大白杜鹃子房解剖结构及其生态意义

2018-03-16马绍宇蔡艳飞解玮佳

江西农业学报 2018年3期

宋杰,马绍宇,蔡艳飞,张露,杨维,解玮佳*

(1.云南省农业科学院花卉研究所，云南昆明 650205；2.国家观赏园艺工程技术研究中心，云南昆明 650205；3.云南省花卉育种重点实验室，云南昆明 650205；4.云南省花卉技术工程研究中心，云南昆明 650205；5.云南农业大学园林园艺学院，云南昆明 650201)

杜鹃属(Rhododendron)是杜鹃花科(Ericaceae)中最大的属，也是北温带植物区系中的大属之一。全世界有1000余种，我国有近570种，占世界杜鹃花资源的半数以上。我国西南横断山脉地区是世界杜鹃花的起源地和现代分布中心之一。杜鹃花属植物种类繁多，具有树形丰富、花叶形态多样、色彩艳丽多变、花期长、适应性强等特点，是优质园林绿化资源。国外学者从宏观和微观领域上对杜鹃花进行了深入研究。Anderson等[1]首次对杜鹃进行了组织培养研究。随后Wang(1977年)、Preil(1977年)、Hannapel(1981年)、Meyer(1981年)、Economou(1981、1984年)、Read(1982年)和Dabin(1983年)等都对杜鹃进行了组织培养研究[2]。Philipson等[3]对杜鹃属茎节的解剖研究在有花植物的系统发育等方面有重要的意义价值。Sleumer[4]根据花部器官、果实和种子的形态构造，以及植物习性等特征将杜鹃花属划分成8个亚属，这一观点在近代分类学领域中对杜鹃花属的分类问题取得了重大突破。Goetsch等[5]将分子生物学应用于属下分类群间亲缘关系的确立等。

国内研究杜鹃花主要集中在资源考察[6-8]、形态学分类[6,8-10]、生态与分布[11-12]、植物化学[13]、孢粉学[9]、组织培养[14-15]等领域，有关于解剖学方面的研究很少，且多局限于粗脉杜鹃(R.coeloneurumDiels)、马缨杜鹃(R.delavayiFranch)、露珠杜鹃(R.irroratumFranch)、滇南杜鹃(R.hancockiiHemsl)、东南杜鹃(R.dunniiWils)、刺毛杜鹃(R.championiaeHook)等植物叶片的中脉、上下角质膜厚度、表皮细胞层数、厚度和栅海厚度比，以及中脉维管束结构、叶脉最大导管直径、气孔密度等研究[11-12,16-17]。

大白杜鹃(R.decorumFranch)是常绿杜鹃亚属[SubgenHymenanthes(BL)K. Kocg]中常绿杜鹃组(SectponticumG. Dou)云锦杜鹃亚组(SubsectfortumeaS. Jeumer)的植物。其花淡红色或白色、花梗淡绿色带紫红色，具有较高的观赏价值，其根、枝叶可入药。该种主要分布于四川、云南、贵州等地，生长在海拔1000～3700 m的林下、灌丛中或自成纯林，喜冷凉、湿润气候和腐殖质、疏松、湿润的微酸性土壤，需一定光照但不耐暴晒。目前，对大白杜鹃的研究主要集中在营养成分[17]、耐旱性[18]、种子形态[19]、基因多态性分析[20]、组织培养[21-24]、扦插繁殖[24-25]等方面。有关杜鹃花属花器官的形态结构已有相关报道，但大多集中在花芽、花序、花冠、花瓣和花萼的形态特征上[26-28]，而对其雌蕊的解剖结构研究则较为少见。本试验利用光学显微镜，采用常规石蜡切片技术对大白杜鹃的雌蕊进行解剖结构观察，旨在为大白杜鹃野生资源的杂交育种提供解剖学依据，补充和完善前人对杜鹃属植物的形态、解剖学研究工作，并从解剖学的角度研究杜鹃属植物的系统演化与其生态适应之间的关系，为该属的生物进化研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该试验在云南省农业科学院花卉研究所(海拔1926 m，102°41′ E，25°01′ N)进行。试验地属低纬高原山地季风气候，受印度洋西南暖湿气流的影响，年均气温14.5 ℃。年均日照时数为2445.6 h，日照率56%，年均降雨量1035.3 mm，相对湿度为74%，干湿季分明，5～10月为雨季，11月至次年4月为旱季。

1.2 供试材料

所用的大白杜鹃雌蕊采自云南省农业科学院花卉研究所自行播种培育的5～6年生开花植株。

1.3 试验方法

1.3.1 大白杜鹃雌蕊内部结构观察随机采集大白杜鹃雌蕊30个，观察统计其心皮数目，在光学显微镜下统计单心皮内的胚珠数。统计单雌蕊内的胚珠数量。

1.3.2 大白杜鹃雌蕊的解剖结构观察雌蕊的解剖采用石蜡切片法。参照李正理[29]的方法，随机采集大白杜鹃雌蕊30个，将雌蕊放入FAA固定液(甲醛∶冰醋酸∶70%乙醇=1∶1∶18)中固定24 h，随后转入70%的酒精中，4 ℃冰箱中保存以备石蜡切片用。石蜡切片处理步骤：爱氏苏木精整体染色3 d，然后用体积分数30%、50%、70%、85%、95%和100%乙醇逐级脱水，经TO透明、浸蜡包埋后切片(切片厚度8 μm)，再经过展片、烘干、脱蜡、透明后用中性树胶封片。用Nikon SMZ800 显微镜观察雌蕊的柱头、花柱、子房和胚珠的形态及组织解剖结构，用附带的照相系统拍照记录。

1.3.3 大白杜鹃果实发育过程中的子房解剖结构观察采用人工授粉的方式对大白杜鹃雌蕊进行杂交授粉，在授粉后0、30、60、90、120、150 d分别随机采集大白杜鹃雌蕊5个，按1.3.2的方法进行石蜡切片处理，观察其果实发育过程中的子房解剖结构观察。

2 结果与分析

2.1 大白杜鹃雌蕊内部结构

观察结果表明，大白杜鹃的雌蕊为10～16个心皮相互连合组成的复雌蕊，平均12个心皮，单心皮内胚珠110～432个，平均253.33个，单果内胚珠1320～6912个，平均胚珠数目为3040个。

2.2 大白杜鹃雌蕊的解剖结构

2.2.1 花柱的解剖结构花柱为柱头和子房之间的连接部分，是花粉管进入子房的通道，在花粉管生长过程中提供营养物质。大白杜鹃的花柱为所有组成复雌蕊的心皮所衍生而形成的单个花柱，其柱头成熟时表面有明显的液体分泌物，为典型的湿柱头。从大白杜鹃的花柱柱头横切片来看(图1-1)：其柱头外表皮层上长有多个腺毛(图1-1：G)，表皮内排列较紧密的薄壁组织，柱头中央分布有较宽的花粉管引导组织(图1-1：PT)，属开放型花柱。从大白杜鹃的花柱纵切片来看(图1-2)：花柱中央区域分布的细胞纵向排列疏松，具有细胞间隙，花柱内分布着多条花粉管引导组织(图1-2：PT)直伸花柱(图1-2：ST)。

2.2.2 子房的解剖结构子房是雌蕊基部膨大部分，外部分化成子房壁，内部空间形成子房室。从大白杜鹃子房的横、纵切结果来看(图1-3，图1-4)：大白杜鹃的雌蕊为复雌蕊，合生心皮，心皮边缘内卷，汇合成隔，直达子房中央，将子房分为多室，形成中轴胎座(图1-3，图1-4：PL)。大白杜鹃子房的纵切结构显示(图1-4)：其子房上位，着生于花托(图1-4：RE)之上,在子房与花托之间还长有蜜腺(图1-4：N)，心皮上端为内陷的花柱(图1-4：SS)。子房由子房壁(图1-3，图1-4：OW)和胚珠(图1-3，图1-4：OV)组成，子房壁3层，内外表面为角质化的表皮细胞，且外表皮层上长有腺体(图1-3，图1-4：G)，在内外两层表皮间为多层薄壁细胞，其间分布有维管束；茄形胚珠(图1-3，图1-4：OV)众多，密集着生于腹缝线处的胎座(图1-5，图1-6：PL)周围。子房内分布有花粉管引导组织(图1-3：PT)。通过对大白杜鹃雌蕊的单心室横、纵切结构观察(图1-5，图1-6)，可见其胚珠(图1-5，图1-6：OV)呈两列密集着生于胎座(图1-5，图1-6：PL)。

1.柱头横切，2.花柱纵切，3.子房整体横切，4.子房整体纵切，5.单心室纵切，6.单心室横切。G.腺毛，N.蜜腺，OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，PT.花粉管引导组织，RE.花托，SS.凹陷的花柱，SC.花柱道，SE.种子，SEP.隔片，ST.柱头。

图1大白杜鹃雌蕊和果实解剖结构

2.3 大白杜鹃果实发育过程中的子房解剖结构观察

在人工杂交授粉后，大白杜鹃的果实开始慢慢发育。从子房的解剖结构来看，杂交授粉后30 d，胚珠已经明显长大，各心室开始加宽变大(图2-2)；授粉后60 d，子房壁内表皮开始发育为隔片(图2-3，SEP)，将各心室隔开，而种子则继续发育；授粉后90 d，隔片发育完成，种子开始发育出尾翅(图2-4，SE)；授粉后150 d，种子尾翅发育完成，种脐明显(图2-5，SE)。至此，大白杜鹃子房发育成为开裂蒴果，其果实由果皮、胎座、种子组成，花柱(图2-6，STY)宿存。果皮由子房壁发育而成，各心室间有隔片(图2-6：SEP)将种子(图2-6：SE)隔开，种子成熟时沿腹缝线裂开(图2-6)。

3 讨论与结论

花作为有花植物的生殖器官，在系统发育中是比较保守的，无论在系统学还是生物进化方面都有重要的意义。郭木桂[27]对皇冠杜鹃、小叶铁红、绝代佳人3个杜鹃品种的花瓣、花萼片的解剖结构进行了比较研究。周兰英等[9]对16种野生杜鹃花粉进行了观察。唐光大等[16]对5种分类争议较大的杜鹃进行分类时也结合了花部形态特征。余兴卫[30]对杜鹃花属植物花鳞片、花梗等结构进行了形态解剖学方面的研究，并探讨了相关性状的系统演化关系及生态适应意义。范民[31]对映山红(RhododendronsimsiiPlanch)的花瓣、鳞片、叶片的解剖结构进行观察。本研究所观测大白杜鹃的雌蕊解剖结构特征与牛皮杜鹃(RhododendronaureumGeorgi)[28]的有许多相似之处，具备了杜鹃属植物的一般特点，但在诸如心皮数目、胚珠数目、子房室数等具体解剖结构数量存在一定的差异。通过对大白杜鹃雌蕊的解剖学研究，丰富了杜鹃属的系统学资料，加之与其他种的差异对比，对该属的分类及种间关系的探讨具有重要的意义。

1、2、3、4、5分别为授粉后0、30、60、90、150 d的大白杜鹃子房纵切图，6.成熟后开裂的蒴果。OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，SE.种子，SEP.隔片，STY.花柱。

图2大白杜鹃果实发育过程中的子房结构

植物与其生长环境是统一整体，生态环境决定植物的形态建成，即环境对植物的长期作用影响植物的形态建成，使植物形成适应环境的形态结构、生理功能和生态特征[32-37]，是特殊综合生态环境长期作用的结果。对于杜鹃属叶片对生态环境的适应性已有很多报道，主要集中在某些种上。例如，熊子仙等[33]认为表皮细胞鳞片、毛的形成都是杜鹃花长期适应海拔高度及水分、光照等生态因子的结果。石登红等[17]利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了6种杜鹃花属植物的叶片厚度、气孔大小、气孔形态、气孔指数、分布类型在各种间也存在结构差异，这些结构特征差异是抗寒抗旱性的表现形式。容丽等[11]对马缨杜鹃、迷人杜鹃(RhododendronagastumBalf. f. et W. W. Smith)、露珠杜鹃等13种杜鹃属植物的叶片解剖特性及生态适应性进行了研究，得出海绵组织发达显示对高山凉湿环境的适应、发达机械组织显示对干燥环境的适应等结论。刘旭颖等[34]对辽宁地区耐寒杜鹃叶片结构解剖，观察得出叶片厚度、气孔大小、气孔形态等在种间具有不同的结构特征，而这些结构特征差异是其抗旱、抗寒性的表现形式。

本研究发现，大白杜鹃的子房壁在授粉后1个月后开始逐渐加厚变硬，直至果实成熟。田间观察发现，大白杜鹃从杂交授粉至果实成熟所需周期较长，大约需要6个月，其坚实的子房壁在整个果实发育期间为种子的生长发育提供了良好保障，有利于保护其种子抵抗不良的外界环境，是植物对其生境适应的一种表现。此外，大白杜鹃从种子播种至植株开花需要3～4年时间。在这个漫长的营养生长期间，由于各种外界环境影响，大多数种苗都无法正常长大。而大白杜鹃子房内众多的胚珠(种子)数量从源头保证了其物种的繁衍。综上所述，研究结果为杜鹃属植物的解剖学研究提供了一定的理论，但研究深度还有所欠缺，参考关于杜鹃花科及杜鹃花属植物花部器官解剖特征生态适应性意义的系统研究还有待进一步深入研究。

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