盆栽亞洲百合花器官數(shù)量變異研究

孫明偉，趙統(tǒng)利，邵小斌，朱朋波，湯雪燕，王江英，慧林沖

(連云港市農(nóng)業(yè)科學院，江蘇 連云港 222000)

花不僅是觀賞植物重要的部分，也是植物發(fā)育的重要特征。花器官的多樣性、數(shù)目的增減及奇特性可影響花的觀賞性。對高等植物成花過程的研究一直是植物發(fā)育生物學領(lǐng)域研究的熱點，尤其是像百合這種以花器為主要觀賞對象的植物。對花發(fā)育的研究可以為植物培育、豐富品種等方面提供大量的理論依據(jù)[1]。百合花器變異不僅為花器官形態(tài)建成的比較發(fā)育遺傳學研究提供豐富的資源，也為百合進行重瓣及無花粉性目標育種具有重要意義。國外通過擬南芥、金魚草等植物的研究，建立了調(diào)控花器官發(fā)育的各種模型假說[2-3]。我國在有關(guān)被子植物系統(tǒng)發(fā)育方面的研究起步較晚，對花器官研究大多是利用化學處理或物理誘導等方法對花器官產(chǎn)生影響的研究或利用生物技術(shù)進行基因的克隆與表達[4]。對于在自然生長條件下，花器官形成過程中發(fā)生變異的研究鮮有報道。

百合是百合科(Liliaceae)百合屬(Lilium)多年生草本植物，因花大而艷麗，深受世界人們的喜愛，據(jù)中國植物志記載百合正?；ǎū黄?片，通常披針形或匙形，成2輪、離生；雄蕊6枚，花藥大、橢圓形，背著，丁字狀；花柱1枚，子房有3爿，每爿2列。百合主要依靠球莖進行無性繁殖，在連云港部分地區(qū)可自然生長。本研究以盆栽百合花器官為調(diào)查對象，發(fā)現(xiàn)了盆栽亞洲百合中部分品種的花被片、雄蕊數(shù)目及其他出現(xiàn)各種類型的變異。在進行連續(xù)跟蹤觀察及統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，對百合花器官數(shù)量變異進行了分析。

1 材料與方法

1.1 供試材料

亞洲盆栽百合品種系列victory joy、tiny sensation、tiny toons、tiny dragon、tiny pearl、tiny rocket、tiny bee、tiny desert、tiny glow、Tiny dancers、tiny spider、tiny padhye、orange pixie、lollypop等13個品種(種球規(guī)格：周徑12～14 cm)，均從荷蘭引進。于2013年3月，在連云港市農(nóng)業(yè)科學院東辛農(nóng)場試驗基地進行露地種植，常規(guī)栽培管理，自然越冬。

1.2 試驗方法

亞洲盆栽百合屬多年生鱗莖植物，花期從5月中旬至7月中旬。在2016年5月23日發(fā)現(xiàn)第一朵變異的花開始，每周1～2次對14個品種的花被片數(shù)目、雄蕊數(shù)目、變異類型等進行觀察統(tǒng)計，并對典型變異的花朵進行數(shù)碼拍照。同時，對變異較多的百合品種tiny bee，分別取發(fā)育正常和異常的花藥采用碘-碘化鉀法[5]測定花粉活力，并在普通光學Phenix顯微鏡下觀察正常花藥和異?；ㄋ幹谢ǚ哿５男螒B(tài)?；ū黄?片，雄蕊6枚，且花被片無花藥視為正?；?，花被片、雄蕊數(shù)目增多或減少及花被片上有花藥均為花器變異的異常小花。

花被片數(shù)目出現(xiàn)的頻率/%=花被片數(shù)目(1或2或3或4或5或6或7或8或9)變異的小花數(shù)/變異小花的總數(shù)×100%

雄蕊數(shù)目出現(xiàn)的頻率/%=雄蕊數(shù)目(1或2或3或4或5或6或7或8或9)變異的小花數(shù)/變異小花的總數(shù)×100%

雄蕊與雌蕊總和數(shù)目出現(xiàn)的頻率/%=雄蕊與雌蕊總和數(shù)目(8或9或10或11或12或13或14或15或16或17)變異的小花數(shù)/變異小花的總數(shù)×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 百合花器總體變異情況

在14個百合品種中,百合花器官產(chǎn)生變異的品種有6個分別為：victory joy、tiny sensation、tiny rocket、tiny bee、tiny desert、orange pixie等約占總品種數(shù)的42.9%，由于品種間變異類型重復(fù)，共計有22種變異類型。說明亞洲盆栽百合在江蘇連云港地區(qū)自然生長條件下，花器變異在亞洲百合中是普遍存在的現(xiàn)象。在所有花器變異品種中，只有tiny bee、victory joy兩個品種的變異率較為豐富,分別為25種與9種，而其余4個品種變異類型較小，只有1～3種；從植株變異率來看，tiny bee、victory joy分別為21.7%、7.0%，植株變異率較大。其余只有0.7%～1.9%，變異率較小，說明百合花器的變異跟品種本身密切相關(guān)，其變異的類型及植株變異率差異較大，有的品種易變異且種類豐富，有的穩(wěn)定性較好，基本保持物種的穩(wěn)定性，不易發(fā)生變異，如tiny toons、tiny dragon、tiny pearl等品種沒有找到變異的花朵，tiny sensation、tiny rocket、tiny desert、orange pixie等品種變異率較低，只有0.7%～1.9%(表1)。

表1 百合植株的整體變異率

2.2 不同類型花被片數(shù)目變異

通過對單朵變異小花中的花被片數(shù)目的觀察，發(fā)現(xiàn)一些小花花被片數(shù)目為3枚(圖1-A)、4枚(圖1-B)、5枚(圖1-C)，比正常百合小花的6枚(圖1-D,E,K,J)花被片分別少3、2、1枚。同時，也發(fā)現(xiàn)一些小花的花被片數(shù)目比正常小花花被片數(shù)目有所增加，增加至7枚(圖1-F)、8枚(圖1-G,H)、9枚(圖1-I)。其中，有些小花的花被片一側(cè)著生有花藥(圖1-F,J,I；圖2-A,B,C)而形成花藥瓣化的現(xiàn)象。

通過對不帶花藥的花被片、帶花藥的花被片、所有花被片等3種類型不同數(shù)目出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計(表2)，在不帶花藥的花被片出現(xiàn)的頻率中，比例最高的是6枚，達41.0%，其次是減少的3枚、4枚與5枚合計為41.1%，7枚和8枚出現(xiàn)的頻率之和為18%，說明百合完整花被片數(shù)目以不變或減少為主，而自然條件下增加的花被片數(shù)目只有不到1/5。而帶花藥的花被片最高可同時出現(xiàn)3枚(圖2-C)，且出現(xiàn)頻率為5.1%，而1～2枚(圖2-A,B)的頻率卻達到61.2%，沒有出現(xiàn)的頻率也高達43.6%，說明在百合帶花藥的花被片變異類型中，以不變異或以增加1～2枚為主。在所有花被片變異頻率中，以花被片為6枚的只有17.9%，而7枚、8枚、9枚花被片出現(xiàn)的頻率總計為56.4%，其中以8枚花被片出現(xiàn)頻率最高達30.8%，說明在百合花變異類型中，以花被片數(shù)量增加為主。

2.3 不同類型雄蕊數(shù)目的變異

正常發(fā)育的百合小花中1枚雄蕊上面只有1枚花藥，即6枚雄蕊有6枚花藥，在觀察的百合小花中發(fā)現(xiàn)一些花藥的數(shù)目比正?；ㄋ幍臄?shù)目多1～2枚，即分別為7枚(圖1-L)、8枚(圖1-H)。同時，也發(fā)現(xiàn)一些花藥的數(shù)目減少至3枚(圖1-J)、4枚(圖1-B)、5枚(圖1-D,K)。

A.變異小花中花被片數(shù)目為3，雄蕊為6；B. 變異小花中花被片數(shù)目為4，雄蕊為4；C.變異小花中花被片數(shù)目為5，雄蕊為6；D.變異小花中花被片數(shù)目為6，雄蕊為5；E. 正常小花；F.變異小花中花被片數(shù)目為6，雄蕊瓣化為1，雄蕊為6；G.變異小花中花被片數(shù)目為7，花藥瓣化為1，雄蕊為7；H.變異小花中花被片數(shù)目為8，雄蕊為8；I.變異小花中花被片數(shù)目為8，花藥瓣化為1，雄蕊為7；J.變異小花中花被片數(shù)目為6，雄蕊為3;K.變異小花中花被片數(shù)目為6，雄蕊為5;L.變異小花中花被片數(shù)目為8，雄蕊為7。

圖1變異小花中花被片與花藥數(shù)目的變異

表2 不同類型花被片數(shù)目的變異頻率 %

通過對3種類型不同花藥數(shù)目出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計(表3)，發(fā)現(xiàn)花藥著生于正常雄蕊上出現(xiàn)頻率中，花藥數(shù)目為5枚時出現(xiàn)的頻率最高為35.9%，而花藥數(shù)目分別為3、4、5枚等3種類型出現(xiàn)的頻率之和為69.2%，而花藥數(shù)增加至7、8枚出現(xiàn)的頻率之和為10.2%，說明百合正常發(fā)育的雄蕊，在自然條件下通常向減少的方面變異。百合變異小花中花被片上著生花藥的變異類型通常為1～3枚，其變異率為56.3%，高于花被片上未著生花藥的變異類型達12.7%，說明花被片上著生花藥是百合小花主要變異類型之一。在所有花藥出現(xiàn)的頻率中，以6枚花藥出現(xiàn)最多為51.3%、其次是減少1～2枚的花藥總計為30.8%，而花藥增加1～2枚的頻率只有18%，說明百合花藥在變異中以不變或減少為主，只有不到1/5的變異類型是花藥增加的。

2.4 小花中的雄蕊瓣化現(xiàn)象

通過對百合變異小花中雄蕊瓣化的觀察，發(fā)現(xiàn)有的雄蕊可以明顯看到花絲、花瓣、花藥等3部分，有的只是在花瓣一側(cè)著生花藥，有的測是花藥及花瓣在一起未發(fā)育完全，有明顯的過度痕跡(圖2-D,E,F,I,G,H,I,J,K)。通過顯微鏡觀察品種tiny bee在正常雄蕊上的花。

2.5 花被片與雄蕊的變異關(guān)系及雌蕊的變異

正常的百合小花有6枚花被片及6枚雄蕊，共計12枚，在觀察的變異小花中，發(fā)現(xiàn)花被片與雄蕊總和比正?；ū黄c雄蕊的總和增加或減少一些，從8枚至16枚均有出現(xiàn)(表4)，其中花被片與雄蕊總和為12枚的頻率為28.2%，8～11枚的頻率總計為51.3%，而13～16枚的頻率總計為20.8%。說明花被片與雄蕊的總數(shù)在百合小花變異中有1/2是減少的，花瓣和雄蕊之和有1/5的頻率是增加的，只有不到30%的頻率是花瓣與雄蕊總數(shù)是不變的。

A.小花中有1個花藥瓣化；B.小花中有2個花藥瓣化；C.小花中有3個花藥瓣化;D.正常的雄蕊；E～K.不同程度的花藥瓣化；L.發(fā)育畸形的雌蕊；M.正常雄蕊中的花粉粒形態(tài)；N.雄蕊瓣化中的花粉粒形態(tài)。

圖2小花中花藥瓣化的數(shù)目及不同程度和花粉粒差異

表3 不同類型雄蕊數(shù)目的變異頻率 %

花被片與雄蕊總和的數(shù)目，有的是來源于雄蕊瓣化(圖2-A,B,C)；有的是花被片增加與雄蕊瓣化共同作用(圖1-F,I)；有的是花被片與雄蕊同時增加(圖1-H,L)；有的是花被片與雄蕊同時減少(圖1-B)。當雄蕊或花被片為6枚時，相對應(yīng)的花被片(圖1-C)或雄蕊(圖1-D,K,J)，一般不超過6枚，對于這一現(xiàn)象有待進一步研究。在所有花器官變異中，雌蕊只有形態(tài)的變化，數(shù)量上沒有變化，均是1枚(圖2-L)。

表4 雄蕊與花被片總和數(shù)目的變化頻率 %

3 討論

百合作為以花器官為主要觀賞對象的植物，花被片是百合觀賞的重要器官，花器官數(shù)量的增加對百合觀賞是有利的。由于百合花粉污染花瓣，同時雄蕊數(shù)目的減少既花粉量減少又可以增加百合花的品質(zhì)。因此，培養(yǎng)無花粉的百合重瓣花對提高百合的觀賞性具有重要意義，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，百合花被片的增加及雄蕊瓣化的形成均與重瓣花起源[6]中的積累起源、雌雄蕊起源等現(xiàn)象相同，說明百合花被片的變異可通過重瓣花的起源進行合理的解釋與利用。

花的發(fā)育可分為2個階段：花分生組織的形成和花器官的發(fā)生。當花原基中細胞的數(shù)目確定后，花分生組織被分為花萼、花瓣、雄蕊和心皮等4個同心圓的花亞區(qū)。當花分生組織分別形成不同器官的同心域后，在同一區(qū)域中的細胞進一步分裂產(chǎn)生花器官原基[7]?；ㄆ鲾?shù)目的次生性變化，可通過花原基分裂、融合及次生原基的形成產(chǎn)生，花原基數(shù)目的增減導致花器官數(shù)目的增減[8]。在6個百合品種花器官變異的植株中，發(fā)現(xiàn)花被片、雄蕊數(shù)目的增減可能與花器官亞區(qū)細胞數(shù)目的增減有關(guān)。細胞數(shù)目的增減是由細胞分裂速度左右，最終導致百合花被片及雄蕊數(shù)目的增減，這與王祖秀等[9]研究發(fā)現(xiàn)韭蘭的幾種花形變異基本一致。

植物花器官的形成是一個由遺傳和環(huán)境因子共同作用產(chǎn)生的一種表型。通過對擬南芥及金魚草等花器官的研究，國外已提出多種控制花發(fā)育的模型。百合的花器官變異既不是基因突變產(chǎn)生的穩(wěn)定遺傳變異，也不是花器官的錯位發(fā)育，適用于單子葉、雙子葉植物的“ABC模型”及在此基礎(chǔ)發(fā)展的“ABCD模型”及“ABCDE模型”均不能充分解釋[2,3,10]。花器官的特征、數(shù)目和位置的確定在花原基分化期形成，擬南芥各輪花器官數(shù)目的增加是由花分生組織過度增生引起的[11-12]。

由于百合花器官變異不穩(wěn)定，在變異的單株中一般有4～7朵小花，這些小花中既有沒變異的小花，也有小花變異性狀不一樣的現(xiàn)象。因此控制百合花器官變異的因素可能是控制百合花被片與雄蕊細胞分裂速度與細胞分裂模式的基因表達受到某環(huán)境因子的影響造成的。同時環(huán)境因素也可能影響不同百合小花花器數(shù)目變異的頻率。亞洲百合屬經(jīng)過低溫后在種植前已完成花芽分化，因此低溫是百合花器官產(chǎn)生變異的誘導因素。研究過程中發(fā)現(xiàn)百合小花中雄蕊和花被片數(shù)目的變異雖然沒有一定的方向性，但當花被片有6枚時，雄蕊的數(shù)目最多為6枚，這說明花被片與雄蕊發(fā)育既有一定的獨立性又有相互影響。

在本研究過程中，大多變異嚴重影響了百合花的品質(zhì)，給生產(chǎn)者造成一定的經(jīng)濟損失，但卻為百合育種及科研提供材料基礎(chǔ)，如何利用及避免這些變異的發(fā)生需要進一步研究。

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