八角柱头和花粉的形态结构分析

黄开顺 梁海英 李开祥 李宝财 赵志珩

(1. 广西林业科学研究院，国家林业局八角肉桂工程技术研究中心，广西木本香料工程技术研究中心，广西特色经济林培育与利用重点实验室，广西 南宁 530002；2. 克莱姆森大学，美国 克莱姆森 29634)

柱头是植物完成传粉受精的门户，花粉落到柱头上经过交互作用，萌发出花粉管，花粉管在花柱内不断伸长进入胚囊，释放雄配子，最终完成雌雄配子的融合，可见柱头在受精过程中具有重要作用[1]。柱头性状比较稳定，成为植物类群划分和演化趋势研究的重要对象。赵敏桂等[2]通过对牡丹组植物的柱头解剖研究，提出了牡丹组亚组划分的新观点，在牡丹组植物柱头性状的演化趋势方面也获得了重要认识。

花粉是植物生长、遗传、变异特性和功能的基础，其形态是在长期的进化过程中不断演化和发展形成，性状较为稳定，有许多微细形态特征明显体现出种间的差异性，植物学者已广泛利用花粉形态作为植物分类、系统发育、起源与演化研究的辅助指标[3]。刘志红等[4]通过对花粉形态观察和鉴定，阐明了松树4个树种的进化演替规律，认为花粉大小及花粉体和萌发区的形态可作为松属分类的辅助孢粉指标。贾子瑞等[5]通过花粉形态观察，实现了云杉属植物的分类，建立了云杉属20个种的花粉形态检索表。王丽娟等[6]应用扫描电镜，观察了烟台甜樱桃 (Cerasusavium) 花期不同发育阶段柱头形态的变化，获得了樱桃柱头可授性的变化规律。

八角 (Illiciumverum) 特产于我国广西、云南亚热带地区[7]，是一种具有香调料和药用价值的经济林树种，其果实大红八角以及从枝叶、果实提取的茴油、莽草酸等内含物具有较高的利用价值[8]，常年出口欧美、日韩等国[9-10]，深受消费者青睐。我国大规模人工栽培八角已有50多年的历史，因此有关八角生物学、生态学特性的研究已较多[11]，国外在八角有效成分提取和利用方面也深有研究[12-13]。八角品种类型多样，国内曾有一些资料对八角基本生物学特性、品种分类等方面进行了较详实的观察与描述，但以肉眼可观的宏观表型性状描述为主[14]，少有八角柱头和花粉的微观形态研究。林祁等人曾对八角在内的八角属13种1变种植物的花粉形态进行扫描电镜观察，验证了八角属各组分类的合理性，以及该属花粉形态的演化趋势[15]。目前八角柱头和花粉的超微形态结构尚不清楚，柱头和花粉形态指标在八角品种分类依据中的可靠度尚未明了。研究柱头和花粉形态，也有助于提高对八角传粉生物学的认识，指导八角遗传改良和良种选育工作。本研究旨在应用体视镜和扫描电镜，对不同花色品种八角的柱头、花粉形态结构进行更详实的描述，为八角品种进化、分类、遗传改良等研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料采集

取材于南宁城郊广西林科院八角种质资源收集圃的12年生八角树，在9月八角开花盛期的晴朗天气进行采样。红花、淡红花、白花和黄花八角品种类型各选择1株，共4珠，分别在树冠中部向阳部位采集盛开的花朵10朵，其中花药已开裂且有花粉散出5朵，花药未开裂5朵，分单株和花类编号，放入保鲜袋，立即带回实验室进行解剖观察及固定处理。

1.2 观察方法

1.2.1体视显微镜观察

每株取花药开裂、未开裂花朵各一朵，剥去花瓣，立即使用型号Nikon SMZ 1500、变焦范围0.75～11.25X的体视显微镜观察雌蕊花柱、柱头以及雄蕊花药开裂、散出花粉的形态特征，选取典型视野、角度进行实体形态拍照记录。

1.2.2扫描电镜观察

每株取花药已开裂花朵剥去所有花瓣，剩下的花蕊放入EP管中并用2.5%戊二醛固定液固定，置于2～8 ℃冰箱中保存备用。观察时，先从EP管中取出样品，经漂洗后，梯度乙醇50%、70%、85%、95%逐级脱水1次，100%乙醇脱水3次，每次15 min，之后使用Quorum K850临界点干燥仪干燥，裕隆时代LJ-16小型离子溅射仪喷金镀膜，最后置于卡尔蔡司EVO LS10扫描电镜下观测，选有代表性的视野观察花蕊、花柱、柱头及花粉的形貌并拍照记录。花粉形态术语描述参考 《孢粉学概论》[16]以及 《孢粉学手册》[17]，形态指标包括极轴长 (P)、赤道轴长 (E)、极赤比 (P/E) 和花粉体积V (根据公式πPE2/6计算)。利用电镜测量工具，随机选取10粒花粉测量花粉形态指标。

2 结果与分析

2.1 八角柱头分布形态及颜色特征

八角的心皮通常为8个，有时7或9个，少数达10～12个，呈聚合放射星芒状排列，心皮的上端为花柱及柱头，呈 “J” 型卷曲，卷曲程度有所差异 (图1-1, 2, 5)。柱头受粉面在 “J” 型中下段的外侧，呈狭长带状 (图1-3)，与雄蕊花药近距离相望。从进化特征来看，柱头呈卷曲分布形态和长带状的受粉面，有利于接受雄蕊群花药开裂时散出的花粉，提高自身的受孕与繁殖能力。由八角花柱形态认为，八角花柱发育较为原始，柱头与花柱的分化不明显，受粉面的长度基本覆盖整个花柱，并不像其他高等植物具有细长花柱且柱头明显地分化在上端。

八角花色多样，黄卓民等通过八角资源普查，大体上按花瓣颜色将八角划分成红花八角、淡红花八角、白花八角和黄花八角4个品种类型[14]。试验发现八角的柱头颜色有红色、粉红色和米白色，不一定与花瓣颜色相同，其中红花、淡红花类的柱头颜色有红色、白色，但白花、黄花类的柱头颜色均为米白色。

2.2 八角柱头显微结构

体视显微镜观察发现，红花、淡红花、白花和黄花4个品种八角的柱头受粉面发育有紧密排列、晶莹剔透的带状乳突组织 (图1-3, 4)，当花朵开放2～4 d后，乳突失水萎缩变成暗褐色，接受花粉的能力明显下降。进一步通过扫描电镜观察，柱头尖端部分无乳突，乳突呈紧密排列的圆棒状或圆球状突起，表面具大量分泌物，从破损及变形扁平的乳突可以看出乳突体内部近于空虚，内容物极少或者无，易扁瘪或破损。表面具分泌物的柱头乳突结构有利于捕获花粉，花粉粒落到乳突表面被粘住并获得适宜的萌发条件。不同花色品种的柱头乳突表面纹饰存在差异，其中白花八角的柱头乳突表面呈明显的近圆形或不规则条形凸起，略显粗糙，表面分泌物较多，而红花、淡红花、黄花八角的柱头乳突表面较为平滑，呈细网状皱纹，分泌物较少 (图2)。

2.3 八角花粉形态

根据扫描电镜观察，4个花色品种类型的八角花粉形貌大致相近，粉体呈扁圆形、扁球形，具3条沿极轴方向等间距分布的萌发沟，萌发沟长至两极，有的甚至在极部连通。花粉外壁具有清晰的穴网状纹饰，网眼为不规则的多边形，穴内表面粗糙凸起，穴口往里逐渐变窄小，网眼大小不一，其中萌发沟边缘处的网眼较小 (见图3)。通过扫描电镜测量，花粉极轴长15.45～25.01 μm，赤道轴长19.26～27.15 μm，极赤比0.73～1.01，体积4 409.78～6 990.04 μm3。由方差分析结果 (表1)可知，不同花色品种花粉的极轴长、赤道轴长、极赤比、体积大小均差异显著，说明花粉粒大小一定程度上受不同花色品种的影响。由多重比较结果 (表2) 可知，淡红花、白花的花粉极轴长差异不显著，两者与红花、黄花差异显著，红花与黄花之间差异也显著；红花、黄花的花粉赤道轴长差异不显著，两者与淡红花、白花差异显著，淡红花与白花之间差异也显著；淡红花、白花、黄花的花粉极赤比差异不显著，三者与红花差异显著；花粉体积的差异规律与赤道轴长的差异规律相同，其中淡红花、白花的花粉体积显著大于红花、黄花的花粉体积。

1. 雄蕊和雌蕊群；2. 呈 “J” 型卷曲的花柱及柱头；3. 具密集乳突的长带状柱头；4. 卷曲柱头上晶莹剔透的乳突；5. 雄蕊群和雌蕊群的侧面观；6. 花药已开裂散粉的雄蕊群；7. 谢花后柱头；8. 柱头上的白色花粉。X为花药未开裂散粉的单枚雄蕊；Z为柱头；r为乳突；k为花药已开裂散粉的单枚雄蕊。

图1八角柱头分布形态
Fig.1 The distribution of stigma ofI.verum

1. 柱头群分布全貌；2. 单个柱头及其乳突；3. 柱头圆棒状乳突发生扁平及断裂；4. 圆棒状乳突紧密排列并粘附有花粉粒；5. 红花、淡红花和黄花八角柱头乳突形态；6. 图5中乳突放大显示倍数后的形态，其乳突表面呈细网状皱纹，分泌物较少；7. 白花八角柱头乳突形态；8. 图7中乳突放大显示倍数后的形态，其乳突表面呈近圆形或不规则条形凸起，分泌物较多。r为乳突；jd为无乳突的柱头尖端部分；br为发生扁平变化的乳突；pr为破损的乳突；f为乳突表面吸附的花粉粒。

图2八角柱头显微结构
Fig.2 Microstructure of stigma ofI.verum

1, 2. 花药开裂且花粉准备从裂口散出；3. 花药内壁上附着的花粉粒；4. 花粉粒斜面观，花粉粒三裂萌发沟长达两极并相连通；5. 花粉粒极面观，花粉粒三裂萌发沟长达两极但无相连通；6. 花粉粒表面穴网状纹饰及萌发沟形态。f为花粉粒；y为花药外壁纹饰；yb为花药内壁纹饰。

图3 八角花粉形态Fig.3 Pollen morphology of I.verum

表2 不同品种八角花粉形态特征及多重比较结果Table 2 Morphological characters and multiple comparisons of pollens of different varieties of I.verum

注：同列数据后不同字母表示差异显著。

3 结论与讨论

柱头卷曲是植物常见的器官发育形态。赵敏桂等对牡丹组植物的不同类群进行心皮解剖研究，发现花柱及柱头不同程度地向被缝线卷曲[2]。八角花柱和柱头呈 “J” 型卷曲，柱头受粉面与雄蕊花药毗邻相望，这种器官进化形态和空间分布关系有利于花粉的传受，提高自身受孕率。学者普遍认为植物花柱和柱头性状相对稳定，是划分植物类群和演化关系的重要依据，但本次观察发现八角种内不同花色类群的柱头弯曲形态基本相似，品种类型与柱头弯曲形态无明显的差异规律。八角花色多样，大体上可划分为红花八角、淡红花八角、白花八角和黄花八角4个品种类型，但柱头颜色与花瓣颜色也不一定相同，实质上花色不易于划分明显的颜色界限，如此分类主要是方便生产中对八角的基本认识。虽然八角花色多样，但柱头弯曲形态基本相似，这也说明了八角花柱和柱头性状的相对稳定性。

花粉也是植物较为保守的器官，花粉形态主要受基因控制，受环境条件影响较小，具有相对固定的形态结构，因此在许多植物分类、鉴别和种质资源的起源、演化及亲缘关系研究中具有重要的参考价值[18-19]。按照Punt等的描述，P/E为0.5～0.8为扁圆形，P/E为0.8～1.0为扁球形，P/E为1.0～1.1为长球形[17]。八角花粉P/E为0.73～1.01，基本形态为扁圆形、扁球形。通过观察发现，八角花粉外观形态与各品种的花色不存在直接关联，因而依据花粉外观形态进行分类和鉴定存在一定的局限性，可能需要综合运用形态学、孢粉学、细胞解剖学、分子生物学等手段，才能得到科学、客观的结论。虽然本研究在测量花粉体积大小时，发现多数品种类型之间的花粉体积大小存在显著差异，但鉴于花粉样本量略有不足，因此能否通过花粉体积大小的差异作为八角品种分类的依据，有待于进一步研究。

八角花柱及柱头形态呈 “J” 型卷曲，卷曲程度略有差异，柱头外表颜色与花瓣颜色不一定相同，柱头分布有密集的圆棒状或圆球状乳突，表面具分泌物，乳突体内部近于空虚，易扁瘪或破损。乳突表面纹饰因不同花色品种存在一定差异，白花类呈近圆形或不规则条形凸起，分泌物较多，而红花、淡红花、黄花类呈细网状皱纹，分泌物较少。各花色类型花粉在形状、萌发沟、外壁纹饰上具有一致性，无明显差异规律，形状以扁圆形、扁球形为主，具3条萌发沟，沟长至两极，外壁具穴网状纹饰，网眼呈不规则的多边形，网眼大小不一。由于品种间花粉粒外观形态的差异较小，无明显规律，若以花粉粒外观形态作为评判依据，并不易于区分八角品种的类别。

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