劉義滿 王愛新 魏玉翔 宋先銀 劉金平 彭鳴
劉義滿,武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,武漢市洪山區(qū)白沙洲大道173號,430065
王愛新,魏玉翔,武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院
宋先銀,劉金平,武漢市新洲區(qū)果茶技術(shù)服務(wù)站
彭鳴,武漢市新洲區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局
菱角(Trapa natans L.)是一年生水生浮葉植物中比較特殊的一種植物,其主要特點是能形成堅果,自然越冬留種形態(tài)亦為堅果,而同為水生浮葉植物的芡實、莼菜、王蓮、水鱉草、莕菜等植物自然越冬留種形式為種子。菱角的開花結(jié)實、種子萌發(fā)習(xí)性皆比較獨特,其繁茂的不定根系統(tǒng)在生長發(fā)育過程中具有重要作用。了解菱角植株結(jié)構(gòu)特征和生長發(fā)育習(xí)性,對栽培利用及良種繁育具有重要指導(dǎo)意義。這里重點介紹與栽培和良種繁育具有重要相關(guān)性的菱角植株結(jié)構(gòu)特征及生長發(fā)育習(xí)性。
菱角花為兩性花,較小,具有短花柄,單生于葉腋,自下而上順序發(fā)生,水面開花;萼片宿存或早落,基部與子房基部合生,裂片4枚,排成2輪,其中2片或4片膨大成果角,有的類型萼片部分或全部退化;花瓣4枚,排成1輪,白色或帶淡紫色;雄蕊4枚,雌蕊1枚;子房2室,每室1個胚珠,但通常只有1枚胚珠發(fā)育,形成單子房單種子果實。
菱角種子有2枚大小差異極大的子葉,其中大子葉充滿果實,小子葉鱗片狀,長度數(shù)毫米。果實在水中成熟,不開裂,果頂具果喙,果喙為萌發(fā)孔;果實內(nèi)的胚芽、胚根、胚莖共同構(gòu)成錐狀體。每個果實具刺狀果角2個或4個,少部分類型無果角[1]。果實上的刺狀果角具有倒刺,不僅在果實成熟脫落沉底后易于錨定底泥中,而且易于附著在植株、動物或其他物體上傳播(部分品種類型無果角,或果角鈍尖、無倒刺,從植物本身適應(yīng)性而言應(yīng)該是一種“退化”)。菱角果實外有一層肉質(zhì)外果皮,外果皮存在時期短,腐爛分解后露出木質(zhì)化的堅硬內(nèi)果皮,被稱為“倒圓錐形核果”(turbinate drupe)或“堅果”(nut)。成熟堅果比重約為水的1.2倍,自然狀態(tài)下脫離母體后即可沉入水底[2]。
就菱角花器結(jié)構(gòu)而言,其雄蕊花藥大多高于雌蕊柱頭,利于同一花內(nèi)自花授粉。李雙梅等[3]在武漢地區(qū)觀察,菱角晝夜均可開花,但不同品種類型開花高峰期不同。其中,漢川紅菱、孝感紅菱、汈汊湖紅菱等栽培菱大部分在11:00~20:00開花,來自湖北梁子湖、安徽巢湖及東北的野生菱大部分在5:00~14:00開花,完成授粉后花柄彎曲入水,果實在水中生長發(fā)育。測定結(jié)果表明,菱角雄蕊長0.68~0.90 cm(其中花藥長0.17~0.19 cm、花絲長0.62~0.78 cm),雌蕊長0.44~0.55 cm,雄蕊花藥明顯高于雌蕊柱頭(圖1);菱角花朵自然授粉結(jié)實率85.7%,不去雄套袋結(jié)實率80.9%,去雄套袋結(jié)實率21.1%(據(jù)此推測菱角存在無融合生殖現(xiàn)象),去雄不套袋結(jié)實率25.0%。李雙梅等[3]根據(jù)試驗結(jié)果估算,菱角花朵的自花授粉結(jié)實率為59.8%,異花授粉結(jié)實率4.8%。如果以果實數(shù)為基數(shù)估算,則由異花授粉產(chǎn)生的果實約占5.6%。依據(jù)該結(jié)果,在菱角良種繁育過程中,不同品種之間沒有必要采用遠(yuǎn)距離隔離。但是,目前關(guān)于菱角良種繁育過程中不同品種之間適宜的空間隔離距離,缺乏試驗研究數(shù)據(jù)。與旱生植物相比,菱角生境地勢低,其花出水開放,分布在水體表面,基本為平面分布,且往往低于斜伸出水面的菱盤葉片,受風(fēng)、昆蟲等花粉傳媒影響較小。參考其他具有類似異化授粉率的作物數(shù)據(jù),菱角良種繁育時不同品種之間的空間隔離距離可以較小,建議50~100 m。
圖1 菱角花:雄蕊4枚、雌蕊1枚,雄蕊花藥高于雌蕊柱頭,利于自花授粉
菱角果實顏色、果角數(shù)量及形態(tài)等性狀,是品種類型劃分的主要依據(jù)。果實顏色指外果皮的顏色,不同品種類型果實顏色差異很大,存在淡綠、綠、粉紅、紅、淺紫、紫等不同顏色;同一品種類型中有時也出現(xiàn)不同顏色的果實。
果角數(shù)在不同品種類型間存在明顯差異,但同一個品種類型內(nèi)的果角數(shù)則較為穩(wěn)定,只是偶爾出現(xiàn)變異。菱角品種類型間的果角形狀、形態(tài)則常有較大變化,即便同一植株上的果實也可能存在較大變化。李雙梅等[4]對湖北梁子湖野菱(四角菱類型)和嘉魚菱-1(二角菱類型)的調(diào)查結(jié)果表明,同一品種類型內(nèi)不同植株之間的果角數(shù)均無變化。但是,同一品種類型內(nèi)不同植株之間、同一植株的不同果實之間,果角形態(tài)皆有變化。將果角形態(tài)根據(jù)銳尖果角數(shù)、銳尖果角位置、肩角姿態(tài)、腰角姿態(tài)等性狀(圖2)分類統(tǒng)計,以親代材料為標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果二角菱類型的銳尖果角數(shù)(有2、1、0共3種)變異率3.0%,肩角姿態(tài)(有下彎、斜上伸、平伸共3種姿態(tài))變異率36.9%,果實形態(tài)類型變異率36.9%;四角菱類型的銳尖果角數(shù)(有4、3、2、1、0共5種)變異率26.5%,銳尖果角部位(二角菱類型只有肩角,四角菱類型銳尖果角位置在肩角和腰角位置分布)變異率26.5%,肩角姿態(tài)(有斜上伸、平伸、下彎3種姿態(tài))變異率0.7%,腰角姿態(tài)(四角菱具有腰角,有斜下伸、平伸、上彎共3種姿態(tài))變異率18.6%,果實類型變異率42.5%。
生產(chǎn)栽培中,菱角果角數(shù)變化較為明顯的典型品種為無角的南湖菱(又名無角菱、和尚菱、元寶菱、圓菱、團角菱、餛飩菱等)。2004-2005年,詹麗娟等[5]對浙江嘉興市3個村種植的菱角進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果顯示南湖菱果實退化率達(dá)20%~37%,退化果中以兩角果居多,其次為四角果,再次為畸形果。而且,退化果實的單果質(zhì)量、單果果肉質(zhì)量、可食率以及可滴定酸、VC、可溶性蛋白、可溶性總糖、還原糖、蔗糖和淀粉等營養(yǎng)成分含量均低于正常果實。分析導(dǎo)致果實退化的可能原因包括選種不嚴(yán)格、生物學(xué)混雜(與其他品種或野菱雜交)、氣候因素(如夏季35℃以上高溫)、植株營養(yǎng)失調(diào)、病毒感染及重金屬污染等。有學(xué)者認(rèn)為,南湖菱是二角菱的變異體,二者親緣關(guān)系最密切。但丁炳揚等[6]對花粉形態(tài)特征進(jìn)行比較認(rèn)為,南湖菱與二角菱區(qū)別較大,但與四角菱很相似。
圖2 菱角果角
菱角果實大小變異亦很大,總體而言,栽培品種果實明顯大于野生類型。王月豐等[7]調(diào)查江蘇、浙江、安徽、湖北、河北、廣東等地的四角菱、二角菱、烏菱、南湖菱等栽培品種類型,共10個居群,結(jié)果果體高度(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)為(24.2±11.51)~(30.9±4.89)mm,變異率16%。而且,栽培品種類型的果體高度顯著大于細(xì)果野菱和其他野菱居群(共21個);果體寬度(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)為(29.6±1.83)~(46.3±7.69)mm,變異大小和方向與果體高度十分一致,相關(guān)系數(shù)0.863,差異達(dá)極顯著水平。就單果質(zhì)量而言,栽培菱角品種之間亦有較大差異,如產(chǎn)于江蘇吳江、蘇州等地的小白菱為7~8 g,而大青菱可達(dá)30 g。一般菱角品種單果質(zhì)量介于10~25 g。
在良種繁育過程中,對于果角數(shù)、果實顏色、果角形態(tài)、果實形狀、果實大小等變異,首先要區(qū)分是遺傳原因產(chǎn)生的不同基因型變異,還是同一類基因型植株在生長發(fā)育過程中受環(huán)境因素影響所產(chǎn)生的變異。在排除遺傳變異的前提下,選留與親代母代果實性狀一致、具有品種典型特征的果實留種。
菱角能產(chǎn)生生理異型性種子(physiological heteromorphic seed),從植物本身適應(yīng)性角度而言,該機制可以防止極端不適條件導(dǎo)致的種群破壞。Cozza等[8]試驗結(jié)果顯示,第1年秋冬季采收的種子,如果第2年未能萌發(fā),第3年仍然具有很高的發(fā)芽率。湖泊水體自然貯藏種子發(fā)芽率在50%~82%,而4℃低溫貯藏者可達(dá)100%。菱角部分種子的壽命長達(dá)10~12年[9~11],這應(yīng)該也是菱角對環(huán)境適應(yīng)性的一種表現(xiàn)。
通常,菱角種子休眠期20~25天,自然條件下變化幅度10~30天。4℃低溫貯藏與自然湖泊水體貯藏的種子比較,休眠期縮短約10天。Kurihara等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn),菱角打破休眠、開始萌發(fā)的臨界溫度(threshold temperature)為8℃。Phartyal等[13]研究發(fā)現(xiàn),新鮮成熟的菱角種子在生理上處于休眠狀態(tài),通過9周的冷層積(cold stratification)可克服休眠。種子耐-14℃低溫,但出現(xiàn)下胚軸后則對-4℃低溫高度敏感。非休眠種子在多個試驗條件下(恒溫22℃、交變溫度14/6℃~30/22℃和30/10℃、光和暗、有氧和缺氧)均可發(fā)芽,發(fā)芽率75%~100%。其實,國際著名種子生物學(xué)家、植物生理學(xué)家、中山大學(xué)教授傅家瑞[14]先生早在1954年就指出,7~12℃低溫處理菱角,可以打破休眠,明顯提高發(fā)芽率和發(fā)芽速度,其中處理21天效果比處理14天的效果好,處理14天比處理8天(或7天)的效果好;不同品種發(fā)芽前對低溫的要求不同,如廣東地方品種紅菱(即廣州紅菱,別名五月菱,屬于二角菱,角平伸而肥短)對低溫要求不嚴(yán)格,要求低溫時期較短,即便不給予低溫,亦能緩慢完成種子胚胎發(fā)育過程,進(jìn)而萌發(fā);而大頭菱(即七月菱,屬于二角菱,角下彎而尖長)對低溫要求相對較嚴(yán),要求低溫時期較長。
一般情況下,春季水溫12℃及以上時,果喙(the bristle-bordered terminal pore of the fruit)開始腐爛,1個月內(nèi)種子開始萌發(fā)。適宜萌發(fā)溫度15~20℃,光周期對菱角種子萌發(fā)無顯著影響。在實驗室高溫條件下,發(fā)芽整齊、發(fā)芽時間短,但溫度對最終或最大發(fā)芽率沒有影響。試驗結(jié)果顯示,基質(zhì)pH值對菱角萌發(fā)和生長影響較大,其中pH值7.9~8.3時發(fā)芽最快,pH值4.2~5.2時發(fā)芽慢,pH值5.3~7.8時發(fā)芽最慢。然而,發(fā)芽2周后在較強堿性和較強酸性基質(zhì)中生長的幼苗死亡,但在中等酸性至中性基質(zhì)中生長的幼苗發(fā)育良好。菱角只能在淡水中生長,NaCl濃度超過0.1%時,種子無法發(fā)芽。菱角也不耐Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2。菱角屬于頑拗型種子,即使在相對濕度較高的情況下,種子對水分也非常敏感,一旦失水,則很快喪失活力[2,13]。自然條件下,水深10~30 cm時萌發(fā)率高,水深50 cm以上時萌發(fā)慢。
圖3 菱角種子萌發(fā)
菱角種子發(fā)芽過程,觀察地區(qū)、發(fā)芽條件和品種資源材料不同,則觀察結(jié)果略有差異,但基本相同。傅家瑞[14]在廣州觀察,菱角種子萌發(fā)時,大子葉留在果殼內(nèi),胚根和子葉下胚軸首先向上伸長,穿過果喙(芽孔)。2~3天后著生在子葉柄上的小子葉出現(xiàn)在果殼外,子葉柄露出。隨著小子葉長大,其內(nèi)側(cè)的胚芽開始發(fā)育出主芽和副芽。6~7天后,主芽發(fā)生嫩莖,之后副芽形成1~2個側(cè)莖。在莖的第1節(jié)上形成對生、線狀狹長的葉。8~9天后,子葉下胚軸處發(fā)生纖維狀不定根,在軸的一側(cè)排成列。近子葉柄的不定根具向地性,較長;遠(yuǎn)離子葉柄的不定根向地性不明顯,較短。之后,莖的每1節(jié)發(fā)生不定根。
丁炳揚等[15]在杭州觀察發(fā)現(xiàn),種子萌發(fā)時,大子葉留存果實內(nèi),小子葉連同胚根、胚芽被伸長的大子葉葉柄推出果實外。大子葉葉柄長1.8~20.5 cm,可塑性很大,而直徑一般小于2.0 mm。下胚軸和胚根長2.4~12.7 cm,可塑性大,懸浮于水中。胚根、小子葉和大子葉柄開始為黃白色,后呈綠色。大子葉停止伸長后,小子葉向上外展,幼芽開始萌發(fā)[16]。
Cozza等[8]和Esh等[9]觀察發(fā)現(xiàn),菱角種子發(fā)芽時,白色胚根先通過果喙突出,第3天白色下胚軸變綠。之后,下胚根伸長,水較深時下胚軸亦較長。淺水環(huán)境中,弱光下的下胚軸即可變綠色。陽光直射時,有利于葉綠素形成。第7~8天,下胚軸上形成凸起(之后形成胚芽)。第9~12天,下胚軸上開始發(fā)生新根。第12~15天,形成初生芽。第15~25天,在胚根與初生芽交界處萌發(fā)向地性根,白色。馬來西亞博特拉大學(xué)(Universiti Putra Malaysia)的Ima等[17]利用從中國進(jìn)口的菱角種子進(jìn)行貯藏和發(fā)芽試驗,發(fā)芽容器內(nèi)水深15 cm,結(jié)果表明,塑料袋封口包裝、7℃貯藏6個月的種子活性(viability)和活力(vigorousity)均降低,發(fā)芽率僅2.82%;新鮮種子發(fā)芽率達(dá)71.19%。在25~26℃溫度及光照條件下,發(fā)芽過程可分為8個階段,即第1階段,浸水至第3天,露白,下胚軸露出果喙并隨即由白轉(zhuǎn)綠;第2階段,第4天,下胚軸伸長,彎曲呈螺旋狀;第3階段,第7~8天,胚芽露出,下胚軸上出現(xiàn)一凸起,并由凸起萌發(fā)處胚芽;第4階段,第8~9天,下胚軸上部發(fā)生側(cè)根,成一列排列;第5階段,第11~17天,頂芽(pioneer shoot)萌發(fā),莖蔓伸長,同時相繼萌發(fā)第2和第3芽并伸長成莖蔓;第6階段,第12~21天,下胚軸下部發(fā)根,同時伸長,下胚軸下部根系向下呈正向地性生長,亦向不確定方向生長,并與莖部發(fā)生根系相互集結(jié)成束;第7階段,第12~25天,莖蔓形成葉片,浮葉出現(xiàn);第8階段,第14~27天,幼苗期,植株出現(xiàn)發(fā)育完全葉片,形成浮器(氣囊狀膨大葉柄)和羽狀根(不定根)(圖3)。菱角種子萌發(fā)期變化幅度為8~17天,不同萌發(fā)階段之間間隔1~7天。不同溫度條件下,菱角育苗或幼苗生長發(fā)育進(jìn)程有所不同。
針對菱角發(fā)芽所需條件及相應(yīng)發(fā)芽進(jìn)程,生產(chǎn)栽培中宜采取相應(yīng)的管理措施。如廣州地區(qū),紅菱萌發(fā)前對低溫要求不甚嚴(yán)格,可以在晚秋播種;而大頭菱對萌發(fā)前低溫要求相對嚴(yán)格,宜在冬、春季播種[14]。又如,菱角播種育苗過程中,從第5階段開始,幼苗進(jìn)入莖蔓生長期,是需要養(yǎng)分較多的時期,保障養(yǎng)分供應(yīng)可以促進(jìn)形成壯苗。良種繁育過程中,要注意防止往年存留泥底的其他品種種子萌發(fā)的成株導(dǎo)致生物學(xué)混雜。
菱角水中莖節(jié)間10~15個,長度可塑性很強,對水體深度適應(yīng)性強,能夠適應(yīng)5 m左右水深,菱角葉片形態(tài)變化大。丁炳揚等[15]觀察發(fā)現(xiàn),沉水葉中,第1~4節(jié)線形,全緣,無柄;第5~8節(jié)線狀倒披針形或狹匙形,具疏鋸齒,有短柄;第9~12節(jié)匙形或長橢圓形,具疏鋸齒,有柄;第13~15節(jié)菱形,具鋸齒,有長柄。浮葉菱形或菱狀扁圓形,葉緣具粗或細(xì)鋸齒,葉柄長,且具有氣囊(浮囊)。菱角葉序亦變化較大,通常第1節(jié)對生,其余各節(jié)互生,至成年植株莖頂端葉蓮座狀密生,形成菱盤(rosette)。植株生長前期大約1.5天形成1片葉,植株旺盛生長期形成1片葉的時間不到1天。與果型較小植株相比,果型較大植株葉片形成速度快,單個菱盤葉數(shù)更多。果型較大植株的葉亦更大,一般大于15 cm2,有的為小果型植株葉的2~3倍。菱屬植物的幼苗期具有托葉。托葉長度小于l mm,鉆形,著生于葉柄基部兩側(cè);成年期托葉長度近l cm,卵狀披針形,膜質(zhì)。在花果期,沉水葉全部脫落,僅存浮水葉[15,18]。生產(chǎn)上,可以利用菱角水中莖長度可塑性強的特點,充分利用不同深度的水體進(jìn)行菱角栽培。
據(jù)研究[2],菱角植株最大葉面積指數(shù)和最大凈生產(chǎn)力與氮吸收呈正相關(guān),而氮有助于葉柄和果實生物量的增加,莖和根生物量的減少。植株密度對菱角生長發(fā)育有多方面影響。調(diào)查顯示,每1 m2有5~15個菱盤的低密度區(qū)植株,比有100個菱盤的高密度區(qū)植株更大、更高產(chǎn)、壽命更長。低密度區(qū)的單株菱盤數(shù)是高密度區(qū)的5倍,生物量是高密度區(qū)的8~10倍。低密度種植繁殖能力更強,葉面積更大,生長季節(jié)內(nèi)菱盤幾乎沒有死亡,而高密度地塊的菱盤在整個生長季持續(xù)死亡。日本佐賀大學(xué)(Saga University)的Arima等[19]曾采用大果型(單果鮮質(zhì)量15~30 g,包括四角菱、二角菱及無角菱)、中果型(單果鮮質(zhì)量5~10 g,均為四角菱)和小果型(單果鮮質(zhì)量5 g以下,均為二角菱)菱角進(jìn)行種植比較試驗,結(jié)果表明,植株干質(zhì)量(包括地上和地下部分)為大果型和中果型大于600 g/m2,小果型300~500 g/m2;單位面積菱盤密度為大果型和中果型約30個/m2,小果型約60個/m2;單個菱盤結(jié)平均結(jié)果數(shù)大果型為2.4~2.8個,中果型為3.6~5.6個,小果型為4.4~7.8個。
生產(chǎn)上,根據(jù)不同的品種選擇適宜的種植密度是非常重要的。
菱角胚根背地性生長,而且為有限生長,生長一段較短時期后即停止生長,懸浮水中,不直接入泥形成根系。菱角在整個生育期內(nèi)只形成不定根。菱角不定根發(fā)生部位有2處。
其一為下胚軸:不定根發(fā)生1列,纖維狀,較長,不分枝,具向地性,入泥,主要起固著吸收作用;其二為水中莖節(jié)部:節(jié)部不定根有2類,一類漂浮水中,曾被稱為“沉水絲狀器官”,有文獻(xiàn)描述為羽毛狀或纖維狀根狀物,稱為“漂浮根”“羽狀物”“同化根”“異形葉”等,但其本質(zhì)是根。在水中莖每個節(jié)上成對(稀2對)出現(xiàn)(節(jié)部葉柄兩側(cè)各有1條),其主軸長5~8 cm,主軸上輻射狀分布側(cè)根50~80條,多者170余條,不具向地性(圖4)。初為綠色,皮層細(xì)胞中含葉綠體及淀粉粒等貯藏物質(zhì),兼具吸收、光合及貯藏功能。不定根的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、葉綠素a/葉綠素b、凈光合速率、呼吸速率、光呼吸速率、類囊體膜PSI電子傳遞活性、類囊體膜PSⅡ電子傳遞活性等光合特性指標(biāo)值,為浮水葉的36.67%~72.51%,也說明其具一定的同化功能。隨著上部節(jié)位不斷產(chǎn)生新的不定根,基部不定根老化失去葉綠素,并最終死亡。另一類不定根發(fā)生于水中莖部分節(jié)位,無次生根,具有向地性,入泥生長,功能與下胚軸發(fā)生的不定根類似[15,18,20~25]。入泥的不定根顏色轉(zhuǎn)為淡紫或紫黑,卷曲生長,有增強植株固著、增加與土壤接觸面積的作用,亦有助于吸收土壤營養(yǎng)物質(zhì)[14,16]。
圖4 菱角水中莖上發(fā)生的不定根(漂浮水中,有側(cè)根,不具向地性,引自網(wǎng)絡(luò))
綜合而言,菱角不定根具有吸收、光合、貯藏及固定植株的功能。由于菱角不定根系統(tǒng)非常繁茂,其吸收養(yǎng)分作用非常重要。不僅能通過部分入泥的不定根從土壤中吸收養(yǎng)分,而且能通過大量懸浮于水體中的不定根直接從水體中吸收養(yǎng)分。水體流動及物質(zhì)擴散現(xiàn)象(diffusion),使得菱角與蕹菜、豆瓣菜等同樣具有大量不定根的水生植物一樣,能通過不定根吸收較大范圍水體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)[26]。這也是一些河流、湖泊、池塘、溝渠內(nèi)的菱角植株,在沒有人工施用肥料的情況下能旺盛生長的重要原因。而且即便菱盤與菱莖脫離處于浮水狀態(tài)后,仍然能產(chǎn)生成熟果實。如Methe等[10]進(jìn)行的切割試驗中,對已經(jīng)形成花芽的菱盤,在水面下10 cm切斷其菱莖,35天后,脫離菱莖的菱盤平均結(jié)果3.0~3.5個,而未脫離菱莖的菱盤平均結(jié)果10.2個。因此,在菱角生產(chǎn)栽培過程中,除了選擇疏松肥沃的土壤外,還要求水體含有較豐富的養(yǎng)分,或注意培肥水體(以水體凈化為主要栽培目的者除外);栽培管理過程中,即便部分發(fā)生菱莖斷裂,亦可適當(dāng)保留用于生產(chǎn)。