牡丹草地下芽的形態(tài)分化與生長特征研究

劉雪蓮，張力凡，秦佳梅，楊允菲，朱俊義

（1.通化師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，吉林通化134002；2.東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所 植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130024）

早春類短命植物是一類生長在溫帶落葉闊葉林及針闊混交林下的地下芽植物，具有在冰雪初融時開花、結(jié)實(shí)，于林分郁閉后休眠的生活史特性[1-2]。這些植物除冬眠外，還具有夏眠現(xiàn)象[3-4]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對植物冬眠特征的相關(guān)研究報(bào)道較多，對天然林下早春類短命植物在夏眠期內(nèi)地下芽的生長與發(fā)育狀況的研究較少，而這些鮮為人知的生物學(xué)與生態(tài)學(xué)特性對于該類群趨同適應(yīng)及進(jìn)化的深入研究具有重要的科學(xué)意義。

牡丹草屬（Gymnospermium microrrhynchum）為小檗科，多年生草本植物，是長白山區(qū)林下早春草本植物層片的重要組成之一，是典型的早春類短命植物，主要分布于吉林、遼寧海拔約300～1 000 m的林下或林緣；朝鮮也有少量分布[5]。4月初積雪融化時牡丹草頂冰萌發(fā)，生長發(fā)育迅速，萌發(fā)后第二天便可開花，花期長約1個月，花序大、色彩艷麗，具有一定的觀賞價值。5月末6月初，林冠層郁閉時植株地上部分即行枯萎，以發(fā)達(dá)的塊莖度過漫長的夏眠和冬眠期。年生活周期40～60 d，其生育周期能很好地銜接生態(tài)系統(tǒng)的能量流和物質(zhì)流，具有十分重要的生態(tài)功能，是研究植物生態(tài)適應(yīng)的理想材料，然而目前對該植物的研究僅限于染色體核型分析[5]、化學(xué)成分[6]等，對其夏眠期地下個體發(fā)育特征的研究尚未見報(bào)道。牡丹草從頂花破土到雪融開花，說明該植物在夏眠期并未真正休眠，而是在完成地下芽的形態(tài)建成。有關(guān)夏眠期該植物地下芽的萌動、花分化進(jìn)程、形態(tài)特征，以及芽生長規(guī)律等情況迄今未見報(bào)道。本文以夏眠期的牡丹草塊莖為試材，通過定期取樣，解剖觀察地下芽形態(tài)發(fā)生發(fā)育及芽體的生長情況，揭示地下芽形態(tài)建成特征及個體發(fā)育規(guī)律。研究結(jié)果可為早春類短命植物進(jìn)化適應(yīng)機(jī)理的深入研究積累科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

本研究以早春類短命植物牡丹草為實(shí)驗(yàn)材料，于2014年5月19日在長白山脈的馱道嶺（41°37′55″N～41°37′59″N，125°55′45″E～125°55′59″E，海拔700～750 m），待牡丹草地上植株枯萎后將其塊莖挖出800株左右，移植在通化師范學(xué)院實(shí)踐基地（41°44′47.04″N，125°58′49.63″E，海拔 429 m）的栽培床中，用于后續(xù)連續(xù)取樣。

1.2 研究方法

從5月19日至7月20日，間隔7 d取樣一次，每次取樣5個塊莖，觀察塊莖是否萌芽。塊莖萌芽后，從7月21日至9月25日，間隔3 d取樣一次，每次取8～12個塊莖；從9月25日至11月4日間隔10 d取樣一次，每次取8～12個塊莖。將塊莖上的小芽切下，先用游標(biāo)卡尺測量莖高、芽長、芽徑，再用FAA固定液（70%乙醇∶甲醛∶冰乙酸=90：5：5(體積比））固定48 h以上，解剖觀察并記錄地下芽的發(fā)育期，再將其放入體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇中保存；用掃描電鏡觀察其形態(tài)變化[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0軟件對不同時期測定的莖高、芽長、芽徑分別進(jìn)行One-way ANOVA分析，并做Duncan多重比較。對莖高、芽長、芽徑的生長規(guī)律進(jìn)行回歸與相關(guān)分析，在線性（y=a+bx）、指數(shù)（y=aebx）、冪函數(shù)（y=axb）間選取相關(guān)系數(shù)最大的作為其變化規(guī)律模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 牡丹草地下芽形態(tài)分化特征分析

5月中下旬牡丹草地上部分枯萎后，地下貯藏器官塊莖需進(jìn)行2個月左右的休眠，于7月中下旬開始萌生新芽（見圖1-1）。經(jīng)掃描電鏡觀察可見，萌芽期塊莖頂端的生長點(diǎn)外面包有2層芽苞葉（見圖1-1～1-3），剝?nèi)パ堪~后在半月形的葉片原基葉腋處可見球形花序原基（見圖1-2；圖2-1）?；ㄐ蛳榷说纳L點(diǎn)繼續(xù)分裂，以螺旋向頂?shù)姆绞巾樞蚍只霭朐滦蔚陌ㄒ妶D2-2～2-4），苞片原基葉腋處依次分化出球形花原基（見圖2-5～2-7），隨后花序上的花原基開始分化出各部花器官（見圖2-8），到9月末，幼花序分化完成。此后花序繼續(xù)發(fā)育，發(fā)育成熟的花序進(jìn)入冬眠（見圖1：（4）～（6）；圖2：（9））。經(jīng)連續(xù)取樣解剖觀察知，牡丹草地下芽分化進(jìn)程歷經(jīng)2個月左右，其分化過程可分為萌芽期（7月19日―7月23日）、花序原基分化期（7月21日―7月31日）、花序形成期（7月29日―9月20日）、花器官分化期（8月7日―9月20日）4個時期。

圖1 牡丹草地下芽不同發(fā)育階段的形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of underground buds of G.microrrhynchum in different development stages

2.2 牡丹草地下芽生長特征分析

由表1知，夏眠期牡丹草地下芽逐漸伸長增粗，不同發(fā)生發(fā)育階段，莖高、芽長和芽徑的生長表現(xiàn)出相似的規(guī)律。從萌芽期（V）至花序形成期（I2），莖高和芽長、芽徑變化較為緩慢，各階段未出現(xiàn)顯著差異，而花器官分化期（F），莖高和芽長均顯著增高增長，但芽徑增粗并不明顯。進(jìn)入發(fā)育期（D1～D4）后，莖高、芽長和芽徑開始出現(xiàn)（不同時段）顯著變化（見表1）。另外，從表1中的地下芽增長速率可以看出，夏眠期地下芽莖高、芽長、芽徑的生長速率具有相似的波動變化規(guī)律。在地下芽形態(tài)分化階段（V～F），芽體各部位的生長速率均較小，在花序形成期（I2），芽徑生長速率出現(xiàn)明顯減慢，而芽長的增長速率則明顯加快，說明在花序形成期（I2），地下芽的生長以芽伸長為主。當(dāng)?shù)叵卵客瓿尚螒B(tài)分化進(jìn)入發(fā)育階段（D1～D4）時，出現(xiàn)2次生長高峰，但不同部位生長高峰的時間不同。其中，莖高的增長高峰出現(xiàn)在D1時期和D3時期，D3時期芽長增長速率最快為2 649.000 μm·d－1。芽長和芽徑的增長高峰均出現(xiàn)在D1和D4期。說明牡丹草地下芽莖高、芽長和芽徑的增長具有不同步性和階段性優(yōu)先伸長的異速生長特性。

圖2 掃描電子顯微鏡觀察牡丹草地下芽的形態(tài)發(fā)生與發(fā)育Fig.2 Initiation and development of underground buds of G.microrrhynchum under SEM

表1 牡丹草地下芽不同時期芽體生長數(shù)量特征Table 1 Quantitative characteristics of underground buds of G.microrrhynchum at different growth phases

2.3 牡丹草地下芽生長規(guī)律分析

經(jīng)回歸分析與顯著性檢驗(yàn)可知，牡丹草地下芽的莖高、芽長、芽徑隨生長時間的延長呈指數(shù)形式增長，相關(guān)系數(shù)r分別為0.995 8，0.986 5和0.991 2，均達(dá)到極顯著水平。莖高與芽長、芽徑之間及芽長和芽徑之間呈冪函數(shù)異速生長關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)也達(dá)極顯著水平（r分別為0.950 5，0.90，0.932 4）（見圖3）；3個擬合方程的增長速率b值均小于1，表明在整個生長發(fā)育過程中，莖的增長速率總是快于芽，芽的增長速率總是快于芽徑，說明地下芽具有優(yōu)先伸長的特點(diǎn)。

3 結(jié)論與討論

地下芽植物以休眠芽或更新芽埋在地面下以規(guī)避惡劣環(huán)境，是植物長期趨同適應(yīng)的結(jié)果[8]。在漫長的地下生活中，地下芽植物的貯藏器官并不一直處于休眠狀態(tài)，而是在進(jìn)行更新[9]、花芽形態(tài)建成[10-11]、營養(yǎng)物質(zhì)再分配[12]等復(fù)雜的生理生化活動。目前，已有大量研究報(bào)道了地下芽植物休眠期間貯藏器官保存、休眠解除及地下芽的發(fā)生發(fā)育。其中，對番紅花[13-14]、郁金香[15-16]和水仙[17-18]等起源于干旱地區(qū)的植物報(bào)道較多，而有關(guān)林下早春類短命植物休眠期貯藏器官生理活動及地下芽發(fā)生發(fā)育的報(bào)道較少。本文研究了長白山林下早春類短命植物的優(yōu)勢種牡丹草夏眠期地下芽的形態(tài)建成及生長發(fā)育特征，結(jié)果表明，牡丹草地上植株死亡后塊莖先進(jìn)行2個月左右的休眠，于7月中下旬地下芽開始分化，其分化進(jìn)程可分為萌芽期、花序原基分化期、花序形成期、花器官分化期4個時期，歷經(jīng)2個月左右，最終以發(fā)育成熟的花序越冬。

此結(jié)果與貯藏器官同為塊莖的早春類短命植物堇葉延胡索相似[4]，而與貯藏器官為鱗莖及根莖的早春類短命植物種類不同。據(jù)報(bào)道，郁金香[19]、側(cè)金盞花[20-21]的貯藏器官在盛花期時即進(jìn)行更新生長，進(jìn)入夏眠期后，其貯藏器官沒有休眠直接進(jìn)行地下芽及繁殖器官的形態(tài)分化。雖然，不同貯藏器官類型的早春類短命植物地下芽分化進(jìn)程有一定的差異，但均在冬眠前完成繁殖器官的分化與發(fā)育，這種在夏眠期完成繁殖器官分化的特征可能與該類植物的生物學(xué)特性、獨(dú)特的生活史特征及對生長環(huán)境的趨同適應(yīng)有關(guān)。夏眠期，該類植物利用當(dāng)季儲藏在貯藏器官中的營養(yǎng)物質(zhì)完成地下芽及繁殖器官的分化與發(fā)育，為下一生長季提供保障，是其長期進(jìn)化的一種適應(yīng)策略。因此，對林下早春類短命植物來說，夏眠（即地上部死亡后至冬季土壤上凍期間）并不是防御逆境傷害的生理休眠，而是將生長轉(zhuǎn)于地下以逃避光資源競爭的生態(tài)休眠，是早春類短命植物在林下生境可以生存與發(fā)展的一種“進(jìn)化適應(yīng)”。

異速生長是指生物體某一特征的相對生長速率不同于第2種特征的相對生長速率[22]。植物個體的異速生長是由物種本身固有的遺傳性所決定的[23],是植物個體在長期適應(yīng)自然選擇壓力和自身發(fā)育限制的過程中進(jìn)化的結(jié)果[24]。異速生長在生物界普遍存在，通常只對生長中的整體與部分，或部分與部分之間作對應(yīng)研究[25-26]，其結(jié)果可反映植物生長與生物量分配、資源利用和異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)之間的關(guān)系[27]。本研究結(jié)果表明，牡丹草地下芽夏眠期存在異速生長。莖與芽的生長，以及芽長與芽徑之間存在冪函數(shù)異速生長關(guān)系，莖的增長速率快于芽，具有優(yōu)先伸長的異速生長節(jié)律。此節(jié)律可能與地下芽不同生長發(fā)育時期內(nèi)外因子的變化和作用有關(guān)。其異速生長的生理調(diào)節(jié)機(jī)制，及其與外界環(huán)境的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。