斗竹的开花生物学特性研究

刘海文，赵婉琪，肖 姣，国春策，杨光耀，于 芬*

(1 江西农业大学 林学院，南昌 330045；2 江西省竹子种质资源与利用重点实验室，南昌 330045)

中国竹林面积约为6.41×106hm2，是重要的森林资源，广泛应用于日常生活的各个领域，具有较高的经济价值[1-3]。但竹类植物开花不可预测，且大多数竹种开花周期较长，花后即死亡，严重危害竹林的可持续发展[4]。全面了解竹类植物的开花规律特征和生殖生物学特性，对于竹类植物的系统分类、竹林的可持续经营管理以及遗传改良都非常必要。近年来有关竹类植物开花的研究逐渐增多[5-7]，如毛竹(Phyllostachysedulis)、早竹(Ph.violascens)、角竹(Ph.fimbriligula)、雷竹(Ph.violascenscv. Prevernalis)、月月竹(Menstruocalamussichuanensis)、鹅毛竹(Shibataeachinensis)、新小竹(Neomicrocalamusprainii)等[8-14]，但有关斗竹(Oligostachyumspongiosum)开花的研究未见报道。

斗竹隶属竹亚科(Bambusoideae)少穗竹属(Oligostachyum)，广泛分布于中国广西地区林下、林缘地带。地下茎单轴散生，秆型细直，通常高约5 m，叶片细小[15]，是优良的园林观赏绿化竹种。江西农业大学竹类种质园内的斗竹1994年移栽自井冈山，于2019年4月份出现开花现象。本研究对斗竹的开花规律、花器官形态特征、花后更新等开花生物学特性以及大、小孢子发生和雌、雄配子体的发育进行了观察，并探究了其结实率低的原因，为竹类植物的系统分类及生殖生物学研究提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西农业大学竹类植物种质园内，地处江西省中部偏北位置，115°49′11″～115°49′23″ E，28°46′00″～28°46′30″ N，海拔49.5 m，属中亚热带湿润季风气候，年平均气温17～17.7 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-15.2 ℃，年日照时数1 772～1 845 h，年平均降水量1 567.7～1 654.7 mm。地势平坦，土壤类型为黏重红壤，微酸性。竹林样地面积约492 m2。

1.2 研究方法

1.2.1 竹林开花动态野外观测了斗竹的花期、开花动态及林相变化，并统计花后结实率。开花时期参照Dafni[16]研究进行划分，即开花初期(竹林内约25%竹株开花)、开花盛期(竹林内50%以上的竹株开花)、开花后期(竹林内25%以下的竹株仍在开花)和开花末期(竹林内少于10%的竹株仍在开花)。

1.2.2 花器官形态观察采集不同发育阶段的斗竹花序，立即放入有冰袋和少量水的保温箱(4～5 ℃)中。统计各花序内小穗数量、小穗长度、苞片和小花数量，并观察各组成部分的数量、长宽、色泽等特性，ZEISS Stemi 2000体视显微镜下进行拍照。

1.2.3 石蜡制片和显微观察采用石蜡制片法。将固定(70% FAA)后的材料取出，采用Ehrlich’s苏木精染色液将材料整染24～48 h。系列梯度乙醇脱水，二甲苯进行透明，石蜡包埋后于Leica RM 2235旋转切片机上切取厚度为7～8 μm的切片，置于Zeiss AX10生物显微镜下进行观察、拍照。

1.2.4 数据处理试验数据采用Microsoft Excel 2010统计软件进行处理，Photoshop进行图像处理排版。

2 结果与分析

2.1 斗竹开花林相及结实情况

2019年4月下旬至5月下旬，江西农业大学竹类植物种质园内的斗竹林出现全体开花现象。斗竹为一次性全体开花的散生竹，花期短，约持续45 d。相较于营养生长时期，即将开花的斗竹林在外观上具有明显变化，表现为竹叶失绿，部分脱落，竹秆微黄，整个竹林呈现衰败趋势(图版Ⅰ，1～2)。2019年4月中旬，花序抽出，成花量极大(图版Ⅰ，3～4)。5月初少量的花开始开放，开花时由浆片撑开外稃，花药从内部伸出，此阶段开放的小花集中于花序顶部小穗的基部(图版Ⅰ，5)；5月上旬为斗竹的盛花期，竹林内一半以上的竹花完全开放，开放的小花多集中于花序顶部小穗的中、下部(图版Ⅰ，6～7)；5月下旬，花期结束，花后竹秆变黄，竹叶脱落，小穗枯黄，竹林内未发现实生苗，竹林结构明显呈衰老趋势(图版Ⅰ，8～11)。至2020年3月，斗竹林完全枯死。根据统计2 780枚斗竹小花的结实情况，收获221枚种子，种子多发育自小穗中、下部的小花，每枚小穗基本都有1枚种子形成，结实率为8.1%，但小穗上的幼果被虫蚀空，虫害严重(图版Ⅰ，12)。

2.2 花、果形态结构

斗竹花序为圆锥状花序，花序柄长4～15 cm，每花序含4枚小穗，具小穗柄，小穗柄较短，长约2 cm，被柔毛(图版Ⅱ，1)；小穗细长，长约4～10 cm，基部具3枚苞片，第1枚苞片长约3 mm，第2枚苞片长约5 mm，第3枚苞片与外稃大小相似，长约1 cm，苞片内无小花。每枚小穗含小花5～17朵，顶部小花不发育(图版Ⅱ，2)；小花由外稃、内稃、浆片、雄蕊、雌蕊组成(图版Ⅱ，3)；内、外稃片各1枚，外稃青绿色，长约12 mm，披针形，顶端尖锐，边缘紫红色，脊间2脉，被白毛(图版Ⅱ，4)；内稃披针形，对生于外稃内侧，长约10 mm，顶端2裂(图版Ⅱ，5)；浆片3枚，长2～3 mm，宽约2 mm，1枚浆片包被于内稃中，另外2枚浆片贴近外稃，卵圆形，顶端被纤毛，具多条纵脉(图版Ⅱ，6)；雄蕊为4～6枚(多为6)，花药长7～10 mm，幼时黄绿色，成熟后为黄色，密被紫色斑点(图版Ⅱ，7～9)；雌蕊1枚，子房长椭圆形，表面平滑无毛，柱头3裂，羽毛状，长2～3 mm(图版Ⅱ，10)；花粉粒球形，表面纹饰颗粒状，具单个萌发孔，萌发孔具有明显的内凹孔环(图版Ⅱ，11)；颖果，椭圆形，去稃果实深褐色，长6～10 mm，直径约1～3 mm，腹部纵沟槽明显，花柱宿存(图版Ⅱ，12)。

2.3 小花开放动态

斗竹小花为开放型。未开放时外稃紧闭，开花时浆片吸水膨胀撑开外稃，花药从内部伸出(图版Ⅲ，1～3)；随后，花丝迅速下垂，柱头从稃片内露出，花药开始散粉，属于雌雄同熟型(图版Ⅲ，4)；花粉主要依靠风力及虫媒传播；完成散粉后，花丝、花药回缩，稃片闭合(图版Ⅲ，5～6)。花药的露出与散粉受到气温、湿度等环境因素的影响较大，晴天光照强，花药散粉的速度更快。就整个花序来看，位于花序顶端的小穗先开放，开花顺序为自上而下；而就单个小穗来看，开花顺序自小穗基部依次向上；通过分别对同一小穗上不同部位的小花进行解剖，发现雄蕊(图版Ⅳ，A1～E1)和雌蕊(图版Ⅳ，A2～E2)的发育顺序均为自下而上，即基部的小花先成熟，并依次向上发育，位于顶部的小花发育不全，不开放。

2.4 小孢子发生及雄配子体发育

斗竹的每枚花药具有4个小孢子囊(图版Ⅴ，1)。对长度为0～1 mm花药进行横切，发育初始阶段花药横切面为椭圆形(图版Ⅴ，2)，随后在4个角隅处分化出孢原细胞，横切面上，花药角隅处开始突出(图版Ⅴ，3～4)。花药长度在1～2 mm时，孢原细胞进行分化，进入造孢细胞时期，初生造孢细胞经过分化、发育依次形成次生造孢细胞(图版Ⅴ，5～6)，进而发育为小孢子母细胞，此阶段花粉壁分化完成，由内向外依次为：绒毡层、中层、药室内壁和表皮(图版Ⅴ，7～8)。花粉母细胞经过前期 Ⅰ-末期 Ⅰ的连续过程(图版Ⅴ，9～11)，首次减数分裂的结果形成了二分体，第一次减数分裂期间，中层细胞开始变得扁平(图版Ⅴ，12)。紧接着第二次减数分裂，同样经历前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ(图版Ⅴ，13)和末期Ⅱ(图版Ⅴ，14)，沉积胼胝质壁，形成左右对称型的四分体，此阶段，中层完全解体(图版Ⅴ，15)。

雄配子发育过程始于胼胝质壁中释放出的小孢子，然后细胞核增大，细胞壁加厚，中央大液泡形成，细胞核边缘化，此时小孢子为单核靠边期。此阶段花粉囊壁仅包括表皮细胞和药室内壁细胞各一层，横切面上表皮细胞呈方形，体积显著增大并具有明显的角质层，药室内壁细胞的细胞壁发生带状加厚，而中层、绒毡层已完全降解(图版Ⅴ，16)。小孢子在进行了1次不对等的有丝分裂后，形成2个大小不等的核，较大、居中的为营养核，贴近花粉壁的为生殖核，斗竹成熟花粉粒为2-细胞型(图版Ⅴ，17)。花粉发育过程中也出现异常收缩及空腔的败育花粉粒(图版Ⅴ，18～20)。

2.5 大孢子及雌配子体发育

斗竹子房珠被2层，为厚珠心。发育初期，在珠心表皮下形成一个细胞，其形态显著区别于其他细胞，细胞体积大，细胞核较大、居中，细胞质浓厚，即孢原细胞；大孢子母细胞由孢原细胞直接发育，其细胞核增大(图版Ⅵ，1)。随后，大孢子母细胞开始进入减数分裂阶段。经过第一次减数分裂，大孢子母细胞分裂形成二分体(图版Ⅵ，2)；第二次减数分裂时二分体的两个细胞各自分裂在沿着珠孔下方的珠心形成四分体。

成熟胚囊为蓼型。功能大孢子的细胞核在第一次有丝分裂后，形成的2个细胞分别向细胞两端移动，形成2核胚囊(图版Ⅵ，3)；第二、三次有丝分裂后，分别形成4核胚囊(图版Ⅵ，4～5)和8核胚囊；珠孔端、合点端各有1个细胞核向胚囊中央游移，组成极核(图版Ⅵ，6)；靠近合点端的3个细胞反复分裂组成反足细胞群(图版Ⅵ，7)；位于珠孔端的3个细胞核呈“品”形，包括1个卵细胞和2个助细胞共同组成卵器(图版Ⅵ，8～9)；反足细胞、中央细胞核和卵器共同组成成熟胚囊，雌配子体形成。

3 讨 论

竹类植物作为无性系克隆的多年生植物，往往需要经历漫长的生长过程才会开花结实，其开花特点具有共同性即开花周期长、缺乏规律性、花后死亡等[17-18]。然而，开花竹种之间也存在一定的差异，主要表现在开花习性、花后结实率以及竹林更新繁殖方式上。竹子开花习性复杂多样，Zheng等[19]基于对630多种竹类植物开花结实信息的分析，根据收集到的大量例子，认为竹子开花习性可分为4种类型：零星开花、群体同步开花、群体同步开花和零星开花相结合以及部分开花[20]。群体开花后死亡会对竹种种质资源造成严重的威胁，珍稀竹种针麻竹(Cephalostachyumscandens)和贡山竹(Gaoligongshaniamegathyrsa)由于自然开花处于濒危状态[21]；浙江上虞林业科技重点推广竹种——角竹大面积开花枯死，导致林农损失惨重，竹种资源保存出现危机[22]。根据连续两年对斗竹的开花林相进行观察发现，斗竹属于一次性、大量同步开花类型，花期非常短，且花后次年竹林整体衰败死亡造成对其生殖生物学的研究受限。

在自然界中，花后竹类植物通过有性繁殖和无性繁殖的方式进行更新。研究表明大部分野生竹种依靠有性繁殖进行更新，结实率高达79%，而栽培种则多以无性更新方式繁衍后代，结实率较低为27%，大部分通常不结实，或出现种子败育现象[23]；程有龙等[22]研究栽培角竹发现，因长期来依靠无性繁殖方式繁衍后代，其有性繁殖机能明显退化，而分布在悬崖峭壁上的开花爬竹(Ampelocalamusscandens)开花后结实量大，种子饱满，完全可以进行天然更新[24]。江西农业大学竹类植物种质园内的斗竹为移栽竹种，通过统计花后2 780枚小花的结实情况发现，斗竹的结实率为8.1%，结实率较低。

影响竹类植物结实率的因素很多，如雌雄蕊败育、开花时空特性限制、传粉有效率低、生境条件不适等[25-27]。张文燕等[28]对五月季竹(Ph.reticulata)开花结实研究发现，花药和花粉败育影响其结实量，结合自然授粉不良、雌蕊畸形等综合因素导致其基本无结实。根据对水竹(Ph.heteroclada)开花生物学特性研究发现，雌蕊发育异常导致柱头可授率低是其有性生殖过程中的薄弱环节，同时多雨潮湿的气候条件导致花器官发育完全被昆虫幼虫破坏[29]。袁金玲等[30]发现绿竹属的3个竹种均因雌蕊退化而难以结实；孝顺竹(Bambusamultiplex)的子房、胚珠均发生早期败育，且雌蕊结构异常，造成其结实率低[31]；林树燕[32]对鹅毛竹(Shibataeachinensis)研究发现因柱头的不外露和不可授性，加上花粉本身的败育，使其自然授粉率基本为零。

斗竹的胚囊发育正常，但花粉存在不同程度的败育，存在畸形花粉和空腔花粉现象，仅有少数正常花粉粒，花粉败育可能是影响斗竹结实率的原因之一。此外，竹林虫害影响严重、花期雨水过多等多方因素可能造成了斗竹结实率降低。而且花后斗竹林无鞭生新竹株，也未见实生苗，因此斗竹的花后更新方式为有性繁殖，但栽培斗竹的花粉败育以及外部环境影响共同导致其结实率较低。

4 结 论

斗竹为一次性全体开花的散生竹，花期为4月下旬～5月下旬，盛花期为5月上旬，成花量大。圆锥状混合花序，每枚花序含4枚小穗，每枚小穗具小花5～17朵，小花为开放型颖花，由1枚内稃、1枚外稃、3枚浆片、1枚雌蕊(柱头3裂，羽毛状)、4～6枚雄蕊(多为6枚)组成，雌雄同熟。同一花序内小穗均向基发育，而同一小穗内不同部位的小花均向顶发育。果实为颖果。自然条件下结实率8.1%，竹林更新以有性繁殖为主。

花药具4个药室，花药壁发育为基本型，由表皮、内壁、中层和绒毡层4层细胞组成。小孢子四分体为左右对称型，减数分裂时胞质分裂为连续型，成熟花粉粒为2-细胞型；花粉存在败育现象，出现畸形或空腔花粉粒。雌蕊结构均完整，子房皆为单心皮1室，胚珠倒生，厚珠心；胚囊为蓼型，发育正常，成熟胚囊由卵器、极核和反足细胞群构成。本研究探讨了斗竹的开花特性、花器官形态特征及其大小孢子和雌雄配子体的发育，为该属系统分类及生殖生物学提供基础资料。