荸荠雌蕊及花粉管萌发的形态观察

欧昆鹏 何芳练 王艳 江文 高美萍 闭志强 陈丽娟 董伟清 桂杰

摘 要：以“桂蹄2号”荸荠品种的雌蕊柱头及其授粉过程的形态为观察对象，从微观的角度揭示荸荠的授粉过程，为开展荸荠杂交育种提供参考。结果表明：荸荠雌蕊有2～4个柱头，白色丝状，维管束状，表皮维管密生有长形的半透明分枝毛茸；授粉后，花粉紧密地结合在分枝毛茸上，相互识别后，花粉管可以能够穿入分枝茸毛并不断生长，将花粉内的遗传物质输送到维管束内。

关键词：荸荠；柱头；分枝茸毛；授粉

中图分类号：S645.3 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431007

荸荠（Eleocharis tuberose），又名马蹄，莎草科荸荠属，原产于我国南部和印度，广泛布于全世界，以热带和亚热带居多，如在朝鲜、日本、越南、美国等也有栽培（柯卫东等，2003）；在我国主要分布在长江流域及以南各省，广西种植面积最大，达到近2万hm2，占我国种植面积的50%。

随着荸荠产业的发展，市场对荸荠品种特性的要求越来越高，当前的荸荠育种依旧是以变异为重要的育种方式，这种体系很难适应市场的变化。近年来，莎草科种子植物的研究开始受到人民的不断关注，研究人员开始对荸荠开花结子习性和种子发芽等方面进行了研究，并揭示了荸荠在开展杂交育种的可能性。在上述研究基础上，为进一步探明荸荠杂交的现象，笔者对荸荠柱头进行了观察和人工辅助授粉试验，并通过对授粉过程的观察研究，揭示荸荠授粉及花粉管形态。

1 材料与方法

1.1 试验材料

种植于广西农业科学院生物技术研究所种质资源圃的“桂蹄2号”荸荠品种，选择生长健壮、无病害花茎叶的花穗。

1.2 试验方法

1.2.1 雌蕊的光学显微镜观察

荸荠群体盛花期为8～9月份，选择雌蕊处于盛花期的花穗，将花穗的覆瓦状鳞片用小镊子剥离，将鳞片内包裹的整个雌蕊完整取下进行测量观察；

选择荸荠种子成熟的12月份，摘取健壮花茎叶的花穗，剥离鳞片，取出完整雌蕊，观察结构。

1.2.2 荸荠群体

盛花期为8～9月份，上午9：00～11：00为荸荠杂交授粉的最佳时间，分别选择完全开放的雄蕊和雌蕊花茎叶为杂交的父本和母本进行人工授粉，授粉后立即套袋，约2h后，摘取花穗进行制样观察。

用剪刀将花穗的花丝剪下来，小心放置滴有蒸馏水的载玻片上，用光学显微镜进行观察、拍照。

将摘取的花穗用固定液，固定，脱水，置换，临界点干燥，喷金，观察。用自制纸筒将荸荠花穗包裹，放入固定液中进行固定进行电镜观察。逐级脱水的乙醇浓度为为30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇进行脱水。在电子显微镜进行观察。

2 结果与分析

2.1 雌蕊的光学显微镜观察

观察还发现，种子成熟后的花穗表面逐渐转变成浅黄色，鳞片始终紧密包裹，所有从鳞片伸出的雌、雄蕊完全凋落；剥开鳞片后发现，约有1mm长度的柱头仍然包裹在鳞片内，与雌蕊的整个花柱完整地被保存下来。

雌蕊的花柱长约3mm，呈扁圆柱形，在接近子房的约1/4花柱处快速膨大，并与子房相连，其硬度逐渐增加，与子房的连接处可见明显的缢节；种子成熟后，剥开鳞片看到花柱呈棕黑色，自然弯曲状，通过40倍光学显微镜下可以观察到花柱中间有一条黑色的管道。

2.2 雌蕊授粉后的光学显微镜观察

观察还发现，在花粉管不断的生长过程中，花粉内的物质不断地向萌发孔一端集中，并通过萌发孔向花粉管生长的方向运动，随着花粉管的生长不断前进；但是在输送过程中，花粉内物质在花粉管运动并不是单向的，有物质回流的现象，但外流速度明显大于回流速度，但所有物质最终都会流入柱头的维管。花粉物质从进入维管到全部进入维管的整个输送过程大约5～10min。

实验观察到花粉管都是通过与分枝茸毛结合并穿入，没有观察到直接通过维管束穿入的现象，并且穿入分枝茸毛的部位也不固定，可以是任何部位，有的在尖端，有的在中部，有的在基部。观察还发现另外一个现象，有极少数的花粉与分枝茸毛结合后萌发出花粉管，但是花粉管没有找到合适的进入点，就紧贴着分枝茸毛的表面向基部不断生长（如图8），直至找到能够穿入的点为止。

2.3 电镜观察

在2500～3000倍扫描电镜下，可以清晰地观察到整个荸荠柱头、花粉及其授粉形态。与光学显微镜观察的结果一致，荸荠柱头呈维管束状，维管向外延伸出分枝茸毛；花粉粒夹杂在分枝茸毛之间并紧密地贴在分枝茸毛上，识别其萌发出的花粉管插入了分枝茸毛的内部，插入的部位有的处于分枝茸毛的顶端（如图9），有的处于分枝茸毛的中部（如图10）。在扫描电镜下，同样没有观察到花粉管直接进入维管进行物质传送的现象。

通过电镜图片也清晰地观察到，荸荠花粉表面雕纹为颗粒状，为双层结构，内比为薄膜，外壁为颗粒状物质结构。花粉管萌发孔区域的表面在花粉管萌发后呈撕裂状，说明花粉管是花粉粒的内壁形成的，内壁薄膜通过萌发孔突破花粉外壁的向外伸出细管形成管状结构，通过与分枝茸毛识别后直接进入了后者内部。如图所示，花粉管萌发的位置位于椭圆形花粉管的两端，因此，可以推定荸荠花粉的萌发孔位于在两极附近。通过扫描电镜比例尺测量出花粉粒和花粉管的大小，极轴长约为32μm，赤道轴长约为28μm，花粉管的直径约4μm。

3 讨论

当前，对荸荠的研究大多集中在栽培和活性物质成分的利用研究上，少数研究者也对荸荠生长周期的规律探究，对荸荠花器结构进行了较为细致的观察。

本研究通过对荸荠花粉粒和花粉管在柱头萌发的形态进行光学和扫描显微观察，从微观角度展示了荸荠雌蕊柱头的维管结构、花粉粒的形态结构以及授粉2h后花粉管的萌发形态，揭示了荸荠授粉过程中花粉内遗传物质传送的途径，从根本上明确了荸荠完全能够进行杂交授粉的理论，为荸荠进行杂交育种提供了可靠的理论依据和实际参考，为进一步开展荸荠杂交育种开辟了一条广阔的研究途径。

从实验观察情况分析，花粉粒与柱头的结合是随机的，但不是所有花粉粒都能够萌发，只有两极与分枝茸毛相接触并识别后的花粉粒才能成功萌发出花粉管；由柱头维管延伸出来密布于柱头四周的分枝茸毛对荸荠进行授粉有着至关重要的作用：在柱头表面构建了花粉粒的承载结构，能够阻碍自花或异花至上而下掉落的成熟花粉粒的继续下落，有效地扩大了柱头授粉的面积；花粉的结合器官和花粉管的穿入通道，实验观察到的所有花粉粒的遗传物质，都是通过花粉与分枝茸毛结合后才能萌发花粉管，花粉管进入分枝茸毛后不断生长，遗传物质跟随花粉管的不断生长进入最终被输送进入柱头的维管，有关结合机理还有待于进一步研究。

研究发现荸荠柱头绝大多数雌蕊都是3个柱头，偶有2～4个柱头的现象，与相关文献报道有不同。每个柱头的分枝茸多达数百根，大量分枝茸毛与花粉接触后得到的遗传物质传送都直接进入相应的维管，然而花粉管生长停止、遗传物质的输送情况、以及雌蕊如何进行输送调节等相关机理机制有待于进一步探明。

有关莎草科的研究报道不多，有学者近年来开展了对海南、山东、贵州等地的莎草科植物进行了调查研究，都还处于资源调查阶段。荸荠是莎草科植物中被认识和研究最多的作物之一，也是莎草科植物中能够大面积种植的经济作物，对其进行相关研究，有助于对莎草科植物的研究提供理论参考。