瓜尔豆花芽分化过程的形态解剖学研究

2012-01-11郑群吕国华李天来李格

石河子大学学报（自然科学版） 2012年1期

郑群，吕国华，李天来，李格

（1石河子大学农学院园艺系，石河子832003；2沈阳农业大学园艺学院蔬菜系／辽宁省设施园艺重点实验室，沈阳110161）

瓜尔豆（Cyamopsis Tetragonloba（L．）Taub）是一种起源于非洲热带或亚洲热带地区的作物，为豆科蝶形花亚科瓜尔豆属的一个栽培种。种子胚乳中的半乳甘露聚糖胶广泛应用于造纸、纺织、食品、炸药、采矿、农药、石油、医药等领域，素有“王牌胶”之称［1］。目前，国内外关于瓜尔豆的研究主要侧重于育种、栽培、病害防治及相关产品开发应用等方面［2－4］。瓜尔豆的花小，由苞片、花萼、花冠、雄蕊和雌蕊等部分组成，无限花序型，其特点是在大部分生长期间顶端分化组织不断生长，可观察到花从主茎第1个开花节向上，在叶腋中成总状花序着生［5－6］。在生产中发现，植株从第3或第4节开始开花结荚，平均结荚率不足10%。而花芽分化的时期、花芽分化和发育的状况与结荚密切相关，因此，有必要对瓜尔豆的花芽分化特性进行研究。有关豆科草本植物花芽分化的研究已有一些报道，不同豆科作物花芽分化和发育过程不尽相同。王福青等［7］将花生的花芽分化过程分为10个时期，成熟种子胚芽具有7个花序原基，雌雄配子体形成时间不同步。王庆亚等［8］研究认为，小豆花序为复总状花序；花芽形态分化的进程可划分为7个期。巫朝福等［9］将绿豆的花芽分化过程划分为7个时期，并划定了每个时期的持续时间。韩燕来等［10］认为小扁豆的主茎或分枝上某一节位第1朵小花开放以后，位于该节位以下各节位的小花，不论花芽分化到哪一个时期，都开始退化，而上部各节位的小花，随着植株的生长，仍在继续分化，末花期以后再开放的花，基本上都是无效花。但目前关于瓜尔豆的花芽分化的形态学研究，国内外还未见报道。

本试验利用生物显微制片技术，对瓜尔豆花芽分化和花器官形成过程进行观察，同时研究瓜尔豆花芽分化过程与植株形态特征的相关关系，旨在为瓜尔豆的育种、组织培养及高产栽培提供参考。

1 材料与方法

1．1 材料

实验所使用的瓜尔豆是由石河子大学园艺系从巴6号中选育出的无分枝的新品系SU－B5。

1．2 方法

选择同时出土并且长势一致的幼苗，自出苗至开花，每天取样20株，记下叶片数。带回实验室后，在Motic体视显微镜下观察花序和小花的分化情况，并用Motic Images Advanced 3．2软件进行显微测量。因瓜尔豆各萼片的长短不一，因此在测小花长时，是从萼片的基部至萼片或花瓣的闭合点。

从出苗至开花，每天另取20株的上胚轴，放入FAA固定液中，真空抽气2～4h，固定24h以后转入70%的乙醇中，4℃保存，备用。常规石蜡切片法制作切片，切片厚度为8～10μm，番红、固绿或铁矾苏木精染色［12－15］，加拿大树胶封片。 Motic（E221LED－E）生物显微镜观察、拍照。

2 结果与分析

2．1 瓜尔豆花序的分化及特点

瓜尔豆的花序和花芽分化很早，在幼苗出土后的第2－3天即在第1基生叶的叶腋处形成花序原基（图版Ⅰ－2、3），继而在花序原基的四周形成小花原基（图版Ⅰ－4）。但是，有10%～20%第1基生叶的花序在形成2～3个小花原基、小花原基分化出苞片和生长点后，苞片伸长，但生长点不再分化其它花器官而逐渐退化（图版Ⅰ－5、6），或者没有花序原基的分化。第2基生叶的叶腋处，从出苗后的第3－4天开始分化花序，第2基生叶及以上叶，每片叶的叶腋都能形成正常的花序（图版Ⅰ－7～11）。同一花序，由基部的小花开始顺序向上分化，不同花序由下部节位的花序向上部节位的花序分化。不同花序的小花分化既有连续性又相互重叠，当出苗5d后，第一花序的第一小花的小花原基生长点增宽阶段，第二小花的生长点已为球形、透明，第三小花正分化苞片；此期植株顶端生长锥已分化出第四片真叶，第三真叶的叶腋内已分化出花序原基，第二真叶的叶腋已分化2个小花的苞片，第一苞片腋下的小花生长点呈黄绿色透明。不过，不同花序分化的小花数量差异很大，一般第一花序分化的小花数较少，第二花序次之，第三节位以上的花序分化的小花数量较多。瓜尔豆从出苗至现蕾需15－20d，从出苗至开花需25－30d，因环境温度、光照条件、土壤水肥状况等的不同而稍有差异。

瓜尔豆的花序为腋生总状花序，属于无限花序类型，如果环境适宜，每个花序均可持续分化小花。单个花序，在第1朵小花开放时，可分化小花30～50朵（图版Ⅰ－12）。在同一个花序上，基部小花开花结荚后，花序顶端仍能分化出新的小花，单个花序的开花期可持续1个多月。但每个花序的结荚数为1～12个不等，因环境条件和座荚节位的不同而不同［2］。

2．2 瓜尔豆花芽分化过程及其特点

2．2．1 未分化期

在播种后8d或出苗后2－3d之前，瓜尔豆尚未进入花芽分化阶段。此时顶芽生长点的宽度大于高度，呈扁而矮的形态。其周边有小的叶原基发生（Ⅰ－1，Ⅱ－1），依次向外周生有不同发育阶段的幼叶。

2．2．2 花序分化期

在出苗后2－3d，在第一叶的叶腋内，花序原基开始分化。花序原基的生长锥与顶芽生长锥相比，更隆起且先端略宽。整个花序生长锥形似顶部半圆形的长方体，与主轴的横轴平行（Ⅰ－2），花序轴的纵切面呈三角形（Ⅱ－2）。花序分化以后，纵向生长快于横向生长，生长锥高大于宽，顶部呈半球形（Ⅱ－3）。

2．2．3 花器官分化期

2．2．3．1 苞片分化期

随着花序轴的伸长，花序轴顶端渐变平变宽，在其四周的细胞分裂旺盛，逐渐生出2～3个苞片原基的突起（Ⅱ－4、5）。可见花序原基的分化要早于苞片的分化。

2．2．3．2 花原基分化期

随着小苞片原基的进一步增大，在其腋内形成1枚花原基。在体视显微镜下，刚形成的小花原基黄白色、晶莹透明、高明显大于宽，呈长圆球形（Ⅰ－4、8），其纵切面呈圆锥形（Ⅱ－4、5）。

2．2．3．3 萼片分化期

苞片内的花芽生长锥顶端变得平坦，并从侧面产生萼片原基小突起，5个萼片原基呈辐射状排列。5个萼片原基分化的早晚和生长速度不同，在远轴端的萼片最先分化，生长速度也最快，在整个小花发育期最长，其它4个萼片的分化和发育速度相当（Ⅱ－6、7）。初期宽大于长，随萼片原基增大，长逐渐大于宽。萼片分化后不久，各萼片的基部结合在一起形成萼筒。

2．2．3．4 花瓣分化期

花原基芽体的宽度进一步变宽，在萼片原基内侧分化出5个与萼片相间排列的花瓣原基小突起（Ⅱ－8）。5个花瓣原基的分化也不同步，也为远轴端的两片龙骨瓣最先分化。花瓣原基分化后，初期生长很慢，长和宽的增长小于萼片和苞叶原基的增长。

2．2．3．5 雄蕊、雌蕊分化期

在花瓣原基的内侧出现多数雄蕊原基小突起，其中间渐渐隆起，形成一个体积较大的突起，此即为组成雌蕊的心皮原基（Ⅱ－9）。雄蕊原基和雌蕊心皮原基形成后，其内部结构继续分化，此期延续时间较长。花芽继续增大，芽内雄蕊原基延伸，端部稍大，造孢组织出现。雌蕊心皮原基也相应伸长。

2．2．4 药隔和胚珠形成期

雄蕊原基急剧增长增粗，当雄蕊增长到一定长度时出现药沟，花药逐渐明显，可以辨清花药和花丝。雌蕊出现柱头、花柱和子房，并在子房内部腹缝线侧形成多个胚珠原基小突起（Ⅱ－10～12）。

2．2．5 雌、雄配子体分化发育期

2．2．5．1 花粉母细胞形成期

在花药的纵切面上可以见到几列排列整齐的巨核花粉母细胞，其染色深、没有液泡，并逐渐在每个细胞的四周积累胼胝质将各自分开（Ⅲ－1）。

2．2．5．2 大、小孢子四分体形成期

在花粉母细胞的胼胝质外壳内首先分裂形成2个细胞即二分体，包围于共同的胼胝质之中（Ⅲ－2），再进一步分裂形成有4个多边形的小细胞，即四分体，包围于共同的胼胝质之中，并且四分体细胞之间也由胼胝质分开（Ⅲ－3～6）。小孢子进入四分体时期后，细胞体积迅速膨大，细胞染色渐淡，核仁明显，细胞核大、透明（Ⅲ－5）；至胼胝质解体时，细胞的体积逐渐变小，染色质集中成染色体，细胞变圆（Ⅲ－6）。可见，小孢子的胞质分裂方式属于连续型。

在小孢子四分体初期，在胚珠中形成胚囊母细胞（Ⅲ－12）；胚囊母细胞经两次连续分裂，其中一次为减数分裂，在小孢子四分体解体前形成4个排列成纵列的大孢子四分体（Ⅲ－13～15）。可见，大、小孢子的发育并不同步。

另外，在观察中发现：在同一朵花中，同一个花药的4个花粉囊的小孢子发育具有同步性，但不同花药的发育状态不一致，10个花药的花丝，5个较长，另5个较短，长短交替排列，当较长花药已处于单细胞花粉粒阶段时，而较短的花药仍处于四分体后期。

2．2．5．3 花粉粒和胚囊形成期

单核花粉粒刚从胼胝释放出来时为球形，不久即转变为成熟花粉粒的形状，其体积并未增大，而是直接液泡化，核向细胞壁移动，接着进行细胞核分裂形成营养核和生殖核，生殖核再进行一次核分裂形成三细胞的成熟花粉粒，成熟花粉粒为橄榄球形，有3条纵棱沟；从单核花粉粒至成熟花粉粒，花粉粒的壁逐渐加厚、染色渐深（Ⅲ－7～11）。在形成单核花粉粒的同时，靠近合点的大孢子进行3次连续的核分裂形成8个细胞核，随即在核间形成细胞壁构成八细胞的胚囊，包围于共同的胼胝质中，为蓼型胚囊（Ⅲ－16～19）；成熟胚囊的囊腔特大，反足细胞退化，中间2个极核融合成1个大的次生核（Ⅲ－20）。此期经历的时间最长，约2周。

2．3 花芽分化和发育与小花大小的关系

花器官的分化与花蕾大小的关系见表1。

由表1可以看出，在药隔和胚珠形成前，花蕾的横向生长大于径向生长，以利于各轮花器官的分化，并且花蕾大小的变化较小，从萼片分化至雌雄蕊分化，花蕾从0．103mm×0．104mm 增加到0．168 mm×0．214mm，其增加量很小，即器官的分化速度很快；药隔和胚珠形成后，花蕾的径向生长快于横向生长，药隔和胚珠形成期、花粉和胚囊母细胞形成期、四分体形成期、花粉粒和胚囊形成期、花粉粒和胚囊成熟期花蕾的纵／横分别为1．23∶1、1．53∶1、1∶0．59∶1、1．62∶1和2．71∶1。

表1 花芽分化与花芽大小的关系Tab．1The relation between the differentiation of flower bud and bud size of guar

不同花器官的分化发育速度差异很大。从苞片分化至花原基分化历时很短，不到1d的时间；从花原基分化至萼片的分化历时较长，需时3d；萼片分化后，花器官的分化速度又变快，几乎每天分化一轮花器官；进入雌雄配子体发育期后，历时较长，约2周（表1）。尽管各器官的分化具有顺序性，但发育具有重叠性，在某一器官分化的同时，伴随1个或数个器官的分化，各器官的体积大小受分化早晚和发育速度的影响，也受植株生长发育状态和光合能力的影响。

3 小结与讨论

通过实体解剖和石蜡切片观察发现，瓜尔豆幼苗的花序和花芽分化早，当幼苗出土3d后即开始花序的分化，至出苗的4d后即开始第一花序第一小花的分化，并且同一花序的不同小花之间，以及不同花序的小花之间的花器官的分化既有顺序性又相互重叠，当某一花序基部小花开始花原基分化时，该花序的第三小花、上位节花序的第二小花、上上位节花序的第一小花的苞片均已分化。

瓜尔豆是营养生长和生殖生长时期重叠的作物之一，出苗后4d，第一片真叶还没展开前就开始花芽分化，约15d后进入现蕾期，尔后继续分化花芽和大量产生花荚，需要充足的养分。另外瓜尔豆具有无限生长习性，随着茎尖不断向上生长，在每片新生出的叶腋内不断形成新的花序。这种营养生长和生殖生长同步和形成众多蕾、花、荚的生理特点，使其源、库矛盾突出，植株易出现早衰，大量蕾、花、荚脱落，结荚率低。因此，需要充足的基肥，开花结荚盛期应及时补充追肥。

对瓜尔豆花芽分化的外部形态及内部的组织分化的综合研究表明，瓜尔豆花序为腋生总状花序；花芽形态分化的进程可划分为：未分化期、花序分化期、花器官分化期、药隔和胚珠形成期、雌雄配子分化发育期等5个大的时期。瓜尔豆小孢子减数分裂类型为连续型；胚囊为蓼型胚囊，双珠被，弯生胚珠，珠孔弯向柱头一侧（Ⅲ－13）。大、小孢子和雌、雄配子分化和发育的关系为；大孢子母细胞的分化始于小孢子四分体的初期；单核胚囊发生于单核花粉粒时期，雌雄配子体同时成熟，但大小孢子的减数分裂并非同时发生。

试验研究了瓜尔豆花器官的分化与植株生长和花蕾大小的关系，可为瓜尔豆的栽培管理和单倍体培养提供参考。

前人的观察认为瓜尔豆在具6、7片真叶后，在第二或第三复叶（第四或第五真叶）叶腋开始形成花蕾［1，5］，我们前期的田间试验也发现植株在第三节以上才开始结荚［2，16］。但是，本次研究发现，瓜尔豆80%以上的第一基生叶以及第二基生叶以上各节的叶腋内都能分化花序和小花，因此，采取必要的技术措施使第一、二节的花序开花结荚，对瓜尔豆的早熟丰产具有重要的意义。

王福青等［7］观察发现，花生成熟种子胚芽是一个完整的植株体，具有9条分枝及枝原基、7个花序原基、24片叶及叶原基。据我们实体解剖和石蜡切片观察，虽然瓜尔豆的花芽分化很早，但成熟种子胚芽中并没有分化花序原基，瓜尔豆的花序和花原基是种子萌发后发育的结果。

李晓梅等［17］研究认为，对光周期反映敏感的晚熟大豆品种“自贡冬豆”在长日条件下会发生开花逆转的现象。瓜尔豆在原产地属于严格的短日植物［1］，在新疆引种的瓜尔豆虽然经过了多年选择，但是在长日条件下是否也会发生开花逆转、分化停渍、花粉败育等现象？如果发生了这些情况，其对瓜尔豆产量的影响程度又如何？这还有待于今后研究证实。

图版Ⅰ 瓜尔豆花序的分化发育过程Fig．ⅠThe process of differentiation and development of inflorescence

图版Ⅱ 瓜尔豆的花器官分化过程Fig．ⅡProcess of flower organ differentiation of guar

图版Ⅲ 雌雄配子的发育过程（×640）Fig．ⅢThe development process of male and female gametes of guar（×640）

［1］张洁．新经济作物——瓜尔豆［M］．北京：科学出版社，1987．

［2］郑群，吕国华，李天来，等．弱光对瓜尔豆新品系SU－B5生长发育和产量的影响［J］．沈阳农业大学学报，2006，37（3）：442－445．

［3］Abd－El－Salam M H，El－Etriby H，Saye A F．Evaluation of some stabilizers in the manufacture of ice cream［J］．Egyptian Journal of Dairy Science，1997，25（1）：157－164．

［4］Chitale K，Tak S K．Management of charcoal rot of clusterbean．Advances in arid legumes research［J］．Jodhpur，India：Scientific Publishers（India），2003：412－414．

［5］郑卓杰．中国食用豆类学［M］．北京：中国农业出版社，1997．

［6］杨世杰．植物生物学［M］．北京：科学出版社，2000．

［7］王福青，王铭伦．花生花芽分化的形态解剖学研究［J］．中国油料作物学报，2000，22（2）：41－44．

［8］王庆亚，金文林．小豆花芽分化的研究［J］．南京农业大学学报，1995，18（1）：l5－20．

［9］巫朝福，张先炼，吴淑琴，等．绿豆花芽分化的观察［J］．内蒙古农牧学院学报，1993，14（1）：6－9．

［10］袁志友，李宪利，孙庆华，等．巨峰葡萄花芽分化的研究［J］．西北植物学报，2003，23（3）：389－394．

［11］韩燕来，远彤，陈锋，等．小扁豆花芽分化与结实率的研究［J］．河南农业大学报，1999，33（4）：403－406．

［12］黄承芬，杜桂森．生物显微制片技术［M］．北京：科学技术出版社，1991．

［13］唐道城，张志英，赵梁军．一串红花芽形态分化进程［J］．园艺学报，2001，28（4）：367－369．

［14］陈竹君，陈迪锋，汪炳良，等．榨菜花芽分化早期形态发育及细胞超微结构初探［J］．浙江大学学报：农业与生命科学版，2000，26（1）：79－84．

［15］唐道城，李宏琛．唐菖蒲花芽形态分化与叶片生长的关系［J］．青海大学学报：自然科学版，2002，20（6）：36－38．

［16］郑群，吕国华，李天来，等．不同种植方式和密度对瓜尔豆生长发育及产量的影响［J］．石河子大学学报：自然科学版，2008，26（2）：195－198．