池源+徐小穎+徐義昆+金銀根
摘要:應(yīng)用植物形態(tài)學(xué)解剖觀察、蘇木精整染、石蠟法連續(xù)切片以及顯微觀察拍照技術(shù),研究火柴頭初始花芽分化與葉生長的同生關(guān)系。結(jié)果表明:火柴頭種子萌發(fā)后,經(jīng)過約20 d的營養(yǎng)生長,至主莖出現(xiàn)4~6張真葉時,主莖頂端花芽開始分化,其分化進(jìn)程與真葉數(shù)、真葉面積呈正相關(guān),整個分化過程歷經(jīng)約15 d;幼苗進(jìn)入4葉期后,花芽分化從分化初期過渡到苞片及花序原基分化期;幼苗進(jìn)入5葉期后,花芽分化進(jìn)入萼片及花瓣原基分化期;幼苗進(jìn)入6葉期后,花芽分化進(jìn)入雄、雌蕊原基分化期。
關(guān)鍵詞:火柴頭;初始花芽分化;葉生長;同生關(guān)系;開花調(diào)控
中圖分類號:S184;S451文獻(xiàn)標(biāo)志碼:
文章編號:1002-1302(2016)08-0174-04
火柴頭(Commelina benghalensis L.)是單子葉植物綱鴨跖草科鴨跖草屬的一年生草本植物。金銀根等指出,火柴頭不僅是枝源型克隆植物,而且可同時進(jìn)行有性生殖,更為特殊的是其在地下開花結(jié)實(shí)的生殖方式[1-2]?;鸩耦^在整個生長周期中能產(chǎn)生3種生長特性不同的生殖莖、5種開花特性不同的結(jié)實(shí)花以及6類生物學(xué)特性不同的可育種。3種生殖莖為氣生生殖莖、貼地生殖莖、地下生殖莖;5種結(jié)實(shí)花為氣生生殖莖上的雄花、氣生生殖莖上的開花傳粉型兩性花、氣生生殖莖上的閉花受粉型兩性花、貼地生殖莖上的閉花受粉型兩性花、地下生殖莖上的閉花受粉型兩性花[3];6類可育種為地上大、小種,貼地大、小種和地下大、小種[4]?;谝陨隙鄻拥纳程匦裕鸩耦^形成了極強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性,從而在世界范圍內(nèi)廣布性存在。在我國,火柴頭也廣布于諸多省份,尤其在棉花、玉米田間呈片狀或群帶狀分布,與農(nóng)作物競爭光照、肥料、水分以及生長空間而使農(nóng)作物嚴(yán)重減產(chǎn),再加上火柴頭對多種除草劑都不敏感,一旦在田間蔓延則很難根除[5]。因此,要治理火柴頭這種雜草災(zāi)害,必須弄清其繁殖機(jī)制,以找出有效的控制措施。本研究主要觀察火柴頭幼苗的形態(tài)建成葉的發(fā)育和初始花芽分化過程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,以了解花芽分化與葉發(fā)育的同生關(guān)系,為開花調(diào)控的研究奠定基礎(chǔ),并為有效治理該種雜草提供依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料準(zhǔn)備
將火柴頭地上大種均勻地灑在盛有2/3珍珠巖的籃筐中(籃筐尺寸36 cm×25 cm,每框42株,共6框),置于光照培養(yǎng)箱中,晝/夜溫度為27 ℃/25 ℃,光/暗周期為12 h/12 h,晝/夜?jié)穸葹?4%/50%,光照度為176 μmol/(m2·s),每2 d定時加500 mL Hoagland營養(yǎng)液[6]。
1.2莖節(jié)生長點(diǎn)解剖學(xué)觀察
每天定時觀察火柴頭生長情況并拍照記錄;10 d后,每天定時取火柴頭主莖莖節(jié)生長點(diǎn),用流水沖洗干凈后,制作臨時裝片,顯微觀察并拍照。確定初始花芽分化時間,并作記錄[7-8]。
1.3材料基本參數(shù)的測量
按照真葉數(shù)以及頂葉卷曲程度選取4葉期、5葉期、6葉期、7葉期健康的火柴頭幼苗,每個葉期6株,編號后記錄其相關(guān)的生長時間、不定根、側(cè)根、分枝情況以及頂葉卷曲程度,測量其株莖、株高,以及頂枝3張真葉的葉長、葉寬并計(jì)算其真葉面積,其中葉長是葉片基部至葉尖距離,葉寬是葉片2/3處肩寬,由于大部分真葉在葉片2/3處收尖,因此按葉長×葉寬的2/3計(jì)算葉面積[9-10]。
1.4莖節(jié)生長點(diǎn)石蠟切片的制作
將測量完基本參數(shù)的新鮮幼苗清洗干凈,取長約1 cm頂芽并及時放入福爾馬林-乙酸-乙醇固定液(FAA)[11]中固定12 h,用70%乙醇沖洗后,再用稀釋4倍的徳氏蘇木精于40 ℃加熱染色72 h[12-13],再用乙醇梯度脫水(乙醇濃度分別是85%、95%、100%),二甲苯與純乙醇梯度置換(二者比例分別是1 ∶[KG-*3]2、1 ∶[KG-*3]1、2 ∶[KG-*3]1),石蠟法包埋、切片(厚度為 10 μm),再經(jīng)展片、烤片、脫蠟、透明后用中性樹脂封片,在Leica顯微鏡下觀察拍照。
2結(jié)果與分析
2.1火柴頭幼苗的生長特性
在光照培養(yǎng)箱溫度穩(wěn)定高于25 ℃、水分充足的情況下,火柴頭地上大種在珍珠巖這種介質(zhì)中經(jīng)歷吸脹吸水、緩慢吸水、生長吸水3個階段后,1~2 d便開始萌動形成幼苗。
火柴頭是典型的單子葉植物,種子萌發(fā)時,胚軸一端突破種孔蓋生長,以這一端末尾膨大的吸盤狀結(jié)構(gòu)為界,向上分化成胚芽鞘(后期形成真葉),向下分化成胚根(后期形成火柴頭根系)。最初,由于胚芽鞘的束縛,真葉卷曲生長;隨著真葉的生長,下胚軸逐漸伸長,到一定長度后,真葉突破胚芽鞘逐漸展開;經(jīng)過約1周后,第1張真葉完全展開,此時胚芽鞘基部再次分化出新葉,新葉裹在第1張真葉基部卷曲生長,到一定長度后展開,當(dāng)這2張真葉大小一致時,基部相交處又會分化形成新葉,如此形成火柴頭莖節(jié)。而與此同時,胚根形成的根系也在不斷趨向成熟,隨著數(shù)目的累積增多,根系逐漸變粗變長,以確保水分的供給?;鸩耦^在這種培養(yǎng)方式下真葉以1張/周的速率健康生長,培養(yǎng)20 d左右進(jìn)入4葉期后,頂端葉芽開始分化形成花芽,從而進(jìn)入火柴頭初花花芽分化期?;鸩耦^的整個生長過程如圖1所示。
2.2火柴頭花芽分化與葉生長的同生關(guān)系
經(jīng)過對不同葉期、真葉不同發(fā)育程度材料及其補(bǔ)充材料數(shù)周的石蠟切片處理、分析觀察后,得到火柴頭頂端初始花芽分化與葉生長的同生關(guān)系:花芽分化從4葉期(大約生長 20 d)陸續(xù)開始到6葉期(大約生長30 d)基本完成,整個過程歷時約15 d;花芽分化與真葉數(shù)、真葉面積呈正相關(guān),真葉數(shù)越多,花芽分化越完整;在同一葉期,真葉面積越大,花芽質(zhì)量越好,主要表現(xiàn)在各原基形成的器官體積大而胞質(zhì)飽滿,后期具有較強(qiáng)的生殖能力;花芽分化進(jìn)程越到后期越緊湊,最終趨向成熟。
4葉期一般從分化初期過渡到苞片原基以及花序原基的分化,這段時期的本質(zhì)是營養(yǎng)生長向生殖生長過渡的階段,形成花序之后對于花蕾而言才開始進(jìn)行真正的花芽分化;5葉期一般進(jìn)行萼片原基以及花瓣原基的分化,這段時期分化進(jìn)程加快,各個時期沒有明顯界限,經(jīng)常會看到2~3個時期疊加的情況;6葉期一般進(jìn)行雄、雌蕊原基的分化,這段時期花蕾趨向成熟,雄蕊原基分化形成花藥后,雌蕊原基開始進(jìn)行分化,二者分化緊湊,速度相當(dāng)迅速,最終雄蕊原基比雌蕊原基早一步完成分化,此時花芽分化基本完成;7葉期一般進(jìn)入花成熟時期,花序中的各花蕾完善自身發(fā)育,為后期有性生殖作準(zhǔn)備。花芽分化進(jìn)程與葉生長的同生關(guān)系見表1。
2.3火柴頭花芽的分化過程
分化初期:莖節(jié)頂端細(xì)胞分化加快,向上隆起,呈半球形,形成營養(yǎng)生長錐,原分生組織細(xì)胞不斷分化,使生長錐變得圓滑豐滿。形態(tài)學(xué)上生長錐細(xì)胞小而密集,通過蘇木精染色后顏色較深(此時細(xì)胞處于生命活性最高、細(xì)胞分裂活性強(qiáng)的階段),細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的體積比較大,其形態(tài)與基底組織細(xì)胞明顯不同,基底組織細(xì)胞發(fā)育更早,已形成成熟液泡,細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)體積比較小,排列不規(guī)則,染色較淺,后期生長錐發(fā)育成近似圓錐狀(圖2-1中Gc)。
苞片原基分化期:營養(yǎng)生長錐頂端變得寬而平坦,兩邊產(chǎn)生凸體,凸起部分形態(tài)相似,染色較深,細(xì)胞排列緊密而且分裂速度快,迅速向上生長,但是二者大小存在差異,說明這2個凸體不是同時發(fā)育的,最終兩邊會結(jié)合到一起,形成苞片,將整個營養(yǎng)生長錐包圍(圖2-2中Bp)。
花序原基分化期:營養(yǎng)生長錐隨著苞片的伸長不斷升高,緊貼著苞片里側(cè),生長錐逐漸變平,細(xì)胞生長分化速度出現(xiàn)差異,產(chǎn)生3~4個小的凸體即花原基(Fp),這些花原基不在同一平面,共同構(gòu)成花序原基(Ip),后期將發(fā)育成火柴頭的聚傘狀花序,至此莖節(jié)生長點(diǎn)完成由營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡,開始進(jìn)入真正的花芽分化期(圖2-3中Ip;圖2-4中Fp)。
花原基分化期是生殖生長錐(Rc)進(jìn)行自身分化形成花蕾的過程,這些生長錐都要經(jīng)歷由尖變圓、由外到內(nèi)依次產(chǎn)生凸體,形成萼片原基(Se)、花瓣原基(Pet)、雄蕊原基(Sp)、雌蕊原基(Pp)的過程,從而完成花芽分化,形態(tài)結(jié)構(gòu)上可根據(jù)大小、位置來判斷其發(fā)育的早晚以及花芽分化的質(zhì)量(圖2-4至圖2-8)。
萼片原基分化期:當(dāng)花原基繼續(xù)伸長,頂部變得豐滿時,在生殖生長錐最外側(cè)一輪同一水平面上最先對稱地發(fā)育形成3個凸體,這些凸體生長迅速,后期將發(fā)育成萼片,由于切片只能取到1個平面,不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來(圖2-4至圖2-6中Se)。
花瓣原基分化期:當(dāng)苞片頂端形成鉤狀曲折時,緊接著在相鄰萼片基部里側(cè)一輪、同一水平面上對稱地分化形成3個凸體,這些凸體緊貼生殖生長錐兩側(cè)快速發(fā)育,迅速向上生長,最后可形成花瓣,由于切片只能取到1個平面而不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來(圖2-4至圖2-6中Pet)。
雄蕊原基分化期:隨著萼片、花瓣原基的成形,生殖生長錐中心再次隆起,形成6個對稱的凸體,這些凸體逐漸伸長變粗最終依次分化出花藥、花絲,從而形成雄蕊,由于切片只能取到1個平面不能將所有凸體結(jié)構(gòu)都展示出來(圖2-7中Sp)。
雌蕊原基分化期:當(dāng)雄蕊原基開始分化不久形成花藥雛形后,上升到一定高度的生長錐中心再次隆起,形成心皮原基,最終分化出子房、花柱,從而形成雌蕊,由于切片只能取到1個平面不能將所有結(jié)構(gòu)都展示出來(圖2-8中Pp)。
至此花芽分化結(jié)束,性器官逐步完善生殖能力的分化,使整個花序趨向成熟。縱觀整個過程,每個時期并不是彼此獨(dú)立的,同一時段可能進(jìn)行好幾個時期的分化,而且分化節(jié)奏緊湊。
3討論
花芽分化是在植物頂端分生組織感受到一定成花刺激后開始的,整個過程不僅受到外界環(huán)境因子的影響,而且受到植物體內(nèi)諸多因子的調(diào)控。植物體受到成花刺激后,生長點(diǎn)內(nèi)部會發(fā)生一系列生理生化反應(yīng),為后期的形態(tài)變化提供DNA、RNA等原料物質(zhì),并提供蛋白酶、礦質(zhì)元素等能源物質(zhì)以及細(xì)胞分裂素、赤霉素等激素物質(zhì),而這些物質(zhì)大多數(shù)是由葉片合成,通過輸導(dǎo)組織源源不斷地運(yùn)向生長點(diǎn)并在生長點(diǎn)內(nèi)累積的,整個過程終將由量變產(chǎn)生質(zhì)變,形成相互協(xié)調(diào)的體系,進(jìn)而完成成花作用[14]。
目前對于果樹、花卉等一些園藝性木本植物花芽分化的研究較多,而對于火柴頭、水花生等一些危害性草本植物花芽分化過程鮮有研究,而且,目前對雙子葉植物花芽分化的研究較為成熟,對于單子葉植物花芽分化研究較少。其實(shí)植物花芽分化雖然都會經(jīng)歷同樣的幾個過程,但是具體引起成花的誘導(dǎo)因子、成花形態(tài)以及成花發(fā)育方式都有明顯區(qū)別。對于一般植物來說,光誘導(dǎo)作用是最明顯的刺激成花誘導(dǎo)因素[15],但是不同植物感受光誘導(dǎo)的機(jī)制不同,園藝性木本植物大多是多年生的,在臨界花期感受光周期誘導(dǎo)之前,需要1個低溫春化的刺激作用,而園藝性花卉植物對春化作用不是很敏感,這種植物對光照度要求嚴(yán)格[16],光照越強(qiáng),花芽越容易分化,而且分化進(jìn)程也越快,這一點(diǎn)與草本植物很相似。何井瑞研究火柴頭時發(fā)現(xiàn),火柴頭的初花期一般發(fā)生在5—6月,花芽分化歷程大約為半個月,盛花期一般發(fā)生在7—8月,花芽分化歷程大約為1周,這說明火柴頭花芽分化也明顯受到光期調(diào)控,而且光照度越強(qiáng),成花能力越強(qiáng)[17]。
花芽分化起始于植物芽軸的頂端,很難從外部形態(tài)準(zhǔn)確地把握花芽分化的起始和不同時期。本研究用形態(tài)學(xué)解剖法對大量火柴頭幼苗莖節(jié)生長點(diǎn)處不同葉芽進(jìn)行解剖,初步得到花芽分化各時期的始末時間,再用石蠟法連續(xù)切片得到火柴頭花芽分化期間的形態(tài)變化過程,找出與葉生長的同生關(guān)系,對從形態(tài)上準(zhǔn)確判斷火柴頭花芽分化的過程和時期有重要的參考價值。
花芽分化開始時生長錐伸長,表面積變大,表面數(shù)層細(xì)胞分裂加速,產(chǎn)生皺褶,在本該形成葉原基的地方產(chǎn)生了胞質(zhì)濃厚的花原基,在花原基上又分化出各器官原基。一般來說,當(dāng)花芽內(nèi)不再進(jìn)行花器官的分化時,花芽分化結(jié)束。不同植物花芽分化發(fā)育形態(tài)各異,張立莎對多年生木本仁果類植物蘋果樹花芽分化研究發(fā)現(xiàn),花芽分化順序是花序原基、花萼原基、花瓣原基、雄蕊原基、雌蕊原基[18];張智等對多年生木本核果類植物桃樹花芽分化研究發(fā)現(xiàn),分化過程與蘋果樹相似,就是缺少花序原基形成期,這與植物本身花器官組成特征有關(guān)[19];楊小明等對2年生園藝性植物甘藍(lán)花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其花芽分化與木本植物相比差異明顯,分化初期生長錐膨大,中心凸體周圍產(chǎn)生3~5個小圓凸體,之后在生長點(diǎn)周圍又形成1圈圓突群,最后由圓突群形成花蕾雛形,隨后花柄伸長,花萼開始分化,與此同時,側(cè)芽也開始分化[20];陶月良等對黃瓜花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其花芽分化有自身的特點(diǎn),所有花器官原基發(fā)生完成后并不等于花芽分化的結(jié)束,其花芽分化在最初階段有著明顯的兩性特點(diǎn),但最終會根據(jù)環(huán)境因素來選擇到底是哪種性器官可以繼續(xù)分化,也就是說黃瓜的花芽分化首先是兩性期,最后為單性期,至此花芽分化才結(jié)束[21];賀丹等對一年生園藝性花卉植物牡丹、芍藥花芽分化研究發(fā)現(xiàn),它們的花芽分化過程具有一定的相似性,分化順序是苞片原基、萼片原基、花瓣原基以及雌雄蕊原基分化期,苞片結(jié)構(gòu)與木本植物也存在著差異[22]。查閱僅有的關(guān)于少數(shù)幾種單子葉植物花芽的研究可知,張丹丹等對多年生單子葉草本植物玉簪花花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其花芽分化過程分為形態(tài)分化前期、被片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期4個時期[23];黃濟(jì)明等對多年生單子葉草本球根植物麝香百合花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其過程分為莖端未見分化、花原基形成、外層花瓣原基形成、內(nèi)層花瓣原基形成和雌雄蕊形成5個時期[24];王家艷等對單子葉草本植物細(xì)葉百合花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其過程分為6個時期,即未分化期、分化初期、小花原基分化期、花被原基分化期、雄雌蕊原基分化期、整個花序形成期[25];安黎哲等對一年生草本植物番茄花芽分化研究發(fā)現(xiàn),其分化規(guī)律也遵循由外到內(nèi)、由下而上的原則,而且具體分化過程與本研究最為相似[26]。
本研究得到的火柴頭花芽分化順序:苞片原基、花序原基、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基和雌蕊原基分化期。從分化初期到萼片原基分化期,生長速度較慢;當(dāng)進(jìn)入萼片原基分化期后,發(fā)育速度明顯加快,尤其是性器官的分化速度最快,雌雄蕊原基近于同時發(fā)生。在營養(yǎng)生長階段,真葉數(shù)及大小直接影響第1花序分化的早晚,真葉面積影響著花芽分化的數(shù)目與花芽質(zhì)量;花芽開始分化后,頂芽最先分化,頂芽兩側(cè)的上位側(cè)芽隨即也開始分化,一般當(dāng)?shù)?花序的花蕾成形時,其側(cè)芽開始形成花序,如此反復(fù)分化,可以形成頂芽的2~4個花苞,從而過渡到盛花期。
關(guān)于火柴頭的雄、雌蕊原基分化界限不明顯的原因,可能是其花芽分化總歷程較短,致使分配到這2個時期的時間極少,這也體現(xiàn)在整個花芽分化過程由慢到快的節(jié)奏上?;鸩耦^從4葉期開始進(jìn)入分化初期,營養(yǎng)生長錐開始向生殖生長錐過渡,分生組織細(xì)胞不斷積累,形成所需的營養(yǎng)物質(zhì),到6葉期基本完成花芽分化。van Meulebroek等認(rèn)為,在此過程中8種主要的植物激素(生長素、赤霉素、脫落酸、茉莉酸、水楊酸、玉米素、N-芐基腺嘌呤和油菜素內(nèi)酯)是植物花芽分化重要的信號分子[27];馮慧等認(rèn)為,細(xì)胞分裂素的存在會促進(jìn)荔枝花芽的分化,荔枝花芽在進(jìn)入花序原基形成期及花序軸形成期后細(xì)胞分裂素含量會逐漸增加,到花器官形成期達(dá)到高峰,而雌雄蕊形成期的細(xì)胞分裂素含量較低[28];王姍等發(fā)現(xiàn),在鳳梨花器官發(fā)育時,赤霉素含量上升,脫落酸、玉米素含量處于正常水平,在其花芽誘導(dǎo)期,脫落酸、玉米素含量升高,低水平的生長素、赤霉素促進(jìn)其花芽的誘導(dǎo),而相對較高的生長素、赤霉素含量利于其花形態(tài)的建成[29]。因此,可以推測火柴頭雄、雌蕊原基分化時期的界限不明顯可能與細(xì)胞分裂素、玉米素、赤霉素等激素含量的變化有關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究。
花芽分化是有花植物發(fā)育中最為關(guān)鍵的階段[30],通過了解植物花芽分化的機(jī)制,對合理制定栽培措施、合理進(jìn)行花期調(diào)控以及徹底根除開花結(jié)實(shí)能力強(qiáng)的危害性植物等都有重要意義,闡明火柴頭初始花芽分化進(jìn)程與葉生長的同生關(guān)系,有助于確定控制該雜草的有效手段,減少其危害和損失。
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