翠竹開(kāi)花生物學(xué)特性研究

傅華君，范婷婷，楊 蒙，萬(wàn)雅雯，丁雨龍，林樹(shù)燕＊

(1. 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所，江蘇 南京 210037；3. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

開(kāi)花結(jié)實(shí)是植物進(jìn)入成熟衰老狀態(tài)的標(biāo)志，竹子亦是如此，只是自然界中大多數(shù)竹類植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的時(shí)間比較長(zhǎng)，要經(jīng)過(guò)數(shù)年或數(shù)十年甚至更久才會(huì)進(jìn)入性成熟階段[1-2]。并且竹類植物開(kāi)花后發(fā)生大面積的枯死、竹林進(jìn)入衰敗死亡等開(kāi)花特性一直威脅著竹類物種的繁衍，而且破壞了大熊貓等一些珍稀瀕危動(dòng)植物的生境，嚴(yán)重威脅著它們的生存[3]，同時(shí)，也對(duì)某些經(jīng)濟(jì)竹林造成了毀滅性的打擊。目前，水稻（Oyza sativaL.）、小麥（Triticum aestvumL.）、玉米（Zea maysL.）等禾本科其他植物的生殖生物學(xué)研究已越來(lái)越深入[4-6]，而竹子因開(kāi)花周期漫長(zhǎng)，且大多數(shù)植株花后成片枯死，結(jié)實(shí)的情況更為罕見(jiàn)，使得試驗(yàn)材料難以獲取，大大限制了其開(kāi)花結(jié)實(shí)的生殖生物學(xué)的研究，同時(shí)使得開(kāi)花竹林利用以及無(wú)性系選育等很多方面的研究進(jìn)展遲緩[7]。

竹類植物在開(kāi)花之前有明顯的預(yù)兆，例如新出土的竹筍矮小或不發(fā)筍，竹林整體枯黃。喬士義[8]等研究表明，竹株開(kāi)花前葉片有發(fā)黃的趨勢(shì)，開(kāi)花小枝上發(fā)生變異生出變態(tài)小葉。根據(jù)對(duì)麻竹（Dendrocalamus latiflorusMunro）[9]植株開(kāi)花前后動(dòng)態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，開(kāi)花的枝條上會(huì)出現(xiàn)變態(tài)型小葉，代表竹株進(jìn)入生殖生長(zhǎng)的階段，原應(yīng)發(fā)育為營(yíng)養(yǎng)軸的潛伏芽轉(zhuǎn)而分化成花序軸；何奇江等[10]對(duì)雷竹（Ph. violascens(Carr.) A.et C.Riv.）開(kāi)花生物學(xué)特性進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)花雷竹的花穗絕大多數(shù)無(wú)葉，可能是開(kāi)花竹株處于生殖生長(zhǎng)時(shí)而抑制了營(yíng)養(yǎng)葉的生長(zhǎng)，并且最終雷竹林營(yíng)養(yǎng)消耗過(guò)度，花后竹林衰敗死亡。有關(guān)竹類植物開(kāi)花方面的研究主要集中在花期生物學(xué)特性[11]、花粉生活力[12]、花粉形態(tài)[13]、花粉管的生長(zhǎng)[14]等研究上，還有一些關(guān)于胚胎學(xué)[15]方面的研究。

翠竹（Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai）屬于地被類竹種，葉片翠綠，極耐修剪，經(jīng)常運(yùn)用于園林布置中。20世紀(jì)80年代翠竹引入南京林業(yè)大學(xué)竹種園[16]，直至2015年還未有關(guān)于其開(kāi)花結(jié)實(shí)的相關(guān)記載或報(bào)道，但近幾年竹種園中的翠竹在自然環(huán)境中連年開(kāi)花，為開(kāi)展竹類植物生殖生物學(xué)的研究提供了珍貴的試驗(yàn)材料。本研究以南京林業(yè)大學(xué)竹類植物園中開(kāi)花的翠竹為研究對(duì)象，綜合利用野外定株調(diào)查、形態(tài)觀察以及掃描電鏡等方法，系統(tǒng)研究了翠竹花期生物學(xué)特性以及翠竹花粉形態(tài)等，以期全面了解翠竹有性繁殖的特性，加強(qiáng)竹子開(kāi)花的基礎(chǔ)生物學(xué)研究，為竹類植物個(gè)體發(fā)育過(guò)程積累原始材料，也為下一步深入開(kāi)展竹類植物開(kāi)花分子機(jī)理、遺傳轉(zhuǎn)化等深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于江蘇省南京市南京林業(yè)大學(xué)竹種園（118°48′17″ E，32°4′44″ N），土壤屬于下蜀系黃壤，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，春秋短、冬夏長(zhǎng)。雨量充沛，平均降水量為971.7 mm，全年積溫（10 ℃以上）為 4 897 ℃，年平均氣溫為15.7 ℃，全年無(wú)霜期233 d。年溫差較大，7月份平均28 ℃，1 月份平均 2.2 ℃[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 翠竹開(kāi)花竹林觀察 在翠竹林中選定3個(gè)1 m×1 m樣方，連續(xù)3年觀察調(diào)查開(kāi)花竹林的構(gòu)成，以了解翠竹開(kāi)花物候，并對(duì)翠竹的開(kāi)花期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要記錄以下幾個(gè)時(shí)間段：開(kāi)花初期（25%以下的竹株開(kāi)花）、開(kāi)花盛花期（25%～75%的竹株開(kāi)花）、開(kāi)花后期（25%以下的竹株開(kāi)花）、開(kāi)花末期（少于10%的竹株開(kāi)花）。

1.2.2 花序形態(tài)特征 2016—2018年連續(xù)3年觀察翠竹的開(kāi)花動(dòng)態(tài)，了解翠竹竹株開(kāi)花和死亡的基本情況。開(kāi)花期間，定期記錄小花開(kāi)放、花粉散出、內(nèi)外稃打開(kāi)與閉合開(kāi)始和持續(xù)的時(shí)間。在盛花期任選30根花枝，觀察并記錄花器官各結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、顏色等花部形態(tài)特征以及內(nèi)、外稃打開(kāi)時(shí)間，并在LEICA S6D體視顯微鏡下拍照。

1.2.3 花粉形態(tài)觀察 當(dāng)翠竹處于盛花期時(shí)，采集開(kāi)花竹株上成熟且未散粉的花藥作為材料，先用70% FAA固定花藥，掃描電鏡制樣后，移入Quanta 200環(huán)境掃描電鏡下觀察并照相。

2 結(jié)果和分析

2.1 翠竹開(kāi)花林相變化

翠竹開(kāi)花時(shí)間較為一致，屬于成片開(kāi)花類型（圖1-1）。開(kāi)花的竹林整體呈枯黃色，每年開(kāi)花過(guò)后部分竹稈死亡，所以在竹林中既有開(kāi)花的竹子，又有正常不開(kāi)花的竹子（圖1-2），還有已開(kāi)過(guò)花的枯死竹（圖1-3）。3月初翠竹竹鞭上會(huì)長(zhǎng)出新芽，4月份新筍出土長(zhǎng)成新竹，6—10月整個(gè)翠竹竹林出現(xiàn)返綠現(xiàn)象。

圖 1 翠竹花序形態(tài)建成過(guò)程Fig. 1 The formation process of inflorescence of Pleioblastus pygmaeus

翠竹花芽的形成到開(kāi)花跨越兩個(gè)年度，一般于10月下旬形成花芽（圖1-4），次年3月下旬開(kāi)花。花芽一般是從枝條的下部開(kāi)始出現(xiàn)，然后從下而上，整個(gè)枝條各節(jié)都發(fā)育為花芽。在花芽發(fā)育過(guò)程中，前期發(fā)育緩慢，即從花芽分化到次年2月氣溫較低的情況下，花芽發(fā)育非常遲緩（圖1-5）。3月中上旬，隨著溫度的升高以及光照的增加，花芽發(fā)育速度加快（圖1-6,7），到3月中下旬可陸續(xù)抽出小穗以及花序，直至花序形態(tài)建成（圖1-8）。3月下旬至4月上旬為翠竹的盛花期（圖1-9），竹林大面積成片開(kāi)花，并且翠竹盛花期時(shí)間比較短，持續(xù)時(shí)間為2周左右。1個(gè)月之后，種子陸續(xù)成熟，隨機(jī)脫落。

翠竹1年之中林相變化（圖2）可歸納為：翠竹竹林在10月下旬發(fā)生開(kāi)花轉(zhuǎn)變，開(kāi)始孕育花芽，竹稈變?yōu)榭蔹S，枝條頂部葉片變黃脫落，直到次年春天3月花序抽出生成小穗，小花形態(tài)建成。3月中下旬至4月初為翠竹盛花期，竹林中小花集中開(kāi)放，4月中上旬大部分小穗開(kāi)花結(jié)束，但在開(kāi)花期間仍有新生的枝條，其后斷斷續(xù)續(xù)有一兩個(gè)小穗開(kāi)花，而不開(kāi)花的枝條上逐漸抽出新葉。1個(gè)月之后，種子陸續(xù)成熟，果實(shí)為穎果。4月份新筍出土長(zhǎng)成新竹，整個(gè)竹林重新進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期。

圖 2 翠竹1年之中林相變化Fig. 2 The morphology changes of Pleioblastus pygmaeus in a year

2.2 開(kāi)花竹株類型

翠竹花后死亡與否和開(kāi)花程度相關(guān)，一般開(kāi)花時(shí)無(wú)葉或少葉，或過(guò)多開(kāi)花的竹株更容易死亡。根據(jù)開(kāi)花特點(diǎn)，可將開(kāi)花翠竹竹株分為4個(gè)類型：（1）老竹全株開(kāi)花型；（2）老竹部分開(kāi)花型；（3）新竹全株開(kāi)花型；（4）筍芽開(kāi)花型：

（1）老竹全株開(kāi)花型：翠竹開(kāi)花時(shí)花芽頂端生出變態(tài)小葉，整個(gè)植株長(zhǎng)滿花序，老竹枝條的頂部?jī)H零星分布少量老葉，成片集中開(kāi)花?；ê笾穸挸士蔹S色，植株進(jìn)入半死亡狀態(tài)。

（2）老竹部分開(kāi)花型：竹林中這部分翠竹進(jìn)入生殖年齡后，竹株上只有部分枝條開(kāi)花，開(kāi)花后竹株一般不死亡，次年可繼續(xù)開(kāi)花。

（3）新竹全株開(kāi)花型：新竹只有一級(jí)側(cè)枝，比正常竹株矮小，新竹成竹展枝時(shí)先發(fā)出細(xì)小竹葉，主枝和一級(jí)側(cè)枝的枝條前端都形成花序，外側(cè)的葉片比正常葉片要小。在每年新發(fā)竹筍中，都有不開(kāi)花竹株長(zhǎng)成，是竹林自然更新的一種方式。新長(zhǎng)成的竹株相對(duì)而言較矮小，但是在整個(gè)竹林中新竹的比例越來(lái)越多，整個(gè)竹林逐漸開(kāi)花停止，從而達(dá)到更新復(fù)壯。

（4）筍芽開(kāi)花型：開(kāi)花翠竹林中，花芽直接從地下冒出，多株簇生在一起，形成無(wú)葉型的花序，開(kāi)花后即死亡（圖1-10，11）。根據(jù)對(duì)地下竹鞭探查，發(fā)現(xiàn)從地下竹鞭上的本應(yīng)發(fā)育為筍芽的芽轉(zhuǎn)而形成了花芽，從而形成當(dāng)年生花序。

2.3 開(kāi)花動(dòng)態(tài)

2.3.1 竹林的開(kāi)花動(dòng)態(tài) 從表1中可以看出在2016—2018的觀察期間，翠竹的花期歷時(shí)1個(gè)月左右，但是盛花期持續(xù)較短，一般集中在1星期內(nèi)完成開(kāi)花。不同年份的花期略有不同，總體沒(méi)有明顯的差別。

表 1 翠竹竹林開(kāi)花進(jìn)程（日/月）Table 1 The flowering process of Pleioblastus pygmaeus(Date/Month)

2.3.2 小花的開(kāi)花動(dòng)態(tài) 于2016年3月27日（天氣晴朗）標(biāo)記20株翠竹小花，3個(gè)重復(fù)，每隔1小時(shí)進(jìn)行定株觀測(cè)。由表2可以看出翠竹在1天之內(nèi)隨時(shí)都可以開(kāi)花，尤以上午8:00—12:00這段時(shí)間開(kāi)花最多。小花開(kāi)放數(shù)受外界環(huán)境影響顯著，一般是晴朗的天氣開(kāi)花數(shù)較陰雨天多，并且溫度越高，開(kāi)花持續(xù)的時(shí)間及散粉的速度越快。

表 2 小花開(kāi)放進(jìn)程Table 2 The opening process of florets

小花剛開(kāi)的時(shí)候，內(nèi)、外稃微微張開(kāi)，只略微看見(jiàn)花藥的頂部（圖3-1）；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)、外稃張開(kāi)幅度變大，此時(shí)花藥露出大半（圖3-2）；漿片吸水膨大將內(nèi)外稃完全推開(kāi)，可見(jiàn)花藥全部露出（圖3-3）；隨后花絲不斷伸長(zhǎng)將花藥送出稃片之外，花藥逐漸呈下垂?fàn)顟B(tài)（圖3-4,5），中間露出雌蕊柱頭；花藥完全下垂時(shí)，包裹在內(nèi)部的柱頭完全露出，花藥頂部開(kāi)裂（圖3-6,7,8），隨后借助風(fēng)力傳粉。花藥散粉后，內(nèi)外稃重新閉合（圖3-9）。翠竹單花持續(xù)的時(shí)間一般只有幾小時(shí)，花藥從稃片包圍到伸出稃片之外的時(shí)間為4～8 h，花藥完成開(kāi)裂散粉大約需要1～2 h。

于2016年3月28日（天氣晴朗）標(biāo)記了3朵小花，記錄小花從片完全閉合到完成散粉所需的時(shí)間，開(kāi)花進(jìn)程如下：

① 8:50花藥微微露出—9:50花藥露出大半—10:50花藥全部露出—11:00花藥趨于下垂—2:50花藥全部下垂—13:30花藥開(kāi)裂散粉。

② 8:55花藥微微露出—9:55花藥露出大半—10:55花藥全部露出—11:55花藥趨于下垂—12:55花藥全部下垂—14:15花藥開(kāi)裂散粉。

③ 9:00花藥微微露出—10:00花藥露出大半—12:00花藥全部露出—13:00花藥趨于下垂—14:00花藥全部下垂—15:20花藥開(kāi)裂散粉。

圖 3 翠竹小花開(kāi)花進(jìn)程Fig. 3 The flowering process of Pleioblastus pygmaeus

2.4 花粉形態(tài)特征

翠竹花粉粒近圓球形（圖4-1），單個(gè)萌發(fā)孔，孔明顯，近圓形，萌發(fā)孔內(nèi)凹，孔蓋下限（圖4-2）。外壁紋飾細(xì)顆粒狀，外壁極薄，易皺癟破裂?；ǚ哿５闹睆郊s為30.6～35.4 μm，平均值為 33.0 μm。

圖 4 翠竹花粉形態(tài)Fig. 4 The morphology and germination of pollen of Pleioblastus pygmaeus

3 討論

3.1 開(kāi)花現(xiàn)象以及開(kāi)花類型

根據(jù)對(duì)翠竹開(kāi)花林相的觀察發(fā)現(xiàn)，翠竹屬于成片開(kāi)花類型，與剛竹屬的淡竹[18]、水竹（Ph.heterocladaOliver）[19]等竹種開(kāi)花行為一致，部分半花半葉的竹株可以連續(xù)幾年開(kāi)花，全株開(kāi)花的植株花后即死亡。而叢生竹例如孝順竹，在開(kāi)花的竹林中，發(fā)現(xiàn)大部分竹叢都是正常生長(zhǎng)的，只有少數(shù)幾株零星開(kāi)花[20]，其他叢生竹林如巨龍竹（Dendrocalamus sinicusChia et J. L. Sun）[49]、 慈 竹（Bambusa emeiensisChia et H.L.Fung）[21]等竹種都表現(xiàn)為零星開(kāi)花，花期能維持10～15年左右。

3.2 花序的特點(diǎn)

張文燕等[22]以花柱伸出的程度為依據(jù)將竹子分為長(zhǎng)花柱型和短花柱型，長(zhǎng)花柱型竹種開(kāi)花時(shí)，內(nèi)外稃片微啟不全部張開(kāi)，柱頭細(xì)長(zhǎng)凸出，能夠伸出稃外以接受花粉，如早竹、粉綠竹（Ph. viridiglaucescens(Carr.) A. et C. Riv.）、黃槽石綠竹（Ph. arcanaf.luteosulcataC.D.Chu et C.S.Chao）等[17]竹種；后者花柱較短，開(kāi)花時(shí)漿片吸水將稃片撐開(kāi)露出柱頭，如福建茶稈竹（Pseudosasa amabilisvar.convexaZ.P.Wang et G.H.Ye）、短穗竹（Semiarundinaria densiflora(Rendle) Wen）、異葉苦竹、月月竹等竹種。翠竹亦屬于短花柱型，開(kāi)花時(shí)漿片吸水膨脹，將內(nèi)外稃推開(kāi)，露出包裹在內(nèi)的3裂羽毛狀柱頭，可以接受飄散的花粉，一段時(shí)間后內(nèi)、外稃重新閉合。

McClure教授根據(jù)竹子的小穗基部有無(wú)芽的存在發(fā)展了竹子的無(wú)限制與有限制花序的理論[23]。有限花序基部無(wú)休眠芽，開(kāi)花是一次性的，而無(wú)限花序的竹子開(kāi)花時(shí)其小穗基部保留生長(zhǎng)點(diǎn)，不斷產(chǎn)生新的休眠芽，萌發(fā)出新的假小穗。竹子開(kāi)花時(shí)是一次發(fā)生或續(xù)次發(fā)生在分類學(xué)上具有重要意義，花序的發(fā)育特性是竹子劃分超族的依據(jù)[24]。2017年林樹(shù)燕等[16]通過(guò)詳細(xì)研究，認(rèn)為翠竹花序頂生或側(cè)生，一小穗軸具少數(shù)至多枚小穗，屬于混合花序。就整個(gè)翠竹同一花序而言，一般是位于花序軸頂端的小穗中的小花最先開(kāi)放，是從頂端開(kāi)始向基部開(kāi)放的順序；而就翠竹同一花小穗而言，一般是小穗基部的小花先開(kāi)放，然后漸次向頂端開(kāi)放，開(kāi)花順序是從基部開(kāi)始的。因此，不能將翠竹的開(kāi)花順序簡(jiǎn)單說(shuō)成單一的從上而下或從下而上。

3.3 花粉形態(tài)

翠竹的花粉近球形，單個(gè)萌發(fā)孔，孔明顯，具明顯的孔環(huán)和蓋，與大部分竹類植物花粉形態(tài)描述一致。翠竹的外壁紋飾為細(xì)顆粒狀，與林樹(shù)燕[17]報(bào)道的短穗竹、異葉苦竹、鵝毛竹等竹種的外壁表面紋飾一致。不同植物的花粉在發(fā)育過(guò)程中花粉形態(tài)都比較穩(wěn)定，進(jìn)化上最具保守性，因此了解翠竹花粉形態(tài)對(duì)于竹子的分類研究具有重要意義[25]。測(cè)得翠竹的花粉粒直徑為33.0 μm，小于毛竹的（61.0 μm）和鵝毛竹的（40.22 μm），但是與異葉苦竹的（27.86 μm）相近。剛竹屬竹種花粉屬于大型花粉，平均直徑均在50 μm以上；而苦竹屬的花粉屬于中型花粉，平均直徑多在50 μm以下[26]。

3.4 翠竹分類學(xué)的討論

翠竹原產(chǎn)日本，最初的學(xué)名由荷蘭植物學(xué)家Friedrich Anton Wilhelm Miquel 1866年命名，其基本名是Bambusa pygmaeaMiq[27]；由于該竹子不是叢生竹，英國(guó)植物學(xué)家Algernon Bertram Freeman-Mitford于1896年將翠竹移至散生竹的青籬竹屬，學(xué)名為Arundinaria pygmaea(Miq.) Mitf；1902年由 Ascherson，Paul Friedrich August等人更名為Arundinaria pygmaea(Miq.) Asch. & Graebn[28]；1913年法國(guó)植物學(xué)家E. G. Camus認(rèn)為該竹子的分枝特性等性狀不同于青籬竹屬，而將翠竹移至赤竹屬，學(xué)名為Sasa pygmaea(Miq.) E. G. Camus[29]，1932年日本植物分類學(xué)家Nakai將翠竹移至苦竹屬（也稱大明竹屬），學(xué)名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai[30]；1942年，Nakai 發(fā)表了新屬Nipponocalamus，將翠竹移至該新屬，學(xué)名為Nipponocalamus pygmaeus(Miq.)Nakai[31]；1978年，日本植物學(xué)家認(rèn)為該新屬不成立，于是將翠竹又移至苦竹屬，學(xué)名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai，該竹種被引種到我國(guó)后，先后被置于赤竹屬[32-33]和青籬竹屬[34]。鑒于東亞是否有青籬竹屬竹種的分布，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界還存在很大爭(zhēng)議。2017年林樹(shù)燕[16]認(rèn)為赤竹屬的竹種是6個(gè)雄蕊，而翠竹只有3個(gè)雄蕊，于是將翠竹移至苦竹屬（也稱大明竹屬），學(xué)名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai。

4 結(jié)論

翠竹開(kāi)花時(shí)間一致，屬于成片開(kāi)花類型，翠竹花芽的形成到開(kāi)花跨越2個(gè)年度，一般于10月下旬形成花芽，次年3月下旬開(kāi)花，3月下旬至4月上旬為翠竹的盛花期，持續(xù)時(shí)間為1周左右；翠竹在1天之內(nèi)隨時(shí)都可以開(kāi)花，上午（上午8:00—12:00）開(kāi)花最多且受溫度影響顯著。1個(gè)月之后，種子陸續(xù)成熟，隨機(jī)脫落，每年開(kāi)花過(guò)后部分竹稈死亡。翠竹花后死亡與否和開(kāi)花程度相關(guān)，一般開(kāi)花時(shí)無(wú)葉或少葉，或過(guò)多開(kāi)花的竹株更容易死亡。根據(jù)開(kāi)花特點(diǎn)，可將開(kāi)花翠竹竹株分為4個(gè)類型：(1)老竹全株開(kāi)花型；(2)老竹部分開(kāi)花型；(3)新竹全株開(kāi)花型；(4)筍芽開(kāi)花型。翠竹單花持續(xù)的時(shí)間一般只有幾小時(shí)，花藥從稃片包圍到伸出稃片之外的時(shí)間為4～8 h，花藥完成開(kāi)裂散粉大約需要1～2 h。翠竹花粉粒近圓球形，單個(gè)萌發(fā)孔，孔明顯，近圓形，萌發(fā)孔內(nèi)凹，孔蓋下限。外壁紋飾細(xì)顆粒狀，外壁極薄，易皺癟破裂?；ǚ哿５闹睆郊s為 30.6～35.4 μm，平均值為 33.0 μm.

翠竹花后，能收獲一定數(shù)量的種子，在自然狀態(tài)下的開(kāi)花翠竹林復(fù)壯能力目前還在觀察。