红丁香的花部特征与繁育系统

，，， ，，叶斌，，，

(1.东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.江西环境工程职业学院，江西 赣州 341000)

繁育系统是指控制植物种群或分类群中自体受精或异体受精相对频率的生理、形态机制，决定着植物的进化路线和表型变异[1]。研究一种物种的进化历史或过程，须加强对繁育系统多样化的研究，结合其作用机制和运作模式，从而理清它们的进化路线[2]。植物的繁育系统主要包括花部综合特征、开放式样、性器官寿命、媒介种类和频率、自交亲和性及交配系统，而交配系统作为繁育系统的核心，在植物种群进化中发挥着举足轻重的作用[3]。

红丁香(Syringavillosa)系木犀科丁香属观花灌木，主要分布在辽宁、河北、山西、陕西、甘肃等地[4]。其成年植株枝叶繁茂，花序丰满，花色绚烂，耐寒、抗旱性强。红丁香根系发达，可用于涵养水源，利于水土保持，是城市绿化中不可或缺的观花、观形植物。此外，红丁香可吸附二氧化硫、氟化氢等有毒气体。有研究表明，从红丁香的花朵中可提取丁香酚用于消炎止痛，其根、茎亦可入药，有清新解热、镇咳止痰之效[5]。

前人已有在红丁香解剖结构[6-7]、繁殖技术[5,8]等方面进行了研究相关报道，但都较为零散。红丁香在园林绿化中具有十分重要的价值，但长期的无性繁殖导致其品种退化，气候和其他因素导致其花期不稳定，花期缩短，极大地影响了红丁香的观赏效果。本试验拟从红丁香生殖特性角度出发，对其花部综合特征、开花动态、繁育系统、结实特点等进行系统研究，揭示其繁殖规律，为红丁香常规杂交育种提供理论依据，同时为提高其在城市绿化中的应用推广提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与区域环境

试验材料为引种至黑龙江省森林植物园的壮龄红丁香(东经126°42′，北纬45°04′)，露地栽培。该地属中温带大陆性季风气候，全年平均气温为19～23 ℃，平均降水量为569.1 mm，花期内平均气温为11～23 ℃，平均降水量为58.4 mm。正常水肥管理。试验于2017年和2018年的5—9月进行。

1.2 研究方法

1.2.1 花部特征、开花动态及花期判定

在红丁香进入始花期前，选取15株植物进行挂牌标号，观察并记录单株花期，按照Dafni[9]的方法，以群体水平有5%以上的个体开花时视为始花期，50%的个体达到开花高峰时视为群体开花高峰期，95%的个体开花结束时视为群体花期结束。记录红丁香的单株花期。随机标记15个植株的90个花序，每天观察1次花序发育状况，直至花朵完全枯萎或坐果开始，计算单花序和单花花期[10]。

随机选取盛花期的单朵30朵，用游标卡尺测量花冠直径、柱头长度、花丝长度等各项指标。在Nikon SMZ 800型体式解剖镜下对花朵进行实体解剖，并用奥林巴斯CX 31型显微镜观察花朵各部分构造特点。取红丁香新开放的花朵15朵，清洁后将柱头、花粉粒、授粉后的柱头分离，经2.5%戊二醛和1%锇酸双固定，0.1 mol/L磷酸缓冲液冲洗，乙醇梯度70%、85%、95%、100%脱水，乙酸异戊酯置换，临界点干燥，粘样和喷金后用XL 30 ESEM环境扫描电镜选取不同角度观察并拍照，了解其结构形态[11]。

1.2.2 花粉活力测定与柱头可授性检测

从红丁香单花开放第1天开始进行花粉活力测定。采用离体萌发法测定花粉活力[12]。用毛笔蘸取少量花粉，使之均匀分散于滴有培养液(0.15%联苯胺︰0.5% α-萘酚∶0.25%碳酸钠=1︰1︰1、0.3%过氧化氢溶液各1滴)的凹面载玻片上，盖好盖玻片，置于铺有湿润滤纸的培养皿中，25 ℃下恒温箱中培养4～6 h。于显微镜下观察花粉萌发情况。按照相同方法制作3个载玻片，每个载玻片每次观察3个视野，以花粉粒大于50个的视野作为1个有效视野，统计萌发率。当花粉管长度超过花粉直径时认作花粉萌发。

观察花朵开放过程中柱头分泌粘液的情况。联苯胺-过氧化氢法检测柱头可授性[13]。开花前1天开始每天采集单花柱头，滴1滴联苯胺-过氧化氢反应液(1%联苯胺︰3%过氧化氢︰水=4︰11︰22，体积比)到凹玻片上，把柱头浸入反应液中，显微镜下观察。一定范围内柱头四周出现蓝色或紫黑色的气泡越多，柱头可授性越强。每天采集30朵单花，记录检测结果。

1.2.3 花粉/胚珠比测定

采用血球计数器法测定[14]。随机采取植株上刚刚开放且花药未开裂的单花15朵，拔取充分成熟的花药90枚，平均放入3个青霉素小瓶内。等待花药自然干燥、充分散出时，每瓶种滴入2 mL 1%的六偏磷酸钠，加盖充分震荡使花粉处于悬浮状态。吸取1滴悬浮液滴于血球计数伴上，在显微镜下观察并记录结果。重复5次，取平均值。

单花花药花粉量n=(400个小方格内总花粉数×10 000×2)/30；

单花花粉量N=n×3.5[15]。

解剖单花子房，用解剖镜观察并记录胚珠数量。计算P/O。P/O=单花花粉量/胚珠数。根据Cruden[16]的标准，P/O为2.7～5.4 时，其繁育系统属于闭花受精型；P/O 为18.1～39.0时，繁育系统为专性自交型；P/O 为31.9～396.0时，繁育系统为兼性自交型；P/O 为244.7～2 588.0时，繁育系统为兼性异交型；P/O 为2 108.0 ～ 195 525.0时，繁育系统为专性异交型。

1.2.4 杂交指数估算

根据Dafni[9]的标准估算杂交指数。 1) 单花直径<1 mm记为0；1～2 mm记为1；2～6 mm记为2；>6 mm记为3。 2) 计算柱头可授和花药开裂之间的时间间隔，雌蕊先成熟或两者同时成熟记为0；雄蕊先成熟则记为1。 3) 观察柱头相对于花药的位置关系，同一水平记为0；空间分离记为1。OCI为以上3个指标之和，判断标准为：OCI=0时，繁育系统为闭花受精型；OCI=1时，繁育系统为专性自交型；OCI=2时，繁育系统为兼性自交型；OCI=3时，有时需要传粉者，繁育系统为自交亲和；OCI=4时，异交，需要传粉者，繁育系统为部分自交亲和。

1.2.5 不同授粉方式的座果率

采用套袋试验研究红丁香的授粉结实率。试验设置6个处理，每处理随机标记30朵单花，3次重复。处理方法(T)分别为：T 1，不去雄，不套袋，自然授粉；T 2， 不去雄，套袋，自花授粉；T 3，去雄，套袋，人工同株异花授粉；T 4，去雄，套袋，人工异株授粉； T 5，去雄，套袋，不授粉；T 6，去雄，不套袋，自然授粉。果实成熟后收集，统计座果率。

座果率(%)=(每花序不同位置的座果数/每花序不同位置的单花数)×100%。

1.2.6 种子产量与构成因素测定

种子成熟时随机选取花序30个，分别统计每花序单花数、单花胚珠数、种子单粒质量、单花序种子产量，计算单花序潜在种子产量。

单花序潜在种子产量=每花序单花数×单花胚珠数×平均种子单粒质量。

1.3 数据统计

采用Excel软件进行数据统计，SPSS 22.0软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 红丁香的开花物候及单株、单花序、单花水平上的花期

统计结果发现，2017年红丁香5月22日进入始花期，5月28日进入盛花期，5月28—30日为最佳观赏期，6月10日花期结束。整个群体花期持续约 20 d。2018年红丁香的开花物候较2017年稍晚，于5月25日进入始花期，6月3日达到开花高峰，6月12日花期结束。整个群体花期持续19 d。2年红丁香的开花进程基本类似，均为单峰曲线。红丁香单株具花序约48个，单株花期约20 d，单株盛花期3 d。单花序花期为8～9 d。单花花期为4～5 d。

相关分析发现，红丁香花序的始花时间、花期长度、开花数目、座果率之间存在显著关系(表1)。其中花期长度与开花数目呈显著正相关。座果率与花期长度也呈显著正相关关系。始花时间与花期长度、座果率之间呈显著负相关。说明开花时间越早、花期越长的花序座果率越高。这可能与花期内花序的营养竞争有关，晚开花的花序较难获得足够的营养，导致座果率降低。

表1 始花时间、开花数目、花期长度及座果率的相关分析

注：“*”表示在0.01水平上差异显著，“**”表示在0.005水平上差异显著。

2.2 红丁香花部特征及其开放动态

观察发现，红丁香花蕾初期为浅绿色，随着花朵的生长，其逐渐膨大并变为淡紫红色。花序为顶生圆锥花序(图版Ⅰ-A～B)，合瓣花，花色为淡粉红色或白色，花冠直径(1.02±0.07)cm，花冠筒长(1.44±0.06)cm，圆筒形，4裂，少数5裂。红丁香的花为典型的柱头缩入式雌雄异位，复雌蕊，位于花冠筒中下部，长度(0.31±0.04)cm，花柱细长，柱头2裂。子房呈卵球形，2心室，每心室1～2个胚珠。雄蕊黄色，2枚，少数3枚，长度(1.16±0.07)cm，着生于花冠筒上部略偏下位置，贴壁生长。花药初期为黄绿色(图版Ⅰ-I)，后逐渐成熟并转为黄色。花朵开放时，由内展至直角状外展，裂片为卵圆形，先端具内弯兜状喙(图版Ⅰ-C～H)。

红丁香花被片呈淡粉色，表面光滑，细胞表面有絮状物，多为皱纹状(图版Ⅱ-F)。 柱头表面未见明显分泌物，为干柱头，表面褶皱较多(图版Ⅱ-A～D)。花粉为单粒，较大，20.2～24.3 φ 32.0～37.8μm。赤道观呈长椭圆形，具三孔沟。外壁表面粗网状，网脊较光滑，网眼呈不规则多边形，转角光滑，三条沟长至两端(图版Ⅱ-E)。

注：A、B为单个花序；C为单花花蕾期；D为单花开放初期；E为单花完全开放；F、G为单花开放末期；H为单花开放动态；I为单花纵剖形态；J为未成熟果序；K为成熟果序；L为种子。图版Ⅰ 红丁香花序及单花开放动态

2.3 花粉活力和柱头可授性

红丁香开花第1天的花粉萌发率为34.7%，第2、3、4 天分别为12.1%、9.2%、3.1%，第5天花粉活力几为0。花粉活力实验结果表明，红丁香花粉萌发率随时间延长而降低。柱头可授性检测结果表明，红丁香的柱头可授性随开花时间的延长而增强，第1天可授性几乎为0，第2天开始具有可授性，第3天可授性较强，在第4天时达到最大值，之后可授性减弱，第6天时不具可授性。

图1 红丁香花粉活力

2.4 花粉/胚珠比与杂交指数估算结果

试验结果表明，红丁香单花花粉粒数量为38 000个，单花胚珠数4个，P/O值为9 500，按照Crude的标准，红丁香的繁育系统属兼性异交类型。

注：A为雌蕊；B为柱头；C为少量授粉后的柱头；D为大量授粉后的柱头；E为花粉粒；F为花瓣表皮。图版Ⅱ 扫描电镜下的红丁香花微观结构

注：小写字母表示在0.05水平差异显著。(F=2 558.8,p<0.05)。图2 红丁香套袋试验结果

红丁香的花朵直径为10 mm，记为3。雌蕊成熟与花粉活力有近3 d的重复期，雌雄蕊成熟时间相近，记为0。花开后花柱与花药在空间上始终分离，记为1。因此OCI值(杂交指数)为4。按照Dafni的标准，红丁香的繁育系统属部分自交亲和，异交，需要媒介进行传粉。

2.5 红丁香授粉座果率

授粉试验结果表明，对花朵去雄、套袋、不授粉的处理座果率为0，表明其不存在无融合生殖[17]。自然授粉的座果率为23.3%，套袋、不去雄的座果率为10.0%，两者之间差异显著(p<0.05)。不去雄、套袋、人工自花授粉的座果率为10.2%，表明红丁香可部分进行自动自交，但自交率较低。自然授粉、去雄、不套袋的座果率为20.0%，人工同株异花授粉、去雄、套袋的座果率为18.2%，两者之间差异不显著(p>0.05)，且这2种处理方式的座果率均低于人工异株授粉、去雄、套袋的座果率(83.3%)，前2种处理与后者之间差异显著(p<0.05)，表明红丁香具有异交优势。

2.6 种子产量与构成因素测定

经试验测定，红丁香每个花序单花数约为182，单花胚珠数约为3.5，单粒种子质量约为13.5 ×10-3g。计算得出，红丁香单花序潜在种子产量为8.6 g，而实际花序的种子产量为2.3 g左右，只占潜在种子产量的26.3%，红丁香的实际产量比潜在产量低很多，还有很大提升空间。

3 结论与讨论

熟悉植物生活史的前提是增加对花器官结构的了解并判断其性别表现，可为其各方面研究提供背景知识[18]。繁育系统类型的多样化往往受植物性别系统的影响，自然界中罕见纯粹的自交种和异交种[19]。许多研究都表明，多数自交物种均可进行异交授粉获得种子，而多数异交植物也可通过自交授粉实现繁育[20-22]。本研究中，红丁香植株的花器官具备诸多自交和异交特征：其雌、雄蕊成熟有重合期，雄蕊空间位置较雌蕊略高，柱头相对表面积大，褶皱多，利于柱头接受花粉，进行自交；其花色较艳丽，有香味，花粉数量多，异交座果率高。前人研究发现，OCI、P/O是植物繁育系统的指示参数，简便易行，应用广泛[23-24]。本研究结果显示，红丁香的繁育系统为部分自交亲和、需要传粉者、以异交为主，属兼性异交类型；试验过程中也观察到传粉昆虫的访花活动，花朵套袋试验也验证了这一结论[25]。

在自然界中，植物并非所有的花都能通过授粉进而座果并产生种子，授粉成功性强弱直接导致了座果率的高低。造成植物座果率低的原因是花粉限制和资源限制带来的限制。本试验中，红丁香自花授粉座果率较异株授粉座果率低，其具有较低的自花授粉亲和性。人工异花授粉的座果率较自然授粉座果率高很多，说明存在花粉限制，这可能与昆虫访花频率较低有关，同时研究发现早开花的花序座果率较晚开花花序座果率高，说明红丁香的座果率同时存在资源限制。盛花期和末花期的花序无法获得较多的资源，因此较难达到生殖成功。估算种子产量结果表明，红丁香实际的单花序种子产量占种子潜在产量的26.3%，这进一步证实了养分和授粉情况是限制红丁香种子形成的重要因素。

此外，物种所处生境影响其生长发育过程，尤其是开花特性和果实生长[26]。有研究表明，红丁香在华北地区栽培条件下的自然授粉座果率仅为8.3%[27]，显著低于本试验的研究结果，这说明环境条件对红丁香的结实具有显著影响，哪些环境因子影响红丁香的座果率，将在今后的实验中做进一步的定性定量分析。本研究对红丁香在东北地区的扩繁以及新品种选育具有指导性意义，也为其在城市园林绿化中的应用和推广提供了技术支持。