柱柱頭橫切片來看(圖1-1)：其柱頭外表皮層上長有多個腺毛(圖1-1：G)，表皮內(nèi)排列較緊密的薄壁組織，柱頭中央分布有較寬的花粉管引導(dǎo)組織(圖1-1：PT)，屬開放型花柱。從大白杜鵑的花柱縱切片來看(圖1-2)：花柱中央?yún)^(qū)域分布的細(xì)胞縱向排列疏松，具有細(xì)胞間隙，花柱內(nèi)分布著多條花粉管引導(dǎo)組織(圖1-2：PT)直伸花柱(圖1-2：ST)。

2.2.2 子房的解剖結(jié)構(gòu) 子房是雌蕊基部膨大部分，外部分化成子房壁，內(nèi)部空間形成子房室。從大白杜鵑子房的橫、縱切結(jié)果來看(圖1-3，圖1-4)：大白杜鵑的雌蕊為復(fù)雌蕊，合生心皮，心皮邊緣內(nèi)卷，匯合成隔，直達(dá)子房中央，將子房分為多室，形成中軸胎座(圖1-3，圖1-4：PL)。大白杜鵑子房的縱切結(jié)構(gòu)顯示(圖1-4)：其子房上位，著生于花托(圖1-4：RE)之上,在子房與花托之間還長有蜜腺(圖1-4：N)，心皮上端為內(nèi)陷的花柱(圖1-4：SS)。子房由子房壁(圖1-3，圖1-4：OW)和胚珠(圖1-3，圖1-4：OV)組成，子房壁3層，內(nèi)外表面為角質(zhì)化的表皮細(xì)胞，且外表皮層上長有腺體(圖1-3，圖1-4：G)，在內(nèi)外兩層表皮間為多層薄壁細(xì)胞，其間分布有維管束；茄形胚珠(圖1-3，圖1-4：OV)眾多，密集著生于腹縫線處的胎座(圖1-5，圖1-6：PL)周圍。子房內(nèi)分布有花粉管引導(dǎo)組織(圖1-3：PT)。通過對大白杜鵑雌蕊的單心室橫、縱切結(jié)構(gòu)觀察(圖1-5，圖1-6)，可見其胚珠(圖1-5，圖1-6：OV)呈兩列密集著生于胎座(圖1-5，圖1-6：PL)。

1.柱頭橫切，2.花柱縱切，3.子房整體橫切，4.子房整體縱切，5.單心室縱切，6.單心室橫切。G.腺毛，N.蜜腺，OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，PT.花粉管引導(dǎo)組織，RE.花托，SS.凹陷的花柱，SC.花柱道，SE.種子，SEP.隔片，ST.柱頭。

圖1大白杜鵑雌蕊和果實解剖結(jié)構(gòu)

2.3 大白杜鵑果實發(fā)育過程中的子房解剖結(jié)構(gòu)觀察

在人工雜交授粉后，大白杜鵑的果實開始慢慢發(fā)育。從子房的解剖結(jié)構(gòu)來看，雜交授粉后30 d，胚珠已經(jīng)明顯長大，各心室開始加寬變大(圖2-2)；授粉后60 d，子房壁內(nèi)表皮開始發(fā)育為隔片(圖2-3，SEP)，將各心室隔開，而種子則繼續(xù)發(fā)育；授粉后90 d，隔片發(fā)育完成，種子開始發(fā)育出尾翅(圖2-4，SE)；授粉后150 d，種子尾翅發(fā)育完成，種臍明顯(圖2-5，SE)。至此，大白杜鵑子房發(fā)育成為開裂蒴果，其果實由果皮、胎座、種子組成，花柱(圖2-6，STY)宿存。果皮由子房壁發(fā)育而成，各心室間有隔片(圖2-6：SEP)將種子(圖2-6：SE)隔開，種子成熟時沿腹縫線裂開(圖2-6)。

3 討論與結(jié)論

花作為有花植物的生殖器官，在系統(tǒng)發(fā)育中是比較保守的，無論在系統(tǒng)學(xué)還是生物進(jìn)化方面都有重要的意義。郭木桂[27]對皇冠杜鵑、小葉鐵紅、絕代佳人3個杜鵑品種的花瓣、花萼片的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較研究。周蘭英等[9]對16種野生杜鵑花粉進(jìn)行了觀察。唐光大等[16]對5種分類爭議較大的杜鵑進(jìn)行分類時也結(jié)合了花部形態(tài)特征。余興衛(wèi)[30]對杜鵑花屬植物花鱗片、花梗等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形態(tài)解剖學(xué)方面的研究，并探討了相關(guān)性狀的系統(tǒng)演化關(guān)系及生態(tài)適應(yīng)意義。范民[31]對映山紅(RhododendronsimsiiPlanch)的花瓣、鱗片、葉片的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。本研究所觀測大白杜鵑的雌蕊解剖結(jié)構(gòu)特征與牛皮杜鵑(RhododendronaureumGeorgi)[28]的有許多相似之處，具備了杜鵑屬植物的一般特點(diǎn)，但在諸如心皮數(shù)目、胚珠數(shù)目、子房室數(shù)等具體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)量存在一定的差異。通過對大白杜鵑雌蕊的解剖學(xué)研究，豐富了杜鵑屬的系統(tǒng)學(xué)資料，加之與其他種的差異對比，對該屬的分類及種間關(guān)系的探討具有重要的意義。

1、2、3、4、5分別為授粉后0、30、60、90、150 d的大白杜鵑子房縱切圖，6.成熟后開裂的蒴果。OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，SE.種子，SEP.隔片，STY.花柱。

圖2大白杜鵑果實發(fā)育過程中的子房結(jié)構(gòu)

植物與其生長環(huán)境是統(tǒng)一整體，生態(tài)環(huán)境決定植物的形態(tài)建成，即環(huán)境對植物的長期作用影響植物的形態(tài)建成，使植物形成適應(yīng)環(huán)境的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和生態(tài)特征[32-37]，是特殊綜合生態(tài)環(huán)境長期作用的結(jié)果。對于杜鵑屬葉片對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性已有很多報道，主要集中在某些種上。例如，熊子仙等[33]認(rèn)為表皮細(xì)胞鱗片、毛的形成都是杜鵑花長期適應(yīng)海拔高度及水分、光照等生態(tài)因子的結(jié)果。石登紅等[17]利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察了6種杜鵑花屬植物的葉片厚度、氣孔大小、氣孔形態(tài)、氣孔指數(shù)、分布類型在各種間也存在結(jié)構(gòu)差異，這些結(jié)構(gòu)特征差異是抗寒抗旱性的表現(xiàn)形式。容麗等[11]對馬纓杜鵑、迷人杜鵑(RhododendronagastumBalf. f. et W. W. Smith)、露珠杜鵑等13種杜鵑屬植物的葉片解剖特性及生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行了研究，得出海綿組織發(fā)達(dá)顯示對高山?jīng)鰸癍h(huán)境的適應(yīng)、發(fā)達(dá)機(jī)械組織顯示對干燥環(huán)境的適應(yīng)等結(jié)論。劉旭穎等[34]對遼寧地區(qū)耐寒杜鵑葉片結(jié)構(gòu)解剖，觀察得出葉片厚度、氣孔大小、氣孔形態(tài)等在種間具有不同的結(jié)構(gòu)特征，而這些結(jié)構(gòu)特征差異是其抗旱、抗寒性的表現(xiàn)形式。

本研究發(fā)現(xiàn)，大白杜鵑的子房壁在授粉后1個月后開始逐漸加厚變硬，直至果實成熟。田間觀察發(fā)現(xiàn)，大白杜鵑從雜交授粉至果實成熟所需周期較長，大約需要6個月，其堅實的子房壁在整個果實發(fā)育期間為種子的生長發(fā)育提供了良好保障，有利于保護(hù)其種子抵抗不良的外界環(huán)境，是植物對其生境適應(yīng)的一種表現(xiàn)。此外，大白杜鵑從種子播種至植株開花需要3～4年時間。在這個漫長的營養(yǎng)生長期間，由于各種外界環(huán)境影響，大多數(shù)種苗都無法正常長大。而大白杜鵑子房內(nèi)眾多的胚珠(種子)數(shù)量從源頭保證了其物種的繁衍。綜上所述，研究結(jié)果為杜鵑屬植物的解剖學(xué)研究提供了一定的理論，但研究深度還有所欠缺，參考關(guān)于杜鵑花科及杜鵑花屬植物花部器官解剖特征生態(tài)適應(yīng)性意義的系統(tǒng)研究還有待進(jìn)一步深入研究。

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