假儉草花序發(fā)育的形態(tài)學觀察及其與物候期和積溫的對應關(guān)系

宗俊勤， 牛佳偉， 徐 芳， 陳靜波， 郭愛桂， 郭海林， 劉建秀

〔江蘇省中國科學院植物研究所(南京中山植物園) 國家林業(yè)和草原局暖季型草坪草種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210014〕

假儉草〔Eremochloaophiuroides(Munro) Hack.〕又稱懶人草[1]，為禾本科(Poaceae)蜈蚣草屬(EremochloaBuse)多年生草本植物，主要分布于中國長江流域及以南地區(qū)，是起源于中國的優(yōu)質(zhì)暖季型草坪草之一[2-3]。假儉草的生態(tài)適應能力較強，并具有耐酸鋁、耐貧瘠、病蟲害少等優(yōu)點[4-5]，與雜草的競爭力強，可廣泛用于庭院、公共綠地及護坡草坪的建植[3，6]。

目前，國內(nèi)外對于假儉草的研究主要集中于抗逆性、解剖學、結(jié)實性、形態(tài)學、遺傳多樣性及坪用價值等方面[7-15]，而對于假儉草生殖性狀尚缺乏廣泛而深入的研究。劉建秀等[16]比較了中國假儉草的結(jié)實性，發(fā)現(xiàn)假儉草的種子產(chǎn)量主要取決于花序密度，從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長是決定花序密度的重要過程，且其結(jié)實率和百粒質(zhì)量也對種子產(chǎn)量有一定的影響。劉金平等[17]的研究結(jié)果顯示：假儉草在種植后的第3年花序最多、種子產(chǎn)量最高，合理施肥可成倍提高種子產(chǎn)量，而花序發(fā)育狀況直接影響植株的小穗數(shù)、小花數(shù)及雌雄蕊質(zhì)量，并最終影響種子產(chǎn)量。假儉草自然結(jié)實率低、種子產(chǎn)量低、種子價格昂貴，嚴重制約了假儉草種業(yè)的規(guī)?；l(fā)展以及該草種的大面積推廣與應用[17-18]。

解析植物花序發(fā)育過程對于植物種子生產(chǎn)的栽培調(diào)控和種子增量具有重要意義。植物生長期或某個發(fā)育期一般需要具有特定閾值的活動積溫，積溫既可以反映農(nóng)作物對熱量的需求，又可以在農(nóng)業(yè)氣象預報中預報作物的發(fā)育時期，并影響植物花序的生長發(fā)育[19-21]。植物器官受光照和溫度等外界環(huán)境因子影響，由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變，此階段的典型標志是生長錐開始顯著伸長并最終發(fā)育成穗軸[22]。而植物花序發(fā)育狀況受與種子產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的重要經(jīng)濟性狀影響，如花序密度、單位花序小穗數(shù)、單位花穗小花數(shù)、結(jié)實率和種子飽滿度等，也就是說，花序發(fā)育階段是植物種子產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期，其發(fā)育狀況最終影響著種子產(chǎn)量和品質(zhì)[23]。因此，了解假儉草的花序發(fā)育過程，對于指導假儉草種子生產(chǎn)具有重要意義。

作者以自主選育的假儉草品種‘渝西’(E.ophiuroides‘Yuxi’)為研究材料，通過連續(xù)取樣對其花序發(fā)育過程進行持續(xù)觀察，根據(jù)各時期花序形態(tài)的變化劃分不同時期；并分析花序發(fā)育各時期與對應的物候期和積溫的關(guān)系，以期弄清假儉草花序生長發(fā)育規(guī)律，為假儉草種子生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)以及草坪學科發(fā)展提供基礎研究資料。

1 材料和方法

1.1 材料

于2010年4月選取生長相對一致的假儉草品種‘渝西’的匍匐莖，剪成含4個節(jié)的莖段，采用條栽的方法種植于江蘇省中國科學院植物研究所草業(yè)研究中心試驗苗圃(東經(jīng)118°28′、北緯32°02′，海拔30～40 m)，種植面積4 m2。觀測當年(2014年)的年平均氣溫15.45 ℃，極端最高溫37.5 ℃，極端最低溫-8.0 ℃，年降水量1 443.3 mm；種植地為沙質(zhì)土壤，假儉草生長期間采用常規(guī)水肥管理。

1.2 方法

1.2.1 花序發(fā)育過程觀察 于2014年4月15日至7月15日連續(xù)取樣觀測。每天從樣地中隨機選取包含2～5枚葉片、生長狀況基本一致的健康莖尖40枚，用解剖針將莖尖輕輕撥開，置于Olympus SZX12體視解剖鏡(日本Olympus公司)下觀察，并隨機挑選解剖后無損傷的莖尖30枚進行觀察和測量；對目標視野拍照，并利用目鏡測微尺(100 μm)和臺尺(10 μm)測量生長錐的長度。根據(jù)假儉草花序發(fā)育的形態(tài)特征變化，結(jié)合禾本科植物總狀花序的分期方法[24-25]和庫彼爾曼[26]對植物結(jié)實器官形成規(guī)律的劃分原則，對假儉草花序發(fā)育過程進行劃分。在取樣時同步觀察假儉草的物候期和開花習性，并統(tǒng)計取樣生殖枝上成熟葉片的數(shù)量。

1.2.2 花序發(fā)育期的起止日期和有效積溫的統(tǒng)計 以60%莖尖進入某一時期作為該時期的開始期，以達到下一時期標準的前一天作為該時期的結(jié)束期，據(jù)此記錄假儉草花序發(fā)育各時期的持續(xù)時間。氣象數(shù)據(jù)均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn/site/index.html)，僅選取取樣期間南京地面氣象觀測站的逐日平均氣溫數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計各時期≥5 ℃積溫；花序發(fā)育各時期所需≥5 ℃積溫為假儉草返青日起至花序發(fā)育某一時期開始前一天≥5 ℃的日平均氣溫之和[27]。

2 結(jié)果和分析

2.1 假儉草的花序發(fā)育過程

觀察結(jié)果表明：在南京地區(qū)，假儉草于4月中旬返青后，生長錐即開始形成，此時期的生長錐僅為半球狀的突起。生長錐剛形成時并不立即伸長，僅外部包裹的葉原基不斷分化出葉片，該時期為營養(yǎng)生長階段。隨著假儉草植株的進一步生長發(fā)育，生長錐由初生期進入伸長期，植株進入生殖生長階段，經(jīng)過持續(xù)不斷的形態(tài)特征變化，最終完成花序發(fā)育過程并形成總狀花序。

假儉草大約在6月中旬進入孕穗期，7月中旬進入開花期，其生殖生長可持續(xù)至10月份，單個生殖枝最多可發(fā)育出3個花序。根據(jù)假儉草花序發(fā)育各時期的形態(tài)特征變化，按分化順序可將其花序發(fā)育過程劃分為8個時期：生長錐初生期、生長錐伸長期、苞葉原基分化期、小穗原基分化期、小穗分化期、小花分化期、雌雄蕊形成期和開花期，各時期花序的形態(tài)特征見圖版Ⅰ。

2.1.1 生長錐初生期 此時期生長錐呈半球狀突起，外部被2層閉合的幼葉包裹，不斷向外分化出葉原基，生長錐尚未分化(圖版Ⅰ-1)。此時植株正處于返青期，對外界環(huán)境條件的改變不敏感，且主要進行營養(yǎng)生長，是植株由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的基礎；該時期生長錐平均長度201 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.2枚，持續(xù)時間約55 d。

2.1.2 生長錐伸長期 此時期生長錐不再分化出葉原基，莖尖逐漸由半球狀突起轉(zhuǎn)變?yōu)榘胪该鞯膱A柱狀穗軸原基，并逐漸加粗、伸長，最終突破外部包裹的葉原基(圖版Ⅰ-2)。此時期標志著假儉草植株進入生殖生長階段；該時期生長錐平均長度415 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.4枚，持續(xù)時間約5 d。

2.1.3 苞葉原基分化期 此時期隨生長錐的伸長，在其頂端下方的表面連續(xù)形成并排排列的環(huán)狀突起，即苞葉原基(圖版Ⅰ-3)；隨著苞葉原基的進一步發(fā)育，假儉草的幼穗呈扁平狀(圖版Ⅰ-4)。該時期生長錐平均長度1 065 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.3枚，持續(xù)時間約5 d。

2.1.4 小穗原基分化期 此時期生長錐繼續(xù)伸長到一定長度，在中上部的苞葉原基基部產(chǎn)生半透明球狀突起，即小穗原基(圖版Ⅰ-5)，并逐漸向上下2個方向進行分化；小穗原基與外部的苞葉原基呈4列半球狀突起并列于幼穗穗柄上，可區(qū)分出花序的正反面(圖版Ⅰ-6)。該時期生長錐平均長度2 169 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.5枚，持續(xù)時間約4 d。

2.1.5 小穗分化期 此時期隨著穗軸的進一步生長發(fā)育，中部的小穗原基基部形成碗狀突起，即穎片原基(圖版Ⅰ-7)；內(nèi)外穎開始生長但并未覆蓋花原基，最后發(fā)育成穎片。穎片原基的出現(xiàn)，標志著該穗軸上的小穗數(shù)已基本確定，單個穗軸上的平均小穗數(shù)為39.4個；在穗軸外側(cè)的2列小穗為有柄小穗，平均小穗數(shù)為19.7個；而中間的2列小穗則為無柄小穗，平均小穗數(shù)也為19.7個(圖版Ⅰ-8)；有柄小穗最終退化，僅存披針形小穗柄與花序軸貼生，而無柄小穗則孕育出小花原基；此時的生長錐仍處于生長分化狀態(tài)，但分化速度較為緩慢。該時期生長錐平均長度3 024 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.4枚，持續(xù)時間約4 d。

2.1.6 小花分化期 此時期在穎片原基和外稃原基出現(xiàn)后，無柄小穗上發(fā)育形成了2個小花原基(圖版Ⅰ-9)，此時雌蕊和雄蕊尚未分化；隨著小花原基的發(fā)育，其中1個小花原基分化為雄性花，位于無柄小穗基部靠近穎片的位置，包含3個雄蕊原基；另外1個小花原基分化為兩性花，包含1個雌蕊原基和3個雄蕊原基(圖版Ⅰ-10)；隨著小花原基進一步的生長發(fā)育，穎片呈覆瓦狀并完全將無柄小穗包圍?？傮w上，假儉草的1個無柄小穗可以發(fā)育出2朵小花，第1花為僅包含3枚雄蕊的單性花，第2花為包含1枚雌蕊和3枚雄蕊的兩性花。該時期生長錐平均長度8 534 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.5枚，持續(xù)時間約4 d。

2.1.7 雌雄蕊形成期 此時期無柄小穗上的第1花和第2花的雄蕊原基均由半球狀變?yōu)榍驙睿M一步發(fā)育成方形柱狀，進而生長為四棱柱狀花藥，其顏色由半透明狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色，且第1花的雄蕊發(fā)育較第2花稍慢，第2花的雌蕊原基由小突起逐漸發(fā)育出二叉狀柱頭，并慢慢生長發(fā)育成羽狀；早期的二叉狀雌蕊上形成很多小突起，在顯微鏡下呈顆粒狀，隨后發(fā)育出柱頭、花柱和子房；同時，穎片、外稃也在發(fā)育，穎片的發(fā)育比其他器官快，2片外稃分別緊緊保護著第1花和第2花并共同發(fā)育，成熟時間較穎片略慢(圖版Ⅰ-11～13)。該時期生長錐平均長度28 148 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.5枚，持續(xù)時間約5 d。

2.1.8 開花期 此時期花序的大小和形狀已基本固定，花藥由黃綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，第2花花絲伸長，并將第2花的花藥頂至柱頭上方；在柱頭生長過程中子房也不斷膨大，最終形成羽狀柱頭，并與花藥一起逐漸伸出穎外(圖版Ⅰ-14)；此時，花藥開裂，柱頭向兩側(cè)彎曲并進入授粉狀態(tài)，柱頭伸出后逐漸變?yōu)榧t褐色，花藥完成散粉后轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?圖版Ⅰ-15，16)；最后，第1花的花藥也被花絲頂出穎外并逐漸開裂，形成發(fā)育完全的無柄小穗(圖版Ⅰ-17)。該時期生長錐平均長度155 097 μm，單個生殖枝的平均葉片數(shù)為4.5枚，持續(xù)時間約4 d。

2.2 假儉草花序發(fā)育與物候期和積溫的關(guān)系

假儉草花序發(fā)育各時期對應的物候期、持續(xù)時間及≥5 ℃積溫見表1。結(jié)果顯示：從假儉草花序發(fā)育對應的物候期看，生長錐初生期對應返青期，生長錐伸長期對應孕穗初期，苞葉原基分化期、小穗原基分化期、小穗分化期和小花分化期4個時期對應孕穗期，雌雄蕊形成期對應抽穗期，開花期對應始花期。

在觀測期間，假儉草返青后其生長錐即開始形成，經(jīng)過55 d的營養(yǎng)生長，當≥5 ℃積溫達1 217.5 ℃時，生長錐由初生期進入伸長期，標志著假儉草正式進入生殖生長階段。進入生殖生長階段后，分別經(jīng)過5、10、14、18和22 d的生長發(fā)育，假儉草由生長錐伸長期依次進入苞葉原基分化期、小穗原基分化期、小穗分化期、小花分化期和雌雄蕊形成期，而從返青后進入上述5個發(fā)育時期所需的≥5 ℃積溫分別為1 352.5 ℃、1 475.0 ℃、1 571.5 ℃、1 667.5 ℃和1 769.5 ℃。最終，返青期結(jié)束后經(jīng)過27 d的生長發(fā)育，≥5 ℃積溫達到1 888.5 ℃，假儉草進入開花期。

2.3 假儉草的開花習性

結(jié)果顯示：假儉草花序軸較長，從花序開始開花到整個花序開花結(jié)束需4 d(表1)。從整個花序來看，開花順序是從中上部小穗上的小花向花序兩端逐次開放；中上部小穗上的小花開花時間早于兩端小穗上的小花，基部小穗的分化時間最晚；每個小穗開花完成需1～2 d，通常花序頂部的小穗分化成1個發(fā)育不完全的小花。

表1 假儉草花序發(fā)育各時期對應的物候期、持續(xù)時間和≥5 ℃積溫

3 討論和結(jié)論

禾本科植物的花序均由小穗組成，但不同種類的花序類型不同，在結(jié)構(gòu)上亦具有不同的特征，導致學者們對禾本科植物花序發(fā)育時期的劃分缺乏統(tǒng)一的標準。在禾本科植物的花序發(fā)育過程研究中，已有學者們對具有穗狀花序的冰草〔Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.〕[23]、多花黑麥草(LoliummultiflorumLam.)[28]、老芒麥(ElymussibiricusLinn.)[29]、長穗偃麥草〔Elytrigiaelongata(Host) Nevski〕[30]、梭羅草〔Roegneriathoroldiana(Oliv.) Keng〕[31]和披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)[32]等種類的花序發(fā)育時期進行了劃分，大致可分為初生期、伸長期、單棱期、雙棱期、小穗突起期、穎片突起期、小花突起期、雌雄蕊形成期和抽穗期等時期；程曉麗等[33]則將狗牙根〔Cynodondactylon(Linn.) Pers〕的花序發(fā)育過程分為營養(yǎng)生長期、穗軸發(fā)生期、苞葉原基分化期、小穗原基分化期、小穗分化期、小花分化期、穎片和內(nèi)外稃發(fā)育期及花藥和柱頭形成期8個時期。相對而言，對具有總狀花序的禾本科種類花序發(fā)育過程缺乏廣泛的研究。澹臺國銀等[24]將扁穗牛鞭草〔Hemarthriacompressa(Linn. f.) R. Br.〕的總狀花序發(fā)育過程劃分為初生期、伸長期、結(jié)節(jié)期、小穗分化期、小花分化期和孕穗期6個時期；金明等[25]將薏苡(Coixlacryma-jobiLinn.)的總狀花序發(fā)育過程劃分為伸長期、分枝分化期、小穗分化期、小花分化期和雌雄蕊建成期6個時期；而在本研究中，作者通過觀察假儉草花序發(fā)育的形態(tài)特征變化，參考庫彼爾曼[26]的劃分原則，結(jié)合扁穗牛鞭草[24]和薏苡[25]的觀察結(jié)果，將假儉草花序發(fā)育過程劃分為8個時期，即生長錐初生期、生長錐伸長期、苞葉原基分化期、小穗原基分化期、小穗分化期、小花分化期、雌雄蕊形成期和開花期?？梢?，在禾本科植物中，不僅各類花序的花序發(fā)育過程劃分存在差異，同類花序的花序發(fā)育過程劃分也存在差異。另外，假儉草的花序?qū)儆诘湫偷目偁罨ㄐ?，其花序發(fā)育過程與扁穗牛鞭草[24]和薏苡[25]類似，但又有其獨有的特點，且假儉草花序發(fā)育中間時期劃分與狗牙根花序發(fā)育過程中間時期劃分[33]一致，表明花序不同類型的禾本科植物的花序發(fā)育過程也具有一定的共性。

禾本科植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，是植株繁殖器官(種子)形成的關(guān)鍵時期，決定了其繁殖器官的產(chǎn)量和品質(zhì)，因此，準確認識和判斷花序發(fā)育時期以及各時期的典型形態(tài)特征，對植物種子生產(chǎn)具有十分重要的意義。一般來講，在作物栽培學領(lǐng)域通過判斷葉齡可使一些作物品種的生育進程模式化、各生育時期的生長指標數(shù)量化、栽培調(diào)控措施規(guī)范化[34-37]。作者在對假儉草花序發(fā)育過程的研究中，嘗試對假儉草的葉齡與發(fā)育時期進行關(guān)聯(lián)分析，但由于假儉草兼有無性繁殖和有性繁殖的特點，且具有典型的匍匐生長特性，在抽穗之前不斷發(fā)出新葉，導致假儉草植株的總?cè)~片數(shù)與花序發(fā)育各時期之間無明顯關(guān)聯(lián)性，因此，葉齡并不適合作為判定假儉草花序發(fā)育狀態(tài)的形態(tài)指標，但是否可以利用其他營養(yǎng)器官形態(tài)指標判定假儉草的花序發(fā)育狀態(tài)，還有待廣泛的觀察和細致的研究。

相關(guān)研究結(jié)果[38-41]表明：積溫是影響植物生長發(fā)育狀況的重要氣候因子之一，可廣泛應用于農(nóng)作物的花期預報、栽培措施實施以及品種選育等方面。本研究結(jié)果表明：在2014年假儉草花序發(fā)育過程中，當≥5 ℃積溫達到1 217.5 ℃時，假儉草開始由營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)入生殖生長階段。因此，在返青期開始至生長錐初生期開始期間，≥5 ℃積溫達到1 217.5 ℃的日期可以作為判斷假儉草轉(zhuǎn)入生殖生長的初步依據(jù)。由于在本研究中作者僅統(tǒng)計了當年積溫值數(shù)據(jù)，研究結(jié)果具有一定的局限性，因而，判斷假儉草生長時期轉(zhuǎn)變的積溫數(shù)據(jù)還需進行更多年份的數(shù)據(jù)積累和綜合分析。