3種黑麥類作物花藥和花粉粒顯微形態(tài)學(xué)比較

李明昊，姚 銳，楊夢涵，高 慧，任學(xué)軍，郭振清，林小虎

(河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

禾本科黑麥屬作物與小麥的親緣關(guān)系相近，具有耐寒、抗旱、抗病以及優(yōu)良的農(nóng)藝性狀等特點(diǎn)，是小麥的三級(jí)基因庫，國內(nèi)外學(xué)者已將它們廣泛應(yīng)用于小麥的遺傳改良工作[1]。小黑麥?zhǔn)且孕←満秃邴溩鳛橛H本，人為通過雜交手段得到的異源多倍體，由于小麥有不同的倍性，在與黑麥雜交時(shí)就可以得到不同倍性小黑麥，當(dāng)前生產(chǎn)上有利用價(jià)值且應(yīng)用較普遍的小黑麥主要是六倍體小黑麥和八倍體小黑麥[2]。

對(duì)植物的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，可以為植物分類提供參考信息，從而更準(zhǔn)確地對(duì)植物進(jìn)行分類[3,4]。近年來對(duì)于黑麥類作物的研究，很少見到從花藥、花粉的顯微形態(tài)學(xué)的角度進(jìn)行綜合分析的研究。劉植義等[3]利用掃描電鏡對(duì)普通小麥、小黑麥和黑麥花粉粒及其葉表皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，研究了小黑麥的花粉粒形態(tài)特征及葉表皮結(jié)構(gòu)特征；而張述祖等[4]觀察了小黑麥雄蕊藥室內(nèi)壁發(fā)育中細(xì)胞器，研究了小黑麥雄蕊發(fā)育的不同時(shí)期(從小孢子母細(xì)胞到成熟花粉)的藥室內(nèi)壁的細(xì)胞器的消長關(guān)系。但他們的研究是大約30年前進(jìn)行的，使用的電鏡分別為日立S-570和日立H-600。受當(dāng)時(shí)研究設(shè)備限制，所得掃描照片清晰度不足，導(dǎo)致所得結(jié)論可能不精確。另一方面，近年來還未見有對(duì)黑麥類作物花藥顯微形態(tài)特征的研究報(bào)道，因此有必要利用現(xiàn)代高精設(shè)備對(duì)黑麥類作物花藥和花粉粒的顯微結(jié)構(gòu)做更準(zhǔn)確的研究。本次研究主要從顯微形態(tài)學(xué)的角度比較3種不同倍性的黑麥類作物的花藥形態(tài)和花粉粒微觀結(jié)構(gòu)，旨在發(fā)現(xiàn)三者之間的異同點(diǎn)，并為親緣關(guān)系相近的麥類物種的分類提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本次研究所用試驗(yàn)材料為二倍體黑麥(山農(nóng)SC1556)、六倍體小黑麥(山農(nóng)HT1638)和八倍體小黑麥(山農(nóng)OT0202)，均引自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，種植于河北科技師范學(xué)院生命科技實(shí)驗(yàn)站。

1.2 方法

1.2.1花藥形態(tài)觀察 在揚(yáng)花期前取3種不同倍性黑麥類作物即將成熟的花藥，均隨機(jī)選擇30粒，置于體視顯微鏡(OLYMPUS SZX16,日本，奧林巴斯公司生產(chǎn))下觀察花藥形態(tài)、測量大小并拍照。

1.2.2花粉掃描電鏡觀察 在揚(yáng)花期取3種不同倍性黑麥類作物成熟花藥，自然干燥后鑷子將花粉剝落到粘有導(dǎo)電膠帶的掃描電鏡樣品臺(tái)上，放置于場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立SU8010，日本，日立公司生產(chǎn))在工作電壓10 kV下觀察花粉粒的微觀結(jié)構(gòu)并拍照。

1.2.3數(shù)據(jù)分析方法 花藥形態(tài)差異性分析用Graphpad Prism 8.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析并作圖，花粉粒形態(tài)學(xué)特征用DPS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析并制作表格。花粉粒極軸長(P)，赤道軸長(E)參考劉鵬等[9]的方法表示，花粉粒的基本形狀和等級(jí)分類參考李天慶[5]的分類標(biāo)準(zhǔn)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同倍性黑麥類作物花藥形態(tài)

利用體視顯微鏡對(duì)3種不同倍性的黑麥類作物即將成熟的花藥分別進(jìn)行觀察拍照并測量其大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種不同倍性的黑麥類作物的即將成熟花藥顏色均為綠色，但二倍體黑麥花藥顏色更深，呈深綠色；3種黑麥類作物的花藥均狹長，呈棒狀，但二倍體黑麥花藥更加狹長，呈長棒狀，而六倍體小黑麥和八倍體小黑麥的花藥相對(duì)較短呈短棒狀。3種黑麥類作物的花藥表面都為條紋狀，但二倍體黑麥花藥表面條紋更深，六倍體小黑麥和八倍體小黑麥花藥表面條紋相對(duì)較淺(圖1)。3種黑麥類作物花藥大小有明顯的不同：二倍體黑麥花藥長度平均為8 662.75 μm±1 344.99 μm，寬度平均為797.42 μm±95.74 μm，六倍體小黑麥花藥長度平均為3 903.70 μm±665.56 μm，寬度平均為581.72 μm±77.69 μm；八倍體小黑麥花藥長度平均為5 365.34 μm±710.15 μm，寬度平均為892.91 μm±160.98 μm(表1)。在花藥長度方面二倍體黑麥花藥長度最長，八倍體小黑麥花藥長度次之，六倍體小黑麥花藥長度最短；二倍體黑麥和八倍體小黑麥的花藥長度存在極顯著差異、六倍體小黑麥和八倍體小黑麥的花藥長度存在極顯著差異，二倍體黑麥和六倍體小黑麥的花藥長度存在極顯著差異。在花藥寬度方面八倍體小黑麥花藥寬度最寬，二倍體黑麥花藥寬度次之，六倍體小黑麥花藥寬度最窄；二倍體黑麥和六倍體小黑麥的花藥寬度存在極顯著差異，六倍體小黑麥和八倍體小黑麥的花藥寬度存在極顯著差異(圖2)。

表1 不同倍性黑麥類作物花藥形態(tài)學(xué)特征

圖1 不同倍性黑麥類作物花藥形態(tài)

2.2 不同倍性黑麥類作物花粉粒超微結(jié)構(gòu)觀察

對(duì)3種不同倍性的黑麥類作物花粉粒進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)3種黑麥類作物花粉均為單?；ǚ郏瑔蚊劝l(fā)孔(圖3)。3種不同倍性的黑麥類作物花粉粒的外壁紋飾全部為顆粒狀紋飾，但是不同黑麥類物種之間顆粒的疏密程度存在差異。其中二倍體黑麥花粉外壁顆粒紋飾為單一顆粒型，但是與六倍體小黑麥和八倍體小黑麥的花粉粒的紋飾顆粒相比顆粒最小并且排列最為稀疏；六倍體小黑麥花粉粒外壁紋飾也是單一顆粒型，且六倍體小黑麥紋飾顆粒稀疏程度在二倍體黑麥和八倍體小黑麥之間；八倍體小黑麥花粉粒外壁紋飾為單一顆粒同時(shí)也有連成鋸齒狀的復(fù)合顆粒，八倍體小黑麥花粉粒的紋飾顆粒與六倍體小黑麥和二倍體黑麥的花粉粒的紋飾顆粒相比顆粒排列最為密致。3種黑麥類作物花粉粒外壁紋飾顆粒疏密程度由疏到密的順序依次為：二倍體黑麥，六倍體小黑麥，八倍體小黑麥。

圖3 不同倍性黑麥類作物花粉超微形態(tài)特征

3種黑麥類作物的花粉粒大小存在差異(表2)，其中二倍體黑麥花粉粒的極軸長(P)為66.08 μm±5.00 μm，赤道軸長(E)37.70 μm±2.60 μm，P/E值為1.75為長球形；六倍體小黑麥花粉粒的極軸長(P)62.68 μm±3.08 μm，赤道軸長(E)57.18 μm±3.13 μm，P/E值是1.10為圓球形；八倍體小黑麥花粉粒的極軸長(P)為54.18 μm±3.06 μm，赤道軸長(E)48.08 μm±4.27 μm，P/E值是1.12為圓球形。

表2 不同倍性黑麥類作物花粉粒形態(tài)學(xué)特征

3 討 論

本次研究對(duì)不同倍性黑麥類作物進(jìn)行花藥體視鏡觀察，花粉粒掃描電鏡觀察?；ㄋ庴w視鏡觀察結(jié)果表明：3種不同倍性黑麥類作物即將成熟的花藥顏色均為綠色，3種不同倍性黑麥類作物的花藥均狹長，呈棒狀。3種不同倍性黑麥類作物在花藥長度上差異均極顯著，在花藥寬度上二倍體黑麥和六倍體小黑麥花藥寬度差異極顯著，六倍體小黑麥和八倍體小黑麥花藥寬度差異極顯著；在掃描電鏡下3種黑麥類作物的花粉粒都為單?；ǚ?，單萌發(fā)孔，3種不同倍性黑麥類作物花粉粒的極軸長，赤道軸長差異顯著；3種不同倍性黑麥類作物花粉外壁紋飾全部為顆粒雕紋，其中二倍體黑麥花粉粒的紋飾顆粒排列最稀疏，六倍體小黑麥花粉粒的紋飾顆粒排列較密致，八倍體小黑麥花粉粒的紋飾顆粒排列最密致。

本次研究通過對(duì)3種不同倍性黑麥類作物花藥和花粉粒的顯微形態(tài)學(xué)觀察豐富了黑麥屬作物的花粉形態(tài)信息。郭學(xué)民等[6]得到榆葉梅不同植株之間花粉形態(tài)大小和紋飾既具有種的相似性又具有株的特異性的結(jié)果與本次研究中小黑麥花粉外壁紋飾全部為顆粒雕紋但顆粒的類型不完全相同的結(jié)果相似。職新浩等[7]觀察了7種植物的花粉外壁紋飾結(jié)果表明外壁紋飾各不相同,各有特點(diǎn),有些是它們共有的,但絕沒有任何兩種植物的花粉外壁紋飾完全相同的。植物花粉的形態(tài)特征是受基因控制的,不受外界條件的影響其形態(tài)特征具有可遺傳性，因此可以作為分類標(biāo)準(zhǔn)[8～10]，對(duì)3種不同倍性黑麥類作物的花藥、花粉粒進(jìn)行了顯微形態(tài)學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)3種不同倍性的黑麥類作物的花粉粒的微觀形態(tài)也存在差異，對(duì)于整個(gè)黑麥類作物而言，花粉粒的外壁紋飾可以反映不同黑麥類作物之間的差別，可以作為3種不同倍性的黑麥類作物分類的標(biāo)準(zhǔn)之一。然而，由于本次試驗(yàn)研究的黑麥類作物種類和數(shù)量都相對(duì)較少，要得出更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮邴滎愖魑镲@微形態(tài)學(xué)及超微結(jié)構(gòu)差異的相關(guān)性結(jié)論，還需要進(jìn)行更全面、更深入的研究。