蔣 政 孫李勇 劉 旭 劉晨妮 尹增芳,2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037)

在自然界中，生長在溫帶的植物通常一年只開一次花，但是也有一些植物存在多次開花的現(xiàn)象。一般認(rèn)為果木類一年多次開花會導(dǎo)致減產(chǎn)現(xiàn)象的發(fā)生[1]，而園藝植物多次開花則可以增加觀賞性狀的多選擇性。王俊杰和汪琪華[2]最早總結(jié)了生長在我國的木本植物二次開花的類別，但關(guān)于植物二次開花現(xiàn)象機理的解讀資料較少。在黃牡丹雜種(Paeonia‘High Noon’)二次開花現(xiàn)象研究中，發(fā)現(xiàn)其生長發(fā)育年周期、花芽分化[3]及二次成花的酶代謝具有一定規(guī)律性[4]。發(fā)育生物學(xué)已經(jīng)證實，碳水化合物、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的分配格局與開花密切相關(guān)。郭娜[5]認(rèn)為3種丁香屬(Syringa)植物二次花芽分化階段營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生規(guī)律性變化，而在砂梨(Pyruspyrifolia)第二次開花過程中，枝條內(nèi)有機營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化亦非常顯著[6]。因此，比較不同開花期營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)變化狀況，更有助于對二次開花現(xiàn)象的理解。

常春二喬玉蘭(Magnoliasoulangeana‘Changchun’)屬于木蘭科(Magnoliaceae)木蘭屬(Magnolia)，是由二喬玉蘭(Magnoliasoulangeana)芽變枝繁育而來，具有與二喬玉蘭同樣的觀賞性狀，如早春開花，先花后葉，花繁茂艷麗等，但相對于二喬玉蘭，在同樣的栽培環(huán)境下，常春二喬玉蘭一般一年至少開花兩次[7]，而二喬玉蘭則僅于春季開花一次。在自然生長條件下，常春二喬玉蘭與二喬玉蘭一樣經(jīng)歷營養(yǎng)生長向生殖生長階段的轉(zhuǎn)變，但成花后的常春二喬玉蘭可分別于春、夏季各開花一次。這一現(xiàn)象值得人們進(jìn)一步的思考：常春二喬玉蘭春季開花與夏季開花特性有何差異？是怎樣的營養(yǎng)水平及其效應(yīng)機制可以導(dǎo)致其兩季開花？基于上述問題，本研究擬對常春二喬玉蘭春夏兩季開花現(xiàn)象進(jìn)行形態(tài)及營養(yǎng)物質(zhì)含量變化的觀測及分析，為木本植物多次開花的生物學(xué)研究提供基礎(chǔ)理論資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以南京林業(yè)大學(xué)校園中6年生的常春二喬玉蘭為試驗材料，樹體無病蟲害，常規(guī)養(yǎng)護(hù)管理。

1.2 試驗方法

1.2.1 年生長物候期劃分

自2015～2017年共進(jìn)行了3次年生長物候期觀測。采用常規(guī)形態(tài)檢測的方法，選取生長狀態(tài)良好的90個枝條進(jìn)行跟蹤標(biāo)記，測量并記錄標(biāo)記枝上芽的長、寬和生長狀態(tài)。同時，隨機選取樹冠中部5枚芽在Nikon SMZ18體視顯微鏡下進(jìn)行解剖并拍照，根據(jù)標(biāo)記枝上芽的生長量和發(fā)育狀態(tài)，確定常春二喬玉蘭的生長發(fā)育物候期，并于開花期統(tǒng)計測算開花率：

開花率(%)=開放花朵數(shù)量/花芽總量×100%

(1)

1.2.2 生理指標(biāo)測定

在明確常春二喬玉蘭年生長物候期的基礎(chǔ)上，自2017年1月至2017年6月于常春二喬玉蘭春夏季開花的各關(guān)鍵物候期進(jìn)行采樣，每次隨機采集3～5個生長良好、無病蟲害的枝條，清洗擦干，將頂芽下部第2～3節(jié)間莖段剪碎混勻作為莖段待測樣品。采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[8]；酸解法和蒽酮法測定淀粉含量[9]；考馬斯亮藍(lán)G-250法測定可溶性蛋白含量[8]。試驗3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Photoshop CS5軟件進(jìn)行圖版制作，物候觀測及營養(yǎng)物質(zhì)測定數(shù)據(jù)使用Excel 2010、SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 年生長物候動態(tài)

2.1.1 芽發(fā)育動態(tài)

自1月上旬至2月上旬，常春二喬玉蘭標(biāo)記枝頂花芽長寬無明顯變化。2月下旬，花芽發(fā)育膨大，其長寬生長量分別高于2月上旬36.29%和24.21%。3月初，花芽生長量進(jìn)一步增加(圖1a)，并開放成花。3月下旬，常春二喬玉蘭標(biāo)記開放成花的枝上側(cè)芽開始萌動，并抽出新生枝條，4月至5月下旬新枝頂芽不斷生長。對新枝頂芽解剖發(fā)現(xiàn)，常春二喬玉蘭于5月初完成營養(yǎng)頂端向生殖頂端的轉(zhuǎn)化(圖2a)，5月中上旬開始分化形成花被片(圖2b)，5月中下旬開始分化形成雌、雄蕊(圖2c)，及至5月底花芽形態(tài)分化基本完成(圖2d)。隨后枝頂花芽生長量出現(xiàn)兩種不同的變化趨勢：一部分花芽發(fā)育膨大，其長寬生長量分別高于5月下旬的60.15%和44.44%，并于6～7月漸次開放成花；另一部分花芽則未發(fā)育膨大，生長量亦明顯小于膨大花芽。自7～8月，未膨大花芽生長量僅小幅增長。9～12月由于未膨大花芽芽鱗片的脫落，致使其長度有所下降，然其寬度卻無明顯變化，說明此時未膨大花芽逐漸進(jìn)入休眠狀態(tài)(圖1b)。

圖1 常春二喬玉蘭年生長周期頂芽形態(tài)變化Fig.1 Morphological changes of top buds during annual growth cycle in M.soulangeana ‘Changchun’

2.1.2 物候期動態(tài)

如圖3所示，自12月始至翌年2月下旬，以枝頂花芽無明顯生長量變化的階段為常春二喬玉蘭休眠期。3月初，花芽芽鱗片破裂，露出紅色花被片，常春二喬玉蘭進(jìn)入春季開花期，整個春季開花過程歷時約20 d。4～5月，開放花枝上側(cè)芽抽枝生長，為營養(yǎng)生長期。常春二喬玉蘭具有頂芽成花的自然屬性，在營養(yǎng)生長期后枝條頂芽開始生殖轉(zhuǎn)化?；ㄑ啃螒B(tài)分化始于5月初，終于5月底，為花芽分化期。隨后花芽的發(fā)育進(jìn)程分為兩種類型：迅速膨大花芽與未膨大花芽。6月后，一部分花芽迅速膨大開放成花，常春二喬玉蘭進(jìn)入夏季開花期，歷時約20 d。6～7月內(nèi)未膨大花芽正常發(fā)育。7月后未膨大花芽發(fā)育較為遲緩，將此時期定義為發(fā)育滯緩期。此外，少量夏季開放的花的基部側(cè)芽再次分化形成花芽。10～11月常春二喬玉蘭開始落葉，標(biāo)志著落葉期的到來，枝條葉片全部脫落后，樹體進(jìn)入休眠期。

2.2 春夏季開花模式差異

常春二喬玉蘭營養(yǎng)生長后分化的花芽具有花開兩季的特點，而且春夏季花期內(nèi)開花模式存在一定差異。春季開花為先葉開花，而夏季開花則為花葉同放。春季開花表現(xiàn)為樹冠上所有花芽全部開放，開花率可達(dá)100%，且開花同步率較高，而夏季開花為部分花芽漸次開放，開花率約為30%，且開花同步率較低。春季開花時，花朵基部的側(cè)芽明顯膨大(圖4a)，而夏季開花時，花朵基部以及花枝上的側(cè)芽均相對較小(圖4b)。春季開花雌雄蕊發(fā)育健全(圖4c)，為可育花，而夏季開花雌雄蕊干癟細(xì)小，發(fā)育不完全(圖4d)，為不育花。兩季開花在花色和花形上并無明顯差別(圖4:a～b)。

圖2 常春二喬玉蘭花芽分化過程 a.生殖轉(zhuǎn)化初始階段；b.花被片分化階段；c.雌雄蕊分化階段；d.形態(tài)分化完成階段 RC.生殖頂端；Rec.花托；TeP.花被片原基；SP.雄蕊原基；PP.雌蕊原基；Sta.雄蕊；Pis.雌蕊Fig.2 The process of flower buds differentiation of M.soulangeana‘Changchun’ a. Initial of reproductive transformation; b. Tepal differentiation stage; c. Pistil and stamen differentiation stage; d. Completion of flower bud differentiation RC. Reproductive cone; Rec. Receptacle; TeP. Tepals primordium; SP. Stamen primordium; PP. Pistil primordium; Sta. Stamen; Pis. Pistil

圖3 常春二喬玉蘭年物候期Fig.3 The annual phenological period of M.soulangeana ‘Changchun’

2.3 春、夏季開花期營養(yǎng)物質(zhì)變化動態(tài)

2.3.1 春季開花期營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)

自休眠期至春季開花期，著生常春二喬玉蘭花芽的枝條中，可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均總體呈下降趨勢(圖5)。在花芽開始膨大時，可溶性糖含量下降最為明顯(P<0.05)，而可溶性蛋白含量則僅有輕微下降，淀粉含量變化不顯著，說明可溶性糖的大量消耗為花芽的膨大生長供應(yīng)了必須的物質(zhì)儲備。隨著春季開花期的到來，可溶性糖、可溶性蛋白含量明顯下降， 至花期結(jié)束時二者降至最低，分別相對于休眠期下降了56.94%和40.34%，淀粉含量同樣下降顯著(P<0.05)，推測春季開花及隨后的側(cè)芽萌動需要消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)。

圖4 春夏季開花期間花部形態(tài)差異 a.春季開放的花及其側(cè)芽形態(tài)；b.夏季開放的花及其側(cè)芽形態(tài)；c.春季開放花的雌雄蕊形態(tài)；d.夏季開放花的雌雄蕊形態(tài)Fig.4 Flower morphological differences during spring and summer flowering periods a. Morphology of flowers bloomed in spring and their lateral bud; b. Morphology of flowers bloomed in summer and their lateral bud; c. Pistil and stamen morphology of flowers bloomed in spring; d. Pistil and stamen morphology of flowers bloomed in summer

圖5 春季開花期營養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig.5 The nutrient contents during spring flowering

圖6 夏季開花期營養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig.6 The nutrient contents during summer flowering

2.3.2 夏季開花期營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)

自花芽分化期至夏季開花期，可溶性糖和淀粉含量總體呈現(xiàn)“降—升”趨勢，而可溶性蛋白則表現(xiàn)為下降趨勢(圖6)。可溶性糖和淀粉于花芽膨大生長時達(dá)到最低值，并分別相對于花芽分化期下降了35.27%和35.12%，可溶性蛋白含量亦明顯下降，而此時正值花器官進(jìn)一步發(fā)育與花芽迅速膨大生長階段，可見夏季開花的啟動需要大量營養(yǎng)物質(zhì)的供給。隨著夏季開花期的到來，可溶性糖和淀粉含量均有所上升，而可溶性蛋白含量則繼續(xù)下降至最低，且相對于花芽分化期下降了33.91%，推測碳水化合物含量的升高與含氮化合物含量的降低有利于夏季開花的實現(xiàn)。

3 討論

3.1 常春二喬玉蘭春夏季開花模式的特異性

常春二喬玉蘭營養(yǎng)生長后分化的花芽能夠花開兩季，這與什錦丁香(Syringa×chinensis)、小葉丁香(Sytingamicrophylla)、藍(lán)丁香(Syringameyeri)[5]的二次開花特性類似，而與黃牡丹雜種[3]的一年多次花芽分化而多次開花的特點略有不同。另外，有些植物如蘋果(Maluspumila)[1]、梨[10]、桑樹(Morusalba)[11]等會因為人工處理、氣候變化、病蟲害或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而導(dǎo)致二次開花，這些二次開花現(xiàn)象往往不穩(wěn)定，甚至因營養(yǎng)供應(yīng)不均而有損經(jīng)濟(jì)效益，而常春二喬玉蘭的春夏季開花乃是品種遺傳特性使然，開花物候期穩(wěn)定。相較春季開花的白玉蘭(Magnoliadenudata)和二喬玉蘭，它具有夏季花葉同放的特性，而相較于夏季開花的廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)，它又具有春季先葉開花的特性，故此常春二喬玉蘭因其獨特的物候特性和開花優(yōu)勢而具有更高的觀賞價值。

從開花育性角度而言，莢蒾屬(Viburnum)、繡球?qū)?Hydrangea)以及菊科(Asteraceae)部分物種[12]的可育花與不育花出現(xiàn)于同一花期，且二者分布于花序的不同位置，屬于空間上的育性差異，而常春二喬玉蘭的可育花出現(xiàn)于春季開花期，不育花則出現(xiàn)于夏季開花期，屬于時間上的育性差異。夏季開花不育雖不具備明顯的生殖生物學(xué)意義，但卻在降低了開花消耗的同時，仍保證了一定的觀賞性，大大增加了常春二喬玉蘭的觀賞價值。

3.2 春、夏季開花模式與營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)平衡

3.2.1 先葉開花模式與營養(yǎng)物質(zhì)的再分配

花芽在不同發(fā)育階段，均是生長代謝中心，要從植物體的不同部位大量調(diào)集貯藏的無機和有機營養(yǎng)物質(zhì)，為花芽生長發(fā)育提供碳骨架和能源[13～14]。有研究認(rèn)為，開花期植物的莖不像其他器官那樣能夠消耗或積累可溶性糖，而僅有分配和轉(zhuǎn)運營養(yǎng)物質(zhì)的作用[15]，這與本研究相關(guān)結(jié)果不一致。休眠期常春二喬玉蘭枝條的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均較高，說明彼時莖為營養(yǎng)物質(zhì)的儲存器官。春季開花期間，萌動開放的花從枝條中調(diào)集所需營養(yǎng)，故枝條可溶性糖和可溶性蛋白含量明顯下降。枝條中淀粉含量僅于開花后期下降明顯，說明常春二喬玉蘭春季開花早期以可溶性糖和可溶性蛋白為主要能量和營養(yǎng)來源，直至春季開花后期，為供應(yīng)開花和側(cè)芽萌動，致使枝條中儲存的淀粉分解。由于先葉開花樹種在春季開花時無葉片提供同化產(chǎn)物，故常春二喬玉蘭與毛泡桐(Paulowniatomentosa)[16]類似，二者在開花過程中所消耗的營養(yǎng)物質(zhì)皆來源于樹體上一年的營養(yǎng)貯存。

3.2.2 花葉同放模式與營養(yǎng)物質(zhì)的再分配

花芽膨大生長時，枝頂花芽大量消耗營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)一步分化發(fā)育并膨大，成為生長代謝中心，故枝條中3種營養(yǎng)物質(zhì)均明顯下降。由于常春二喬玉蘭夏季開花時花葉同放，葉片中的光合產(chǎn)物又具有就近分配的特性[13]，所合成的碳水化合物通過枝條向花轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致莖中可溶性糖與淀粉含量在開花后均顯著上升，這與馬鈴薯(Solanumtuberosum)[17]開花期的碳水化合物變化趨勢基本一致。同期可溶性蛋白含量明顯下降，則與‘豐水’梨(Pyruspyrifolia‘Hosui’)[6]第二次開花期蛋白質(zhì)含量的變化類似，上述結(jié)果可能與碳水化合物的合成加速以及蛋白質(zhì)水解酶活性增強有關(guān)。謝寅峰等[18]研究表明鵝毛竹(Shibataeachinensis)開花期間可溶性糖和可溶性蛋白的比值有所升高，且均高于不開花植株，這說明碳水化合物含量的相對升高以及含氮化合物含量的相對降低，有利于植物二次開花的實現(xiàn)。

此外，研究表明，糖可能以某種信號分子的形式存在，以類似植物激素的方式，調(diào)控植物生長發(fā)育和成熟[19～21]，如蔗糖能夠促進(jìn)晚花生態(tài)型擬南芥(Arabidopsisthaliana)、油菜(Brassicacampestris)、白芥(Sinapisalba)和葡萄(Vitisvinifera)開花，而蔗糖介導(dǎo)的信號途徑可能分別在CONSTANS下游和FLOWERINGLOCUST上游，通過整合到光周期途徑中發(fā)揮作用[22]；海藻糖-6-磷酸亦對生長發(fā)育有重要作用[23]，其合成酶缺失突變體能顯著延遲擬南芥開花[24]；擬南芥淀粉缺失、合成或降解突變體的開花時間亦會被顯著推遲[25～26]。因此，夏季開花期可溶性糖和淀粉含量的提高是否還作為某種信號分子，參與常春二喬玉蘭夏季開花的調(diào)控則有待于進(jìn)一步研究證實。

綜上所述，在常春二喬玉蘭春夏季開花期內(nèi)，營養(yǎng)物質(zhì)的分配與消耗因開花模式不同而相異。枝條不僅是營養(yǎng)物質(zhì)的運輸器官，也兼具儲藏功能。春季開花以營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和利用為主要模式，夏季開花則不僅僅需要營養(yǎng)物質(zhì)的充分供給，其動態(tài)平衡也對此時開花的實現(xiàn)具有重要的作用。