烏丹蒿花粉形態(tài)二型性特征的觀察

蔡 萍， 宛 濤， 伊衛(wèi)東， 劉 輝， 張佳琦

(1. 錫林郭勒職業(yè)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000； 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

烏丹蒿(Artemisiawudanica)為菊科蒿屬半灌木，別名為大頭蒿、圓頭蒿。烏丹蒿分布區(qū)比較狹窄，主要分布于科爾沁沙地西南部的內(nèi)蒙古翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)周邊地區(qū)，在內(nèi)蒙古通遼市的奈曼旗和赤峰市的克什克騰旗及河北省的圍場縣西北部也有少量分布[1,2]。烏丹蒿具有較強(qiáng)抵御風(fēng)沙的特殊能力，故一般生存于流動(dòng)及半固定沙丘，是較為典型的固沙先鋒植物[3]。

關(guān)于烏丹蒿，一些學(xué)者對(duì)其繁殖特性、形態(tài)解剖特征和生態(tài)適應(yīng)性及遺傳分化等方面開展過相關(guān)研究[4-8]，但在其孢粉學(xué)方面的研究較少，尤其是在烏丹蒿花粉形態(tài)方面的研究成果更顯匱乏。目前只檢索到極個(gè)別學(xué)者曾對(duì)其花粉形態(tài)進(jìn)行過觀察和描述，但在其研究結(jié)果中并未提及烏丹蒿花粉形態(tài)二型性的問題[9]?；ǚ鄣亩托?pollen dimorphism)是指同一花藥中存在兩類形態(tài)不同的花粉，一類為正?；ǚ郏?xì)胞質(zhì)較濃；另一類為異?；ǚ?，花粉粒較小，它們的細(xì)胞質(zhì)較淡，但經(jīng)誘導(dǎo)后具有雄核發(fā)育能力，形成花粉胚，因此特稱為胚性花粉或E花粉(embryonic pollen)[10]。探究植物花粉形態(tài)的二型性問題，涉及到與近源種之間的親緣關(guān)系、分類地位、植物與環(huán)境的適應(yīng)性等相關(guān)科學(xué)問題。為了更加客觀、正確地闡述烏丹蒿的花粉形態(tài)特征，很有必要對(duì)其進(jìn)行更加深入細(xì)致地專項(xiàng)研究，為探索烏丹蒿與其近源種之間的遺傳進(jìn)化關(guān)系和內(nèi)蒙古野生植物孢粉學(xué)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的烏丹蒿花粉樣品均于2017年6月21-22日采自內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)周邊的布日敦、響水、額爾敦烏拉巴潤、布敦毛德、尖山子、常大溝及阿什罕等樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)的基礎(chǔ)環(huán)境相同，均為流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘；常見植物種類也基本相同，主要為：白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)、差不嘎蒿(Artemisiahalodendron)、塔落巖黃芪(Hedysarumlaeve)、檸條錦雞兒(Caraganakorsbinskii)和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)，個(gè)別樣點(diǎn)有稀疏的家榆(Ulmuspumila)出現(xiàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 在上述樣點(diǎn)采集供試材料的植株標(biāo)本及其花粉樣品，采樣期間大部分烏丹蒿居群處于盛花期。將采集的植株標(biāo)本和花粉樣品統(tǒng)一編號(hào)。花粉樣品直接用紙袋包裝，保持自然風(fēng)干狀態(tài)[11]。

1.2.1 樣品前處理 將帶回的植株標(biāo)本制成蠟葉標(biāo)本并經(jīng)鑒定后，對(duì)其花粉樣品進(jìn)行干燥、除雜等前處理。將處理后的花粉樣品一部分均勻地撒在載物臺(tái)上的雙面膠紙上，然后經(jīng)IB-5型離子濺射儀噴金鍍膜，制成掃描電鏡樣品[12]。另外一部分采用王伏雄等[13]改進(jìn)的醋酸酐分解法處理后，制成光鏡切片。

1.2.1 顯微觀察 把掃描電鏡樣品放到掃描電子顯微鏡下(日立S-530)，選擇不同放大倍數(shù)，不同觀察角度，對(duì)花粉樣品群體、個(gè)體、極面、赤道面、表面紋飾和萌發(fā)器官等進(jìn)行觀察和拍照，并對(duì)其形態(tài)特征要點(diǎn)、各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行記錄[14]。

另外，將光鏡切片采用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX41)對(duì)花粉萌發(fā)器官的類型及數(shù)量進(jìn)行觀察和確定。利用光學(xué)和電子掃描顯微攝影后獲得觀察結(jié)果和掃描圖片，對(duì)每一種花粉進(jìn)行大小的測量，對(duì)形態(tài)特征、細(xì)微結(jié)構(gòu)、表面紋飾等性狀分別進(jìn)行描述。有關(guān)花粉粒表面性狀的所有數(shù)據(jù)，均來源于20?；ǚ鄣钠骄礫15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用SPSS 21.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏丹蒿花粉粒的總體形態(tài)特征

通過掃描電子顯微鏡的觀察和測量，結(jié)果表明：烏丹蒿的花粉具有明顯的二型性，有2種花粉粒共存于花藥中；一種是長球形花粉，另一種是圓球形花粉。兩者均為單?；ǚ?，成熟后都是以單粒形式存在?；ǚ哿Ｍ獗磔喞獮樾〔ɡ诵?；花粉粒大小為11.40～26.90 μm，屬于小型花粉粒。赤道面為橢圓形或圓球形，極面為三裂圓形或三裂片圓形。萌發(fā)器官是3孔溝類型。表面紋飾為刺狀-顆粒狀復(fù)合紋飾。外壁表面紋飾特征均符合菊科蒿屬外壁紋飾類型Ⅰ的范疇[16]。

2.2 烏丹蒿長球形花粉的形態(tài)特征

花粉粒赤道面觀為長橢圓形，極面觀為三裂片圓形。輪廓為波浪形，花粉粒大小為：23.28 μm(19.61～26.90)×13.73 μm(12.21～16.32)，P/E值為1.70。具3孔溝，內(nèi)孔深陷；溝較深而細(xì)長，溝緣較為整齊且光滑。極區(qū)面積較小。

花粉粒表面為刺狀-顆粒狀復(fù)合紋飾。刺分布較均勻且刺基部較小，刺頂端漸尖，刺較短，刺長約為1.80 μm。表面顆粒較小，刺間顆粒排列較為稀疏，見圖1。

圖1 烏丹蒿長球形花粉粒的形態(tài)Fig.1 The pollen morphology of the elongated pollen of A. wudanica注：A：烏丹蒿長球形花粉粒的赤道面；B：烏丹蒿長球形花粉粒的極面；C：烏丹蒿長球形花粉粒的萌發(fā)器官；Note:A：The equatorial plane of the elongated pollen of A. wudanica；B：The polar plane of the elongated pollen of A. wudanica；C：The germinators of the elongated pollen of A. wudanica

2.3 烏丹蒿圓球形花粉的形態(tài)特征

花粉粒赤道面觀為圓球形，極面觀為三裂圓形。外表輪廓為小波浪形，花粉粒大小為：14.85 μm(12.83～19.08)×13.80 μm(11.40～16.91)，P/E值為1.08。具3孔溝，內(nèi)孔外突明顯，并具孔膜，孔膜形態(tài)不規(guī)則；溝深且較短，溝緣較粗糙；極區(qū)面積相對(duì)較大。

花粉粒表面為刺狀-顆粒狀復(fù)合紋飾。刺基部相對(duì)較大，刺較短，頂部漸尖。刺分布相對(duì)較密集。表面顆粒稍大，刺間顆粒排列較為密集，見圖2。

圖2 烏丹蒿圓球形花粉粒的形態(tài)Fig.2 The pollen morphology of the rounded pollen of A. wudanica注：D：烏丹蒿圓球形花粉粒的赤道面；E：烏丹蒿圓球形花粉粒的極面Note:D：The equatorial plane of the rounded pollen of A. wudanica；E：The polar plane of the rounded pollen of A. wudanica

2.4 兩種花粉粒形態(tài)特征的主要差異

烏丹蒿長球形花粉與圓球形花粉較明顯的差異表現(xiàn)在花粉粒形狀、萌發(fā)器官及大小等方面，兩種花粉粒在輪廓、表面紋飾等的細(xì)微特征方面也有不同。

長球形花粉的極軸為23.28 μm，赤道軸為13.73 μm；圓球形花粉的極軸和赤道軸基本等長，為13.80 μm～14.85 μm。正是由于花粉粒極軸和赤道軸的長度及極軸與赤道軸的比值(P/E)的不同，造成長球形花粉與圓球形花粉赤道面的形狀不同。長球形花粉花粉粒表面為刺狀—顆粒狀復(fù)合紋飾，刺稍短，約為1.80 μm，刺基部較小，刺間顆粒分布稀疏。圓球形花粉粒表面亦為刺狀—顆粒狀復(fù)合紋飾，但刺相對(duì)較大，刺長約為2.20 μm，刺間顆粒分布較密集。兩種花粉粒的特征對(duì)比詳見表1及圖3。

圖3 烏丹蒿長球形花粉粒與圓球形花粉粒的形態(tài)Fig.3 The pollen morphology of the elongated pollen and rounded pollen of A. wudanica

2.5 兩種花粉粒在樣本中所占比例

通過3次電鏡樣品和光鏡樣品的觀察統(tǒng)計(jì)，在所觀察的1880粒烏丹蒿花粉中，長球形花粉為750粒，占比為39.9%；圓球形花粉為1130粒，占比為60.1%，見圖4及圖3。

圖4 兩種花粉粒在樣本中所占的比例Fig. 4 The two kinds of pollens have different proportions in the samples

表1 烏丹蒿不同花粉形態(tài)特征比較Table 1 The comparative of pollen morphology of A.wudanica

注：P為極軸長度，E為赤道軸長度，P/E極軸與赤道軸的比值

Note:P is the polar axis length,E is the equatorial axis length,and P/E is the ratio of polar axis to equatorial axis

測量數(shù)據(jù)通過T檢驗(yàn)分析，烏丹蒿花粉粒大小的變異在長球形花粉內(nèi)部和圓球形花粉內(nèi)部都未達(dá)到顯著水平；而在長球形花粉和圓球形花粉之間卻表現(xiàn)為顯著水平(P<0.05)，詳見表2。

在本研究中，觀察的烏丹蒿長球形花粉與圓球形花粉形態(tài)除P/E值外，其他的總體主要特征較為一致，而它們的形態(tài)差異主要體現(xiàn)在表面紋飾的微性狀上。長球形花粉和圓球形花粉均為單?；ǚ?；外表輪廓為波浪形；花粉粒屬于小型花粉粒。長球形花粉的赤道面為長球形，圓球形花粉的赤道面為圓球形；極面均為三裂圓形或三裂片圓形。萌發(fā)器官均是3孔溝類型。表面紋飾為刺狀-顆粒狀復(fù)合紋飾。而由于長球形花粉和圓球形花粉形成方式不同，在花粉粒形態(tài)特征上的細(xì)微差異主要從花粉粒的大小、P/E值比例、表面紋飾中刺的大小這3個(gè)方面的數(shù)量性狀來體現(xiàn)。

表2 烏丹蒿花粉粒大小的T檢驗(yàn)Table 2 The T-Test of the pollen grains size of A.wudanica

注：同一字母表示無顯著性差異，不同字母表示有顯著性差異

Note:The same letters indicate no significant difference;the different letters indicate significant difference

3 討論

3.1 蒿屬花粉的形態(tài)特征

蒿屬植物花粉粒的總體形態(tài)特征為，花粉粒長球形或圓球形，極面觀為三裂片圓形或三裂圓形?；ǚ哿５拇笮儆谛⌒突ǚ郏幻劝l(fā)器官是3孔溝類型；花粉粒表面紋飾是刺與顆粒、顆粒與微刺或網(wǎng)胞與刺等的復(fù)合紋飾，一般用紋飾類型Ⅰ～Ⅵ來表示[16]。

烏丹蒿的花粉粒符合蒿屬花粉的總體特征?；ǚ哿ｉL球形或圓球形，極面觀為三裂片圓形或三裂圓形。長球形花粉粒的大小為：23.28 μm×13.73 μm，P/E=1.70；圓球形花粉粒的大小為：14.85 μm×13.80 μm，P/E=1.08，屬于小型花粉。萌發(fā)器官是3孔溝類型；花粉粒表面紋飾是刺與顆粒的復(fù)合紋飾。

3.2 花粉粒的二型性

G.埃爾特曼[17]認(rèn)為花粉不止有二型，甚至還有三型或更多，二型性花粉的變異不同于非遺傳的變異，花粉的二型性的產(chǎn)生與雄蕊中花絲的長短有關(guān)。Suoderlond等[18,19]從小孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂角度，推測了花粉二型性產(chǎn)生的原因，認(rèn)為可能與花粉母細(xì)胞在減數(shù)分裂末期Ⅱ時(shí)的軸向改變有關(guān)。梁漢興[20]認(rèn)為五指蓮二型花粉在體內(nèi)的形成和發(fā)育是小孢子第一次有絲分裂時(shí)有少數(shù)紡錘體是平周分裂，這與二型花粉在體內(nèi)的分化有一定聯(lián)系。孫敬三等[21]認(rèn)為如果雄核發(fā)育進(jìn)入均等分裂或核融合的途徑，則可以形成二倍體或多倍體的花粉，通過進(jìn)一步人工誘導(dǎo)培養(yǎng)可形成花粉植株，即E花粉培養(yǎng)。我國一些學(xué)者[22-23]也觀察到了一些內(nèi)蒙古草地野生植物,如：百里香(Thymusserpyllum)、亞洲百里香(Thymusserpyllumvar.asiaticus)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、冷蒿(Artemisiafrigida)及紫花冷蒿(Artemisiafrigidavar.atropurpurea)花粉的二型性現(xiàn)象本試驗(yàn)中，烏丹蒿花粉粒中存在長球形和圓球形2種花粉粒，T檢驗(yàn)達(dá)到顯著水平(P<0.05)，具有明顯的花粉二型性現(xiàn)象。

3.3 花粉粒二型性的比例

李懋學(xué)[24]在花粉的二型性和雄核在體內(nèi)發(fā)育方面對(duì)芍藥進(jìn)行了研究,認(rèn)為芍藥的花藥中具有二型花粉，正?；ǚ壅?5.8%，異?；ǚ壅?4.2%，其雄核發(fā)育途徑有不等分裂途徑、均等分裂途徑、核的融合等。宛濤[25]對(duì)冷蒿及其變種紫花冷蒿的花粉形態(tài)進(jìn)行二型性研究后得出，紫花冷蒿(四倍體)二型性比例可達(dá)45.0%～64.5%，而冷蒿(二倍體)二型性比例不足20.0%。由此可見，本研究中，在烏丹蒿花粉中出現(xiàn)的二型性比例為60.1%，這一比例相對(duì)是比較高的。通過對(duì)烏丹蒿長球形花粉與圓球形花粉形態(tài)的觀察分析，可以認(rèn)為由于烏丹蒿自身遺傳特性所致，使得2種不同的花粉粒在P/E值及形態(tài)特征的細(xì)微性狀方面存在一定差異。所以該研究結(jié)果可以為探索烏丹蒿微形態(tài)特征、種質(zhì)資源特性及烏丹蒿與其特殊生境之間的適應(yīng)性特點(diǎn)等內(nèi)容，從孢粉學(xué)角度提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

烏丹蒿的花粉形態(tài)符合菊科蒿屬植物花粉的總體特征，即花粉粒長球形(圓球形)，具三孔溝，屬于小型花粉粒，表面為刺狀-顆粒狀紋飾。并存在明顯的二型性現(xiàn)象，二型性比例為60.1%。

長球形花粉粒的主要形態(tài)特征為：赤道面長球形，極面三裂片圓形；平均大小23.28 μm×13.73 μm，P/E值為1.70；具三孔溝。表面紋飾為刺狀-顆粒狀。圓球形花粉粒的主要形態(tài)特征為：赤道面圓球形，極面三裂圓形；平均大小14.85 μm×13.80 μm，P/E值為1.08；具3孔溝。表面紋飾亦為刺狀-顆粒狀。長球形花粉與圓球形花粉在赤道面觀、極面觀、平均大小、P/E值等主體性狀上有明顯差異。

長球形花粉表面為刺狀_顆粒狀復(fù)合紋飾，刺稍短，約為1.80 μm，刺基部較小，刺間顆粒分布稀疏；圓球形花粉粒表面刺相對(duì)較大，刺長約為2.20 μm，刺間顆粒分布較密集。兩種花粉在表面紋飾的細(xì)微性狀上亦存有差異。