5個美麗茼麻品種花粉形態(tài)掃描電鏡觀察分析

張家培，呂昊卓，王鑫，馮琪，趙藝璇，田琳，劉冬云

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院， 河北 保定 071000；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

美麗茼麻(Abutilon×hybridum)，別稱吊燈花、風(fēng)鈴花等，錦葵科，茼麻屬[1]。美麗茼麻起源于美洲的巴西及巴拉圭等地，現(xiàn)分布于世界各地，主要集中在熱帶及亞熱帶[2]。

美麗茼麻為灌木，花朵鮮艷，顏色種類繁多，花萼類似鐘鈴，單花花期2～3 d，花期5-10月，主要花色有黃、紅、粉、白，花量較多[3]。因其花朵長相奇特艷麗，姿態(tài)優(yōu)美，種植方式多樣，不僅適合綠地栽植、種植于庭院與行道樹配植，還可以對其進(jìn)行剪扎造型盆栽觀賞，在中國華南地區(qū)多采取盆栽形式或植于庭院[4]。但目前，國內(nèi)對于美麗茼麻的研究主要集中在扦插繁育及花部形態(tài)結(jié)構(gòu)上，關(guān)于美麗茼麻花粉形態(tài)及系統(tǒng)分類研究較少[3-5]。

有花植物雄蕊中的生殖細(xì)胞叫做花粉，花粉攜帶大量的遺傳信息?；ǚ鄣姆N類不盡相同，不同植物的花粉形態(tài)有著較大的差異性，數(shù)量和活力變化有著比較大的范圍[6]。在基因的控制下，使花粉的形態(tài)特征在進(jìn)化的過程中具有保守、可靠和穩(wěn)定的特性。豐富的遺傳信息是研究植物的起源、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)發(fā)育、品種演化、親緣關(guān)系等方面的重要依據(jù)[7]?；ǚ坌螒B(tài)研究，可以用來鑒別植物種類。其中花粉粒的形態(tài)、大小，花粉萌發(fā)孔的數(shù)目、位置、形狀以及細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)等，在不同的植物中具有物種的特異性，這種特異性受遺傳因素的影響控制，解決植物分類系統(tǒng)中的植物物種在地位上問題[8]。 目前，國內(nèi)外使用掃描電鏡觀察花粉形態(tài)已應(yīng)用于小蒼蘭、柳葉馬鞭草等植物親緣關(guān)系分析[9-10]。因此，本研究選用5個美麗茼麻的栽培品種，通過觀察其花粉形態(tài)，比較極軸長、赤道軸長、P/E值、萌發(fā)孔的位置、大小、數(shù)量以及細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)，旨在探討美麗茼麻品種間的親緣關(guān)系，為將來對美麗茼麻的種質(zhì)鑒定和利用雜交育種等手段開展種質(zhì)創(chuàng)新等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取5個品種美麗茼麻成熟的雄花序?yàn)樵囼?yàn)材料。美麗茼麻品種名稱詳情見表1。

表1 供試美麗茼麻植物列表Table 1 List of Abutilon×hybridum varieties for test

1.2 方法

1.2.1 花粉采集 選擇生長健壯，沒有病蟲害的侵?jǐn)_，均處于盛花期的植物樣本。采集新鮮花粉。

1.2.2 預(yù)處理 準(zhǔn)備在電鏡掃描前，應(yīng)先用戊二醛固定液固定樣品浸泡(4 ℃)8 h以上，經(jīng)過去離子水浸泡3次，時長分別為6，7，8 min，再經(jīng)過50%乙醇14 min→70%乙醇14 min→85%乙醇14 min→95%乙醇15 min→100%乙醇15 min進(jìn)行脫水處理。

1.2.3 處理 打開二氧化碳臨界點(diǎn)干燥儀氣閥，制冷到10℃，放入試驗(yàn)樣品，充入CO2液體，靜置27 min后放出CO2液體，這個步驟重復(fù)3次，然后再次充入CO2液體，加熱45 min后關(guān)閉總氣閥，等待氣體全部緩慢放出之后，取出處理后的試驗(yàn)樣品。

1.2.4 電鏡觀察 把花粉均勻彈撒在雙面導(dǎo)電膠上，然后噴金處理。其后觀察儀器采用HITACHI SU8010掃描電鏡觀察。選取典型花粉粒進(jìn)行拍照，在300×視野下拍攝花粉群體，在1 200×視野下拍攝花粉粒個體，在5 000×和8 000×下分別拍攝花粉局部圖片。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計其赤道軸長(E)、極軸長(P)、細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)，萌發(fā)孔等特征，計算極軸長/赤道軸長(P/E)。根據(jù)王開發(fā)等人的劃分花粉的標(biāo)準(zhǔn)(表2)對花粉形態(tài)進(jìn)行分類[7-8]。使用EXCEL 2010和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。

表2 花粉狀的分類標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criteria of pollen

2 結(jié)果與分析

2.1 花粉的外部形態(tài)與特征

對5個品種美麗茼麻的花粉的形態(tài)的電鏡掃描結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果見圖1。根據(jù)王開發(fā)等人的劃分花粉的標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行測量統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 美麗茼麻花粉形態(tài)與大小
Table 3 Size ofAbutilon×hybridumpollen grains

品種Variety極軸長Polar axis length范圍/μmRange均值±標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)verage±SD變異系數(shù)/%CV赤道軸長Equatorial axis length范圍/μmRange均值±標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)verage±SD變異系數(shù)/%CVP/E‘櫻花’54.4～61.958.25±2.484.2654.3～60.957.46±2.203.831.01‘紅姬’56.4～61.858.67±2.073.5350.6～56.554.32±2.103.871.08‘伏姬’48.6～61.855.32±4.568.2447.4～58.352.85±4.678.841.04‘初戀’57.2～62.260.1±1.833.0453.5～61.157.48±2.975.161.04‘小矮人’57.5～61.360.14±1.833.0454.1～62.256.5±2.885.091.11

如圖1可知，5個品種美麗茼麻的花粉形態(tài)存在形式相同，為單粒。由表3可知，如下結(jié)果。

‘櫻花’花粉的赤道面與極面均呈現(xiàn)近圓形。極軸(P)長約58.25 μm(54.4～61.9 μm)，變異系數(shù)為4.26%?；ǚ鄢嗟垒S(E)長約57.46 μm(54.3～60.9 μm)，變異系數(shù)為1.01%?！畽鸦āǚ哿Ｉ系膹谋砻嫔斐龅募?xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)高度平均值為3.51 μm(3.2～3.9 μm)。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)底部平均寬度約2.68 μm(2.3～3.1 μm)。萌發(fā)孔的大小范圍在0.1～1.9 μm之間?！t姬’花粉的赤道面與極面均呈現(xiàn)近圓形。極軸(P)長約58.67 μm(56.4～61.8 μm)，變異系數(shù)為3.53%。花粉赤道軸(E)長約54.32 μm(50.6～56.5 μm)，變異系數(shù)為1.08%?！t姬’花粉粒上從表面伸出的細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)平均高度約2.73 μm(2.1～3.1 μm)。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)底部平均寬度約2.19 μm(1.5～2.5 μm)。萌發(fā)孔的大小范圍在0.1～0.5 μm之間?！Аǚ鄣某嗟烂媾c極面均呈現(xiàn)近圓形。極軸(P)長約55.32 μm(48.6～61.8 μm)，變異系數(shù)為8.24%?；ǚ鄢嗟垒S(E)長約52.85 μm(47.4～58.3 μm)，變異系數(shù)為1.04%?！Аǚ哿Ｉ蠌谋砻嫔斐龅募?xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)平均高度約3.00 μm(2.7～3.5 μm)。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)底部平均寬度約2.65 μm(2.2～3.5 μm)，最大值3.1 μm，最小值2.2 μm。萌發(fā)孔的大小范圍在0.1～1.6 μm之間。

‘初戀’花粉的赤道面與極面均呈現(xiàn)近圓形。極軸(P)長約60.10 μm(57.2～62.2 μm)，變異系數(shù)為3.04%?；ǚ鄢嗟垒S(E)長約57.48 μm(53.5～61.1 μm)，變異系數(shù)為1.04%?！鯌佟ǚ哿谋砻嫔斐龅募?xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)平均高度約3.63 μm(3.3～4.0 μm)細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)底部平均寬度約3.13 μm(2.2～3.6 μm)。萌發(fā)孔的大小范圍在0.1～0.7 μm之間。

‘小矮人’花粉均是呈現(xiàn)近圓形的赤道面與極面。極軸(P)長約60.14 μm(57.5～61.3 μm)，變異系數(shù)為3.04%。花粉赤道軸(E)長約56.50 μm(54.1～62.2 μm)，變異系數(shù)為1.11%?！“恕ǚ哿Ｉ蠌谋砻嫔斐龅募?xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)平均高度約3.54 μm(3.2～3.9 μm)。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)底部寬平均度約2.80 μm(2.5～3.4 μm)。萌發(fā)孔的大小范圍在0.1～0.7 μm之間。

以上數(shù)據(jù)表明，美麗茼麻花粉的極軸長度為47.4～62.2 μm，花粉粒極軸比較大的為‘初戀’和‘小矮人’，花粉粒極軸比較小的為‘紅姬’和‘伏姬’。試驗(yàn)的5種花粉中的P/E值均在1.14～0.88之間，均屬于近球形花粉。

2.2 萌發(fā)孔與外壁紋飾特征

根據(jù)圖1及以上數(shù)據(jù)研究觀察分析可得，5種美麗茼麻屬植物的花粉顆粒形態(tài)特征相似，大小沒有明顯差異。外壁呈網(wǎng)狀，萌發(fā)孔附著在外壁上，均勻分布，大小不規(guī)則，大小各異。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)均勻無規(guī)則分布于外壁上，上窄下寬，向外部延伸。

2.3 聚類分析

參考顧欣、韓柏明等的分析方法，以極軸長、赤道軸長、萌發(fā)孔、細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)為原始數(shù)據(jù)提取主成分，再以美麗茼麻的5個品種的主要成分得出聚類分析[11-12]，結(jié)果見圖2。

圖2 5個美麗茼麻品種的花粉形態(tài)聚類分析Figure 2 Cluster analysis of pollen morphology of 5 Abutilon×hybridum varieties

由圖2可知，在遺傳距離1.0處時，美麗茼麻的5個品種被劃為2類，其中‘初戀’、‘小矮人’聚為一類，‘櫻花’、‘紅姬’與‘伏姬’聚為一類；當(dāng)遺傳距離為3.0時，‘櫻花’、‘小矮人’與‘初戀’合為一類，‘紅姬’、‘伏姬’各自為一類；當(dāng)遺傳距離為9.0時，‘紅姬’、‘小矮人’、‘櫻花’與‘初戀’等合為一類，‘伏姬’獨(dú)自聚為一類。

3 結(jié)論與討論

美麗茼麻花粉的極軸長度為47.4～62.2 μm。試驗(yàn)的5個品種花粉中的P/E值均在1.14～0.88之間，均屬于近球形花粉。美麗茼麻花粉外壁分布有大小不均形態(tài)各異的萌發(fā)孔。細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)均勻無規(guī)則分布于外壁上，上窄下寬，向外部延伸。5個品種花粉粒由大到小排序?yàn)椋骸鯌佟ⅰ“恕?、‘櫻花’、‘紅姬’、‘伏姬’。根據(jù)聚類分析結(jié)果來看，‘伏姬’與其他4個品種有著比較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系，進(jìn)化程度較高，而‘初戀’等為較原始的品種。

本試驗(yàn)研究表明，5個美麗茼麻品種的花粉粒在形狀、萌發(fā)孔的位置、外壁紋飾等方面的相似性說明該種的高度統(tǒng)一：花粉粒形狀均為近球形，極軸面和赤道面均為近圓形。但在花粉極軸、赤道軸長度、極軸與赤道軸比值大小、萌發(fā)孔的大小以及從表面伸出的細(xì)尖峰狀結(jié)構(gòu)形狀等方面的差異說明了不同品種間的遺傳差異性，其中極軸的變異系數(shù)在3.04～8.24之間；赤道軸的變異系數(shù)在3.83～8.84之間；最為穩(wěn)定的為P/E值，可作為區(qū)分不同的品種的一項(xiàng)比較可靠的參數(shù)。聚類分析結(jié)果表明在遺傳距離1.0時，美麗茼麻的5個品種被劃為2類，其中‘初戀’、‘小矮人’聚為一類，‘櫻花’、‘紅姬’、‘伏姬’各自為一類；當(dāng)遺傳距離為3.0時，‘櫻花’、‘小矮人’與‘初戀’合為一類，‘紅姬’、‘伏姬’聚為一類；當(dāng)遺傳距離為9.0時，‘紅姬’、‘小矮人’、‘櫻花’與‘初戀’等合為一類，‘伏姬’獨(dú)自聚為一類。

花粉與其他生殖器官同樣很少受到環(huán)境因素的影響，花粉的形態(tài)特征是物種親緣關(guān)系和分類研究的重要依據(jù)[13]。在有關(guān)孢粉學(xué)的研究中，在植物進(jìn)化方面有多種不同觀點(diǎn)，周守標(biāo)關(guān)于花粉粒外壁紋飾特征的進(jìn)化規(guī)律則與Erdtman有關(guān)被子植物的研究相關(guān)一致性，被子植物的花粉粒大小是由大到小進(jìn)化的，花粉粒體積較大的被子植物為比較原始的[14-15]?；ǚ弁獗诩y飾演化是由光滑表面結(jié)構(gòu)向孔穴狀發(fā)展，再由孔穴狀向條紋狀演化[16-17]。條紋的大小、寬窄、深淺等特征可以反映花粉外壁紋飾的差異，也可以成為衡量被子植物進(jìn)化程度的主要依據(jù)。綜上所述，美麗茼麻的花粉形態(tài)特征具有重要的分類學(xué)價值，可作為劃分種內(nèi)品種間水平的劃分依據(jù)。