阳春砂有性生殖特性的研究进展（综述）

林美珍，田惠桥

（1.漳州卫生职业学院，福建 漳州 363000；2.厦门大学 生命科学学院，福建 厦门 361005）

阳春砂有性生殖特性的研究进展（综述）

林美珍1，田惠桥2

（1.漳州卫生职业学院，福建 漳州 363000；2.厦门大学 生命科学学院，福建 厦门 361005）

阳春砂是我国珍稀濒危的药用植物，以其果实入药。由于阳春砂柱头高于花药，自然传粉结实率低，严重制约了果实产量。为揭示阳春砂果实形成的基础，探讨提高阳春砂产量的对应策略，本文就阳春砂的形态特征、生态习性、花粉发育、胚囊发育及开花、传粉、受精等有性生殖研究状况进行综述。

阳春砂；授粉；有性生殖；特性

阳春砂Amomum villosum是中国四大南药之一，也是珍稀濒危的药用植物，历来被视为“医林珍品”，在中医药界享有盛誉。阳春砂以其果实入药，味辛，性温，具有化湿开胃、温脾止泻、理气安胎等功效，主治湿浊中阻、脘痞不饥、脾胃虚寒、呕吐泄泻、妊娠恶阻、胎动不安等病症［1］，为消化系统之良药。

阳春砂由于花器官构造特殊即柱头高于花药，较难自花授粉；花序生于匍匐地面的根状茎上，被繁茂的地上茎和叶所遮盖，昆虫难于传粉。自然传粉结实率低［2］，制约了阳春砂的可持续发展，也引起了学者们的广泛兴趣。本文就阳春砂有性生殖特性的研究状况进行综述分析，旨在为促进阳春砂的资源开发和可持续发展提供资料。

1　形态特征

阳春砂为姜科Zingiberaceae豆蔻属Amomum多年生草本植物［3］。植株高达2.0～3.0 m，具根状茎和直立茎（图1： A）。根状茎伸长且匍匐地面，节上被褐色膜质鳞片；直立茎散生，不分枝，基部膨大成球状（图1： B）。叶2列，叶片长披针形，长20～37 cm，宽3.5～7.5 cm；叶鞘开放，抱茎，具凹陷的方格状网纹。穗状花序椭圆形，生于根状茎的花葶上，每花序有花7～13朵；苞片披针形，黄绿色；小苞片管状；花萼管筒状，顶端具3浅齿；花冠管状，由3裂片组成，后方1片呈兜状；唇瓣倒卵状，中脉凸起，黄色并染有紫红色；能育雄蕊1枚，药隔附属体花瓣状；雌蕊子房下位，3室，中轴胎座，胚珠多数，花柱细长，从两药室之间穿出，柱头漏斗状高于花药（图1： C）。蒴果近圆形，长1.5～2.0 cm，宽1.0～1.8 cm；成熟时紫红色，果皮被软刺（图1： D）；种子多角形，被白色粘性的假种皮。花期4～6月，果期7～9月［3］。

2　生态学特性

阳春砂分布于东经99°56′～112°26′，北纬21°27′～23°27′的热带、亚热带季风气候地区，主产云南、广东、广西和福建，多为栽培。以广东省阳春市为道地产区，云南省西双版纳为最大引种区，栽培面积最大，年产量最多［4］。福建省的主要种植区是漳州市长泰县。

陈蔚文［5］报道，阳春砂适宜生长在温暖、湿润、多雾的气候环境，年平均气温22～28 ℃生长良好，遇短暂低温仍能越冬生长。3～4月平均气温12 ℃以上时花芽开始萌动，5～6月气温在20～30 ℃之间，空气相对湿度75%～90%，土壤含水量24%～26%，有利于开花。阳春砂为多年生半阴生植物，喜漫射光，忌阳光直射，1～2年苗期需70%～80%荫蔽度。3年后植株进入开花结果期，荫蔽度以50%～60%为宜；若过于荫蔽，植株生长虽然旺盛，但开花结果少［6］。陈锡沐［7］记载阳春砂喜湿、怕涝、忌旱，一般要求空气相对湿度在75%～90%，特别是孕蕾至开花期，其相对湿度要求90%以上。对于土壤水分的需求，不同生长时期需水量各不相同。幼年植株要求土壤含水量为24%～26%；成年植株由于根系发达，具有一定的抗旱能力，土壤含水量要求不低于10%，但含水量在22%～26%时生长良好，低于20%时生长受到抑制；土壤含水量过高会影响根系呼吸作用，导致烂根。因此，种植阳春砂宜选择土层深厚、疏松和腐殖质含量丰富、养分充足、保水保肥力强的壤土或沙壤土种植，一般在杉木或柏树下套种［8］。

3　开花物候期特性

阳春砂的繁殖方式有两种，即无性分株繁殖和有性种子繁殖。分株繁殖植株在定植后两年能开花，而种子繁殖的实生苗需三年才能开花。高伟［9］曾在阳春砂的生殖生物学研究中发现，阳春砂花芽在春季3～4月从根状茎上抽出，花序的成熟开放在5～6月。小花自下而上逐步开放，开放时间为1 d。一个花序上的小花全部开完一般为7～13 d，开放时间一般在7︰00～10︰00am，但因温度和湿度等环境条件不同而异，在天气晴朗，温度22 ℃，湿度98%时，开放时间是清晨7︰00～8︰00am；若在温度低的阴雨天气，花开放时间推迟到 9︰00～10︰00am。温度对阳春砂花芽的分化、开放、花药爆裂和花粉粒的形成有重要影响，其次是光照和水分条件，花开放的最适宜温度为24～28 ℃，温度在20 ℃以下花苞无法开放，气温32 ℃以上花芽会被灼伤也无法开放［10］。

4　花粉发育特性

图1　阳春砂有性生殖特性Fig. 1　Sexual reproduction characteristics of Amomum villosum

于志忱和韩德聪［11］曾研究阳春砂小孢子母细胞的减数分裂和花粉粒发育，揭示阳春砂的小孢子母细胞减数分裂为连续型，四分体中的四个小孢子排列方式包括俩侧对称式、交互对生式、三核线形排列式、T形排列式和四细胞直列式五种形式。花粉粒的发育实际上是小孢子经过二次有丝分裂的过程，开花当日或次日在花粉囊中形成三细胞的花粉粒。最近，林美珍等［2］用植物组织化学方法研究阳春砂花药发育过程中营养物质的积累、分布和转化特征，发现阳春砂小孢子母细胞和四分体小孢子中积累了较多的脂滴，但没有淀粉粒；到了单核小孢子晚期，细胞核周围开始出现淀粉粒，并伴随着脂滴的积累（图1： F）；成熟花粉贮存有丰富的淀粉粒和脂滴。花开放的前一天，花粉粒为二细胞型，其表面分布有许多棘突。花药壁的构造也很特殊，由表皮和几层薄壁细胞以及径向壁纤维加厚的变形细胞组成，并已开裂［2］。

5　胚囊发育特性

有关阳春砂胚囊发育的研究资料不多。于志忱等［12］对春砂仁的大孢子母细胞减数分裂和胚囊发育过程进行观察，发现大孢子母细胞经减数分裂Ⅰ和Ⅱ后形成横的分隔壁，产生的四个大孢子成直线排列，其胚囊发育属单孢子胚囊蓼型。钱南芬等［13］曾观察了阳春砂雌配子体发育过程，揭示大孢子母细胞减数分裂后的四个大孢子，其中位于珠孔端的三个大孢子退化，合点端的大孢子连续进行三次有丝分裂形成8核胚囊。成熟胚囊上宽下窄，合点端狭窄延长成盲肠状，开花当天2个极核融合成次生核从而形成 7细胞胚囊。在大孢子与胚囊发育过程中，内外珠被也发育，最后整个包住珠心。胚囊位于珠孔端两层珠心细胞之下。当胚囊成熟时，珠孔端只剩下一层珠心细胞，它们纵向伸长并膨大，排成栅栏状，形成珠心冠原，在珠心的合点端有明显的承珠盘［13］。从阳春砂胚囊结构可以看出，内外珠被在受精后发育成种皮，保护胚珠，同时其珠心冠原和承珠盘都有利于受精，所以阳春砂的受精概率比较高，其果实产量低也许是传粉难的原因。

6　传粉生物学特性

阳春砂为两性花，雌蕊柱头高于雄蕊花药，且花序生于地面的根状茎上，既不利于风媒传粉，也不利于虫媒传粉，其繁育系统属于兼性自交类型［9］。福建省长泰县种植的阳春砂自然传粉结实率通常只有3%～8%［2］，提高有效传粉是增加阳春砂产量的主要策略。张文庆等［14］对阳春砂的传粉昆虫进行研究，发现最主要的传粉昆虫是多种蜜蜂，其中以彩带蜂传粉效果最佳，自然状态彩带蜂传粉的结实率可达71.9%。若人工去唇瓣加喷糖水引诱蚂蚁传粉，能使结实率提高2.0倍，可见蚂蚁是阳春砂传粉的重要媒介［15］。采用去唇瓣加手指涂抹花粉的授粉方法可使结实率增至82.1%［15］。当前在阳春砂生产中，人工辅助授粉的方法主要有去唇瓣正向推拉法、反向推拉法和抹粉法，人工授粉结实率可增加到40%～80%，但劳动强度大、成本高，且易伤及花芽和根状茎，不利于大规模种植［16］。林美珍［17］发明采用柔质工具如带长柄的粉刷滚筒拍打阳春砂花苞的人工授粉方法，可使阳春砂结实率提高3.1倍，值得推广。

7　受精生物学特性

阳春砂花药的花粉量一般在10 000粒左右［5］，小孢子母细胞经连续减数分裂形成四分体，在开花的前一天即花苞时，二胞花粉粒已经成熟，花药也已开裂，为传粉做好了准备［2］。

高伟［9］研究报道阳春砂在开花前1 d、当天、后1 d花粉均具有较高的活力，达78%以上。开花当天的花粉，从早上至傍晚都维持在一个较高水平，花粉活力达94%以上。花粉活力与温度和湿度的变化存在相关性，温度升高且湿度下降会抑制花粉活力。开花前1 d柱头已有接受花粉的活力，达70%以上；开花当天的柱头可授性最高，达84%；开花后1 d还残存30%活力；开花后2～3 d的柱头失去可授性。因此，在开花当天通过人工辅助授粉，可以高效率地提高阳春砂的结实率。

阳春砂的子房一般有40～60个胚珠［13］。在传粉后16 h，花粉在柱头上萌发出花粉管，花粉管沿着柱头及花柱的通道经过珠孔，16～18 h后进入子房室，24～28 d后穿过“珠心帽”进入胚囊。花粉管由丝状器部位穿入一个助细胞，此时助细胞方解体，两精子由解体的助细胞合点端释放入胚囊，然后分别趋向卵细胞和次生核，完成双受精［12—13］。阳春砂受精是雌雄核彻底完成融合后才进行有丝分裂，属有丝分裂前型，胚乳发育属于沼生目型［18］。

阳春砂种子包括假种皮、种皮、外胚乳、内胚乳、胚。有效成分挥发油主要存在于胚和假种皮细胞中，内胚乳最外层细胞与外种皮中也有分布［19］。然而有关阳春砂胚的发育和胚细胞结构与有效成分积累的关系研究尚未见报道［18］。

8　结语

阳春砂为我国资源紧缺的中药，由于自然传粉率低影响了果实产量，挫伤了农民种植阳春砂的积极性。目前阳春砂栽培面积逐年减少，严重制约了阳春砂的可持续发展和市场供应。同时，由于种植阳春砂主要依靠无性分株繁殖，导致物种严重退化。揭示阳春砂的有性生殖规律是提高果实产量的基础，如何在自然状态下，使阳春砂进行异花传粉，保护种质资源是将来进一步研究的方向。

阳春砂的花柱具有单孔道，花粉管自柱头伸到胚囊珠孔端途中不破坏任何细胞，且“珠心帽”细胞可能分泌一些多糖类黏液［12］，有利于花粉管穿过和受精过程。因此，阳春砂的受精过程是顺畅的，其结实率低，单产量低的主要原因是自然状态下传粉受阻。如何通过转基因技术、细胞融合、辐射育种、杂交育种等生物技术培育出自然授粉率高的新品种，改变阳春砂的生殖特性是提高果实产量的关键问题。

阳春砂的花粉发育很特殊，有两个值得关注的植物学新现象。一是花粉母细胞没有厚厚的胼胝质壁，减数分裂后形成的四分体小孢子被2层很薄的细胞壁包裹、分割（图1： E）。阳春砂花粉发育的另一新现象是花粉外壁成分由多糖物质构成（图1： G），而非胡萝卜素和类胡萝卜素酯的孢粉素物质构成［2］。花粉外壁的孢粉素具有很强的抗酸和抗分解特性，使花粉能长期保存，同时花粉外壁中还有识别蛋白，发挥受精过程中与柱头发生识别反应的作用［20］。阳春砂花粉的多糖外壁是否也具有这种识别功能值得进一步研究。

［1］ 国家药典委员会. 中国药典（一部）［S］. 北京： 中国医药科技出版社， 2010： 236—237.

［2］ Lin M Z， Zhu Y， Yang S J， Wei D M， Tian H Q. Cytochemical study of developing anthers of Amomum villosum Lour［J］. Flora， 2014，10： 567—570.

［3］ 中国科学院中国植物志编委会. 中国植物志（第16卷， 第2分册）［M］. 北京： 科学出版社， 1981： 125.

［4］ 张丹雁，刘军民，熊清平，丁平，胡娜，赖小平. 阳春砂资源调查与分析［J］. 广州中医药大学学报， 2008，25（1）： 77—80.

［5］ 陈蔚文. 岭南本草（一）［M］. 广州： 广东科技出版社， 2010.

［6］ 王江民. 砂仁栽培管理技术［J］. 农村实用技术， 2004（10）： 9—11.

［7］ 陈锡沐. 南方名贵药材栽培与加工［M］. 广州： 广东科技出版社， 2002.

［8］ 林建和. 长泰砂仁的特征特性及丰产栽培技术［J］. 福建热作科技， 2008，33（1）： 27—28.

［9］ 高伟. 药用植物阳春砂生殖生物学特性初步研究［D］. 广州： 广州中医药大学硕士学位论文， 2011.

［10］ 韩德聪. 温度对春砂仁（Amomum villosum Lour）花粉萌发的影响［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 1983（2）： 114—119.

［11］ 于志忱，韩德聪. 春砂仁（Amomum villosum Lour）小孢子母细胞的减数分裂和花粉粒发育的研究［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 1982（4）： 78—85.

［12］ 于志忱，韩德聪，黄庆昌. 春砂仁（Amomum villosum Lour）大孢子母细胞的减数分裂和胚囊发育的研究［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 1979（3）： 75—81.

［13］ 钱南芬，张振珏. 砂仁雌配子体发育与受精过程的观察［J］. 植物学报， 1984，26（4）： 365—371.

［14］ 张文庆，杨沛，陈东，温瑞贞. 春砂仁的访花昆虫种类及其访花和筑巢行为［J］. 昆虫知识， 2006，43（5）： 678—680.

［15］ 林文荣，洪俊溪，粱金联. 砂仁开花结实率的研究初报［J］. 福建林学院学报， 1989，9（4）： 85—87.

［16］ 陈蔚文，徐鸿华. 岭南道地药材研究［M］. 广州： 广东科技出版社， 2007.

［17］ 林美珍. 一种提高砂仁授粉率或产量的方法［P］. 中国， ZL201310218752.0. 2014—11.

［18］ 李合英，吴鸿. 春砂仁传粉及其生殖生物学研究进展［J］. 亚热带植物科学， 2012，41（4）： 75—78.

［19］ 吴七根，廖景平. 砂仁种子的解剖学和组织化学研究［J］. 热带亚热带植物学报， 1995，3（2）： 52—59.

［20］ 胡适宜. 被子植物生殖生物学［M］. 北京： 高等教育出版社， 2005： 51—84.

Review of Sexual Reproduction Characteristics of Amomum villosum

LIN Mei-zhen1， TIAN Hui-qiao2
（1.Zhangzhou Health Vocational College， Zhangzhou 363000， Fujian China； 2.School of Life Sciences， Xiamen University，Xiamen 361005， Fujian China）

Amomum villosum is rare and endangered medicinal plants in China， its fruit is used as medicine. Natural pollination seed setting rate is low for stigma being higher than anther， which severely limits its fruit production. In order to reveal the basis of forming fruit and explore corresponding strategy of improving the yield of A. villosum， the paper summarized research status on sexual reproduction such as morphological characteristics， ecological characteristics， pollen development， embryo sac development， flowering， pollination and fertilization.

Amomum villosum； pollination； sexual reproduction； characteristics

10.3969/j.issn.1009-7791.2015.01.017

Q944.4

A

1009-7791（2015）01-0083-04

2014-12-10

福建省自然科学基金（2015J0101）；福建省教育厅科技项目（JA12437）

林美珍，硕士，教授，从事药用植物学研究。E-mail： lmz575@163.com

注：田惠桥为通讯作者。E-mail：hqtian@xmu.edu.cn.