檫木開花與果實(shí)發(fā)育規(guī)律初步研究

陳宏志，劉 軍，姜景民，孫 楊，董 昕，傅愛平

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；2. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 江西省吉安市永豐縣李山林場，江西 吉安 331504)

檫木（Sassafras tzumu（Hemsley）Hemsley）隸屬樟科（Lauraceae）檫木屬（SassafrasJ.Presl），又名檫樹、黃楸木、桐梓樹、鵝腳板，落葉大喬木，自然分布于我國長江流域及其以南地區(qū)海拔100～1 900 m的森林中，是山地次生林的主要先鋒樹種和優(yōu)勢樹種[1-2]。檫木早期生長快，樹冠常居于林冠上層，早春開花，花色明黃，先花后葉，秋季葉色轉(zhuǎn)紅或黃，色彩醒目，是重要的彩葉景觀樹種之一[3-4]；檫木樹干通直，木材花紋明顯美觀，耐腐有香氣，也是優(yōu)良的用材樹種[5-7]，2017年被國家林業(yè)局列入《中國主要栽培珍貴樹種參考名錄》。

檫木屬包括3個種，分別為檫木、臺灣檫木（S. randaiense(Hayata) Rehder）和美洲檫木（S.albidum(Nuttall) Nees），為典型的東亞-北美間斷分布屬[2,8]，研究表明檫木屬3個種屬于單系發(fā)生類群，東亞的2種組成與北美種是相對的姊妹群，并認(rèn)為臺灣檫木源于大陸檫木[9]。不同于美洲檫木明確的花性別特征，臺灣檫木和檫木在花性別描述上一直存在爭議[10-11]。早期文獻(xiàn)記載檫木為雌雄異株[1]，沈卓君等[10]認(rèn)為這種記載是由于早期樣本采集時出現(xiàn)了錯誤，并總結(jié)了前人對檫木花性別的描述，包括單性雌雄異株、兩性或功能上雌雄異株、雜性異株、花兩性以及花近乎兩性等，后續(xù)通過對大量花的觀察認(rèn)為檫木花為兩性花。谷淑芳等[12]和王馨等[13]的研究在一定程度上支持了該觀點(diǎn)，并認(rèn)為檫木花為雌蕊先熟的兩性花結(jié)構(gòu)。但到目前為止，包括修訂后的《中國植物志》等權(quán)威著作尚無對檫木的花性別進(jìn)行界定[2]。在果實(shí)研究方面，僅見沈卓君等[10]與谷淑芳等[12]對果實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過初步觀察，對果實(shí)整個發(fā)育過程規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)的研究。為深化對檫木花和果實(shí)的生物學(xué)認(rèn)知，本試驗(yàn)進(jìn)一步觀察檫木開花與果實(shí)發(fā)育過程，解析檫木開花與果實(shí)發(fā)育規(guī)律，為檫木種質(zhì)資源收集評價、保存利用及育種等研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

取樣點(diǎn)位于浙江省杭州市富陽區(qū)城市森林公園（119°57′ E, 30°03′ N），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，冬冷夏熱，春季平均氣溫19.1℃，夏季平均氣溫26.5℃，降水充沛。試驗(yàn)共選取6株無病害且樹齡超過10 a的檫木并編號，于2018年1—7月取樣并觀察。

1.2 試驗(yàn)方法

自2018年1月起，每周觀察并取樣1～2次，樣品用50% FAA固定48 h后轉(zhuǎn)入70% FAA中保存?zhèn)溆?，其中檫木花的采樣時間為1—3月，果實(shí)采樣時間為4—7月，至果實(shí)成熟為止。

檫木開花規(guī)律：觀察并記錄檫木混合芽芽鱗開裂期、初花期（開花數(shù) ≥ 5%時記為起點(diǎn)）、盛花期（開花數(shù) ≥ 50%時記為起點(diǎn)）及末花期（開花數(shù) ≥ 95%時記為起點(diǎn)）起始時間[14]；用高枝剪于盛花期自每株檫木上剪取30個花枝，統(tǒng)計(jì)剪取的花枝上每個混合芽包含的花序數(shù)、每個花序花數(shù)量，測量花梗長和花徑大小。

檫木果實(shí)發(fā)育規(guī)律：自檫木幼果形成開始，每周取樣1次，利用游標(biāo)卡尺測定果實(shí)橫徑與果實(shí)縱徑（每重復(fù)50個單果），測定果實(shí)鮮質(zhì)量（稱量50個果實(shí)總質(zhì)量后取平均值），105℃殺青30 min后于70℃烘干至恒質(zhì)量，試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。計(jì)算果形指數(shù)、果實(shí)含水率和果實(shí)干質(zhì)量比例并繪制果實(shí)生長發(fā)育曲線，其中：果形指數(shù) = 果實(shí)縱徑/果實(shí)橫徑；果實(shí)含水率 =（果實(shí)鮮質(zhì)量 - 果實(shí)干質(zhì)量）/果實(shí)鮮質(zhì)量；果實(shí)干質(zhì)量比例 = 果實(shí)干質(zhì)量/果實(shí)鮮質(zhì)量。

檫木花與果實(shí)結(jié)構(gòu)：樣品采集固定后，利用MDG33型體視顯微鏡（徠卡公司）和石蠟切片觀察檫木花和果實(shí)結(jié)構(gòu)。其中石蠟切片制作方法參照王馨等[15]方法，經(jīng)脫水、透明處理后用石蠟包埋，切片厚度6～8 μm，利用Imager A2型研究級顯微鏡（蔡司公司）觀察并拍照。

采用Excel2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 檫木花結(jié)構(gòu)特征觀察

利用體視顯微鏡和石蠟切片對檫木花整體及組成部位進(jìn)行觀察，主要結(jié)果如下：檫木花由花被片6枚、雄蕊12枚和雌蕊1枚組成（圖1-A）?；ū黄逝樞?，長約3 mm，分2輪排列，每輪3枚；12枚雄蕊分4輪排列，最外2輪每輪雄蕊3枚，由花藥和花絲組成，長約3 mm；第3輪雄蕊3枚，在其基部著生2枚腺體，腺體成熟時呈杏黃色或橘紅色，可吸引昆蟲授粉，體式顯微鏡下觀察到腺體外部呈馬蹄形（圖1-B），石蠟切片觀察發(fā)現(xiàn)其含有大量油性細(xì)胞（圖1-C）；第4輪雄蕊3枚，外形呈倒三角形，圍繞雌蕊排列，形態(tài)退化無育性且較前3輪體積小，長約1.5 mm（圖1-D），試驗(yàn)中觀察到的花多為該結(jié)構(gòu)。

作者還觀察到另一種檫木花結(jié)構(gòu)類型，其由花被片8枚、雄蕊16枚和雌蕊1枚組成（圖1-E），花被片8枚分2輪排列，16枚雄蕊分4輪排列，具體表現(xiàn)最外2輪雄蕊每輪4枚，第3輪雄蕊4枚，第4輪雄蕊4枚，其中前3輪雄蕊可育，第4輪雄蕊退化；檫木花雌蕊位于整個花的中央，由柱頭、花柱和子房3部分組成，柱頭具有乳頭狀突起（圖1-F），子房上位，包含1室1胚珠（圖1-G）；可育雄蕊花藥4室（圖1-H），花藥囊朝向雌蕊，授粉時花粉囊破裂花粉外散（圖1-I），雄配子體經(jīng)花柱進(jìn)入胚囊與卵結(jié)合并最終完成授粉。

2.2 檫木開花時序特征

檫木開花過程可分為4個階段，分別為I-芽鱗開裂期、Ⅱ-初花期、Ⅲ-盛花期、Ⅳ-末花期，整個過程持續(xù)約60 d。檫木成花的芽位于枝條頂端（圖2-A），是由簇生的花序與新枝生長錐組成的混合芽，芽外部覆蓋數(shù)目不等的黃褐色芽鱗，其大小與所包含的花序數(shù)目有關(guān)。

圖 1 檫木花結(jié)構(gòu)特征Fig. 1 The flower structure characteristics of S. tzumu

圖 2 檫木開花動態(tài)Fig. 2 Floral dynamic of S. tzumu

混合芽于1月底至2月初體積達(dá)到最大后芽鱗開裂，簇生狀總狀花序裸露（圖2-B），之后花序不斷伸長，視氣溫條件及發(fā)育情況逐漸開花。2月下旬至3月中旬為盛花期（圖2-C），每個混合芽平均可形成花序4.75～9.50個，每個花序平均成花8.25～14.50朵，每個混合芽可成花約68～92朵，且每個混合芽成花量在同株不同混合芽間差異大，平均花徑8.76～11.01 mm，花梗長6.95～7.65 mm（表1）。3月中旬開始授粉，該時期腺體呈杏黃色或橘紅色，并分泌香味物質(zhì)，花粉囊破裂,花粉外散，吸引昆蟲授粉，完成授粉后花被片閉合、柱頭萎蔫（圖2-D）。3月下旬進(jìn)入末花期，該時期子房開始膨大，之后花被片及雄蕊逐漸脫落并形成幼果，位于花序中央的新枝生長錐開始生長（圖2-E）。

表 1 檫木花部結(jié)構(gòu)數(shù)量特征Table 1 The quantitative characteristic of flower structure of S. tzumu

2.3 檫木果實(shí)結(jié)構(gòu)變化特征

檫木果實(shí)由果皮和種子兩部分組成，按照果實(shí)發(fā)育特征，可將果實(shí)發(fā)育分為幼果期、果實(shí)膨大期、果實(shí)變色期和果實(shí)成熟期。檫木花3月中下旬完成授粉后子房膨大，4月初可觀察到幼果，幼果果皮呈綠色，解剖可見內(nèi)部物質(zhì)呈白色絮狀，種皮呈白色，果皮厚度約0.22 mm（圖3-A）。5月初解剖新鮮果實(shí)（第5周），可觀察到對稱的兩片子葉平伏于胚乳上，兩片子葉中間為胚芽，位于果腔上方（圖3-B），之后子葉吸收胚乳營養(yǎng)不斷生長，體積逐步增大（圖3-C）；至6月中旬，胚乳被子葉完全吸收，2片子葉充滿整個果腔（圖3-D），此時種皮已由白色變?yōu)辄S色，生長1～2周后種皮硬化并由黃色變?yōu)楹谏?，果皮厚度約為0.93 mm，并開始由綠色向黑色轉(zhuǎn)變，果皮細(xì)胞介質(zhì)逐漸軟化并最終呈漿狀，至果皮成紫黑色時果實(shí)完全成熟（圖3-E），整個發(fā)育過程持續(xù)12周，最終形成漿果狀核果，種子黑色呈圓形，直徑約5.12 mm，為雙子葉無胚乳種子。此外，試驗(yàn)還觀察到8.53%～27.22%不等的非正常發(fā)育果實(shí)，該類果實(shí)體積與正常果實(shí)無差異，具有正常發(fā)育的果皮和種皮，但未觀察到種胚（圖3-F）。

圖 3 不同發(fā)育時期檫木果實(shí)結(jié)構(gòu)特征Fig. 3 Fruit structure characteristics of S. tzumu at different developmental stages

2.4 檫木果實(shí)果形與質(zhì)量變化特征

在檫木果實(shí)發(fā)育初期（第1—2周），果實(shí)鮮質(zhì)量和體積緩慢增加，果實(shí)縱徑大于果實(shí)橫徑，第3—8周果實(shí)橫徑與果實(shí)縱徑快速增加，8周后果實(shí)生長速度降低，果實(shí)體積緩慢增加，至第10周果實(shí)體積基本達(dá)到最大，此時果實(shí)橫徑與縱徑分別為6.89 mm和7.14 mm，果形指數(shù)1.04（圖4-A），果實(shí)外形呈圓形；第3—5周果實(shí)鮮質(zhì)量快速增加，之后生長速度減緩，至第10周果實(shí)鮮質(zhì)量達(dá)到最大，單果質(zhì)量0.17 g，在整個發(fā)育過程中果實(shí)體積和鮮質(zhì)量均表現(xiàn)為“慢-快-慢”的變化規(guī)律。

圖 4 檫木果實(shí)大小與質(zhì)量變化規(guī)律Fig. 4 Changes of fruit size and weight of S. tzumu

檫木果實(shí)發(fā)育早期含水率達(dá)80%以上（第1—3周），果實(shí)干質(zhì)量低；隨著種胚的形成與生長，果實(shí)含水率降低，果實(shí)干質(zhì)量呈線性增加，果實(shí)含水量則隨著果實(shí)生長先升高后降低的變化特征，其中第5周時含水量最高為0.11 g，占該時期果實(shí)鮮質(zhì)量的77.15%，至果實(shí)成熟時含水量降為0.09 g，占果實(shí)鮮質(zhì)量的53.93%，單果干質(zhì)量0.08 g，占果實(shí)鮮質(zhì)量的46.07%（圖4-B）。以果實(shí)發(fā)育周期為橫坐標(biāo)（x），分別以果實(shí)鮮質(zhì)量、果實(shí)含水量、果實(shí)干質(zhì)量、果實(shí)橫徑和果實(shí)縱徑為縱坐標(biāo)（y）繪制散點(diǎn)圖，數(shù)學(xué)模型擬合顯示相關(guān)指標(biāo)均與果實(shí)發(fā)育周期存在一定的函數(shù)關(guān)系，其R2值均達(dá)到0.900以上（表2），表明模型可以較準(zhǔn)確地反映檫木果實(shí)生長發(fā)育的動態(tài)變化規(guī)律。

表 2 檫木果實(shí)性狀與果實(shí)發(fā)育周期函數(shù)關(guān)系Table 2 The relationship between fruit characteristics and develpment periods

3 討論

明確植物開花規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征是研究植物生活史、了解植物傳粉機(jī)制、繁殖系統(tǒng)以及資源收集利用等工作的前提[16-17]。檫木成花的芽1月底2月初芽鱗開裂，群體水平上花期自2月中旬至3月下旬，持續(xù)約45 d；在花結(jié)構(gòu)方面，不同于美洲檫木單性花、雄花雄蕊9枚、無退化雄蕊和退化雌蕊、雌花具6枚退化雄蕊的分類特征[18]，東亞分布的姐妹種——臺灣檫木和檫木則以花具有正常雌雄蕊結(jié)構(gòu)以及內(nèi)輪具3枚形態(tài)退化雄蕊為主要特征，以至于曾將東亞種作為不同屬或亞屬[2,9]。但關(guān)于東亞2個種的花性別長期存在爭議，研究表明臺灣檫木花藥2～4室，花為雌蕊先熟的雌雄異熟兩性結(jié)構(gòu)，應(yīng)稱為同步或異步雌雄異熟[11,19]，檫木具正常兩性花結(jié)構(gòu)，雄蕊花藥4室，雌蕊先于雄蕊成熟[12-13]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)檫木開花量大，每混合芽可成花68～92朵，主要依賴?yán)ハx授粉，觀察到的花均具有雄蕊和雌蕊結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出兩性花的特征，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)單性花，可育雄蕊花藥4室，且供試檫木植株均能正常結(jié)實(shí)；試驗(yàn)觀察到2種不同花結(jié)構(gòu)類型，一種由花被片6枚、雄蕊12枚和雌蕊1枚組成，這與多數(shù)文獻(xiàn)中所描述的花結(jié)構(gòu)特征一致[2,12]，另一種由花被片8枚、雄蕊16枚和雌蕊1枚組成，但該類型花數(shù)量較少，關(guān)于該類型的花能否正常授粉結(jié)實(shí)，以及兩種類型的花是否同時存在于同一花序上等問題有待進(jìn)一步觀察。

檫木果實(shí)生長呈現(xiàn)“慢-快-慢”的變化規(guī)律，4月初幼果形成，此時新枝生長錐開始生長，與幼果生長形成競爭，造成檫木果實(shí)初期生長緩慢[12]；4月中下旬檫木葉發(fā)育完成并開始提供光合產(chǎn)物，果實(shí)進(jìn)入快速生長期，果實(shí)鮮質(zhì)量快速增加，種胚體積增大，果實(shí)含水率降低，果實(shí)干質(zhì)量增加；至6月底進(jìn)入成熟期，該時期細(xì)胞介質(zhì)成漿汁狀，形成漿果狀核果，果托淺杯狀具長柄，果皮紫黑色被白粉，果核近球形，種子為雙子葉無胚乳種子[12,20]。試驗(yàn)觀察到檫木果實(shí)中存在8.53%～27.22%的無種胚果實(shí)，其可能與胚囊僅少數(shù)正常發(fā)育、雌配子體很少出現(xiàn)數(shù)目齊全的胚囊核以及珠心組織存在解離等現(xiàn)象有關(guān)[19,21]，另一方面，檫木依賴?yán)ハx傳粉，花雌蕊先于雄蕊熟，且柱頭可授期僅為8 d，由于檫木花中存在花粉敗育現(xiàn)象且花粉活力僅能維持32 h[21]，若遇早春嚴(yán)寒霜凍或授粉期陰雨天氣等因素，極易造成檫木授粉失敗[10-11]，進(jìn)而導(dǎo)致檫木雖然開花量大，但結(jié)實(shí)率低甚至不結(jié)實(shí)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

檫木開花與果實(shí)發(fā)育過程觀察結(jié)果表明：供試檫木植株群體水平上花期自2月中旬持續(xù)至3月下旬，開花過程可分為芽鱗開裂期、初花期、盛花期、末花期4個階段；觀察到少見的花被片8枚、雄蕊16枚及雌蕊1枚的花結(jié)構(gòu)；檫木花具有正常雌雄蕊結(jié)構(gòu)，能夠正常授粉并結(jié)果，進(jìn)一步支持檫木花為兩性花的觀點(diǎn)；檫木果實(shí)發(fā)育可分為幼果期、果實(shí)膨大期、果實(shí)變色期以及果實(shí)成熟期4個階段，發(fā)育過程持續(xù)12周，果實(shí)為漿果狀核果，種子為雙子葉無胚乳種子。研究結(jié)果進(jìn)一步深化了對檫木生物學(xué)特性的認(rèn)知，并為檫木種質(zhì)資源收集、保存利用及育種等研究提供了參考依據(jù)。