歐昆鵬 何芳練 王艷 江文 高美萍 閉志強(qiáng) 陳麗娟 董偉清 桂杰

摘 要：以“桂蹄2號”荸薺品種的雌蕊柱頭及其授粉過程的形態(tài)為觀察對象，從微觀的角度揭示荸薺的授粉過程，為開展荸薺雜交育種提供參考。結(jié)果表明：荸薺雌蕊有2～4個柱頭，白色絲狀，維管束狀，表皮維管密生有長形的半透明分枝毛茸；授粉后，花粉緊密地結(jié)合在分枝毛茸上，相互識別后，花粉管可以能夠穿入分枝茸毛并不斷生長，將花粉內(nèi)的遺傳物質(zhì)輸送到維管束內(nèi)。

關(guān)鍵詞：荸薺；柱頭；分枝茸毛；授粉

中圖分類號：S645.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431007

荸薺（Eleocharis tuberose），又名馬蹄，莎草科荸薺屬，原產(chǎn)于我國南部和印度，廣泛布于全世界，以熱帶和亞熱帶居多，如在朝鮮、日本、越南、美國等也有栽培（柯衛(wèi)東等，2003）；在我國主要分布在長江流域及以南各省，廣西種植面積最大，達(dá)到近2萬hm2，占我國種植面積的50%。

隨著荸薺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場對荸薺品種特性的要求越來越高，當(dāng)前的荸薺育種依舊是以變異為重要的育種方式，這種體系很難適應(yīng)市場的變化。近年來，莎草科種子植物的研究開始受到人民的不斷關(guān)注，研究人員開始對荸薺開花結(jié)子習(xí)性和種子發(fā)芽等方面進(jìn)行了研究，并揭示了荸薺在開展雜交育種的可能性。在上述研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步探明荸薺雜交的現(xiàn)象，筆者對荸薺柱頭進(jìn)行了觀察和人工輔助授粉試驗(yàn)，并通過對授粉過程的觀察研究，揭示荸薺授粉及花粉管形態(tài)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

種植于廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所種質(zhì)資源圃的“桂蹄2號”荸薺品種，選擇生長健壯、無病害花莖葉的花穗。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 雌蕊的光學(xué)顯微鏡觀察

荸薺群體盛花期為8～9月份，選擇雌蕊處于盛花期的花穗，將花穗的覆瓦狀鱗片用小鑷子剝離，將鱗片內(nèi)包裹的整個雌蕊完整取下進(jìn)行測量觀察；

選擇荸薺種子成熟的12月份，摘取健壯花莖葉的花穗，剝離鱗片，取出完整雌蕊，觀察結(jié)構(gòu)。

1.2.2 荸薺群體

盛花期為8～9月份，上午9：00～11：00為荸薺雜交授粉的最佳時間，分別選擇完全開放的雄蕊和雌蕊花莖葉為雜交的父本和母本進(jìn)行人工授粉，授粉后立即套袋，約2h后，摘取花穗進(jìn)行制樣觀察。

用剪刀將花穗的花絲剪下來，小心放置滴有蒸餾水的載玻片上，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察、拍照。

將摘取的花穗用固定液，固定，脫水，置換，臨界點(diǎn)干燥，噴金，觀察。用自制紙筒將荸薺花穗包裹，放入固定液中進(jìn)行固定進(jìn)行電鏡觀察。逐級脫水的乙醇濃度為為30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇進(jìn)行脫水。在電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 雌蕊的光學(xué)顯微鏡觀察

觀察還發(fā)現(xiàn)，種子成熟后的花穗表面逐漸轉(zhuǎn)變成淺黃色，鱗片始終緊密包裹，所有從鱗片伸出的雌、雄蕊完全凋落；剝開鱗片后發(fā)現(xiàn)，約有1mm長度的柱頭仍然包裹在鱗片內(nèi)，與雌蕊的整個花柱完整地被保存下來。

雌蕊的花柱長約3mm，呈扁圓柱形，在接近子房的約1/4花柱處快速膨大，并與子房相連，其硬度逐漸增加，與子房的連接處可見明顯的縊節(jié)；種子成熟后，剝開鱗片看到花柱呈棕黑色，自然彎曲狀，通過40倍光學(xué)顯微鏡下可以觀察到花柱中間有一條黑色的管道。

2.2 雌蕊授粉后的光學(xué)顯微鏡觀察

觀察還發(fā)現(xiàn)，在花粉管不斷的生長過程中，花粉內(nèi)的物質(zhì)不斷地向萌發(fā)孔一端集中，并通過萌發(fā)孔向花粉管生長的方向運(yùn)動，隨著花粉管的生長不斷前進(jìn)；但是在輸送過程中，花粉內(nèi)物質(zhì)在花粉管運(yùn)動并不是單向的，有物質(zhì)回流的現(xiàn)象，但外流速度明顯大于回流速度，但所有物質(zhì)最終都會流入柱頭的維管。花粉物質(zhì)從進(jìn)入維管到全部進(jìn)入維管的整個輸送過程大約5～10min。

實(shí)驗(yàn)觀察到花粉管都是通過與分枝茸毛結(jié)合并穿入，沒有觀察到直接通過維管束穿入的現(xiàn)象，并且穿入分枝茸毛的部位也不固定，可以是任何部位，有的在尖端，有的在中部，有的在基部。觀察還發(fā)現(xiàn)另外一個現(xiàn)象，有極少數(shù)的花粉與分枝茸毛結(jié)合后萌發(fā)出花粉管，但是花粉管沒有找到合適的進(jìn)入點(diǎn)，就緊貼著分枝茸毛的表面向基部不斷生長（如圖8），直至找到能夠穿入的點(diǎn)為止。

2.3 電鏡觀察

在2500～3000倍掃描電鏡下，可以清晰地觀察到整個荸薺柱頭、花粉及其授粉形態(tài)。與光學(xué)顯微鏡觀察的結(jié)果一致，荸薺柱頭呈維管束狀，維管向外延伸出分枝茸毛；花粉粒夾雜在分枝茸毛之間并緊密地貼在分枝茸毛上，識別其萌發(fā)出的花粉管插入了分枝茸毛的內(nèi)部，插入的部位有的處于分枝茸毛的頂端（如圖9），有的處于分枝茸毛的中部（如圖10）。在掃描電鏡下，同樣沒有觀察到花粉管直接進(jìn)入維管進(jìn)行物質(zhì)傳送的現(xiàn)象。

通過電鏡圖片也清晰地觀察到，荸薺花粉表面雕紋為顆粒狀，為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)比為薄膜，外壁為顆粒狀物質(zhì)結(jié)構(gòu)?；ǚ酃苊劝l(fā)孔區(qū)域的表面在花粉管萌發(fā)后呈撕裂狀，說明花粉管是花粉粒的內(nèi)壁形成的，內(nèi)壁薄膜通過萌發(fā)孔突破花粉外壁的向外伸出細(xì)管形成管狀結(jié)構(gòu)，通過與分枝茸毛識別后直接進(jìn)入了后者內(nèi)部。如圖所示，花粉管萌發(fā)的位置位于橢圓形花粉管的兩端，因此，可以推定荸薺花粉的萌發(fā)孔位于在兩極附近。通過掃描電鏡比例尺測量出花粉粒和花粉管的大小，極軸長約為32μm，赤道軸長約為28μm，花粉管的直徑約4μm。

3 討論

當(dāng)前，對荸薺的研究大多集中在栽培和活性物質(zhì)成分的利用研究上，少數(shù)研究者也對荸薺生長周期的規(guī)律探究，對荸薺花器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為細(xì)致的觀察。

本研究通過對荸薺花粉粒和花粉管在柱頭萌發(fā)的形態(tài)進(jìn)行光學(xué)和掃描顯微觀察，從微觀角度展示了荸薺雌蕊柱頭的維管結(jié)構(gòu)、花粉粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及授粉2h后花粉管的萌發(fā)形態(tài)，揭示了荸薺授粉過程中花粉內(nèi)遺傳物質(zhì)傳送的途徑，從根本上明確了荸薺完全能夠進(jìn)行雜交授粉的理論，為荸薺進(jìn)行雜交育種提供了可靠的理論依據(jù)和實(shí)際參考，為進(jìn)一步開展荸薺雜交育種開辟了一條廣闊的研究途徑。

從實(shí)驗(yàn)觀察情況分析，花粉粒與柱頭的結(jié)合是隨機(jī)的，但不是所有花粉粒都能夠萌發(fā)，只有兩極與分枝茸毛相接觸并識別后的花粉粒才能成功萌發(fā)出花粉管；由柱頭維管延伸出來密布于柱頭四周的分枝茸毛對荸薺進(jìn)行授粉有著至關(guān)重要的作用：在柱頭表面構(gòu)建了花粉粒的承載結(jié)構(gòu)，能夠阻礙自花或異花至上而下掉落的成熟花粉粒的繼續(xù)下落，有效地擴(kuò)大了柱頭授粉的面積；花粉的結(jié)合器官和花粉管的穿入通道，實(shí)驗(yàn)觀察到的所有花粉粒的遺傳物質(zhì)，都是通過花粉與分枝茸毛結(jié)合后才能萌發(fā)花粉管，花粉管進(jìn)入分枝茸毛后不斷生長，遺傳物質(zhì)跟隨花粉管的不斷生長進(jìn)入最終被輸送進(jìn)入柱頭的維管，有關(guān)結(jié)合機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

研究發(fā)現(xiàn)荸薺柱頭絕大多數(shù)雌蕊都是3個柱頭，偶有2～4個柱頭的現(xiàn)象，與相關(guān)文獻(xiàn)報道有不同。每個柱頭的分枝茸多達(dá)數(shù)百根，大量分枝茸毛與花粉接觸后得到的遺傳物質(zhì)傳送都直接進(jìn)入相應(yīng)的維管，然而花粉管生長停止、遺傳物質(zhì)的輸送情況、以及雌蕊如何進(jìn)行輸送調(diào)節(jié)等相關(guān)機(jī)理機(jī)制有待于進(jìn)一步探明。

有關(guān)莎草科的研究報道不多，有學(xué)者近年來開展了對海南、山東、貴州等地的莎草科植物進(jìn)行了調(diào)查研究，都還處于資源調(diào)查階段。荸薺是莎草科植物中被認(rèn)識和研究最多的作物之一，也是莎草科植物中能夠大面積種植的經(jīng)濟(jì)作物，對其進(jìn)行相關(guān)研究，有助于對莎草科植物的研究提供理論參考。