菱传粉生物学研究

李双梅 柯卫东 彭 静 黄新芳 李明华

（武汉市农业科学院蔬菜研究所，湖北武汉 430345）

菱（Trapa spp.）为菱科菱属一年生水生草本植物，在欧亚及非洲热带、亚热带和温带地区均有分布，北美地区和澳大利亚亦有引种栽培（中国科学院中国植物志编辑委员会，1992）。我国是菱的原产地之一（叶静渊，2001），长江流域及其以南各地均有栽培，历史悠久。

目前，国内学者在菱的分类学、形态学与解剖学、细胞学、分子生物学、生理生化、营养成分、医药保健、组织培养、栽培技术及加工等方面做了大量工作（颜素珠，1983；周家琪 等，1983；丁炳扬 等，1991，1996a；史美棠，1994；严素珍和徐祥生，1994；蔡健，1997；李大辉 等，1999；保曙琳 等，2004；盛占武 等，2006）。而有关菱属植物传粉生物学方面的研究较少，宋秀珍等（1981）、Kadono 和Schneider（1986）、丁炳扬等（1996b）对菱的繁育系统、传粉生物学等进行了初步研究，认为菱以自花授粉为主，存在一定程度的异花授粉和较低程度的无融合生殖。但是，由于菱去雄时间较难掌握，故菱的无融合生殖现象还有待于进一步研究。本试验对菱的繁育系统、传粉生物学进行了较为详细、深入的研究，以期为菱的杂交育种、种质创新提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试的6 个菱品种根据颜素珠（1983）的分类方法进行分类（表1），2014 年5～10 月在国家种质武汉水生蔬菜资源圃内进行观测和取样。

1.2 试验方法

1.2.1 花器形态特征观察 在盛花期，随机摘取孝感红菱的花30 朵，解剖观察花器结构，并用游标卡尺测量花冠直径、花瓣长度及宽度、萼片长度及宽度、雄蕊长度、花药长度、花丝长度、雌蕊长度、花柄长度及直径等。

表1 参试菱品种类型及来源

1.2.2 群体花期及单花开花动态观察 分别观察6个菱品种第1 朵花和最后1 朵花的开花时间，每个品种的观察面积均为6 m2，以确定群体花期。随机选取孝感红菱盛花期不同植株上刚出水的花蕾10朵，挂牌标记，观察并记录单花开花动态。

1.2.3 不同类型菱开花时间观察 在盛花期，不定时观察6 个菱品种的开花情况，分别统计8 月10～12 日同一时段内6 m2菱植株的总开花数量。

1.2.4 柱头可授性测定 在盛花期，选取萼片刚开裂的孝感红菱花（图1），去雄套袋；取汉川红菱经套袋后刚散粉的新鲜花粉，装入圆形带盖的铝盒中备用。设4 个处理：a，去雄后立即授粉；b，去雄后0.5 h 授粉；c，去雄后2 h 授粉；d，去雄后4 h 授粉。授粉后再套袋，15 d 后调查各处理的结实情况并统计结实率。

1.2.5 花粉活力测定 8 月20 日，随机选取孝感红菱的花10 朵，插入30 mL 的试剂瓶（装水）中，置于室内25 ℃环境条件下，从散粉至衰败（0.5、1.0、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、24.0 h）分别取花粉样品测定花粉活力。花粉样品置于载玻片上，加1～2 滴10%蔗糖+0.005%硼酸的无机盐培养液，放入垫有2 层湿润滤纸的培养皿内，于（25±1） ℃条件下培养，3～4 h后统计花粉萌发率。

1.2.6 杂交指数（outcrossing index，OCI）估算 8月22 日，按照Dafni（1992）的标准对6 m2孝感红菱的花直径及开花行为进行测定及繁育系统评判。具体方法：① 花朵或花序直径≤1 mm 记为0；1 mm ＜花朵或花序直径≤2 mm 记为1；2 mm ＜花朵或花序直径≤6 mm 记为2；花朵或花序直径＞6 mm 记为3。② 花药开裂时间与柱头可授期之间的时间间隔，雌雄蕊同熟或雌蕊先熟记为0；雄蕊先熟记为1。③ 柱头与花药的空间位置，同一高度记为0；空间分离记为1。①、②、③之和为OCI值。评判标准：OCI=0 时，繁育系统为闭花受精；OCI=1 时，繁育系统为专性自交；OCI=2 时，繁育系统为兼性自交；OCI=3 时，繁育系统为自交亲和，有时需要传粉者；OCI=4 时，繁育系统为部分自交亲和，异交，需要传粉者。

1.2.7 传粉形式观察 选用孝感红菱为试材，设4个处理：a，自然授粉；b，不去雄套袋；c，去雄套袋；d，去雄不套袋。每处理随机选择30 朵花，采用0.1 mm 厚的白色硫酸纸袋套袋，去雄套袋和去雄不套袋2 个处理的去雄时期为萼片刚开裂时期（图1、2），15 d 后调查各处理的结实情况并统计结实率。

图1 孝感红菱萼片刚开裂的花

图2 孝感红菱去掉萼片和花瓣后雄蕊、雌蕊的状况

2 结果与分析

2.1 花器形态特征

由图3 可知，菱花两性，单生于叶腋，辐射对称，自下而上顺序发生；花柄长度1.40～3.40 cm，花柄直径0.19～0.50 cm；花冠直径1.10～1.60 cm，花瓣4 枚，白色，倒卵状三角形，上部具1 个或多个波状缺刻，长度1.27～1.76 cm、宽度0.63～0.82 cm；萼片4 枚，长度0.60～0.70 cm、宽度0.30～0.38 cm，外被淡黄色短毛；雄蕊4 枚，长度0.68～0.90 cm，花药长度0.17～0.19 cm，花丝长度0.62～0.78 cm，花药的着生方式为背着药，开裂方式为纵裂；雌蕊1 枚，长度0.44～0.55 cm，花柱细，柱头近球形，黄色；子房半下位，2 心皮，2 室，每室具1 枚倒生胚珠，仅1 室胚珠发育成种子，另1 枚胚珠退化。

2.2 群体花期及单花开花动态

据观察，菱群体花期在5～10 月，盛花期在7～ 8 月，具体因品种、气候条件和栽培条件而异，开花期全天均有花开。从现蕾到开花需5～6 d，单花花期15 h，出水开放，花柄在花完全开放之前不断伸长，雌雄同花，萼片刚开裂时雌蕊柱头即具有可授性。萼片开裂后2 h 10 min，花瓣开始松动，此时剥开同种状态的其他花蕾，可见1 枚雄蕊与柱头同高，并紧挨柱头且柱头上可见少量花粉粒；2 h 20 min，花瓣开始逐渐打开；2 h 30 min，2 枚雄蕊低于柱头，2 枚雄蕊与柱头持平，柱头上可见少量花粉粒；3 h，4 枚雄蕊均与柱头持平；4 h 10 min，4 枚雄蕊花药均高出并紧抱柱头，柱头上可见大量黄色花粉粒；6 h 30 min，花粉散尽，花柄依然挺立；15 h，花柄倒入水中，完成整个开花过程。以早晨8：00 开花的花为例，菱单花开花时间及动态 见表2。

2.3 不同类型菱开花时间

从表3 可以看出，6 个菱品种不分白天黑夜都可以开花，但开花的高峰期不同。栽培菱大部分在11：00～20：00 开花，5：00～8：00 开花较少或没有花开；野生菱大部分在5：00～14：00 开花。栽培菱不同品种间开花高峰期存在差异，汉川红菱的开花高峰期为11：00～14：00，孝感红菱为 14：00～17：00， 而 汈 汊 湖 红 菱 为17：00～ 20：00；野生菱不同品种间开花高峰期亦存在差异，L 野菱-21 的开花高峰期为11：00～14：00，东北菱角和巢湖菱均为8：00～11：00。

表2 菱单花开花动态

表3 不同类型菱开花时间

2.4 柱头可授性

从表4 可以看出，在萼片刚开裂时去雄立即授粉，结实率最高，达52.0%；去雄0.5～2 h 后授粉，结实率仍达50%；但在去雄4 h 后授粉，结实率急剧下降，仅为19.8%。表明柱头在萼片开裂后2 h内活力最强，可授性较高，4 h 后柱头活力急剧下降，可授性变弱。

表4 不同授粉时间对菱结实率的影响

2.5 花粉活力

从表5 可以看出，菱的花粉活力在散粉初期（0.5～1.0 h）较强，保持在70%以上；之后明显下降，1.5 h 就降低到50%以下；2.5 h 后降速趋缓，7.5 h仅为14.5%；放置24.0 h后为0，完全失去活力。

表5 菱花粉活力测定结果

2.6 杂交指数（OCI）

调查结果显示，菱的花冠直径超过6 mm，计为3；雌蕊先成熟，计为0；柱头与花药在同一高度，记为0。因此，菱的杂交指数为3，根据Dafni（1992）的评判标准，菱的繁育系统为自交亲和，有时需要传粉者。

2.7 传粉形式

从表6 可以看出，去雄套袋处理的结实率为21.1%，表明菱存在无融合生殖现象；去雄不套袋处理的结实率为25.0%，表明菱除存在无融合生殖外，还存在少量异花授粉；不去雄套袋处理的结实率为80.9%，在考虑无融合生殖（结实率21.1%）的前提下，菱自花授粉的结实率应为59.8%；菱自然授粉条件下的结实率为85.7%，在考虑自花授粉和无融合生殖的前提下，说明菱存在少量异花授粉，结实率大约为4.8%。综合来看，菱以自花授粉为主，存在一定程度的无融合生殖和少量异花 授粉。

表6 不同传粉形式对菱结实率的影响

3 结论与讨论

本试验结果表明，菱以自花授粉为主，同时存在一定程度的无融合生殖和少量异花授粉现象，这与丁炳扬等（1996b）对细果野菱、Kadono和Schneider（1986）对日本菱的观察结果基本一致。但丁炳扬等（1996b）认为菱去雄时间较难掌握，加之菱属植物存在花前期闭花授粉（Cook，1993），因此认为菱是否存在无融合生殖现象还有待于进一步研究。本试验中，菱去雄时间严格控制在萼片刚开裂时进行，此时雄蕊花药低于雌蕊柱头且未开裂，故萼片刚开裂时不会发生前期闭花授粉。因此，本试验通过去雄套袋证实菱存在无融合生殖无疑。植物的无融合生殖包括单倍体无融合生殖、二倍体无融合生殖和不定胚等，单倍体无融合生殖只含有单倍体染色体组（N），其后代常常是不育的；二倍体无融合生殖因仍为二倍体，故其后代是可育的；不定胚是直接由珠心或珠被的二倍体细胞发育成胚，故其后代也是可育的。据笔者多年的观察研究，发现成熟的菱后代是可育的，尚未发现成熟的菱后代有不育现象。因此，菱的无融合生殖不可能是单倍体无融合生殖。至于菱的无融合生殖是属于二倍体无融合生殖还是不定胚，有待进一步从细胞学和遗传学的角度进行深入研究。菱的这种生殖特性可能是在长期的进化过程中，为适应水生环境而形成的一种保护性繁衍后代策略。由于菱存在一定程度的无融合生殖，因此在开展菱杂交育种时应对后代的性状进行仔细甄别，判断哪些后代是通过无融合生殖而来的，哪些后代是通过异花授粉而得到的。

本试验结果表明，不同类型菱在一天中的开花高峰期存在差异，栽培菱大部分集中在11：00～20：00 开花，野生菱大部分集中在 5：00～14：00 开花，且同一类型不同品种间也存在差异。因此，在对不同类型的菱品种进行杂交时，应根据其开花高峰期选择杂交时间，以保证获得最大的成功。由于萼片刚开裂时，花瓣仍被包裹在萼片之中，此时雌蕊柱头可授性最强，雄蕊花药低于柱头且未开裂散粉，故去雄杂交最好在萼片刚开裂时进行。

本试验在探讨柱头可授性时，因去雄2 h 之后授粉时间间隔过大，导致去雄2 h 后柱头的可授性缺乏详细的数据变化；去雄4 h 后授粉的结实率为19.8%，与检测到的无融合生殖的结实率21.1%较为接近，存在4 h 后柱头已失去可授性的可能。今后在研究菱的柱头可授性时，应对去雄后授粉时间间隔设置更为精细。

本试验依据Dafni（1992）的评判标准对菱的杂交指数进行估算，认为菱的繁育系统为自交亲和，有时需要传粉者，这与本试验所验证的菱传粉形式及丁炳扬等（1996b）对细果野菱、Kadono 和Schneider（1986）对日本菱的观察结果一致，表明采用Dafni（1992）的评判标准对菱的杂交指数进行估算来判定菱的繁育系统是可行的。