紅丁香的花部特征與繁育系統(tǒng)

，，， ，，葉斌，，，

(1.東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.江西環(huán)境工程職業(yè)學院，江西 贛州 341000)

繁育系統(tǒng)是指控制植物種群或分類群中自體受精或異體受精相對頻率的生理、形態(tài)機制，決定著植物的進化路線和表型變異[1]。研究一種物種的進化歷史或過程，須加強對繁育系統(tǒng)多樣化的研究，結合其作用機制和運作模式，從而理清它們的進化路線[2]。植物的繁育系統(tǒng)主要包括花部綜合特征、開放式樣、性器官壽命、媒介種類和頻率、自交親和性及交配系統(tǒng)，而交配系統(tǒng)作為繁育系統(tǒng)的核心，在植物種群進化中發(fā)揮著舉足輕重的作用[3]。

紅丁香(Syringavillosa)系木犀科丁香屬觀花灌木，主要分布在遼寧、河北、山西、陜西、甘肅等地[4]。其成年植株枝葉繁茂，花序豐滿，花色絢爛，耐寒、抗旱性強。紅丁香根系發(fā)達，可用于涵養(yǎng)水源，利于水土保持，是城市綠化中不可或缺的觀花、觀形植物。此外，紅丁香可吸附二氧化硫、氟化氫等有毒氣體。有研究表明，從紅丁香的花朵中可提取丁香酚用于消炎止痛，其根、莖亦可入藥，有清新解熱、鎮(zhèn)咳止痰之效[5]。

前人已有在紅丁香解剖結構[6-7]、繁殖技術[5,8]等方面進行了研究相關報道，但都較為零散。紅丁香在園林綠化中具有十分重要的價值，但長期的無性繁殖導致其品種退化，氣候和其他因素導致其花期不穩(wěn)定，花期縮短，極大地影響了紅丁香的觀賞效果。本試驗擬從紅丁香生殖特性角度出發(fā)，對其花部綜合特征、開花動態(tài)、繁育系統(tǒng)、結實特點等進行系統(tǒng)研究，揭示其繁殖規(guī)律，為紅丁香常規(guī)雜交育種提供理論依據(jù)，同時為提高其在城市綠化中的應用推廣提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與區(qū)域環(huán)境

試驗材料為引種至黑龍江省森林植物園的壯齡紅丁香(東經126°42′，北緯45°04′)，露地栽培。該地屬中溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫為19～23 ℃，平均降水量為569.1 mm，花期內平均氣溫為11～23 ℃，平均降水量為58.4 mm。正常水肥管理。試驗于2017年和2018年的5—9月進行。

1.2 研究方法

1.2.1 花部特征、開花動態(tài)及花期判定

在紅丁香進入始花期前，選取15株植物進行掛牌標號，觀察并記錄單株花期，按照Dafni[9]的方法，以群體水平有5%以上的個體開花時視為始花期，50%的個體達到開花高峰時視為群體開花高峰期，95%的個體開花結束時視為群體花期結束。記錄紅丁香的單株花期。隨機標記15個植株的90個花序，每天觀察1次花序發(fā)育狀況，直至花朵完全枯萎或坐果開始，計算單花序和單花花期[10]。

隨機選取盛花期的單朵30朵，用游標卡尺測量花冠直徑、柱頭長度、花絲長度等各項指標。在Nikon SMZ 800型體式解剖鏡下對花朵進行實體解剖，并用奧林巴斯CX 31型顯微鏡觀察花朵各部分構造特點。取紅丁香新開放的花朵15朵，清潔后將柱頭、花粉粒、授粉后的柱頭分離，經2.5%戊二醛和1%鋨酸雙固定，0.1 mol/L磷酸緩沖液沖洗，乙醇梯度70%、85%、95%、100%脫水，乙酸異戊酯置換，臨界點干燥，粘樣和噴金后用XL 30 ESEM環(huán)境掃描電鏡選取不同角度觀察并拍照，了解其結構形態(tài)[11]。

1.2.2 花粉活力測定與柱頭可授性檢測

從紅丁香單花開放第1天開始進行花粉活力測定。采用離體萌發(fā)法測定花粉活力[12]。用毛筆蘸取少量花粉，使之均勻分散于滴有培養(yǎng)液(0.15%聯(lián)苯胺︰0.5% α-萘酚∶0.25%碳酸鈉=1︰1︰1、0.3%過氧化氫溶液各1滴)的凹面載玻片上，蓋好蓋玻片，置于鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，25 ℃下恒溫箱中培養(yǎng)4～6 h。于顯微鏡下觀察花粉萌發(fā)情況。按照相同方法制作3個載玻片，每個載玻片每次觀察3個視野，以花粉粒大于50個的視野作為1個有效視野，統(tǒng)計萌發(fā)率。當花粉管長度超過花粉直徑時認作花粉萌發(fā)。

觀察花朵開放過程中柱頭分泌粘液的情況。聯(lián)苯胺-過氧化氫法檢測柱頭可授性[13]。開花前1天開始每天采集單花柱頭，滴1滴聯(lián)苯胺-過氧化氫反應液(1%聯(lián)苯胺︰3%過氧化氫︰水=4︰11︰22，體積比)到凹玻片上，把柱頭浸入反應液中，顯微鏡下觀察。一定范圍內柱頭四周出現(xiàn)藍色或紫黑色的氣泡越多，柱頭可授性越強。每天采集30朵單花，記錄檢測結果。

1.2.3 花粉/胚珠比測定

采用血球計數(shù)器法測定[14]。隨機采取植株上剛剛開放且花藥未開裂的單花15朵，拔取充分成熟的花藥90枚，平均放入3個青霉素小瓶內。等待花藥自然干燥、充分散出時，每瓶種滴入2 mL 1%的六偏磷酸鈉，加蓋充分震蕩使花粉處于懸浮狀態(tài)。吸取1滴懸浮液滴于血球計數(shù)伴上，在顯微鏡下觀察并記錄結果。重復5次，取平均值。

單花花藥花粉量n=(400個小方格內總花粉數(shù)×10 000×2)/30；

單花花粉量N=n×3.5[15]。

解剖單花子房，用解剖鏡觀察并記錄胚珠數(shù)量。計算P/O。P/O=單花花粉量/胚珠數(shù)。根據(jù)Cruden[16]的標準，P/O為2.7～5.4 時，其繁育系統(tǒng)屬于閉花受精型；P/O 為18.1～39.0時，繁育系統(tǒng)為專性自交型；P/O 為31.9～396.0時，繁育系統(tǒng)為兼性自交型；P/O 為244.7～2 588.0時，繁育系統(tǒng)為兼性異交型；P/O 為2 108.0 ～ 195 525.0時，繁育系統(tǒng)為專性異交型。

1.2.4 雜交指數(shù)估算

根據(jù)Dafni[9]的標準估算雜交指數(shù)。 1) 單花直徑<1 mm記為0；1～2 mm記為1；2～6 mm記為2；>6 mm記為3。 2) 計算柱頭可授和花藥開裂之間的時間間隔，雌蕊先成熟或兩者同時成熟記為0；雄蕊先成熟則記為1。 3) 觀察柱頭相對于花藥的位置關系，同一水平記為0；空間分離記為1。OCI為以上3個指標之和，判斷標準為：OCI=0時，繁育系統(tǒng)為閉花受精型；OCI=1時，繁育系統(tǒng)為專性自交型；OCI=2時，繁育系統(tǒng)為兼性自交型；OCI=3時，有時需要傳粉者，繁育系統(tǒng)為自交親和；OCI=4時，異交，需要傳粉者，繁育系統(tǒng)為部分自交親和。

1.2.5 不同授粉方式的座果率

采用套袋試驗研究紅丁香的授粉結實率。試驗設置6個處理，每處理隨機標記30朵單花，3次重復。處理方法(T)分別為：T 1，不去雄，不套袋，自然授粉；T 2， 不去雄，套袋，自花授粉；T 3，去雄，套袋，人工同株異花授粉；T 4，去雄，套袋，人工異株授粉； T 5，去雄，套袋，不授粉；T 6，去雄，不套袋，自然授粉。果實成熟后收集，統(tǒng)計座果率。

座果率(%)=(每花序不同位置的座果數(shù)/每花序不同位置的單花數(shù))×100%。

1.2.6 種子產量與構成因素測定

種子成熟時隨機選取花序30個，分別統(tǒng)計每花序單花數(shù)、單花胚珠數(shù)、種子單粒質量、單花序種子產量，計算單花序潛在種子產量。

單花序潛在種子產量=每花序單花數(shù)×單花胚珠數(shù)×平均種子單粒質量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 紅丁香的開花物候及單株、單花序、單花水平上的花期

統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，2017年紅丁香5月22日進入始花期，5月28日進入盛花期，5月28—30日為最佳觀賞期，6月10日花期結束。整個群體花期持續(xù)約 20 d。2018年紅丁香的開花物候較2017年稍晚，于5月25日進入始花期，6月3日達到開花高峰，6月12日花期結束。整個群體花期持續(xù)19 d。2年紅丁香的開花進程基本類似，均為單峰曲線。紅丁香單株具花序約48個，單株花期約20 d，單株盛花期3 d。單花序花期為8～9 d。單花花期為4～5 d。

相關分析發(fā)現(xiàn)，紅丁香花序的始花時間、花期長度、開花數(shù)目、座果率之間存在顯著關系(表1)。其中花期長度與開花數(shù)目呈顯著正相關。座果率與花期長度也呈顯著正相關關系。始花時間與花期長度、座果率之間呈顯著負相關。說明開花時間越早、花期越長的花序座果率越高。這可能與花期內花序的營養(yǎng)競爭有關，晚開花的花序較難獲得足夠的營養(yǎng)，導致座果率降低。

表1 始花時間、開花數(shù)目、花期長度及座果率的相關分析

注：“*”表示在0.01水平上差異顯著，“**”表示在0.005水平上差異顯著。

2.2 紅丁香花部特征及其開放動態(tài)

觀察發(fā)現(xiàn)，紅丁香花蕾初期為淺綠色，隨著花朵的生長，其逐漸膨大并變?yōu)榈霞t色?；ㄐ驗轫斏鷪A錐花序(圖版Ⅰ-A～B)，合瓣花，花色為淡粉紅色或白色，花冠直徑(1.02±0.07)cm，花冠筒長(1.44±0.06)cm，圓筒形，4裂，少數(shù)5裂。紅丁香的花為典型的柱頭縮入式雌雄異位，復雌蕊，位于花冠筒中下部，長度(0.31±0.04)cm，花柱細長，柱頭2裂。子房呈卵球形，2心室，每心室1～2個胚珠。雄蕊黃色，2枚，少數(shù)3枚，長度(1.16±0.07)cm，著生于花冠筒上部略偏下位置，貼壁生長?；ㄋ幊跗跒辄S綠色(圖版Ⅰ-I)，后逐漸成熟并轉為黃色?；ǘ溟_放時，由內展至直角狀外展，裂片為卵圓形，先端具內彎兜狀喙(圖版Ⅰ-C～H)。

紅丁香花被片呈淡粉色，表面光滑，細胞表面有絮狀物，多為皺紋狀(圖版Ⅱ-F)。 柱頭表面未見明顯分泌物，為干柱頭，表面褶皺較多(圖版Ⅱ-A～D)。花粉為單粒，較大，20.2～24.3 φ 32.0～37.8μm。赤道觀呈長橢圓形，具三孔溝。外壁表面粗網狀，網脊較光滑，網眼呈不規(guī)則多邊形，轉角光滑，三條溝長至兩端(圖版Ⅱ-E)。

注：A、B為單個花序；C為單花花蕾期；D為單花開放初期；E為單花完全開放；F、G為單花開放末期；H為單花開放動態(tài)；I為單花縱剖形態(tài)；J為未成熟果序；K為成熟果序；L為種子。圖版Ⅰ 紅丁香花序及單花開放動態(tài)

2.3 花粉活力和柱頭可授性

紅丁香開花第1天的花粉萌發(fā)率為34.7%，第2、3、4 天分別為12.1%、9.2%、3.1%，第5天花粉活力幾為0。花粉活力實驗結果表明，紅丁香花粉萌發(fā)率隨時間延長而降低。柱頭可授性檢測結果表明，紅丁香的柱頭可授性隨開花時間的延長而增強，第1天可授性幾乎為0，第2天開始具有可授性，第3天可授性較強，在第4天時達到最大值，之后可授性減弱，第6天時不具可授性。

圖1 紅丁香花粉活力

2.4 花粉/胚珠比與雜交指數(shù)估算結果

試驗結果表明，紅丁香單花花粉粒數(shù)量為38 000個，單花胚珠數(shù)4個，P/O值為9 500，按照Crude的標準，紅丁香的繁育系統(tǒng)屬兼性異交類型。

注：A為雌蕊；B為柱頭；C為少量授粉后的柱頭；D為大量授粉后的柱頭；E為花粉粒；F為花瓣表皮。圖版Ⅱ 掃描電鏡下的紅丁香花微觀結構

注：小寫字母表示在0.05水平差異顯著。(F=2 558.8,p<0.05)。圖2 紅丁香套袋試驗結果

紅丁香的花朵直徑為10 mm，記為3。雌蕊成熟與花粉活力有近3 d的重復期，雌雄蕊成熟時間相近，記為0?；ㄩ_后花柱與花藥在空間上始終分離，記為1。因此OCI值(雜交指數(shù))為4。按照Dafni的標準，紅丁香的繁育系統(tǒng)屬部分自交親和，異交，需要媒介進行傳粉。

2.5 紅丁香授粉座果率

授粉試驗結果表明，對花朵去雄、套袋、不授粉的處理座果率為0，表明其不存在無融合生殖[17]。自然授粉的座果率為23.3%，套袋、不去雄的座果率為10.0%，兩者之間差異顯著(p<0.05)。不去雄、套袋、人工自花授粉的座果率為10.2%，表明紅丁香可部分進行自動自交，但自交率較低。自然授粉、去雄、不套袋的座果率為20.0%，人工同株異花授粉、去雄、套袋的座果率為18.2%，兩者之間差異不顯著(p>0.05)，且這2種處理方式的座果率均低于人工異株授粉、去雄、套袋的座果率(83.3%)，前2種處理與后者之間差異顯著(p<0.05)，表明紅丁香具有異交優(yōu)勢。

2.6 種子產量與構成因素測定

經試驗測定，紅丁香每個花序單花數(shù)約為182，單花胚珠數(shù)約為3.5，單粒種子質量約為13.5 ×10-3g。計算得出，紅丁香單花序潛在種子產量為8.6 g，而實際花序的種子產量為2.3 g左右，只占潛在種子產量的26.3%，紅丁香的實際產量比潛在產量低很多，還有很大提升空間。

3 結論與討論

熟悉植物生活史的前提是增加對花器官結構的了解并判斷其性別表現(xiàn)，可為其各方面研究提供背景知識[18]。繁育系統(tǒng)類型的多樣化往往受植物性別系統(tǒng)的影響，自然界中罕見純粹的自交種和異交種[19]。許多研究都表明，多數(shù)自交物種均可進行異交授粉獲得種子，而多數(shù)異交植物也可通過自交授粉實現(xiàn)繁育[20-22]。本研究中，紅丁香植株的花器官具備諸多自交和異交特征：其雌、雄蕊成熟有重合期，雄蕊空間位置較雌蕊略高，柱頭相對表面積大，褶皺多，利于柱頭接受花粉，進行自交；其花色較艷麗，有香味，花粉數(shù)量多，異交座果率高。前人研究發(fā)現(xiàn)，OCI、P/O是植物繁育系統(tǒng)的指示參數(shù)，簡便易行，應用廣泛[23-24]。本研究結果顯示，紅丁香的繁育系統(tǒng)為部分自交親和、需要傳粉者、以異交為主，屬兼性異交類型；試驗過程中也觀察到傳粉昆蟲的訪花活動，花朵套袋試驗也驗證了這一結論[25]。

在自然界中，植物并非所有的花都能通過授粉進而座果并產生種子，授粉成功性強弱直接導致了座果率的高低。造成植物座果率低的原因是花粉限制和資源限制帶來的限制。本試驗中，紅丁香自花授粉座果率較異株授粉座果率低，其具有較低的自花授粉親和性。人工異花授粉的座果率較自然授粉座果率高很多，說明存在花粉限制，這可能與昆蟲訪花頻率較低有關，同時研究發(fā)現(xiàn)早開花的花序座果率較晚開花花序座果率高，說明紅丁香的座果率同時存在資源限制。盛花期和末花期的花序無法獲得較多的資源，因此較難達到生殖成功。估算種子產量結果表明，紅丁香實際的單花序種子產量占種子潛在產量的26.3%，這進一步證實了養(yǎng)分和授粉情況是限制紅丁香種子形成的重要因素。

此外，物種所處生境影響其生長發(fā)育過程，尤其是開花特性和果實生長[26]。有研究表明，紅丁香在華北地區(qū)栽培條件下的自然授粉座果率僅為8.3%[27]，顯著低于本試驗的研究結果，這說明環(huán)境條件對紅丁香的結實具有顯著影響，哪些環(huán)境因子影響紅丁香的座果率，將在今后的實驗中做進一步的定性定量分析。本研究對紅丁香在東北地區(qū)的擴繁以及新品種選育具有指導性意義，也為其在城市園林綠化中的應用和推廣提供了技術支持。