不同種源的毛建草珠芽形成比較研究

田旭平， 郭慶浩， 孫鳴嶼， 李 倩， 路 通

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 山西 太谷 030801)

珠芽是植物在長期的物種進(jìn)化中，為更好地適應(yīng)不同的生境而形成的保護(hù)自我、繁衍后代的“胎生器官”，能較好的保留母體特征，較少變異和退化，是一種特殊器官[1]。高海拔地區(qū)的植物周期性的開花結(jié)實(shí)是一種極具風(fēng)險(xiǎn)的繁殖方式，為了避免種群更新失敗，高山植物采用多種營養(yǎng)繁殖方式，這種方式的重要性常隨海拔升高而增加[1]。很多高山植物在花期會(huì)產(chǎn)生營養(yǎng)芽(珠芽或吸芽)，珠芽為地上莖葉腋間自然發(fā)生的短縮、肥厚呈蓮座狀的短枝，當(dāng)珠芽長到一定大小時(shí)，其下部能自然生根，從母株上剝離能栽植成功。珠芽的落地生根，可以使得母株迅速傳播并得以廣泛分布，具有擴(kuò)大種群數(shù)量并占據(jù)較多生長空間的潛在能力[1-2]。

毛建草(又名巖青蘭,DracocephalumrupestreHance)是唇形科(Labiatae)青蘭屬(Dracocephalum)毛建草系多年生草本植物，主要生于海拔650～2 000 m(青海達(dá)2 650～3 100 m)的高山草原、草坡或疏林下向陽處[3]，中國遼寧、內(nèi)蒙古、河北、山西、青海等為其主要產(chǎn)地，在這些省份的一些地方，常用毛建草地上部制作具有地方風(fēng)味的茶葉。在栽培毛建草時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些毛建草植株在開完花后，花莖的葉腋間會(huì)產(chǎn)生一些珠芽或新的花莖。目前尚未見到有關(guān)毛建草珠芽的報(bào)道。為了了解毛建草珠芽的繁殖特性，本文比較了采集地與人工栽培地珠芽的形成差異及扦插生根情況，以期為研究毛建草種群繁殖提供科學(xué)基礎(chǔ)，為氣候變化對(duì)毛建草的生物進(jìn)化影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 珠芽形成的觀察

在2017年從山西省寧武縣蘆芽山大洼村周圍(111°59′29″ E，38°47′30″ N，平均海拔2 360 m)和婁煩縣云頂山頂(111°38′14″ E，37°53′14″ N，平均海拔2 708 m)的草地采集毛建草植株；在2018年分別從交城關(guān)帝山(112°6′34″ E，37°37′15″ N，平均海拔2 216 m)、渾源恒山(113°43′ 56″ E，39°40′25″ N，平均海拔1 280 m)、遼寧朝陽縣蘇家店村半截溝山(120°13′ 56″ E，41°16′ 46″ N，平均海拔380 m)采集。在5個(gè)種源地采集的毛建草都種植在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)站試驗(yàn)地(112°35′19″ E，37°26′7″ N，海拔780 m)。

在2018—2020年對(duì)種植的毛建草統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生珠芽的植株數(shù)量，并觀察珠芽的形成發(fā)育過程。在2019年對(duì)種植的毛建草植株產(chǎn)生的珠芽數(shù)量進(jìn)行比較，對(duì)珠芽最多的和最少的材料進(jìn)行了計(jì)量。在2018年9月和2019年10月分別對(duì)蘆芽山、關(guān)帝山和恒山采集地的毛建草珠芽著生情況進(jìn)行調(diào)查。

1.2 珠芽原位生根觀察

在2018年10月20日，對(duì)種植的源自蘆芽山的毛建草珠芽在母株周圍的原位生根情況進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)生根的珠芽數(shù)量，并拍照記錄珠芽原位生根狀態(tài)。

1.3 珠芽扦插試驗(yàn)

在2019年8月22日，根據(jù)珠芽球狀木質(zhì)部直徑及葉片長度的不同，將源自蘆芽山的毛建草的珠芽分為大中小3類。大珠芽：直徑0.5 cm以上，葉長6 cm以上;中珠芽：直徑0.3～0.5 cm以內(nèi)，葉長4～6 cm以內(nèi)；小珠芽：直徑0.3～0.5 cm以內(nèi)，葉長4 cm以內(nèi)。大中小珠芽各扦插150 顆，基質(zhì)采用珍珠巖、蛭石、有機(jī)質(zhì)按1∶1∶1的比例配制，將珠芽基部膨大的球狀木質(zhì)部埋進(jìn)基質(zhì)中，露天養(yǎng)護(hù)，用噴壺噴水保持濕潤。

在10月10日檢查珠芽存活率，有綠葉的認(rèn)為成活，其他狀況認(rèn)為沒有成活，同時(shí)隨機(jī)挖30 棵珠芽檢查其生根情況。對(duì)未生根的珠芽在11月10日低溫來臨前再次檢查生根情況。

2 結(jié)果和分析

2.1 植株形成珠芽能力的不同

通過對(duì)5個(gè)種源地的毛建草產(chǎn)生珠芽的植株數(shù)量比較(表1)，發(fā)現(xiàn)采自蘆芽山的毛建草植株在3年栽培期內(nèi)都產(chǎn)生珠芽；采自云頂山和恒山的毛建草產(chǎn)生珠芽的植株數(shù)量隨著種植年限的延長而增加；采自朝陽半截溝和關(guān)帝山的毛建草產(chǎn)生珠芽的植株在2019和2020年都是同樣的植株。

在2019年粗略性比較種植的毛建草產(chǎn)生的珠芽數(shù)量，發(fā)現(xiàn)采自蘆芽山的毛建草單株產(chǎn)生的珠芽數(shù)量最多達(dá)到了43顆，最少的有13顆，觀測(cè)到植株間產(chǎn)生的珠芽數(shù)量有較大差異；采自關(guān)帝山的1株毛建草產(chǎn)生的珠芽有19顆，有1株毛建草僅產(chǎn)生2顆珠芽；其他種源地采集的毛建草產(chǎn)生的珠芽基本在2～6顆之間。

對(duì)蘆芽山、關(guān)帝山和恒山3個(gè)采集地的毛建草進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)3個(gè)采集地的植株都沒有珠芽產(chǎn)生，與種植于林業(yè)站的毛建草植株形成了鮮明的差異。

表1 不同產(chǎn)地的毛建草產(chǎn)生珠芽的植株比率Table 1 Ratio of bulbil plants of Dracocephalum rupestre collected from different habitats

2.2 珠芽形成過程

毛建草開完第一批花后，在花莖下部的葉片(有葉柄)和中上部的苞片(無葉柄，且抱莖)內(nèi)的側(cè)芽開始萌發(fā)并發(fā)育形成小枝(圖1A)，萌發(fā)的側(cè)芽發(fā)育的結(jié)果不同，有些側(cè)芽節(jié)間伸長發(fā)育成花序開花(圖1B)，有的側(cè)芽節(jié)間皺縮成蓮座狀，葉片著生處膨大形成了珠芽(圖1C,1D,1E)。在一個(gè)葉腋能產(chǎn)生多個(gè)側(cè)芽，這個(gè)部位萌發(fā)的一部分側(cè)芽形成花序開花，一部分則成為珠芽。所有的花莖都能長出珠芽，只是珠芽的數(shù)量及大小有差異。

珠芽在發(fā)育過程中，不斷的通過花莖從母株上獲得營養(yǎng)，不斷抽生新葉，珠芽持續(xù)膨大，最后發(fā)育成木質(zhì)化并縮短的莖塊，類似鱗莖。在10月時(shí)，毛建草地上部逐漸枯黃時(shí)，花莖及珠芽上的葉片也相繼干枯，珠芽頂端不再抽生新葉(圖1E)，進(jìn)一步隨著母株地上部枯黃而枯萎。

圖1 毛建草珠芽發(fā)育狀態(tài)Fig.1 Development status of bulbil of Dracocephalum rupestre注：A為珠芽著生部位；B為珠芽開花；C為未開花的蓮座狀葉序，D為珠芽膨大；E為珠芽木質(zhì)化Note:A,bulbil location；B,bulbil blooming；C,rosette phyllotaxy without blossom；D,bulbil fication;E,lignified bubil

2.3 不同部位的的珠芽原地生根率不同

從蘆芽山采集的毛建草植株地上部開始枯黃時(shí)檢查珠芽生根情況，發(fā)現(xiàn)只有3顆著生在花莖基部及靠近地表的珠芽著地生根(圖2A，2B箭頭指向)，占檢查珠芽數(shù)量的1%不到，2顆珠芽在靠近地面處長出1 cm左右的氣生根(圖2C箭頭指向)，占檢查珠芽數(shù)量的0.7%。在毛建草株叢中央的花莖上著生的珠芽沒有生根，生根的珠芽主要是著生在株叢外圍的花莖上，并且花莖為斜生狀態(tài)，離地表較近，有利于珠芽底端附著在地表。

圖2 毛建草珠芽原位生根狀態(tài)Fig.2 In situ rooting status of the bulbils of Dracocephalum rupestre注：A為花莖基部珠芽生根；B為花莖中部的珠芽著地生根；C為花莖上部珠芽氣生根Note:A,at the base of a flower stalk;B,at the middle of a flower stem by touchdown roots;C,at the top of a flower stalk by aerial roots

2.4 不同大小的珠芽扦插成活率及生根率不同

在10月10日第一次檢查扦插的珠芽生根情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)珠芽大小不同時(shí)，其成活及生根率也不一樣。大珠芽成活率為78.45%，30棵珠芽生根率為100%，根系不僅長，而且數(shù)量多，最長7.1 cm(圖3A)；中珠芽成活率為75.68%，檢查的30棵珠芽生根率也為100%，但其根長較短且數(shù)量少，根長為2.3～4.3 cm(圖3B,3C)；小珠芽成活率為58.20%，生根率為0(圖3D)。在11月10日，僅檢查了小珠芽，發(fā)現(xiàn)小珠芽也已經(jīng)生根，但根系較少。那些死亡的珠芽多為腐爛或者是干枯的。

圖3 珠芽扦插生根情況比較Fig.3 Rooting of cuttings in bulbil of Dracocephalum rupestre注：A為大珠芽；B，C為中珠芽；D為小珠芽Note:A,big bulbil;B,C,medium bulbil;D,little bulb

3 討論

3.1 種源地影響珠芽發(fā)生

半夏(Pinelliaternata)不同居群，其產(chǎn)生珠芽的能力不同，有的根本不會(huì)產(chǎn)生珠芽[4]，并且珠芽的發(fā)生頻率與葉形有關(guān)[5]。石竹科(Caryophyllaceae)的一些植物采用部分克隆、不克隆或偶爾克隆的方式[1]，增加其繁殖方式的多樣性，有助于種群的繁衍。從蘆芽山采集的毛建草植株全部產(chǎn)生珠芽，從云頂山和恒山采集的毛建草隨著種植年限的增加，其產(chǎn)生珠芽的植株數(shù)量在增加，而從關(guān)帝山和朝陽半截溝采集的毛建草產(chǎn)生珠芽的植株數(shù)量卻沒有隨著種植年份的延長而增加。說明毛建草珠芽的產(chǎn)生不僅與種源地有關(guān)，而且也跟植株個(gè)體基因型有關(guān)。

在3個(gè)采集地沒有發(fā)現(xiàn)毛建草植株產(chǎn)生珠芽，而引種到太谷后，毛建草或多或少的產(chǎn)生了珠芽，這表明其生態(tài)環(huán)境及其氣候環(huán)境的變化對(duì)珠芽產(chǎn)生起到了重要作用。高山墊狀植物在溫和的氣候條件下依舊能保持其生長型，是由遺傳特性所造成的，植物的生活型和形態(tài)在全世界所有山區(qū)都有其一致性[1]。當(dāng)生長環(huán)境改變時(shí)，植物在不同環(huán)境因子作用下，其形態(tài)、生理、生態(tài)性狀與繁殖策略就會(huì)發(fā)生適應(yīng)性的改變[6-8]。毛建草作為一種墊狀植物，從高海拔或高緯度種源地引種到低海拔地栽培時(shí)，仍然保持墊狀的生長形態(tài)，但卻產(chǎn)生了珠芽繁殖方式，增加了一種繁殖策略，但這種氣候變化對(duì)珠芽的產(chǎn)生機(jī)制暫未清晰。

3.2 生長節(jié)律影響珠芽發(fā)生

珠芽不僅發(fā)生在葉腋處，而且也能在花序的中下部發(fā)生，花序中的珠芽是由小穗發(fā)育而來的，屬于無性營養(yǎng)繁殖器官[9-10]。臺(tái)閩苣苔(Titanotrichumoldhamii)的花序不但能結(jié)種子而且在花期結(jié)束時(shí)的花序軸下部有珠芽產(chǎn)生[11]，珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)的花序上不但能產(chǎn)生種子，同時(shí)在其花發(fā)育失敗后也能產(chǎn)生珠芽，這表明花莖的頂端優(yōu)勢(shì)在抑制腋芽的萌發(fā)[12]。毛建草珠芽發(fā)生在花后和種子發(fā)育期間，表明其生長發(fā)育具有一定的時(shí)序性，或許也是受頂端優(yōu)勢(shì)的抑制，在種子發(fā)育期間產(chǎn)生珠芽，這與臺(tái)閩苣苔珠芽的形成具有相似性。

珠芽蓼借助地下根狀莖、分期發(fā)育形成的種子或者是花受精發(fā)育失敗后形成的珠芽使得其形成了多梯級(jí)、多形式的多種繁殖系統(tǒng)進(jìn)行繁殖[13]，有性與無性繁殖的有機(jī)結(jié)合，是克隆植物長期與環(huán)境互作中形成的靈活多變的繁育策略，極大地提高了繁殖成功的機(jī)會(huì)，保證了該物種在復(fù)雜多變的環(huán)境條件中生存并延續(xù)下去[13-14]。珠芽具有繁殖系數(shù)高、生活力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且多產(chǎn)生于地上部分的葉腋間或花序軸而有利于其擴(kuò)散和傳播[15]。栽培的毛建草不僅能產(chǎn)生大量種子，而且種子萌發(fā)率也較高，符合珠芽類植物的繁殖策略。

3.3 珠芽生長部位影響其能否發(fā)育成新的植株

半夏珠芽在土壤中形成則會(huì)生根發(fā)芽成為新塊莖[16]，在珠芽萌發(fā)期間保持土壤濕度對(duì)提高珠芽萌發(fā)率和促進(jìn)半夏幼苗的生長均具有重要作用[17]。通過毛建草珠芽扦插和原地生根的觀察，發(fā)現(xiàn)毛建草珠芽在扦插時(shí)能生根，接近地面的珠芽在母株周圍也能生根，并且能繼續(xù)長葉發(fā)育成植株，離地面較近的珠芽能偶然產(chǎn)生氣生根，并未深扎進(jìn)土壤中，而離地面較遠(yuǎn)的珠芽則未生根。該現(xiàn)象說明珠芽的著生位置,其能否接觸土壤，以及是否具有足夠的空氣濕度影響珠芽生根并發(fā)育成植株。很多偶然的高山克隆植物在某些特定的環(huán)境中能進(jìn)行無性繁殖，如莖枝或花梗在被土埋或基質(zhì)潮濕松軟時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不定根，進(jìn)而生長成一株獨(dú)立的植株個(gè)體[1]。半夏的倒苗有助于珠芽落地生根，發(fā)育成新的植株，而倒苗是對(duì)不利環(huán)境條件的一種適應(yīng)，倒苗次數(shù)越多，產(chǎn)生的珠芽總數(shù)也越多[5]。能生根的毛建草珠芽主要發(fā)生在母株外圍的珠芽，而在母株株叢中心抽生的花莖上發(fā)生的珠芽則不生根，這進(jìn)一步說明著生于母株基部斜生的花莖上，并且靠近土壤的珠芽接觸土壤后就能生根，表明珠芽生長部位影響著其能否落地生根，這與半夏珠芽生根的研究結(jié)果一致。

半夏的傳播方式無論是珠芽還是果實(shí)都缺乏有效的傳播媒介，大多數(shù)情況下，珠芽和果實(shí)都掉落在母株附近，而母株的生境大多能適合其子代的生長，這種傳播方式使子代過分集中，從而往往導(dǎo)致一些個(gè)體在生存競爭中被淘汰[4]。毛建草產(chǎn)生較多的珠芽，但由于在生長季不能全部落地生根，珠芽隨著植株干枯，表明并不會(huì)有太多的珠芽發(fā)育成新的植株，從而產(chǎn)生與母株競爭的后果。而少量接觸土壤生根的珠芽則在母株的外圍，既可以增加種群擴(kuò)大的潛力，也不會(huì)對(duì)母株產(chǎn)生大的競爭，有的珠芽可能會(huì)凋落地上，掉落的珠芽是否會(huì)被土埋，次年是否會(huì)生根成長為新的植株，目前尚未觀察到。

3.4 珠芽大小影響珠芽生根的快慢

半夏珠芽萌發(fā)率與珠芽大小有顯著的正相關(guān)，珠芽越大活力越強(qiáng)，萌發(fā)率越高，萌發(fā)的新個(gè)體較健壯，幼苗生長較好[18]。扦插毛建草珠芽時(shí)，珠芽大且葉多的生根較好，而珠芽小且葉少的生根較慢，在規(guī)定期限內(nèi)生根率較低，這與半夏珠芽大小影響其萌發(fā)的規(guī)律有相似性。毛建草的珠芽在扦插過程中，能連續(xù)萌發(fā)新葉，與珠芽蓼的珠芽萌發(fā)一樣，沒有休眠特性，具有較高的發(fā)芽率[17 ]。

薯蕷(DioscoreacirrhosaL.)珠芽外形多樣，其本質(zhì)為莖，是一種特殊的變態(tài)莖[19]，成熟珠芽最外為木栓質(zhì)表皮，其內(nèi)為木栓形成層形成的周皮[20]。薯蕷珠芽外觀呈現(xiàn)嫩綠色球形小珠芽時(shí)，內(nèi)部已分化出頂芽和多處根原基[2]，頂芽也是埋藏在周皮以內(nèi)，在外方一般見不到頂芽的存在[20]。毛建草珠芽扦插時(shí)能生根長葉，說明其珠芽也具有了根原基和頂芽。毛建草珠芽基部木質(zhì)化，有助于防止其失水，因此，未生根的毛建草小珠芽在基質(zhì)中仍能使葉片保持存活狀態(tài)，在扦插期內(nèi)能繼續(xù)生長新葉，并未死亡，表明珠芽木質(zhì)部能吸收水分且供應(yīng)營養(yǎng)物質(zhì)，而那些死亡的珠芽則是因?yàn)樵趪娝跋掠陼r(shí)，將蛭石沖刷，使得珠芽裸露干枯，或者是埋深造成的珠芽腐爛。

4 結(jié)論

毛建草從高海拔(或高緯度)地引種到低海拔(低緯度)平原區(qū)后，由于環(huán)境及氣候條件發(fā)生了變化，使得毛建草在花后及種子發(fā)育期間形成了珠芽。毛建草種源及植株個(gè)體的差異影響珠芽產(chǎn)生的能力及數(shù)量。珠芽具備了在形態(tài)學(xué)和生理學(xué)上生根的能力，靠近土壤表面的珠芽能生根并發(fā)育成新的植株，有助于擴(kuò)展種群生長空間，但是能生根的珠芽較少。無性與有性繁殖方式的結(jié)合使得種群既能維持基因型穩(wěn)定的情況下，又有進(jìn)化的可能。本研究將為毛建草的繁殖生物學(xué)及種群生態(tài)學(xué)提供新的切入點(diǎn)，增加了珠芽類植物的種類數(shù)量。