茄果类、瓜类花芽分化教学实验的研究与实践

刘 霞，张巍巍，魏 健，冯大领

(河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071001)

0 引 言

植物学实验教学内容大部分比较抽象，学生很难在有限的学时内高质量完成实验内容[1]。花芽分化是植物学教学中较难理解的知识点，虽然实验过程中通过观察棉花等植物的花芽永久制片可使学生对花芽结构有一定的了解，但由于实验材料受季节影响且植物生长时期难以把握，花芽切片制作比较困难[2]，学生基本上只能观察到花芽分化6个时期(花芽未分化期、花芽分化初期、(花序分化期)、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期和雌蕊原基分化期)中的1～2个时期，使学生不能充分理解其整个发育过程。因此，在花器官形成的实验教学中，对花芽分化过程的研究是非常有必要的。

花芽分化是有花植物发育的关键阶段，同时也是一个复杂的形态建成过程[3]。当茎端生长点感应了特定的光周期和温差，叶芽转变为花芽，最终分化形成花或花序[4]。花芽分化标志着植物由营养生长转变为生殖生长[5]，在生理和形态两个方面都发生了重大改变。植物花的发育过程可分为开花过渡期、分生组织特征决定期、花器官发生期和花器官形态建成期4个阶段[6]，而花芽分化期则跨越花器官发生期与花器官形态建成期两个阶段，由此可见花芽分化对于植物果实成熟的重要性。花芽分化的正常与否对花形成的正常或畸形有重要影响，从而进一步影响成果率、果实的畸形与否以及果实品质[7]，因此花芽分化的研究对于农业生产具有极为重要的作用[8]。

本研究通过对番茄(Solanum lycopersicum)、茄子(Solanum melongena)、辣椒(Cayenne pepper)、南瓜(Cucurbita moschata)、黄瓜(Cucumis sativus)的花器官分化的形态发育过程进行解剖观察和比较分析，并对花芽分化时期进行阶段性分级，探明其花芽分化各个阶段形成的时间以及各时期花芽分化的结构特征，使学生充分理解花芽结构及其分化过程，为植物学实验中花芽分化部分的教学提供材料，有利于发展学生的自主学习能力和提高实验技能，也可为茄果类和瓜类生产中制定合理的栽培与管理措施提供科学依据，对其花期调控和品种选育也具有一定的科学指导意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

番茄品种名为粉圣；茄子品种名为黑茄冠；辣椒品种名为德国特大牛角；南瓜品种名为超甜蜜本—杂交一代；黄瓜品种名为新津优1号—杂交一代。土壤为校园土壤和沙土以4∶1的比例配置。

1.2 实验仪器与用具

体视显微镜为Moticam2306，3.0M Pixel USB2.0，自带电脑观察软件Motic Images Plus 2.0 ML，具有采集窗Motic动态成像模板。恒温箱型号为pax-35°B，光照度12 000 lx，有效体积350 L，控温波动为±1 ℃。实验用具有32孔穴盘、不锈钢托盘、培养皿、镊子、解剖针、刀片等。

1.3 实验方法

1.3.1 催芽与播种

将实验班分为5个小组，每组在茄子、番茄、辣椒、南瓜、黄瓜种子中任选一种。将种子平铺于放好滤纸的培养皿中，注入适量蒸馏水(以刚刚没过种子为宜)，并作好标记。将培养皿放入无光照恒温培养箱中，茄子30 ℃下浸种12 h，其他种子25 ℃下浸种6 h。浸种后倒掉水分，冲洗种子，只留下少量水分保持滤纸湿润。因茄子种子需变温催芽，则将恒温培养箱调节为两个周期(1为30 ℃，16 h；2为20 ℃，8 h)。其他种子25 ℃催芽，时间24 h。当种子“露白”，在已经灭菌的苗床(32孔的穴盘)进行播种，再用塑料薄膜覆盖，放置于向阳处。分别记录种子名称和播种时间。

1.3.2 观察

在各植物子叶期、真叶期、小花蕾期、大花蕾时期分别取其顶芽或侧芽各5个，放置于体视显微镜下，用解剖针解剖观察其生长锥生长发育情况，并用计算机上Motic Images Plus 2.0 ML中采集窗Motic动态成像模板观察并且拍照记录，如此重复3～5次，至能选出能明显分辨出各自花芽发育级别的清晰图像为止。

1.4 花芽形态发育分级标准

0级未分化期，生长锥上只有叶芽，没有花芽，呈长圆锥形。

1级花芽分化初期，生长锥顶端逐渐增宽，其上有圆状突起。

2级萼片花瓣分化期，花芽拉长，基部变细，芽顶变平，边缘有明显的小突起。

3级雄蕊分化期，花芽继续拉长，呈圆形或长圆形，花柄及萼片明显可见，已达到肉眼可见的小蕾程度。

4级雌蕊分化期，花器官发育完全，花蕾较大。

2 结果与分析

2.1 番茄的花芽分化

番茄子叶期茎芽端的生长锥呈长圆锥形，无花芽分化迹象，属于花芽分化0级特征,见图1(a)；出苗12 d后，肉眼可见第一片真叶，茎端出现1级特征，为花芽分化初期，生长锥顶端逐渐增宽，其上有圆状突起,见图1(b)；而在2片真叶期出现2级特征,见图1(c);花基部变细，芽顶变平，边缘有明显的小突起，属于萼片和花瓣分化期；在达到肉眼可见的小花蕾的时候，花芽继续拉长，呈圆形或长圆形，花柄及萼片明显可见，为雄蕊分化期，花芽分化达到3级,见图1(d)；大花蕾时进入雌蕊分化期，花器官各部分分化完成，为花芽分化4级,见图1(e)。

2.2 茄子的花芽分化

茄子子叶期有花芽0级特征,见图2(a);其生长锥长度短于番茄；1片真叶时出现1级特征,见图2(b);之后部分出现2级特征,见图2(c);而出现肉眼可见小花蕾时即为出现3级特征,见图2(d);而大花蕾即有明显的4级特征,见图2(e)。

2.3 辣椒的花芽分化

辣椒子叶期展现花芽0级,见图3(a);之后在子叶期未出现真叶时出现1级特征,见图3(b);当出现4片真叶时达到2级特征,见图3(c);出现肉眼可见小花蕾程度时出现3级特征,见图3(d);而成长到大花蕾时即为出现4级特征,见图3(e)。

(a) 0级

(b) 1级

(c) 2级

(d) 3级

(e) 4级

(a) 0级

(b) 1级

(c) 2级

(d) 3级

(e) 4级

(a) 0级

(b) 1级

(c) 2级

(d) 3级

(e) 4级

2.4 黄瓜的花芽分化

黄瓜为单性花雌雄同株，雄花多簇生，雌花单生。黄瓜子叶期出现花芽0级特征,见图4(a);而出现1片真叶时出现1级特征,见图4(b);两片真叶时出现2级特征,见图4(c);而肉眼可见小花蕾时即出现3级特征。由于黄瓜为单性花，雌雄异株，在3级特征出现的同时雌雄花的特征也显现。3级雄花见图4(d)，3级雌花见图4(f);大花蕾期为4级特征，雌雄花分化更加明显，雄花花芽4级见图4(e)，雌花花芽4级见图4(g)。

(a) 0级

(b) 1级

(c) 2级

(d) 黄瓜雄花花芽3级

(e) 黄瓜雄花花芽4级

(f) 黄瓜雌花花芽3级

(g) 黄瓜雌花花芽4级

2.5 南瓜的花芽分化

南瓜亦为雌雄同株，雄花出现较早，分布于基部，雌花出现较晚[5]。南瓜子叶期为花芽发育0级,见图5(a);当南瓜幼苗出现2片真叶时进入花芽发育1级,见图5(b);而当出现4片真叶时出现2级特征,见图5(c);小花蕾期,3级雌花见图5(d1)3级雄花见图5(f);大花蕾期,4级雌花见图5(e1),4级雄花见图5(g)。详细分布见表1。

表1 不同植物花芽分化出现级别的不同时期分布表

注：“-”代表无其他级别出现

3 结 语

本研究中的茄果类和瓜类植物的花芽发育符合典型的花芽发育过程，均按照花萼、花冠、雄蕊、雌蕊的顺序进行分化。茄果类与瓜类中不同植物在不同生长时期，花芽分化阶段不同。一般规律是在子叶期和1片真叶期为花芽分化的0级和1级，2～4片真叶期达到花芽分化2级，小花蕾期为3级花芽分化，大花蕾期为4级花芽分化。秦俊芬等[9]发现美洲南瓜(CucurbitapepoL.)雄花和雌花在最初的发育过程中均形成3个雄蕊，但雄花中没有观察到雌蕊的发育，而雌花有一个两性阶段，后期随着雌蕊的发育，雄蕊逐渐退化，与我们的研究结果相似。而在甜瓜(Cucumismelo)的两性花发育过程中，最早出现形态差异时，雄花原基体积快速增大，雌花和两性花原基中心开始凹陷形成下位子房[10]，与黄瓜花芽的发育类似。影响花芽分化的因素很多，如环境及栽培方式[11-12]、温度[13]，幼苗体内氮素水平的高低[14]、激素水平[15-16]等。

(a) 0级

(b) 1级

(c) 2级

(d) 黄瓜雌花花芽3级

(e) 黄瓜雌花花芽4级

(f) 黄瓜雄花花芽3级

(g) 黄瓜雄花花芽4级

实验教学是学生验证和巩固理论知识的重要环节，相对理论教学更具有直观性、实践性、综合性，是植物学教学中不可或缺的重要组成部分，对培养学生分析解决问题的能力和创新能力以及提高学生综合素质具有重要作用[17-18]。传统的植物学实验几乎全为验证性实验，因此，对植物学实验教学的改革越来越受到重视，出现了对多元化实验教学模式的探索[19]、数字切片的应用[20]、虚拟实验平台的构建[2]等多方面的研究。而基于“研究性学习”理念的课程改革是教学改革的重要方式，由验证性实验转变为研究性实验，使学生不仅仅只是简单验证课堂理论知识，并且可以充分重视科学问题答案的不确定性[21]。花芽分化的研究性实验的设计和实施在提高了此知识点教学效果的同时，也锻炼了学生的科学研究思维和实验技能。