基于花粉微觀特征的5個杏品種孢粉學研究

韓雪平，薛曉敏，王金政，王貴平

(山東省果樹研究所，山東泰安 271000)

杏屬于薔薇科(Rosaceae)杏屬(ArmeniacaMill.)，原產(chǎn)于我國新疆，是一種營養(yǎng)價值較高的水果，果肉含有豐富的類黃酮、β-胡蘿卜素和維生素B17等，杏仁含有多種維生素和無機鹽類，是人們喜愛的水果之一，產(chǎn)量低是限制其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，因此研究杏的授粉生物學迫在眉睫。花粉是植物的雄性生殖細胞，攜帶大量遺傳信息，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和保守性，依據(jù)花粉的大小、形狀和外壁紋飾等特征，可闡明植物的進化信息，進而解決植物的分類問題。許多研究均認為花粉形態(tài)可以作為品種分類和鑒定的依據(jù)[1-2]。本研究陰干花粉經(jīng)噴金處理后再用掃描電鏡(QUANTA-250型)進行觀察，旨在為核果類的進化理論提供進一步的佐證。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的5個品種生長在山東省果樹研究所泰東基地，其中歐洲杏品種為凱特、金凱特和金太陽，中國杏品種為金水杏和魁金。

1.2 方法

在山東省泰安地區(qū)于3月中下旬采集花粉，選擇含苞待放的氣球狀花蕾，剝?nèi)』ㄋ?，呈一薄層于硫酸紙盒中，室溫下陰干使其自然散粉，收集散出的花粉。掃描時將花粉用雙面膠粘于樣品臺，經(jīng)離子濺射儀(SBC-12型)噴金處理后用掃描電鏡(QUANTA-250型)進行觀察。分別選取有代表性的視野觀察花粉粒整體、花粉粒赤道面、花粉粒頂部位置的局部形態(tài)及紋飾特征，并進行拍攝。照片通過掃描在電腦中放大觀察，選取有代表性的花粉粒，用Screen Compass V4.0測量極軸長(P)、赤軸長(E)、萌發(fā)溝長，計算P/E值、萌發(fā)溝長/極軸長，取平均值。觀察赤面觀、極面觀、花粉形狀、外壁紋飾類型、萌發(fā)孔類型和外壁附屬物類型以及NPC分類系統(tǒng)地位。在SPSS 23.0軟件中用平均連鎖法根據(jù)歐氏距離進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 花粉微觀形態(tài)特征觀察

2.1.1 對稱類型、極性及萌發(fā)器官 供試的5個品種無論是歐洲品種還是中國品種都屬于單粒花粉，等極、輻射對稱類型，從赤面觀觀察萌發(fā)器官是從赤道延伸至兩極但不聯(lián)合的萌發(fā)溝，在NPC分類系統(tǒng)上屬于N3P4C5，在赤道位置等間距分布著3個規(guī)則的溝孔(表1、圖1)。

2.1.2 形狀及大小 依據(jù)王開發(fā)和王憲曾的《孢粉學概論》中的極軸/赤道軸的比例關(guān)系[3]，供試5個品種的P/E比值在1.87～2.04之間，均為長球形，金水杏的比值最高，為2.04，魁金的最低，為1.87，從高到低順序依次為金水杏>金太陽>金凱特>凱特>魁金。極軸最短，為金凱特 (54.09 μm)，最長的為金水杏(57.60 μm)，從高到低的順序依次為金水杏>凱特>魁金>金太陽>金凱特.赤道軸最短的為金太陽(27.43 μm)，最長的為凱特(29.66 μm)，從高到低的順序依次為凱特>魁金>金水杏>金凱特>金太陽?；ǚ鄞笮?4.09～57.60 μm(極軸)×27.43～29.66 μm(赤道軸)，屬于中等大型花粉。極面觀均為近圓形，赤面觀為窄橢圓形(表1、圖1)。

表1 花粉形態(tài)特征

2.1.3 花粉的萌發(fā)溝 供試的5個品種萌發(fā)溝長/極軸長<1，但是都在0.90以上，其中最大的金凱特為0.96，最小的金水杏為0.90，從大到小的順序依次為金凱特>金太陽>凱特>魁金>金水杏，并且發(fā)現(xiàn)歐洲品種萌發(fā)溝長/極軸長的比值大于中國杏品種。

2.1.4 花粉表面紋飾和穿孔 供試的5個品種均有條紋組成，這與劉有春等的研究結(jié)果一致，即核果類果樹花粉的外壁紋飾均屬條紋紋飾[4]。在條紋間分布著不同密度的圓形或橢圓形的穿孔，孔徑最大的為金凱特(0.28 μm)，最小的為魁金(0.21 μm)，孔頻最大的為金水杏(1.11個/μm2)，其次為魁金(0.87個/μm2)，2個中國杏品種的孔頻均高于3個歐洲杏品種。

2.2 花粉微觀形態(tài)的顯著性分析

從花粉微觀形態(tài)的顯著性分析中得出結(jié)論：7個指標中只有P/E值在5個品種之間0.05水平上差異顯著；金水杏與其他4個品種之間在赤道軸長和萌發(fā)溝長沒有顯著性差異，而金水杏與除凱特外的其他3個品種的極軸長都具有顯著性差異；金凱特與凱特只有在極軸長和P/E值有顯著性差異，其他指標差異不明顯；在孔徑和孔頻2項指標上，中國杏品種金水杏與魁金間差異不顯著，歐洲杏品種凱特和金太陽間也差異不顯著，有顯著差異的基本上是歐洲杏品種和中國杏品種(圖1、表2)。

表2 花粉微觀形態(tài)的顯著性分析(P值)

注：“*”表示在0.05水平差異顯著。

2.3 5個杏品種的孔徑和孔頻的聚類分析

7個指標的變異系數(shù)中只有孔徑和孔頻達到20%以上，分別為29.17%、32.81%，以這2項指標做聚類分析可以發(fā)現(xiàn)在歐氏平方距離15的水平上，可以分為2組，引進的歐洲杏以及歐洲杏的實生種為一類，中國杏為一類；在10的水平上又可以分為3組，金凱特和凱特為Ⅰ組，金太陽為Ⅱ組，金水杏和魁金為Ⅲ組；金凱特與凱特遺傳距離最小(0.095)，金水杏和金凱特遺傳距離最大，為1.561；7個指標的貢獻率中，P的貢獻率為47.20%，E的貢獻率為33.98%，兩者貢獻率可達到80%以上(圖2至圖4，表3、表4)。

3 討論

本研究的5個品種在NPC分類系統(tǒng)上都屬于N3P4C5，與劉明國等研究山杏的結(jié)果[5]一致。Muller研究表明，花粉越長，它的體積與表面積之比就越小，調(diào)節(jié)功能越強，也就越進化，所以長球形為較進化類型[6]，本研究的5個品種都屬于長球形，因此屬于較近化的類型。Walker認為，通常原始類型花粉表面紋飾簡單，進化程度越高表面紋飾越復雜，其演化趨勢表現(xiàn)是原始的花粉外壁無結(jié)構(gòu)層(光滑)，然后在外壁上生出負雕紋(小穿孔、小穴等)，并進一步在外壁上產(chǎn)生突起(如粗糙的或顆粒狀的)，再演化成棒狀或刺狀等，最后形成網(wǎng)狀、皺紋狀、條紋狀紋[7]。就條紋紋飾而言，條脊相互交織是復雜紋飾，是進化的表現(xiàn)[8]；條脊平滑向脊洼深進化[9]；花粉大小的演化趨勢為小型(<15 μm)→中等(20～40 μm)→大型(>40 μm)[10]。本研究的5個品種都具有條紋和穿孔，依此推斷5個品種花粉超微形態(tài)結(jié)構(gòu)，可以初步判斷其進化進程屬于較高等級。

變異系數(shù)大小則反映品種固有特征及品種間的個體差異，變異系數(shù)越大，說明該性狀在品種之間的差異越大，利用該性狀鑒別品種的可能性就越強，或該性狀的選擇潛力就大[11]。本研究的外壁紋飾孔徑和孔頻變異系數(shù)都大于20%，這與孫琪等研究的歐洲李外壁紋飾類型變異系數(shù)最大結(jié)果[12]一致。Arzani等發(fā)現(xiàn)伊朗的11個栽培杏品種花粉外壁紋飾，特別是條脊和孔穴特征明顯，認為結(jié)合樹形特征是鑒別不同杏品種的重要途徑[13]。本研究依據(jù)孔頻和孔徑2項指標，也充分驗證了以上理論，金凱特為凱特的實生種，兩者之間的遺傳距離是5個品種之間最小的，只有0.095，并且金凱特、凱特和金太陽3個品種同屬于歐洲生態(tài)群或具有歐洲生態(tài)群的遺傳背景，所以歸為一組；魁金和金水杏則是具有中國杏的遺傳背景，歸為一組，而且金水杏與金凱特的遺傳距離最大，為1.561。

表3 7個指標的總方差解釋

注：提取方法為主成分分析法。

表4 5個杏品種歐氏平方距離近似值矩陣

注：這是非相似性矩陣。

表5 7個指標的變異系數(shù)值

花粉形態(tài)研究的結(jié)論不一致。周建濤等對核果類果樹的新鮮花粉進行了掃描電鏡觀察，認為進化順序依次為櫻桃屬(CerasusMill.)→李屬→杏屬(ArmeniacaMill.)→桃屬(AmygdalusL.)[14]。近年基于核果類ITS序列分析的研究支持櫻桃屬是最原始種的觀點[15]，認為核果類由共同的原始材料先分化成櫻桃、李、杏，再由李進化產(chǎn)生桃，杏進化產(chǎn)生梅，王業(yè)遴等對自然干燥花粉形態(tài)研究結(jié)果[8]與程中平的分子生物學研究結(jié)果[16]一致，認為核果類果樹進化程度由低向高的順序為李屬→櫻桃屬→杏梅屬→桃屬。本試驗期望在以后的研究中涉及更多杏品種，甚至是更多核果類果樹的品種，為核果類果樹的進化理論與技術(shù)體系提供參考。