野生寶興杜鵑重瓣花的發(fā)現(xiàn)及其形成機制探討

蔡水花, 馬文寶, 周曉, 謝浩, 鄒文勇, 劉娟, 楊群梅, 許林, 李仁貴*

1. 中國大熊貓保護研究中心，四川 都江堰 611830；

2. 大熊貓國家公園珍稀動物保護生物學國家林業(yè)和草原局重點實驗室，四川 都江堰 611830；

3. 四川省林業(yè)科學研究院，森林和濕地生態(tài)恢復與保育四川重點實驗室，四川 成都 610081

杜鵑花是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑屬(Rhododendron)植物的總稱[1]，開花時節(jié)，低海拔的杜鵑花多數(shù)點綴林間，高海拔的杜鵑花則形成一片花海。野生杜鵑花全世界約有967種，分布于亞洲、北美洲和歐洲，其中，中國已知的杜鵑花有6個亞屬562種，占世界種類的59%[2]。無論是作為園林花卉種類、還是作為生態(tài)系統(tǒng)組成的重要成員，中國杜鵑花都占有非常重要的地位，并影響和改變了歐洲園藝界的發(fā)展和植物園引種栽培的方向[3]。

寶興杜鵑(R. moupinense)是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑屬(Rhododendron)川西杜鵑亞組(Subsect. Moupinensia Sleumer)植物，花萼5裂，單瓣花5裂，寬漏斗狀，白色或帶淡紅色，雄蕊10，花絲中部以下被短柔毛，子房5室，密被鱗片，花柱細長，可在海拔1 300～3 000 m的地方生長[4]，具有較高的觀賞價值[5]。2016年3月，野生杜鵑花調(diào)查人員在四川省汶川縣三江鄉(xiāng)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)了野生寶興杜鵑重瓣花，本文描述了重瓣現(xiàn)象，并對其形成機制進行探討分析，以期此變異特征能夠得到深入研究和保護。

1 材料與方法

1.1 研究材料

寶興杜鵑重瓣花發(fā)現(xiàn)于四川省汶川縣三江鄉(xiāng)境內(nèi)，地理坐標為北緯30°95′81”，東經(jīng) 103°29′33”，海拔1 557 m。寶興杜鵑重瓣花和非重瓣花混生于河谷一塊大巖石上。其中，重瓣花正綻放；非重瓣花已經(jīng)凋謝，只剩下子房和干癟的殘花以及包裹于內(nèi)的雄蕊。同一枝及其分枝上要么開重瓣花，要么開非重瓣花，并未見同一枝條上開兩種花，由于種群數(shù)量較少，并未拔出植株看兩種枝條是否從同一根部長出。

1.2 研究方法

2016年3月，在進行野外觀察的基礎上，使用SONY-HX400相機、Canon-7D相機和Canon-60D相機拍攝了重瓣寶興杜鵑和寶興杜鵑的部分解剖形態(tài)特征，以供分析。

2 研究結果

根據(jù)實地和解剖觀察，發(fā)現(xiàn)寶興杜鵑重瓣花與非重瓣花有以下共同特征：灌木；幼枝有鱗片和褐色剛毛，老枝無毛；葉聚生于枝條上部，近假輪生，葉片厚革質(zhì)，邊緣略反卷，部分有緣毛，葉表面中脈密被短硬毛，葉背面密被褐色鱗片，葉柄被剛毛；花序頂生，1～2花(見圖1A；圖2A，D)；花梗被鱗片和毛；花萼5裂，下部連合，外面被鱗片，邊緣有緣毛；花冠寬漏斗狀，花瓣5 (見圖1A)；花瓣長度相同，內(nèi)側有紫紅色斑點(見圖1C；圖2D)，中下部有柔毛；花絲基部有柔毛(見圖1E；圖2B)。經(jīng)杜鵑花專家耿玉英鑒定，這些共同特征均與中國植物志上寶興杜鵑的描述一致。

圖 1 野生寶興杜鵑重瓣花Fig. 1 Wild double flowers of Rhododendron moupinense

同時，寶興杜鵑重瓣花有以下一些不同特征：花期晚1～2星期，花的外觀類似于茶花(見圖1B)，雄蕊多數(shù)無定數(shù)(見圖1C)，花絲中下部瓣化成花瓣狀，未見雌蕊(見圖1C，E，F(xiàn))；花藥部分瓣化(見圖1D)。另外，在寶興杜鵑非重瓣花生長的枝條上有當年生的幼果和宿存的開裂蒴果(見圖2D，E)，而生長重瓣花的枝條上未見。

圖 2 野生寶興杜鵑Fig. 2 Wild Rhododendron moupinense

3 討論和分析

野生杜鵑花屬植物的花多為單瓣花，目前，報道只有興安杜鵑(R. dauricum)[6]、R. albiflorum和R.ferrugineum[7]發(fā)現(xiàn)有重瓣現(xiàn)象，野生重瓣寶興杜鵑的發(fā)現(xiàn)為野生杜鵑花重瓣現(xiàn)象提供了新的佐證。三種杜鵑的野生重瓣花發(fā)現(xiàn)地距離遙遠，生長環(huán)境條件和花的特征存在差異，但也有相似性（見表1）?？梢钥闯?，三種重瓣花的花萼都未發(fā)生變化，重瓣化主要發(fā)生在雄蕊這一輪花器官。寶興杜鵑和R. albiflorum的雄蕊瓣化程度高，同時雌蕊也表現(xiàn)異常；而興安杜鵑僅雄蕊發(fā)生部分瓣化。

重瓣花的產(chǎn)生，是由于花由確定性結構變成了不確定性結構，從而產(chǎn)生不確定數(shù)量的花器官而形成的[8]。野生重瓣寶興杜鵑即是由正常的10個雄蕊和1個心皮變化為不定數(shù)的瓣化雄蕊，且心皮消失。從重瓣花的起源方式來看，這屬于雌雄蕊起源，即雌雄蕊變瓣[9]。野生重瓣寶興杜鵑從觀賞園藝和遺傳育種角度來說，相對于寶興杜鵑具有更高的引種馴化價值，因此，對其形成機制進行相關探討，有一定必要性。

自花發(fā)育的ABC模型首次被提出，與花器官發(fā)育相關的重要基因也被成功克隆，隨著植物新的突變體的發(fā)現(xiàn)，植物花器官發(fā)育模型也由經(jīng)典的ABC模型逐步發(fā)展到ABCDE模型。對經(jīng)典模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)花器官發(fā)育模型的研究結果表明，存在A、B、C、D、E共5類功能基因對擬南芥花器官發(fā)育起關鍵調(diào)控作用[10]。其中，C類和B類基因在重瓣花的形成中扮演重要的角色,它們的突變或者超表達可以導致重瓣花的形成[11]。野生重瓣寶興杜鵑雄蕊多數(shù)，雌蕊消失，這可能是由于B類基因的異位表達引起的。在擬南芥花發(fā)育過程中，AP3／PI基因可能與植物的性決定有關，參與激活雄性器官發(fā)育而抑制雌性器官的發(fā)育[12]，在sup突變體中，由于SUPERMAN(SUP)基因的失活，AP3和PI的表達范圍得到延伸，從而造成第4輪花器官中有B類基因的異位表達，導致該輪發(fā)育成雄蕊[13]。而C功能基因的異常表達導致雄蕊花絲瓣化的形成，可能是野生重瓣寶興杜鵑表現(xiàn)出重瓣特性的主要原因。前人研究結果表明，通過A～C功能基因表達范圍的移動，特別是C功能基因在第二輪或第三輪花發(fā)育過程中異常表達，由此相應的引起花瓣向雄蕊或雄蕊向花瓣的轉變，即產(chǎn)生既類似于花瓣又類似于雄蕊的過渡類型[14,15]。另外，重瓣寶興杜鵑的雄蕊數(shù)和輪數(shù)大大超出寶興杜鵑，這可能是一些非花器官特性基因突變引起的。水稻(Oryza sativa)花器官數(shù)量基因FLORAL OGRAN NUMBER1(FON1)基因通過調(diào)控分生組織進而調(diào)控花器官的數(shù)量，發(fā)生突變時導致花器官顯著增加[16]。金魚草(Antirrhinum majus)的Cyc和Dich兩個相互獨立的背特性花型調(diào)節(jié)基因發(fā)生雙突變時，其花萼、花瓣、雄蕊都由5枚增加到6枚[17]。由于本次調(diào)查未開展基因測序，因此若要深入探討野生寶興杜鵑重瓣花形成的分子機制，還需要做進一步的遺傳學研究。

影響重瓣花形成的因素除了不同基因之間的相互作用外，還有可能是外界環(huán)境信號對花發(fā)育基因起到了調(diào)控作用[11]。研究鳳仙花(Impatiens balsamina)的葉在花發(fā)育進程中的作用表明，葉來源信號(Leafderived signal)的延遲能導致花瓣數(shù)量增加[18]。通過外源激素的處理，能提高鳳仙花的重瓣率[19]。高溫(27℃)和低溫(13℃)都能導致石竹科的紅粉雪輪花(Silene coeli-rosa)花器官增加，且雄蕊變得極不穩(wěn)定[20]。寶興杜鵑和興安杜鵑野生重瓣花均發(fā)現(xiàn)于相應野生非重瓣花的分布區(qū)內(nèi)，與非重瓣品種混生或相距不遠（見表1），如果僅是環(huán)境因素就能促使重瓣花的形成，那發(fā)現(xiàn)的野生重瓣杜鵑樣本量就不可能像現(xiàn)在這樣稀少。因此，基因突變或異常表達更可能是野生杜鵑重瓣花形成的主要原因；不過，基于目前的調(diào)查情況，還難以判斷是否有環(huán)境因素參與這兩種重瓣花的形成。

表 1 三種杜鵑野生重瓣花的比較Tab. 1 Comparison of wild double flowers of three Rhododendron species

綜上分析，推測可能是由于與花器官發(fā)育相關的基因的突變或異常表達導致野生寶興杜鵑重瓣花的形成，其中，C類和B類基因可能起主要作用。野外環(huán)境自然產(chǎn)生的重瓣杜鵑非常罕見，由于雌雄蕊不同程度的瓣化、花藥發(fā)育不完全等原因，野生重瓣杜鵑有性繁殖必然較為困難，這也是其數(shù)量稀少的原因之一。重瓣花具有較高的觀賞價值，若要引種馴化野生重瓣寶興杜鵑，保存這一自然變異特征，還需要深入研究其形成機制，開展組織培養(yǎng)、人工繁育等研究。