(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開(kāi)發(fā)中心,河南 鄭州 450003;2.國(guó)家林業(yè)和草原局杜仲工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450003;3.經(jīng)濟(jì)林種質(zhì)創(chuàng)新利用國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 鄭州 450003)
杜仲Eucommia ulmoides為杜仲科杜仲屬Eucommia植物,又是我國(guó)特有的第三紀(jì)孑遺植物,具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[1]。杜仲為嚴(yán)格雌雄異株,雌雄株的分布比例近似1∶1[2]。杜仲雌花單生于苞片腋間,授粉后發(fā)育成果實(shí),其種仁軋制的杜仲籽油含有多種代謝產(chǎn)物以及豐富的不飽和脂肪酸,其中α-亞麻酸含量達(dá)60%左右,可制作成杜仲亞麻酸軟膠囊等產(chǎn)品[3];果皮是提取杜仲膠的重要原材料,在醫(yī)療工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。杜仲雄花簇生于苞片腋間,其花粉活性成分和營(yíng)養(yǎng)成分的含量和種類十分豐富,是一種珍貴的藥用花粉資源,由雄花開(kāi)發(fā)出了杜仲雄花茶、雄花酒等產(chǎn)品[4]。
花芽分化是植物由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志之一,分化過(guò)程受植物和外界因素共同影響,分化時(shí)間、數(shù)量和質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)林木的早實(shí)性、豐產(chǎn)性、穩(wěn)定性以及商品價(jià)值緊密相關(guān)?;ㄑ糠只且粋€(gè)復(fù)雜的生理生化、基因調(diào)控和形態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程,對(duì)植物花芽分化的研究包括花芽生長(zhǎng)錐分生組織細(xì)胞的形態(tài)學(xué)觀察,碳氮化合物和激素等生理生化指標(biāo)變化以及開(kāi)花調(diào)控相關(guān)基因的變化[5]。劉朝暉等對(duì)杜仲雌雄花芽分化進(jìn)程的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,但未對(duì)花芽外部形態(tài)和內(nèi)源激素動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行觀察和測(cè)定[6]。不同地區(qū)的氣候條件、立地條件或栽培品種存在差異,植物花芽分化時(shí)間和進(jìn)程也會(huì)發(fā)生變化,因此僅根據(jù)前人研究不能準(zhǔn)確判斷其它地區(qū)的花芽具體分化進(jìn)程,進(jìn)而影響研究區(qū)域栽培管理和進(jìn)一步試驗(yàn)研究[7]。花芽外部形態(tài)特征與內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)存在一定的相關(guān)性,在花芽發(fā)育過(guò)程中建立形態(tài)標(biāo)記利于判斷不同環(huán)境條件下花芽的分化進(jìn)程,根據(jù)早實(shí)核桃Juglans regia雌花芽的大小、性狀、鱗片質(zhì)地和顏色判斷花芽?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)[8]。植物內(nèi)源激素含量和動(dòng)態(tài)變化與植物過(guò)程密切相關(guān),如低ABA/IAA 促進(jìn)油菜的成花誘導(dǎo)和花器官發(fā)育,但高ABA/IAA 則有利于花芽形態(tài)分化[9];銀杏Ginkogo biloba花芽不同發(fā)育階段,雌雄花芽中ABA、IAA 和ZRs 含量發(fā)生變化,且在雌雄花芽中變化趨勢(shì)存在差異[10-11]。研究顯示通過(guò)噴施外源激素能夠影響杜仲短周期林地上部分生物量和杜仲膠產(chǎn)量[12]。杜仲也是雌雄異株孑遺植物,因此通過(guò)觀察杜仲雌、雄花芽分化過(guò)程中內(nèi)外形態(tài)結(jié)構(gòu),以期建立花芽發(fā)育形態(tài)標(biāo)記;同時(shí)分析不同發(fā)育時(shí)期雌雄花芽中ABA、IAA 和ZRs含量動(dòng)態(tài)變化,了解這3 種內(nèi)源激素對(duì)杜仲雌、雄花芽分化的作用,為進(jìn)一步杜仲花芽發(fā)育研究提供依據(jù)以及為科學(xué)指導(dǎo)杜仲栽培管理提供理論參考。
試驗(yàn)地位于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究中心原陽(yáng)試驗(yàn)基地(34°55′18″~34°56′27″N,113°46′14″~113°47′35″E)。材料為杜仲良種示范園栽培的7年生嫁接苗果用國(guó)審杜仲良種‘華仲6 號(hào)’(F6)和雄花用國(guó)審杜仲良種‘華仲11 號(hào)’(M11)為研究材料。分別選取3 棵生長(zhǎng)勢(shì)均勻且無(wú)病蟲(chóng)害的雌、雄株作為樣株。從2017年4月25日—9月30日每隔4 d 采樣一次,10—12月每隔9 d 采樣一次,材料采集混合后,投放入FAA 固定液(70%乙醇∶冰乙酸∶38%甲醛=18∶1∶1)保存固定,后帶回實(shí)驗(yàn)室-4℃低溫保存。同時(shí),在采集FAA 固定材料時(shí),每樣株另采集花芽30粒立即投放入液氮中,帶回實(shí)驗(yàn)室保存在-80℃超低溫冰箱,用于植物激素測(cè)定,雌、雄株各3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
每取樣周期分別選取10 個(gè)典型雌雄株花芽進(jìn)行外部形態(tài)觀測(cè),測(cè)定指標(biāo)包括花芽大小、苞片數(shù)量、苞片顏色以及質(zhì)地的變化,同時(shí)數(shù)碼相機(jī)拍照記錄外部形態(tài)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察按照常規(guī)石蠟切片方法進(jìn)行制片[12],F(xiàn)AA 固定的材料逐漸酒精脫水、二甲苯透明、變溫浸蠟、切片,粘片后用番紅固綠雙重染色、脫蠟、復(fù)水、番紅-固率復(fù)染、中性樹(shù)膠封片后OLYMPUS 光學(xué)顯微鏡下觀察拍照。
在花芽形態(tài)觀察的基礎(chǔ)上,選取不同發(fā)育階段的花芽,用液氮研磨植物材料至粉末狀后,稱取0.1~0.2 g 樣品于10 mL 離心管中,然后進(jìn)行提取、提取液在過(guò)柱、洗脫、吹干、復(fù)溶、離心后上機(jī)。利用高效液相色譜-電離串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-ESIMS/MS)測(cè)定激素含量[13]。通過(guò)AB Analyst 化學(xué)工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和獲取。將混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液逐級(jí)稀釋成系列標(biāo)準(zhǔn)品溶液,以標(biāo)準(zhǔn)品濃度x(ng/mL)為橫坐標(biāo),以對(duì)照品峰面積值y為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算樣品中目標(biāo)物含量。利用T 檢驗(yàn)分析相同發(fā)育時(shí)期的雌、雄花芽?jī)?nèi)源激素含量差異顯著性,在Excel 2016 軟件中繪制折線圖。
根據(jù)杜仲雌、雄花芽外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果,花芽分化過(guò)程可分為5 個(gè)時(shí)期:花序原基分化期(4月下旬至5月下旬)、苞片原基分化期(6月上旬至6月中上旬)、雌/雄蕊原基分化期(6月中下旬至6月下旬)、雌/雄蕊形態(tài)建成期(7月上旬至11月上旬),隨后在低溫影響下雌雄花芽停止生長(zhǎng)進(jìn)入休眠期(11月中下旬至次年2月中上旬),其中雌雄花芽在雌/雄蕊原基分化期生長(zhǎng)速度較快、花芽高度和寬度發(fā)生明顯變化,同時(shí)雌雄花芽高度在雌/雄蕊形態(tài)建成期差異達(dá)到顯著(表1)。在花序原基分化期,花芽由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng),雌、雄花芽形態(tài)特征比較相似,芽體幼嫩青綠色,芽頂端尖細(xì)、基部寬大、近似為三角形,表面分布著白色柔毛(圖1A1、C1);內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)顯示花芽頂端隆起,呈錐形,細(xì)胞質(zhì)濃厚,分生能力強(qiáng)烈(圖1B1、D1)。苞片原基分化期,花芽苞片層數(shù)增加,且最外層苞片頂端逐漸木質(zhì)化,頂部顏色變?yōu)楹稚苑植忌倭咳崦▓D1A2、C2);內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示花芽基部至頂部分化出較多的苞片原基,且芽頂端分生組織加寬、變平(圖1B2、D2)。雌/雄蕊原基分化期,外側(cè)3~4層苞片逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轺[片狀,花芽呈褐色,內(nèi)部可觀察到雌花芽苞片原基腋間形成圓形小凸起即雌蕊原基,雄花芽苞片原基腋間形成數(shù)枚雄蕊原基簇生在苞片腋間,此時(shí)可根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)分雌雄花芽(圖1B3、D3)。雌/雄蕊形態(tài)建成期,花芽鱗片層數(shù)增至5~7 層,閉合緊密,雌花芽頂部比雄花芽頂部偏尖(圖1A4—5、C4—5);內(nèi)部觀察結(jié)果顯示雌蕊原基逐漸伸長(zhǎng)、發(fā)育成近羽狀、頂部二裂形成柱頭(圖1B4—5),而雄蕊原基的花藥壁逐漸發(fā)育完全,分化出表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層(圖1D4—5)。
表1 雌雄花芽分化過(guò)程內(nèi)外部形態(tài)特征?Table 1 External morphology and internal structure of female and male floral bud development
2.2.1 杜仲雌雄花芽萌動(dòng)觀察
第二年2月下旬氣溫回升后,杜仲雌、雄花芽休眠解除。其中,當(dāng)高于5.0℃的有效積溫達(dá)27.5℃左右時(shí),雄花芽苞片開(kāi)始變綠,雌花芽開(kāi)始萌動(dòng);有效積溫達(dá)35.3℃左右時(shí),雄花芽苞片完全變綠且形成小孢子母細(xì)胞,雌花芽進(jìn)行縱向生長(zhǎng);有效積溫達(dá)85.3℃左右時(shí),雄花芽苞片完全張開(kāi)、露出雄蕊且小孢子母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂形成四分體,雌花芽苞片變綠,不斷伸長(zhǎng)且胚珠原基開(kāi)始發(fā)育、逐漸突起;有效積溫達(dá)170.1℃左右時(shí),雄配子體發(fā)育成熟,形成二細(xì)胞花粉粒,雄花開(kāi)始散粉,雌花芽大孢子母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂發(fā)育為功能大孢子母細(xì)胞,雌蕊柱頭開(kāi)始授粉(表2)。
圖1 不同分化期雌雄花芽?jī)?nèi)部解剖結(jié)構(gòu)及其外部形態(tài)特征Fig.1 The external morphology structure and anatomic structure of female and male flower bud in different differentiated phases
表2 雌雄配子體發(fā)育過(guò)程內(nèi)外部形態(tài)特征Table 2 External morphology and internal structure of male and female gametophytes development
2.2.2 大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育過(guò)程
杜仲雄花花藥具有4 個(gè)花粉囊,橫切面為典型的蝴蝶形結(jié)構(gòu)(圖2C)。在7月中旬雄蕊原基的周緣組織和造孢組織開(kāi)始進(jìn)行伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和邊緣生長(zhǎng)產(chǎn)生花藥原基(圖2A)?;ㄋ幵? 個(gè)角隅處細(xì)胞具有高度分裂能力,迅速分裂形成核大、質(zhì)濃的孢原細(xì)胞,而最外面分化出一層表皮;孢原細(xì)胞分裂速度快,經(jīng)一次平周分裂形成初生周緣細(xì)胞(外層)和初生造孢細(xì)胞;至11月上旬,初生周緣細(xì)胞經(jīng)過(guò)不斷分裂完成花藥壁發(fā)育,由外自內(nèi)分別形成表皮細(xì)胞(1 層)、藥室內(nèi)壁(1 層)、中層細(xì)胞(2~3 層)及絨氈層細(xì)胞(1 層)(圖2B—C)。次年3月1日左右初生造孢細(xì)胞經(jīng)過(guò)多次有絲分裂形發(fā)育成小孢子母細(xì)胞,3月10日左右小孢子母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂(圖2E),最終形成四分體,為四面體型,一般可觀察到3 個(gè)細(xì)胞(圖2F)。3月中下旬花粉粒逐漸發(fā)育成熟,發(fā)育成2-核花粉粒(圖2G),中層細(xì)胞和絨氈層細(xì)胞逐漸發(fā)生解離直至完全被吸收,花藥壁僅剩下表皮和藥室內(nèi)壁,花粉粒散出(圖2H)。
杜仲的大孢子發(fā)生晚于小孢子發(fā)生10 d左右,當(dāng)小孢子母細(xì)胞開(kāi)始減數(shù)分裂時(shí),胚珠原基開(kāi)始突起發(fā)育。杜仲雌蕊具2 心皮,子房1 室,有花柄,扁平,頂端2 裂成柱頭,柱頭反曲生于子房裂口內(nèi)側(cè),無(wú)花柱;柱頭由不規(guī)則的薄壁細(xì)胞組成,兩柱頭在子房壁中延伸一段距離后愈合(圖2I)。其中胚珠原基具有強(qiáng)烈的分裂能力,前端發(fā)育成珠心,基部發(fā)育成珠柄(圖2J)。隨著胚珠原基的發(fā)育,珠心表皮下分化出核大、質(zhì)濃的孢原細(xì)胞(圖2K—L)。孢原細(xì)胞進(jìn)行平周分裂產(chǎn)生周緣細(xì)胞和造孢細(xì)胞,后者直接發(fā)育成大孢子母細(xì)胞,此時(shí)大孢子母細(xì)胞體積大、核大、細(xì)胞質(zhì)較濃,位于珠心表皮和周緣細(xì)胞下,因此胚珠發(fā)育屬于厚珠心型(圖2M)。隨后大孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂,經(jīng)第一次減數(shù)分裂形成二分體(圖2N),然后經(jīng)第二次減數(shù)分裂后大孢子四分體呈線型排列(圖2O)。其中四分體中位于珠孔端的3 個(gè)大孢子逐漸退化,僅合點(diǎn)端的1 個(gè)發(fā)育為功能大孢子(圖2P)。
圖2 大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育Fig.2 Megasporogenesis,microsporogenesis and development of female and male gametophytes
杜仲雌、雄花芽的ABA、IAA 和ZR 含量在不同發(fā)育時(shí)期均發(fā)生了變化,其中ABA 含量在雌雄花芽間變化趨勢(shì)不一致,但I(xiàn)AA 和ZR 含量在雌雄花芽間變化趨勢(shì)一致(圖3)。雌花芽ABA含量呈“降低—升高—降低”的趨勢(shì),而雄花芽呈“升高—降低—升高—降低”的趨勢(shì),除了在雌雄蕊原基分化期(6月14日),雌花芽ABA 含量在其它發(fā)育時(shí)期均顯著高于雄花芽(圖2~3)。雌、雄花芽的ABA 含量均在花芽休眠期(12月10日)達(dá)到最高峰,分別為988 ng·g-1和590 ng·g-1;在大、小孢子發(fā)生期(3月1日)ABA 含量最低,雌雄花芽分別是98 ng·g-1和60 ng·g-1。雌、雄花芽IAA含量均呈“上升—下降”的趨勢(shì),且雌花芽IAA含量一直顯著高于雄花芽,但雌、雄花芽IAA 含量均在大、小孢子發(fā)生期達(dá)到最高峰,分別是105 ng·g-1和82 ng·g-1;在雌、雄花芽休眠期含量最低,分別是48 ng·g-1和28 ng·g-1。雌、雄花芽ZR含量均呈“下降—上升—下降”的趨勢(shì),且雄花芽ZR 含量一直高于雌花芽,但在雌、雄蕊原基分化期的ZR 含量差異不顯著,其它時(shí)期均差異顯著;兩者的ZR 含量均在雌/雄蕊形態(tài)建成期達(dá)到最高峰,分別是14 ng·g-1和7 ng·g-1,在雌、雄雄蕊原基分化期含量最低均為3 ng·g-1。此外,杜仲花芽在誘導(dǎo)花器官分化過(guò)程中(花序原基分化期至雌、雄蕊原基分化期),IAA 和ZR 含量在花芽中分別是上升和下降的,而ABA 含量在雌、雄花芽的分別是下降和上升的,說(shuō)明ABA 對(duì)杜仲的雌、雄蕊分化可能分別具有抑制和促進(jìn)作用。
圖3 雌雄花芽不同發(fā)育期激素含量變化Fig.3 Variation of endogenous hormone during different female and male floral development
確定花芽發(fā)育進(jìn)程時(shí)期,可為植物及時(shí)采取合理栽培管理措施提供參考,對(duì)實(shí)踐生產(chǎn)和育種具有指導(dǎo)意義。多種植物花芽分化研究結(jié)果表明,花芽發(fā)育過(guò)程中外部形態(tài)與內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)存在著相關(guān)性,徐自龍等研究結(jié)果表明依據(jù)山雞椒Litsea cubeba的外部形態(tài)判斷花芽分化發(fā)育階段是可行的,這為人工授粉等研究適時(shí)取材提供了依據(jù)[15]。本研究觀察結(jié)果顯示杜仲花芽分化過(guò)程與劉朝暉[6]觀察結(jié)果一致,但是花芽分化時(shí)間早于后者,說(shuō)明不同地區(qū)的氣候條件影響杜仲花芽分化進(jìn)程。杜仲雌、雄花芽外部形態(tài)特征與其內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)具有一定相關(guān)性,杜仲雌、雄花芽的苞片開(kāi)始木質(zhì)化、芽體顏色由青綠色變?yōu)榛揖G色時(shí),花芽進(jìn)入雌雄蕊原基分化期,此時(shí)雌、雄蕊原基開(kāi)始在苞片基部?jī)?nèi)側(cè)產(chǎn)生;第二年,雌、雄蕊開(kāi)始露出苞葉時(shí),大小孢子進(jìn)入減數(shù)分裂,當(dāng)雌、雄蕊完全露出苞葉時(shí),雌雄配子體發(fā)育成熟。因此,可依據(jù)杜仲雌、雄花芽的外部形態(tài)判斷花芽發(fā)育階段,在花芽發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期積極采取管理措施從而促進(jìn)雌雄花器官和配子體正常發(fā)育。
通過(guò)對(duì)杜仲雌雄花芽整個(gè)發(fā)育過(guò)程觀察,杜仲雌、雄花芽在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中無(wú)花被片產(chǎn)生,且在一個(gè)性別的花芽中觀察不到另一個(gè)性別花器官原基發(fā)生的痕跡,其單性花與楊樹(shù)Populus deltoides、大麻Cannabis sativa等植物的單性花產(chǎn)生模式一致,即單性花的性別分化發(fā)生在雄蕊和心皮發(fā)育之前[16]。杜仲雌雄花的性別不是由某一個(gè)性別花器官退化造成的,雌雄花芽雖在花芽營(yíng)養(yǎng)階段形態(tài)結(jié)構(gòu)相似,但此時(shí)性別已產(chǎn)生,具有本質(zhì)差異。
植物的開(kāi)花過(guò)程受植物激素調(diào)控,不同內(nèi)源激素對(duì)雌雄花芽的促進(jìn)作用具有差異。本研究對(duì)杜仲雌、雄花芽不同發(fā)育時(shí)期花芽的ABA、IAA和ZR 含量測(cè)定結(jié)果顯示,在花器官啟動(dòng)過(guò)程,杜仲雌雄花芽的IAA 含量均上升、ZR 含量均下降,IAA 和ZR 對(duì)雌雄花芽形態(tài)分化具有相似作用,且高含量的IAA 和低含量的ZR 可能對(duì)雌、雄蕊的形態(tài)分化可能具有促進(jìn)作用;然而,此過(guò)程中雌花芽的ABA含量下降,而雄花芽的ABA含量上升、且含量顯著高于雌花芽,但在其他發(fā)育時(shí)期,雄花芽的ABA 含量均顯著低于雄花芽,說(shuō)明ABA對(duì)雌雄花芽具有不同調(diào)控作用,可能一定含量的ABA 對(duì)杜仲雄蕊原基的分化具有促進(jìn)作用,而雌蕊分化需要低水平的ABA 含量。杜仲雌雄花芽中ABA 和ZR 含量變化趨勢(shì)及其含量高峰期與銀杏Ginkogo biloba雌、雄花芽激素變化一致[10-11]。雌雄花芽中激素的差異變化與雌雄花比例甚至植物性別密切相關(guān),如生長(zhǎng)素在黃瓜Cucumis sativus、大麻、柿子Diospyros kaki等植物中促進(jìn)雌蕊發(fā)育,但對(duì)啤酒花Humulus lupulus和青蒿Mercurialias annua等植物的雄蕊發(fā)育具有促進(jìn)作用和提高雄花比例[17]。脫落酸對(duì)植物性器官的影響可通過(guò)抵消生長(zhǎng)素和赤霉素在植物中雌化或雄化作用[18]。Akagi 等在獼猴桃Actinidia chinensis的Y 染色體上鑒定的性別決定基因SyGI,是一個(gè)C 類型的細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因,具有抑制雌蕊發(fā)育,使植株表現(xiàn)為雄性的功能[19];甚至,噴施細(xì)胞分裂素可使山葡萄Vitis amurensis雄株性別發(fā)生反轉(zhuǎn)[20]。此外,乙烯、赤霉素、茉莉酸等植物激素也可影響植物的花器官分化甚至調(diào)控花性器官的性別轉(zhuǎn)化,但在不同植物中激素調(diào)控花器官作用和影響程度不同[21]。同時(shí),植物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)對(duì)花芽?jī)?nèi)源激素也具有調(diào)控作用,在油茶花芽前分化期施肥可以提高花芽中的ABA 和ZR 含量,但花芽形態(tài)分化期則降低ABA 含量,促進(jìn)油茶花芽生長(zhǎng)和分化率[22]。但是本研究只是基于3 種激素進(jìn)行了測(cè)定,缺乏乙烯、茉莉酸等其他植物內(nèi)源激素在杜仲雌雄花芽過(guò)程中調(diào)控作用研究,同時(shí)也需要對(duì)雌雄花芽中的營(yíng)養(yǎng)成分與內(nèi)源激素的關(guān)系進(jìn)行探索。雖然本研究目前還存在一定局限性,但花芽觀察結(jié)果為杜仲雌雄花器官進(jìn)程判斷提供了外部形態(tài)依據(jù),同時(shí)內(nèi)源激素的測(cè)定結(jié)果也對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中不同性別植株噴施植物調(diào)節(jié)劑提供了理論依據(jù)。