荷花由單瓣到千瓣的演化及調(diào)控機制探討*

秦密，劉鳳欒，張大生，田代科?

①上海辰山植物園 中國科學院上海辰山植物科學研究中心，上海 201602；②上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院，上海 200234

“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，精煉地總結出荷花的生活習性及特點；“接天蓮葉無窮碧，映日荷花別樣紅”，生動地描繪出荷花景色之美；“青荷蓋綠水，芙蓉披紅鮮。下有并根藕，上有并頭蓮”則借獨特稀奇的“并蒂蓮”現(xiàn)象暗喻了美好愛情。從古至今，之所以有如此之多的詩句和文章描繪、贊美荷花，與其集食用、藥用、觀賞多種用途于一身，并不斷被賦予“純潔、清正、高雅”等人格象征緊密關聯(lián)。因此，在經(jīng)濟需求(多種實用價值)及精神需求(象征意義)的雙重選擇下，各種各樣的荷花品種不斷被人們培育出來。迄今為止，全球僅觀賞荷花品種就已達2 000多個。就花的被片數(shù)而言，觀賞荷花品種已演化出單瓣、重瓣、重臺及千瓣等多種類型[1]。在園林園藝應用中，個體花期較長、造型豐富多變的重瓣荷花(如‘友誼牡丹’‘中山紅臺’‘至尊千瓣’和‘光岳樓’)觀賞價值更高，造景效果更好。事實上，野生荷花都是單瓣類型，花瓣數(shù)量一般24～28片，經(jīng)過長時間的自然和人為選擇之后，才出現(xiàn)了重瓣及千瓣荷花。那么，荷花的單瓣、重瓣是如何劃分的?區(qū)別在何處?花瓣重瓣化現(xiàn)象又是如何發(fā)生的呢？本文就此展開論述。

蓮科植物最早的化石發(fā)現(xiàn)于早白堊世勞亞古陸中緯度地區(qū)，廣布于亞洲大陸和北美洲?，F(xiàn)僅有蓮屬(Nelumbo)2個種，即分布于亞洲和澳大利亞北部的亞洲蓮(Nelumbo nuceferaGaertn.)和中北美洲的美洲蓮(N. luteaWilld.)[2]。作為荷花的世界分布中心和栽培中心之一[3]，我國擁有世界上最豐富的荷花種質(zhì)資源，除了爭奇斗艷、豐富多樣的栽培品種，還包括許多野生類型：黑龍江流域的野生蓮，黃河長江流域的‘白洋淀紅’蓮、‘微山湖紅’蓮和‘洪湖紅’蓮等，表現(xiàn)為單瓣、紅色或粉紅色等表型。19世紀末，在大連市普蘭店發(fā)掘的古蓮子，培育成苗后開花亦為單瓣紅色(圖1)。我們通過分子標記檢測發(fā)現(xiàn)，它與已發(fā)現(xiàn)的‘古代’蓮和黑龍江等東北野生蓮的親緣關系最近，暗示了其野生蓮身份(待發(fā)表)。

圖1 盛開的‘普蘭店古’蓮

1 ‘普蘭店古’蓮

19世紀末，遼寧大連普蘭店的居民從當?shù)嘏f河床中發(fā)現(xiàn)古蓮子。1923年，日本植物學博士大賀一郎(Ichiro Ohga)首次將普蘭店出土的古蓮子成功培育成植株，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)古蓮子處的河床巖石、泥土等地質(zhì)學特征推測這些古蓮子的年齡在400年以上[4]。此后，關于‘普蘭店古’蓮年齡的報道相繼出現(xiàn)。1951年美國著名放射化學家利比(Libby)用放射性碳技術測出‘普蘭店古’蓮的年齡為1 040±210年[5]；1975年，經(jīng)中國科學院考古研究所測定1952年北京植物園在普蘭店收集的古蓮子壽命為915±80年[7]；1982年荷蘭科學家普利斯特列(Priestley)等用放射性同位素測定一?！仗m店古’蓮種子的種齡約為466年[6]。1955年中國科學院植物研究所成功地將普蘭店的古蓮子培育開花，引起很大轟動[7]。古蓮子之所以歷經(jīng)千年能保存下來并發(fā)芽開花，同其致密的果皮結構、蓮子含抗氧化物質(zhì)以及蓮子埋藏在地下密閉環(huán)境等條件密不可分。得益于普蘭店的愛蓮人徐剛等對古蓮的積極保護，如今普蘭店已成為中國最大的原生態(tài)古蓮基因庫基地。2008年，徐剛還將‘普蘭店古’蓮所結蓮子搭載“神舟七號”載人飛船遨游太空，返回后育出了‘飛天古’蓮等優(yōu)良品種。

2 荷花品種瓣型演化及分類

在長久的自然和人工選擇下，觀賞荷花出現(xiàn)單瓣、半重瓣、重瓣、重臺和千瓣等多種類型，極大地提升了觀賞價值。其中，單瓣是指花的各部分發(fā)育正常，花被形態(tài)完整，無雌雄蕊發(fā)生瓣化，花被片數(shù)常在30以下。自然界的野生蓮‘微山湖紅’‘白洋淀紅’和千年 ‘普蘭店古’蓮(圖1、圖2a)以及傳統(tǒng)品種‘單灑錦’(圖2A)等都屬于單瓣類型。半重瓣：僅有少部分雄蕊發(fā)生瓣化，最內(nèi)層的一些被片可觀察到雄蕊瓣化的痕跡或過渡類型，花被片數(shù)小于單瓣的2倍，常在30～60?！t衣舞女’(圖2b)和‘霞披’(圖2B)等均為此類。重瓣：花的雄蕊多數(shù)已瓣化，雌蕊部分或全部轉變?yōu)榛ò昊蚱漕愃平Y構，被片總數(shù)通常在60枚以上，為單瓣被片數(shù)目的2倍多，如‘大灑錦’(圖2c)和‘友誼牡丹’等(圖2C)。重臺：為高度半重瓣或重瓣花的特殊類型，部分雄蕊保留，心皮明顯泡化或特化成花瓣狀結構，形成上下雙層花被結構，但花托完整或出現(xiàn)退化，‘光岳樓’(圖2d)和‘紅臺’蓮(圖2D)為其代表。千瓣：實為重瓣花的極端類型，也屬于全重瓣，‘至尊千瓣’(圖2e)、‘千瓣’蓮(圖2E)為此類型，其中后者不僅外部被片數(shù)大量增加，一朵花內(nèi)還形成多個發(fā)育中心，包含2～5個花心，每個花心由若干細小花瓣組成。需注意的是，上述各類型間的花瓣數(shù)目并不存在明確分界[8-9]。

圖2 不同花型的荷花品種：單瓣(a‘普蘭店古’蓮、A‘單灑錦’)、半重瓣(b‘紅衣舞女’、B‘霞披’)、重瓣(c‘大灑錦’、C‘友誼牡丹’)、重臺(d‘光岳樓’、D‘中山紅臺’)和千瓣(e‘至尊千瓣’、E‘千瓣’蓮)

3 重瓣荷花的來源

荷花屬于同被花，花萼與花瓣沒有明確的分界。重瓣荷花的瓣化程度或花被數(shù)量差別很大，例如‘大灑錦’平均為93，‘中山紅臺’平均為306，而‘千瓣’蓮的被片數(shù)最多，上千至幾千(圖3)。通過對這些重瓣類型花朵的形態(tài)解剖觀察比較，認為其瓣化發(fā)生大致源于4種情況：雌蕊正常但雄蕊部分瓣化；雌蕊和雄蕊均部分瓣化；雌雄蕊全部瓣化以及花瓣的自然增加。具體描述如下：①雌蕊正常但雄蕊部分瓣化。此類多數(shù)為雄蕊向心式瓣化，即外圍雄蕊轉變?yōu)榛ò?，而接近花托的雄蕊保持不?圖3A1)，部分品種可觀察到雄蕊發(fā)生瓣化的過渡形態(tài)——花瓣頂部有花藥或附屬物的殘留(圖3A2)，即單個雄蕊瓣化的方向為花絲→花藥→附屬物(圖3A3)?！畱傧摹颜x牡丹’和‘小羚羊’等屬于此類型。②雌蕊和雄蕊均部分瓣化。隨著雄蕊瓣化程度增加，雌蕊也發(fā)生瓣化(圖3B1和B2)，雌蕊變泡狀或沿著腹縫線一側開裂形成管狀花瓣(圖3 B3和B4)，從而形成重瓣或重臺型，但仍有一定數(shù)量的正常雄蕊存在(圖3B2)。代表型品種如‘紅臺’蓮和‘中山紅臺’等。③雌雄蕊全部瓣化。雌蕊、雄蕊幾乎全部發(fā)生瓣化(圖3 C1～C4)，使得一朵花的被片數(shù)急劇增加，如‘光岳樓’和‘至尊千瓣’等。④花瓣的自然增加?！О辍?圖3 D1和D2)花蕾內(nèi)部生長點不形成雄蕊和雌蕊原基，而是產(chǎn)生多個類似花瓣原基(花瓣分生增值中心)結構，常形成多個“花頭”(圖3D3)，出現(xiàn)緊密相連的“花中花”景觀，這些花頭由細小花瓣密集組成(圖3D4和D5)，總花瓣數(shù)超過1 000，甚至多達數(shù)千。已有研究認為，荷花重瓣化的發(fā)生主要為前3種情況，即重瓣的花被片主要來源于雄蕊的向心式瓣化，其次是雌蕊瓣化，屬于植物重瓣花起源6種方式(積累起源、苞片起源、雌雄蕊起源、臺閣起源、重復起源和花序起源)中的雌雄蕊起源方式[10]。荷花重瓣化的第四種情況屬于哪一種重瓣花起源方式目前尚未定論，是否存在積累起源或者是其他的起源還有待研究。

4 荷花重瓣化機制的研究進展

重瓣荷花品種的觀賞價值很高，是荷花新品種育種的重要親本之一，也是研究高等植物花朵重瓣化演化的適宜材料。然而，關于荷花重瓣化機制的研究報道很少。在細胞水平上，姜莉等[11]通過解剖重瓣‘友誼牡丹’蓮和重臺的‘紅臺’蓮的花芽分化過程，發(fā)現(xiàn)重瓣和重臺荷花均存在雌雄蕊的瓣化，其中重臺荷花的雌雄蕊瓣化程度較大，并失去了性細胞的分化。針對單瓣、重瓣、重臺、全重瓣及千瓣等5種花型荷花的花芽分化進行解剖分析，黃秀等[10]證明荷花重瓣化花瓣主要來源于雄蕊的向心式瓣化，其次是雌蕊瓣化，屬于雌雄蕊起源。其中，全重瓣品種中有雌雄蕊原基的分化，但發(fā)育后期均轉化為花瓣，其雄蕊原基轉向花瓣的發(fā)育過程與牡丹和芍藥雄蕊筒狀花瓣的發(fā)育過程相似，大致也可分為雄蕊原基分化、轉化發(fā)育、小花瓣形成和成熟等4個階段。

圖3 不同瓣化程度荷花的解剖結構：A1部分雄蕊瓣化的花朵，A2雄蕊瓣化被片殘留花藥或附屬物痕跡，A3雄蕊及其瓣化過渡態(tài)；B1雌蕊發(fā)生泡化的花朵，B2雌蕊泡化的花托，B3花托及瓣化雌蕊解剖，B4 瓣化雌蕊；C1雄蕊全部瓣化、雌蕊全部泡化的‘光岳樓’，C2‘光岳樓’花朵的縱切，C3花托及泡化的心皮，C4完全泡化的心皮；D1‘千瓣’蓮，D2一朵花中的一個“花頭”，D3‘千瓣’蓮的花心，D4‘千瓣’蓮的退化花托，D5‘千瓣’蓮多個花心的花托(D4放大圖)

著名荷花研究及育種者黃國振認為，荷花的重瓣是隱性性狀[12]：通過單瓣‘白花建’蓮和重瓣紅花‘紅千葉’的雜交試驗，F(xiàn)1代的所有雜合植株均表現(xiàn)為單瓣紅花；對F1代進行人工自花授粉，結果發(fā)現(xiàn)F2代中分離出重瓣紅花、單瓣紅花和單瓣白花等各種不同的類型。此外，在比較了不同重瓣程度品種染色體組型結構后，他還認為：荷花“重瓣化”主要是由于某些染色體結構發(fā)生突變導致的，特別是高度重瓣化的‘重臺’蓮和‘并蒂’蓮，其染色體結構的變異更為顯著[13]。近年來，隨著基因測序技術的迅猛發(fā)展，轉錄組測序分析成為研究植物花發(fā)育的一個新途徑。我們課題組已利用二代測序技術對單瓣、重瓣和千瓣的荷花花蕾進行轉錄組測序，獲得46 584個獨立基因(unigene)，涉及花器官發(fā)育、花色途徑、糖脂合成與代謝，以及信號傳導等相關基因信息[14]，為荷花的花器官發(fā)育機制研究提供了豐富的分子水平信息。

植物外在形態(tài)由自身遺傳物質(zhì)和環(huán)境條件共同決定，荷花被片數(shù)增加由相關基因調(diào)控。1991年Coen等[15]通過對擬南芥(Arabidopsis thaliana)和金魚草(Amtirrhinum majus)花器官的研究，提出了調(diào)控植物花器官發(fā)育的經(jīng)典ABC模型。該模型認為：A類基因單獨決定萼片特性，A和B類基因共同決定花瓣特性，B和C類基因共同決定雄蕊特性，C類基因單獨控制心皮特性。也就是說，一類基因控制相鄰兩輪花器官的發(fā)育：萼片(A)、花瓣(A+B)、雄蕊(B+C)、心皮(C)。隨后，在研究矮牽牛(Petunia hybrida)的胚珠發(fā)育調(diào)控時，克隆到僅在胚珠原基、珠被和珠柄中表達的FBP11基因，并將其命名為D類基因[16]，結合后續(xù)發(fā)現(xiàn)的協(xié)同調(diào)控萼片發(fā)育的E類基因，經(jīng)典ABC模型被發(fā)展為ABCDE模型：萼片(A+E)、花瓣(A+B+E)、雄蕊(B+C+E)、心皮(C+E)、胚珠(D+E)(圖4)。其中，B類和C類基因在高等植物重瓣花發(fā)育中起著重要作用，它們的突變或異常表達可誘導花朵的重瓣化。例如：金魚草C功能AG同源基因FAR的缺失突變導致雄蕊瓣化形成重瓣花；麝香百合因其C類基因向中央收縮使外輪雄蕊變成花瓣而形成重瓣花[17]。目前荷花花發(fā)育的具體調(diào)控機制尚未清晰，因荷花重瓣化主要源于其雌雄蕊群，所以我們推測，調(diào)控荷花重瓣化演化的關鍵基因應屬于B類和C類。

隨著生物技術的不斷發(fā)展，研究者對荷花花發(fā)育調(diào)控機制的了解逐漸深入。轉基因體系的不斷完善，可以對荷花開展分子輔助育種及更有針對性的分子育種，培育出更多新奇、獨特的重瓣荷花品種，豐富和提高荷花的觀賞性，進而提升水域景觀及園林造景的觀賞效果。

圖4 植物花器官發(fā)育的ABCDE模型(參考Kim等[18])。A＋E類基因調(diào)控萼片發(fā)育，A＋B＋E類基因調(diào)控花瓣發(fā)育，B＋C＋E類基因調(diào)控雄蕊發(fā)育，C＋E類基因調(diào)控心皮發(fā)育，D＋E類基因調(diào)控胚珠發(fā)育，C類基因也可能參與了調(diào)控胚珠發(fā)育

(2017年10月9日收稿)■

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