敦煌李光杏花芽分化與發(fā)育研究

張繼強(qiáng)，羅文莉，陳翠蓮，趙通，郭榮，王俊杰

（1.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020；2.敦煌市林業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 敦煌 736200）

花芽分化是果樹(shù)生殖生長(zhǎng)最為關(guān)鍵的發(fā)育階段，分化的結(jié)果直接影響果樹(shù)開(kāi)花的數(shù)量和質(zhì)量[1-2]。關(guān)于花芽分化的研究是果樹(shù)栽培學(xué)的基礎(chǔ)，它與大田生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系最為密切，越來(lái)越受到人們的重視。科研工作者已經(jīng)對(duì)杏Armeniaca vulgaris的花芽分化特征進(jìn)行了觀測(cè)和研究[3-5]，取得了很多重要成果。李光杏A.vulgarisvar.glabra[6]是普通杏的果實(shí)無(wú)毛變種，在我國(guó)甘肅敦煌、阿克塞、肅北及新疆哈密等地區(qū)都有種植[7-8]，其中以敦煌李光杏最為著名。李光杏雌蕊敗育嚴(yán)重影響果實(shí)產(chǎn)量，目前關(guān)于李光杏的研究主要集中在栽培管理、生物學(xué)特性、抗寒性等方面[9-12]，關(guān)于生殖生物學(xué)、花芽分化方面的研究相對(duì)較少[13-15]。本研究采用摘葉試驗(yàn)、石蠟切片及掃描電鏡觀測(cè)等技術(shù)，對(duì)李光杏花芽分化過(guò)程進(jìn)行觀察研究，以期掌握分化臨界期和分化進(jìn)程，為今后李光杏相關(guān)研究和栽培管理提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在甘肅省敦煌市七里鎮(zhèn)三號(hào)橋村杏園進(jìn)行，位于敦煌市西郊，海拔1 130 m；年均降水量42 mm，蒸發(fā)量2 500 mm；年均氣溫9.4 ℃，全年日照3 246 h，年均無(wú)霜期152 d，屬典型的暖溫帶干旱性氣候。土壤類(lèi)型為沙壤土，pH值7.8。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試材料為李光杏，樹(shù)齡10 a，處于盛果期。試驗(yàn)園密度750株/hm2，與授粉樹(shù)按5∶1行間配置，授粉品種為五月黃和毛杏。樣株高3.5～4.0 m，冠幅3.0～3.5 m，平均產(chǎn)量50 kg/株。

2.2 試驗(yàn)方法

摘葉試驗(yàn)參照黃海等人[16]的研究方法，選取盛果期的李光杏若干株，于枝條停長(zhǎng)后進(jìn)行，以枝條上最后一片葉片剛剛展平為準(zhǔn)。2018年5月15、22日，6月1、8、15、22、29日，7月6、14、22、29日，8月6日對(duì)標(biāo)記的樣枝進(jìn)行摘葉處理。試驗(yàn)取3次重復(fù)，每個(gè)處理標(biāo)記長(zhǎng)、短樣枝各50個(gè)，每個(gè)樣枝上有葉5片以上，保證樣枝能形成花芽。去葉時(shí)除骨干枝的延長(zhǎng)梢外，所有葉片全部摘除，只保留頂端1片。不摘葉處理的枝條作為對(duì)照。次年4月上旬，采用人工記數(shù)法統(tǒng)計(jì)樣枝的花芽分化數(shù)量。

花芽分化進(jìn)程觀察每隔約10 d采樣1次，從2019年6月1日開(kāi)始至10月31日結(jié)束。樣株樹(shù)冠外圍采取短枝頂芽30個(gè)為樣芽，F(xiàn)AA固定液固定，小瓶密封保存。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)愛(ài)氏蘇木精整染樣芽，常規(guī)石蠟縱向切片制片[17-18]，中性樹(shù)膠封片，取中區(qū)切片電子顯微成像系統(tǒng)觀察確認(rèn)分化時(shí)期并拍照。每次最少切片觀察樣芽15個(gè)。參照[文獻(xiàn)19-20]標(biāo)志特征的解剖學(xué)描述確定花芽形態(tài)分化和發(fā)育階段起止時(shí)間。對(duì)于特定階段，以1個(gè)樣芽呈現(xiàn)標(biāo)志特征定為始期，以3個(gè)樣芽呈現(xiàn)標(biāo)志特征定為盛期，10個(gè)樣芽呈現(xiàn)標(biāo)志特征定為末期。

3 結(jié)果與分析

3.1 花芽分化時(shí)期

圖1顯 示，5月15、22日 和6月1、8日 摘 葉樣枝上，次年都沒(méi)觀察到花芽形成，說(shuō)明6月8日之前，摘葉完全抑制花芽的形成。在6月15日摘葉樣枝上開(kāi)始有少量花芽形成，并且隨著摘葉時(shí)間的推移花芽呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢(shì)。說(shuō)明花芽形態(tài)分化最早開(kāi)始于6月8日至15日之間，即枝條停止生長(zhǎng)5周后開(kāi)始花芽形態(tài)分化。7月6日，即第8周，成花率達(dá)到50%以上；7月29日，即第11周，成花率達(dá)到最高65%，與對(duì)照基本持平，表明這一時(shí)期花芽形態(tài)分化基本結(jié)束。

圖1 處理樣枝成花率變化

上述結(jié)果可以判定，6月8日之前為李光杏的芽體生理分化期，即從枝條停止生長(zhǎng)到花芽形態(tài)分化開(kāi)始，這一整個(gè)時(shí)期都是花芽的生理分化時(shí)期。生理分化期的芽體進(jìn)行著節(jié)位增長(zhǎng)和復(fù)雜的生理轉(zhuǎn)化過(guò)程，黃海等人認(rèn)為這時(shí)的芽體處于可塑狀態(tài)，根據(jù)條件不同可以向花芽轉(zhuǎn)化，也可以發(fā)育為成熟葉芽；當(dāng)芽體發(fā)育到一定節(jié)位時(shí)喪失可塑性，或者停止發(fā)育而成為葉芽，或者轉(zhuǎn)化為花芽繼續(xù)花器官的分化和發(fā)育[16]。

由于成花率以摘葉處理后次年4月開(kāi)花數(shù)量為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，此時(shí)樣枝開(kāi)放的花朵形成于摘葉之前，即其花芽的形態(tài)分化完成于摘葉之前，說(shuō)明摘葉僅僅抑制李光杏芽體向花芽的轉(zhuǎn)化，即花芽形態(tài)分化，而沒(méi)有阻斷花芽的發(fā)育過(guò)程，即其萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊等花器官的分化和發(fā)育。需要說(shuō)明的是，花芽形態(tài)分化在狹義上指芽體轉(zhuǎn)化為花芽的過(guò)程，在廣義上還包括花器官的分化和發(fā)育，即花芽發(fā)育。為此，本文僅在狹義上使用花芽形態(tài)分化一詞，而將跨越花芽形態(tài)分化期之后的花器官分化和發(fā)育統(tǒng)稱(chēng)為花芽發(fā)育。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，摘葉處理的樣枝當(dāng)年至次年夏季幾乎光禿無(wú)葉，未見(jiàn)側(cè)芽萌發(fā)抽枝。說(shuō)明摘葉處理阻斷了芽體繼續(xù)發(fā)育為成熟葉芽的過(guò)程，即摘葉阻斷葉芽發(fā)育。

3.2 花芽形態(tài)分化與發(fā)育進(jìn)程

鏡檢觀察結(jié)果表明，樣芽形態(tài)分化與發(fā)育進(jìn)程分為以下幾個(gè)階段。

（1）花芽形態(tài)分化先期。在6月20日以前，樣芽體積較小，縱切面可見(jiàn)生長(zhǎng)點(diǎn)呈錐狀，被鱗片緊抱，分生細(xì)胞體積較?。ǚ舛D1）。

（2）花芽形態(tài)分化期，標(biāo)志特征是花原基形成。樣芽鱗片松開(kāi)，縱切面可見(jiàn)生長(zhǎng)錐膨大，向上隆起呈饅頭狀，即芽體生長(zhǎng)錐轉(zhuǎn)化為花原基（封二圖2）?；ㄑ啃螒B(tài)分化初期6月20日，盛期7月20日，末期8月10日；8月10日仍觀察到少數(shù)芽體處于花芽形態(tài)分化期。

（3）花萼分化期。標(biāo)志特征是花原基頂部平坦，中心部分相對(duì)凹下，四周產(chǎn)生突起，即分化形成萼片原基（封二圖3）。花萼分化初期7月20日，盛期8月10日，末期8月30日。

（4）花瓣分化期。標(biāo)志特征是伸長(zhǎng)的萼片原基內(nèi)側(cè)基部產(chǎn)生突起，即分化形成花瓣原基（封二圖4）。花瓣分化初期8月10日，盛期8月30日，末期9月10日。

（5）雄蕊分化期。標(biāo)志特征是伸長(zhǎng)的花瓣原基內(nèi)側(cè)基部出現(xiàn)多個(gè)突起體，上下兩層排列，即分化形成雄蕊原基（封二圖5、圖6）。雄蕊分化初期8月20日，盛期8月30日，末期9月10日。

（6）雌蕊分化期。標(biāo)志特征是雄蕊原基形成時(shí)，花原基中心部位向上突起，即分化形成雌蕊原基（封二圖5、圖6）。雌蕊分化初期8月20日，盛期9月10日，末期9月30日。

（7）雌、雄蕊發(fā)育期。從10月開(kāi)始，整個(gè)花芽體積增大，花粉囊壁內(nèi)出現(xiàn)花粉母細(xì)胞，呈多角形且緊密狀排列，同時(shí)雌蕊原基膨大形成子房，子房?jī)?nèi)分化形成胚珠原始體（封二圖7、圖8）。

3.3 花芽形態(tài)分化與發(fā)育特點(diǎn)

結(jié)合摘葉試驗(yàn)和樣芽切片顯微觀察，整理李光杏花芽形態(tài)分化與發(fā)育歷程如表1。在整個(gè)花芽形態(tài)分化與發(fā)育期，花原基分化歷時(shí)最長(zhǎng)，平均51 d；其次為萼片分化期和雌蕊分化期，約42 d；花瓣分化歷時(shí)較短，約31 d；雄蕊分化歷時(shí)最短，約21 d。觀察還發(fā)現(xiàn)，成齡樹(shù)樣芽開(kāi)始形態(tài)分化期的時(shí)間明顯早于幼齡樹(shù)。不同結(jié)果枝上的樣芽進(jìn)入形態(tài)分化與發(fā)育各階段的時(shí)間和歷時(shí)長(zhǎng)短也存在差異，一般短果枝條上的樣芽較早，長(zhǎng)果枝上的樣芽相對(duì)較晚。

由表1可見(jiàn)，樣芽雄蕊、雌蕊均在8月20日開(kāi)始分化，雄蕊分化盛期出現(xiàn)在8月30，至9月10日結(jié)束；雌蕊分化盛期則出現(xiàn)在9月10，至9月30日結(jié)束，說(shuō)明雄蕊分化迅速而集中，雌蕊分化緩慢而離散。顯微觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，從10月份開(kāi)始，雄蕊、雌蕊開(kāi)始發(fā)育。

表1 花芽形態(tài)分化進(jìn)程顯微觀察結(jié)果

摘葉試驗(yàn)表明李光杏樣株花芽形態(tài)分化出于6月15日之前，切片顯微觀察則表明開(kāi)始于6月20日。兩個(gè)結(jié)果沖突，分析其原因有2條：一是花芽形態(tài)分化開(kāi)始于芽生長(zhǎng)錐不可逆地轉(zhuǎn)化為花原基[16]，轉(zhuǎn)化之初形態(tài)變化微弱，只有花原基呈現(xiàn)標(biāo)志特征時(shí)才能觀察確定；二是摘葉試驗(yàn)樣本量大，能較早反映出少量越過(guò)形態(tài)分化期的花芽，切片顯微觀察樣本量小，取樣容易漏過(guò)較早進(jìn)入形態(tài)分化期的少量花芽。因此，李光杏樣株花芽形態(tài)分化始期應(yīng)以摘葉試驗(yàn)為準(zhǔn)，切片顯微觀察確定的始期滯后約10 d左右。同理，花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊等花器官的分化期也應(yīng)較切片顯微觀察確定的日期有所提前。

4 結(jié)論與討論

在敦煌，李光杏6月上旬完成花芽生理分化期，開(kāi)始花芽形態(tài)分化，7月下旬花芽形態(tài)分化基本結(jié)束，8月10日仍有少數(shù)花芽形態(tài)分化；7月上旬開(kāi)始花器官分化，次序?yàn)檩嗥⒒ò?、雄蕊、雌蕊分化和發(fā)育，歷時(shí)102 d左右。雄蕊、雌蕊分化重疊，同時(shí)開(kāi)始于8月20日，雄蕊分化迅速而集中，盛期出現(xiàn)在8月下旬，至9月10日結(jié)束，歷時(shí)21 d；雌蕊分化緩慢而離散，盛期出現(xiàn)在9月10日，持續(xù)至9月底；10月初開(kāi)始雌、雄蕊發(fā)育花粉和珠心細(xì)胞分化。李光杏雌蕊敗育不是雌蕊未能分化而是分化后的發(fā)育異常。摘葉抑制花芽形態(tài)分化但不阻斷花芽發(fā)育。

帥煥麗[22]對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)11個(gè)杏品種研究發(fā)現(xiàn)，萼片分化所需時(shí)間最長(zhǎng)，約需35～51 d，而花瓣和雌蕊分化時(shí)間最短，需要27 d左右。本文研究結(jié)果與帥煥麗不一致，可能是品種之間遺傳差異所致[16]，也可能是研究對(duì)象所處地域不同，溫度、濕度、土壤等生境不同所致[23-24]；刁永強(qiáng)等人[25-26]認(rèn)為樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)狀況和管理措施也會(huì)導(dǎo)致花芽形態(tài)分化與發(fā)育各階段開(kāi)始時(shí)間及持續(xù)期的不同。

藺創(chuàng)業(yè)[9]多年觀察發(fā)現(xiàn)，敦煌李光杏有分批開(kāi)花的特性，第1批花開(kāi)放于4月上旬，數(shù)量大；第2批開(kāi)放于4月中下旬，數(shù)量較少，均著生于1 a生枝基部或細(xì)弱枝上，從未見(jiàn)坐果。本項(xiàng)研究表明李光杏花芽形態(tài)分化集中在7月中旬，但遲至8月10日仍有少數(shù)花芽處于形態(tài)分化期，但9月底花芽均能完成雌蕊分化。這些觀察事實(shí)在一定程度可以解釋藺創(chuàng)業(yè)觀察到的李光杏分批開(kāi)花特性，即其第2批花可能形成于8月上旬之后。

摘葉不阻斷花芽而阻斷葉芽發(fā)育，跨越花芽形態(tài)分化期的芽體不受摘葉影響而繼續(xù)發(fā)育并最終開(kāi)放，這一特性被發(fā)展為確定花芽形態(tài)分化期的試驗(yàn)手段，但差異背后的機(jī)制被嚴(yán)重忽視。發(fā)育是有機(jī)體從其啟始到成熟的自我構(gòu)建過(guò)程，離不開(kāi)充足的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。摘葉阻斷葉芽發(fā)育，說(shuō)明葉芽營(yíng)養(yǎng)與同位葉片息息相關(guān)，失去同位葉片則失去營(yíng)養(yǎng)。王俊杰等人認(rèn)為，根據(jù)“棧糖渠模型”，葉片光合產(chǎn)物一部分運(yùn)輸貯存在枝干根條中以供應(yīng)來(lái)年生長(zhǎng)，其余則供應(yīng)其腋芽發(fā)育并貯存在腋芽?jī)?nèi)[27-28]。摘葉不能阻斷花芽發(fā)育，說(shuō)明花芽營(yíng)養(yǎng)與同位葉片無(wú)關(guān)而與母枝有關(guān)。王俊杰提出形成層屏蔽假說(shuō)解釋頂端優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象，認(rèn)為葉芽被母枝形成層屏蔽在外，萌動(dòng)時(shí)才穿透母枝形成層建立與母枝的維管聯(lián)系[29]。借用這一思路，推測(cè)花芽形態(tài)分化中建立起了與母枝的維管聯(lián)系，在母枝上扎了“根”，因而能從母枝獲得發(fā)育所需營(yíng)養(yǎng)。許明憲等觀察發(fā)現(xiàn)，花原基中可見(jiàn)初生髓部細(xì)胞，甚至初生輸導(dǎo)組織細(xì)胞，但在葉芽生長(zhǎng)錐中不存在異形已分化的細(xì)胞[30]。這在一定程度上佐證前述推測(cè)屬實(shí)。

形成層屏蔽假說(shuō)認(rèn)為[29]，春季根尖合成細(xì)胞分裂素隨蒸騰液流經(jīng)木質(zhì)部向上運(yùn)輸，沿途誘導(dǎo)形成層增殖木質(zhì)部前體細(xì)胞，其在樹(shù)液中的濃度越積越高，最終超過(guò)閾值而擊穿形成層屏蔽進(jìn)入葉芽，促使葉芽萌動(dòng)并合成生長(zhǎng)素。生長(zhǎng)素經(jīng)母枝木質(zhì)部薄壁細(xì)胞向下運(yùn)輸，刺激新根發(fā)生并下調(diào)根尖的細(xì)胞分裂素合成水平，同時(shí)沿途促進(jìn)木質(zhì)部前體細(xì)胞分化，從而建成新生枝與母枝的維管聯(lián)系，相當(dāng)于葉芽“扎根”于母枝。生長(zhǎng)素濃度越大，分化形成的導(dǎo)管越多越大。樹(shù)液上升過(guò)程中因蒸騰失水細(xì)胞分裂素濃度越來(lái)越高，在枝條最高處最先擊穿形成層屏蔽促使葉芽萌動(dòng)，獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)；枝條下部的葉芽因此萌動(dòng)較遲甚至不萌動(dòng)，屈居后發(fā)劣勢(shì)。先發(fā)優(yōu)勢(shì)與后發(fā)劣勢(shì)在宏觀上就表現(xiàn)為頂端優(yōu)勢(shì)?！耙敫?，先修路”，細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)增殖木質(zhì)部前體細(xì)胞相當(dāng)于奠定“路基”，生長(zhǎng)素主導(dǎo)前體細(xì)胞分化則相當(dāng)于鋪設(shè)“高速軌道”，從而滿足葉芽抽枝展葉對(duì)水分、養(yǎng)分的旺盛需求。借用這一思路，推測(cè)花芽的“扎根”過(guò)程發(fā)生在葉芽發(fā)育期間。這期間，芽體利用同位葉片的光合產(chǎn)物一邊增生節(jié)位，一邊合成某種促花激素，即花芽生理分化過(guò)程。促花激素濃度超過(guò)閾值而誘導(dǎo)生長(zhǎng)錐內(nèi)部分化髓部細(xì)胞和初生輸導(dǎo)組織，同時(shí)釋放到母枝，促使母枝形成層活動(dòng)增殖并分化韌皮部運(yùn)輸組織，與芽體內(nèi)的初生輸導(dǎo)組織連接貫通維管聯(lián)系，這種維管聯(lián)系一旦貫通，芽體轉(zhuǎn)而從母枝獲取營(yíng)養(yǎng)，從而跨越形態(tài)分化階段進(jìn)入花芽發(fā)育階段，因此不再受摘葉影響。

李光杏雌蕊敗育應(yīng)該源于其發(fā)育過(guò)程與雄蕊之間的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)?；ㄑ俊霸庇谛螒B(tài)分化之初，如果這條維管之“根”不夠粗大，那么花芽的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)就不充裕，難以滿足雄蕊、雌蕊同時(shí)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)需求，“兩敗俱傷不如放棄”“兩害相較取其輕”，因而優(yōu)先滿足雄蕊發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)需求。雄蕊發(fā)育只需少量營(yíng)養(yǎng)就能大量產(chǎn)生花粉，雌蕊利用同樣多的營(yíng)養(yǎng)只能產(chǎn)生少數(shù)胚珠。1個(gè)花粉與1個(gè)胚珠都能生產(chǎn)1粒種子，生殖效率相同。因此在生殖中，雄蕊的營(yíng)養(yǎng)利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雌蕊，優(yōu)先保證雄蕊發(fā)育，即使雌蕊敗育也不影響生殖后代。藺創(chuàng)業(yè)觀察發(fā)現(xiàn)李光杏第2批開(kāi)放且未見(jiàn)坐果的花朵均著生于1 a生枝基部或細(xì)弱枝上[9]，在一定程度上佐證了上述推測(cè)。細(xì)弱枝條，形成層活動(dòng)能力弱，難以形成深厚的基礎(chǔ)供花芽“扎”下粗大維管之“根”；1 a生枝條基部的葉片較小，葉齡較長(zhǎng)，光合能力降低，供應(yīng)同位花芽“扎根”的能力較弱。同樣的道理，對(duì)于同一枝條上多個(gè)花芽來(lái)說(shuō)，先分化的花芽因先發(fā)優(yōu)勢(shì)而“扎根”粗大，后分化的花芽則因后發(fā)劣勢(shì)而“扎根”細(xì)弱。最終，前者雌蕊發(fā)育正常，后者雌蕊敗育?；谕凰悸罚茰y(cè)雄蕊和雌蕊之間的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)同樣在于花芽?jī)?nèi)部的輸導(dǎo)組織并受控于某種激素，雄蕊分化早獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)，釋放的激素較多，其輸導(dǎo)組織相對(duì)完善，優(yōu)先獲取營(yíng)養(yǎng)；雌蕊分化較遲而屈居后發(fā)劣勢(shì)，釋放的激素較少，其輸導(dǎo)組織相對(duì)不完善，拾遺補(bǔ)缺獲取營(yíng)養(yǎng)，因而容易受到營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)波動(dòng)的影響而敗育。