洋葱花器数目变异研究

蒋景龙

（陕西理工学院 生物科学与工程学院，陕西汉中723001）

花不仅是有性生殖植物的繁殖器官，也是植物分类学中的一个重要依据。花器形态的奇特性、多样性、数目的增减等都可以为植物的分类和系统发育提供重要依据。花器多态性是指花器形态多样性、发育状态多样性和数目多样性的简称。高等植物的成花过程一直是植物发育生物学领域研究的前沿和热点，花器数目的变异研究为进一步研究花的结构、起源、进化和系统发育多样性提供依据［1］。中国在被子植物系统发育方面的研究起步较晚，在花器官发生影响的报道中大多利用植物激素、物理或化学方法处理获得花器多态性材料［2］。对于在自然条件下，花器官发生过程中发生的变异及其原因分析的研究鲜有报道。

据中国植物志记载洋葱（Allium cepa L．）属百合科，葱属，正常洋葱小花，花被片6片，花瓣状，排成2轮，雄蕊6枚，花柱1枚，子房3室，基部合生。长期以来，对于洋葱的分类一直存在争议，大多数学者将其分到了百合科，而在J．哈钦森系统中将其分到石蒜科。本课题组在研究洋葱雄性不育过程中发现，在自然生长条件下，3个品系中均出现了洋葱花器官数目变异现象，包括雄蕊、子房、花柱和花被片数目的变异。花器的奇特性和数目的变异均可以为植物的分类和系统发育提供重要依据，因此对于洋葱这样在分类学上具有争议的植物，花器数目变异的发现将为洋葱的分类和系统发育提供一定的依据。花器的发育既受基因调控又受环境影响，花器数目的变异对丰富植物花器多样性与发育模式和系统发育研究有着非常重要的意义。

1 材料和方法

1．1 植物材料

洋葱JQS－1、MST－140、Red beauty 3个品种的鳞茎均由甘肃省酒泉市酒泉农业科学研究所提供。其中JQS－1是从美国引进的雄性不育系，黄皮、鳞茎较大，MST－140为甘肃省酒泉市酒泉农业科学研究所培育的雄性不育系，黄皮、鳞茎比JQS－1 小，Red beauty为酒泉农业科学研究所培育的可育系，红皮、鳞茎大小与JQS－1相似。为了研究JQS－1的育性和生理特征，不育系MST－140 和可育系Red beauty作为对照组。

1．2 方 法

将3个品种的洋葱鳞茎同时栽培在实验园地，株行距各0．33m，各品种间，设置隔离，常规栽培管理。洋葱花序开放后，每个品种选3～4株，每株随机选取100～200朵开放的小花，在Olympus解剖镜下，观察每朵小花花被片数目、雄蕊数目、子房数目和柱头的数目变异情况，并对典型变异的小花进行数码摄像。同时，分别取发育正常和异常的花药，放在洁净的载玻片上，捣碎并去除残渣，滴一滴醋酸洋红，用针尖搅拌均匀，盖上盖玻片后，在普通光学Olympus显微镜下观察比较正常花药和异常花药中花粉粒的形态。雄蕊数目为6枚视为正常小花，数目增多或减少均为雄蕊数目变异的异常小花。

雄蕊数目变异小花比例（%）＝雄蕊数目异常小花数（5或7或8或9或10或11）／观察的小花总数

总变异率（%）＝雄蕊异常小花总数／观察的小花总数

2 结果与分析

2．1 雄蕊数目的变异

通过对3个品种不同洋葱植株花序的小花中花器数目观察统计，发现一些小花雄蕊数目为5枚（图版Ⅰ，A、B），比正常洋葱小花的6枚雄蕊（图版Ⅰ，C、D）减少了1枚。同时，也发现一些小花的雄蕊数目比正常小花雄蕊数目有所增加。有些小花雄蕊数目增加至7枚（图版Ⅰ，E～G）、8枚（图版Ⅰ，H～K）、9枚（图版Ⅰ，L～N）、10枚（图版Ⅰ，O）甚至11枚（图版Ⅰ，P）。

通过对3个品种洋葱花序中随机选取的小花雄蕊数目进行统计，发现MST－140花序中雄蕊数目变异的小花比例最高，为20．24%，而JQS－1 和Red beauty洋葱花序中雄蕊数目变异的小花比例稍低，分别为17．07%和16．69%（表1），这表明洋葱花序发育过程中雄蕊数目的变异具有普遍性。3个品种洋葱雄蕊数目变化的小花类型中，7枚雄蕊小花的比例最高，分别为14．33%、14．03%、12．20%（表1），其次为8 枚雄蕊小花的比例，比例最低的为5枚、9枚、10枚和11枚雄蕊的小花。

在雄蕊数目正常和异常的洋葱小花中均发现一些发育异常的花药。正常花药一般为绿色或黄色，新鲜、饱满、表面非常光滑（图版Ⅰ，Q），花粉量大、花粉粒形状规则、分散均匀（图版Ⅰ，R、S）。异常花药呈现黄褐色，表面凹凸不平并出现皱缩，体积瘦小，比正常花药小（图版Ⅰ，T），花粉萎缩，干瘪，花粉量小，大量花粉粒形状不规则（图版Ⅰ，U、V）。

表1 3种洋葱花序中具不同雄蕊数目的小花比例Table 1 Ratio of variation floret with different stamens in onion inflorescence of three cultivars

2．2 雌蕊数目的变异

正常的洋葱小花有1个花柱（图版Ⅱ，B），在观察的洋葱小花中发现了含有多花柱的小花，即1个小花中含有2个（图版Ⅱ，D）或3个柱头的现象（图版Ⅱ，E）。正常的洋葱小花子房3室（图版Ⅱ，B），在观察的洋葱小花中发现了子房数目变异现象，有的小花减少1室，即有2室（图版Ⅱ，A），有的小花增加1室，即有4室（图版Ⅱ，C、D），目前为止，发现子房最多增加3室，即6室（图版Ⅱ，E）。柱头增多现象多发生在子房数目增多的小花中。

2．3 花被片数目的变异及与雄蕊、花柱、子房数目变异间的关系

正常的洋葱小花有6片花被片，在观察的洋葱小花中发现了一些小花的花被片数目比正常洋葱小花花被片数目增加了1～4片，即含有7片（图版Ⅱ，F）、8片（图版Ⅱ，G、K）、9 片（图版Ⅱ，H、N）和10片花被片（图版Ⅱ，L、M）。同时也发现了比正常洋葱小花花被片数目减少了1片的小花（图版Ⅱ，I）。花器数目变异的小花中，花被片数目与雄蕊数目的变异有同步增减和非同步增加2种类型。例如，雄蕊和花被片同时减少了1个，剩下的5枚雄蕊和5片花被片一一对应生长，雄蕊的基部和花被片的基部合生，且空间上呈辐射对称（图版Ⅱ，I）。在雄蕊数目增加的小花中也存在这种现象，例如，同时出现7、8、9个对应生长的花被片和雄蕊（图版Ⅱ，F～H）。但是也发现了不对应增加的情况，如有的小花的花被片数目是6片，雄蕊的数目却增加至7枚（图版Ⅱ，J）。有的小花雄蕊的数目为6，花被片的数目却增加至8片（图版Ⅱ，K），还有的小花花被片为9片，雄蕊却为8枚（图版Ⅱ，N）。

3 讨 论

洋葱是异花授粉虫媒花，结实率一直不是很高，在进化上，虫媒花植物的花被片是引诱昆虫传粉的器官，因此在不影响花粉产生的情况下花被片数目的增加对引导昆虫传粉是有利的。同时雄蕊、花柱数目增加对提高花的授粉率具有重要意义［3］。花的形成分为花亚区的形成和花器官的发生2个重要阶段。当花原基中细胞的数目确定后，花原基进一步分化为花萼、花瓣、雄蕊和心皮花器官的4个同心圆区域的花亚区［4］。当花原基分别产生不同器官的同心区域后，在同一区域中的细胞进一步平周分裂产生花器官原基。花器数目的次生性变化可通过原基分裂、原基融合或次生原基的形成而产生，花原基细胞数目的增减导致花器官数目增减［5］。在JQS－1、MST－140、Red beauty 3个常规栽培品种的洋葱小花中均发现花被片、雄蕊、子房与花柱数目的增减，分析认为这些变异可能发生在花亚区形成阶段，花器官亚区细胞数目的增减所致。细胞数目的增减又与细胞分裂速度增减有关，最终导致花被片和雄蕊数目的增减。王祖秀等［6］研究发现韭兰的花被裂片数和雄蕊数目的多种变异，可能与花器官亚区形成的早期调节或与细胞分裂速度改变有关，这与本研究中发现的洋葱花器变异极为相似。

植物花器是基因和环境条件相互作用产生的一种表型。对于花器官发育的遗传控制机理国外已提出多种模型。它们由ABC 类基因控制。如果这些基因发生突变，则产生4 个亚区间花器官的错位发育，但我们所观察到的洋葱花器数目的变异却不能用“ABC模型”或“ABCD 模型”［7－8］和“ABCDE模型”［9－10］解释。在原基分化形成期各种花器官的特征、数目和位置均已明确，Leyser和Furner在对拟南芥突变体研究过程中发现了它的各轮花器官数目均有增加，此后被Clark等证实其花器官数目的增加是由于花分生组织过度增生所引起［11－13］。国凤利和孟繁静报道的新发现的矮牵牛突变体efficient中提到了子房数目增加了1～2个，雄蕊增加1枚、花瓣和萼片数目增加1～2枚，心皮数目的增加导致雌蕊柱头和子房体积显著增大，形成较大的果实等现象［3］。李耘等［14］在研究水稻front突变体时发现该突变体的小花雄蕊从正常6枚增加到7、8、9枚，心皮数目从1增加到2、3个，而内稃和外稃的数目没有变化的现象。此外，在水稻的fon1－1和fon1－2等位突变体研究中发现，fon1－1中雌蕊的数目增加到了2～3枚，但是雄蕊、内稃、外稃的数目均没有变化，而在fon1－2突变体中雌蕊的数目却增加到了4～9枚，雄蕊数目增加到了7～12枚，额外的内稃、外稃也被发现。这种雄蕊和雌蕊数目大幅度增加的现象，他们认为主要取决于在3轮和4轮之间产生一个新的雄蕊轮或在3 轮中产生额外的雄蕊［15］。由于洋葱花器数目的变异既不是花器官的错位发育，也不是由基因突变产生的可稳定遗传的变异。因此控制洋葱花被片与雄蕊细胞分裂速度和细胞分裂模式的基因表达可能受到某种环境因素的影响所致，这也是变异不稳定的原因，同时环境因素也可能影响不同小花花器数目变异间的频率差异。研究过程中发现只要是子房增加或减少，花被片和雄蕊也必定伴随着增加或减少的现象。这说明在洋葱的花器发育中决定心皮数目的基因也同时影响雄蕊和花被片的发育。雄蕊和花被片数目出现同步或不同步变异类型，其原因可能是花被片和雄蕊原基形成过程中，在其两者之间多产生了1～2轮原基，每一轮仍然发育成3枚，这1～2轮原基有可能最终发育成雄蕊也有可能最终发育成花被片，或者部分发育成雄蕊和花被片。在分布上，很多雄蕊变异的小花在花序上呈现明显的区域化，即变异的小花在花序中总是紧靠在一起成区存在，说明在花序发育的过程中，某一个区的分生组织发生了变化，导致这个区洋葱小花的花器官发育也发生变化。

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图版Ⅰ 洋葱雄蕊数目的变异与花药和花粉的粒形态A、B．小花中雄蕊数目为5；C、D．小花中雄蕊数目为6；E～G．小花中雄蕊数目为7；H～K．小花中雄蕊数目为8；L～N．小花中雄蕊数目为9；O．小花中雄蕊数目为10；P．小花中雄蕊数目为11；C、D．正常小花，其余均为异常小花；Q．发育正常洋葱花药；R、S．发育正常的花粉；T．异常的洋葱花药；U、V．发育异常的花粉。PlateⅠ Variations of stamen number and morphology of anther and pollen in onion flowersFig．A，B．Stand for 5stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for 6stamens in onion floret；Fig．E－G．Stand for 7stamens in onion floret；Fig．H－K．Stand for 8stamens in onion floret；Fig．L－N．Stand for 9stamens in onion floret；Fig．O．Stands for 10stamens in onion floret；Fig．P．Stands for 11stamens in onion floret；Fig．C，D．Stand for the normal florets and others are abnormal florets．Fig．Q．Shows normal anthers in onion flowers．Fig．R，S．Show normal pollen．Fig．T．Shows abnormal anthers in onion flowers．Fig．U，V．Show abnormal pollen．

图版Ⅱ 洋葱雌蕊、雄蕊与花被片数目的变异A．子房数目2花柱为1的变异小花；B．子房数目3花柱为1的正常小花；C．子房数目4花柱为1的变异小花；D．子房数目4花柱为2的变异小花；E．子房数目6花柱为3的变异小花（花中1、2、3、5、6．表示小花中子房的数目；＊．表示花柱位置）。A～D．表示花被片和雄蕊数目相同的小花；E～I．表示雄蕊数目与花被片数目不相同：E．花被片数目正常（6枚），雄蕊增加1枚（7枚）；F．雄蕊数目正常（6枚）花被片数目增加2片（8片）；G．雄蕊数目为9，花被片数目为10；H．雄蕊数目为11，花被片数目为10；I．雄蕊数目为8，花被片数目为9。1、2、3、5、6等数字表示雄蕊，a、b、c、d、e、f等表示花被片。PlateⅡ Variations of pistil，stamen and tepal number in onion flowers Fig．A．Stands for the variation flower with 2ovaries and 1style；Fig．B．Stands for the normal flower with 3ovaries and 1style；Fig．C．Stands for the variation flower with 4ovaries and 1style；Fig．D．Stands for the variation flower with 4ovaries and 2styles；Fig．E．Stands for the variation flower with 6ovaries and 3styles（1，2，3，4，5，6show the number of ovaries．＊shows the position of style）；Fig．F－I．Show the onion flowers which has the same number of pistils and stamens；Fig．G－N．Show the onion flowers which has the different number of pistils and stamens；Fig．J．Stands for an onion flower with 6pistils and 7stamens；Fig．K．Stands for an onion flower with 6stamens and 8pistils；Fig．L．Stands for an onion flower with 9stamens and 10pistils；Fig．M．Stands for an onion flower with11stamens and 10pistils；Fig．N．Stands for an onion flower with 8stamens and 9pistils；The 1，2，3and 4indicant the number of stamen and a，b，c，d，e and f show the number of pistils．