苜蓿品种花粉形态特征的比较

图拉嘎，特木尔布和，张志强

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010011）

苜蓿属（Medicago）为豆科一年生或多年生草本植物，其营养价值丰富、产量高、草质优良、适口性好、性价比高[1]。随着苜蓿产业的发展，我国加强了国外苜蓿的引种工作[2]，使得众多苜蓿品种应运而生，而不同品种花粉形态特征千差万别，表现出极为丰富的生物多样性。

植物花粉的大小、形状和萌发器官等形态特征，由母本植物的遗传物质控制，受外界环境条件影响很小，遗传性较为稳定[3]。花粉粒特征随着植物种类的变化呈现不同形态[4-5]，在各种植物中表现稳定[6-8]，具有为植物正确分类、判断物种间亲缘关系及遗传变异特性提供佐证的功能[9]。此外，花粉遗传上的保守性、稳定性和可靠性，对研究植物的品种鉴定、物种分类、系统发育、起源与演化具有很大的作用[10]。WALKER 等[11]研究认为，在被子植物中，除了木兰亚纲植物的花粉，较为进化的多孔（沟）型花粉均可能是从3 萌发孔沟花粉演化而来。贺学礼等[12]对7 种豆科植物花粉形态进行研究，并根据花粉形态和纹饰特点将7 种豆科植物分为2 个类型，第1 种类型的花粉为近球形或扁球形，表面具穴状纹饰；第2 种类型的花粉为长球形，具网状纹饰。早在20世纪60年代，我国学者对苜蓿属植物花粉形态特征进行了研究，结果表明，苜蓿属花粉一般为长球形，极面观为钝三角形或三裂圆形，赤道面观为椭圆形；极轴长20～40 μm，赤道轴长13～37 μm；具3 萌发孔沟，萌发孔沟有外突或无；表面纹饰较简单，在扫描电镜下观察多呈粗糙、小穴状或稀网状[13-14]。前人应用电镜扫描等技术对众多植物花粉形态特征进行了详细研究，发现不同种的花粉形态大小、表面纹饰以及壁的层次结构均存在差异，认为这些差异可作为鉴别种或品种的主要依据之一[15-16]。但是对苜蓿属植物花粉形态电镜扫描的研究，目前国内报道较少，有关苜蓿花粉形态的研究多集中在种的水平上，很少对苜蓿品种间花粉形态特征进行对比研究[17]。对不同苜蓿品种花粉形态进行比较研究能为探讨苜蓿种和品种演化提供依据[18-19]。

本研究以内蒙古农业大学自选和整理登记的国家级7 个苜蓿品种为试验材料，对其花粉进行电镜扫描观测、比较，区分不同苜蓿品种花粉形态特征，旨在为研究和挖掘苜蓿种质资源、遗传育种和变异进化提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地位于呼和浩特市内蒙古农业大学新校区牧草科技示范区（40°49′N，111°41′E），海拔1 059 m，年平均气温6.6～6.8 ℃，≥0 ℃积温2 900～3 500 ℃。极端最高气温在7月下旬—8月可达到37 ℃。极端最低气温在1月，可达到-33 ℃。初霜期9月末，晚霜期5月中旬，无霜期135～145 d。土壤质地为栗钙土，pH 值为7.5～8.4。

1.2 材料

供试材料为内蒙古农业大学自选和整理登记的国家级苜蓿品种（表1）：敖汉苜蓿（Medicago sativaL.cv.Aohan）、准格尔苜蓿（Medicago sativaL.cv.Neimeng Zhungeer）、草原1 号杂花苜蓿（Medicago variaMartin.cv.Caoyuan No.1）、草原2 号杂花苜蓿（Medicago variaMartin.cv.Caoyuan No.2）、草原3 号杂花苜蓿（Medicago variaMartin.cv.Caoyuan No.3）、草原4 号紫花苜蓿（Medicago sativaL.cv.Caoyuan No.4）和花苜蓿（直立型扁蓿豆）［Medicago ruthenicus（L.）Sojak cv.Zhilixing］。本试验依据《中国植物志》的分类，将直立型扁蓿豆归为苜蓿属[20-21]。

表1 供试苜蓿品种

1.3 方法

1.3.1 试验材料采集

2017年8月20日，以随机区组排列方式，将试验材料种植于内蒙古农业大学科技示范区。每个品种种植9 个小区，每小区种植面积为20 m2（10 m×2 m）。各苜蓿品种进入盛花期时，选择大小一致，旗瓣、翼瓣已张开而龙骨瓣未张开的小花，用牛角勺按一下小花龙骨瓣基部，这时花丝管下弯，花药弹出，花粉留在勺上，将花粉装入表面光滑、透气性好的干燥纸袋，统一编号，并带回实验室进行干燥处理，待进一步试验。

1.3.2 样品处理

确定采集花粉标本准确无误后，进行粉碎、除杂，分离出纯花粉。将双面胶纸放于平坦的水平面，把分离出的纯花粉样品均匀撒在双面胶纸上，之后使用IB-5 型离子溅射仪镀膜。

1.3.3 样品观察

将经过镀膜的花粉放入日立S-530 扫描电子显微镜，进行电镜显微投影。记载形态特征以及技术参数。每个品种随机选择20 粒花粉，观测花粉形状，测量其花粉样品极轴长（P）与赤道轴长（E），计算极赤比（P/E）及花粉粒大小，并描述花粉萌发孔沟和表面纹饰特征。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010 和Origin 2018 软件制表，并进行试验数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 花粉粒大小及形状比较

2.1.1 花粉极轴长比较

由表2 可知，不同苜蓿品种花粉极轴长存在差异。敖汉苜蓿花粉极轴最长为44.27 μm，与草原4 号紫花苜蓿、草原3 号杂花苜蓿、花苜蓿相比，差异显著（P＜0.05）；准格尔苜蓿、草原1 号杂花苜蓿、草原2 号杂花苜蓿间差异不显著（P>0.05），但与草原3 号杂花苜蓿、花苜蓿相比均差异显著（P＜0.05）；花苜蓿的花粉极轴长最短，为35.48 μm，与除草原3 号杂花苜蓿外的其他品种相比均差异显著（P＜0.05）。

表2 不同苜蓿品种花粉极轴长的比较 单位：μm

2.1.2 花粉赤道轴长比较

由表3 可知，不同苜蓿品种花粉赤道轴长度存在差异。草原4 号紫花苜蓿赤道轴长最长，为26.39 μm，敖汉苜蓿次之，为25.69 μm，二者与草原3 号杂花苜蓿、花苜蓿相比均差异显著（P＜0.05）；花苜蓿赤道轴长最短，为20.56 μm，与除草原3 号杂花苜蓿外的其他品种相比均差异显著（P＜0.05）。

表3 不同苜蓿品种花粉赤道轴长的比较 单位：μm

2.1.3 花粉大小比较

由表4 可知，不同苜蓿品种花粉大小存在差异。敖汉苜蓿花粉最大，为33.71 μm，与草原3 号杂花苜蓿和花苜蓿相比差异显著（P＜0.05）；准格尔苜蓿、草原4 号紫花苜蓿、草原1 号杂花苜蓿差异不显著，但与草原3 号杂花苜蓿和花苜蓿相比均差异显著（P＜0.05）。花苜蓿花粉最小，为26.99 μm，与除草原3 号杂花苜蓿外的其他品种相比均差异显著（P＜0.05）。根据花粉直径，通常可将花粉粒大小分为6 个等级[22（]表5）。参试品种花粉直径为26.99～33.71 μm，均属于第3 等级，为中等大小。

表4 不同苜蓿品种花粉大小的比较 单位：μm

表5 花粉大小等级 单位：μm

2.1.4 花粉极赤比和形状比较

由表6 可知，草原1 号杂花苜蓿花粉极赤比最大，为1.81，与草原4 号紫花苜蓿相比差异显著（P＜0.05）；草原4 号紫花苜蓿花粉极赤比最小，为1.54，与草原1 号杂花苜蓿、准格尔苜蓿、敖汉苜蓿相比均差异显著（P＜0.05）。花粉的形状可依据极轴长与赤道轴长的比值即极赤比进行分级，一般分为5 级[22]（表7），7个苜蓿品种花粉极赤比为1.54～1.81。极赤比结合群体观测，7 个苜蓿品种的花粉均属长球形（图1a～图7a）；由赤道面观测，7 个苜蓿品种的花粉均为椭圆形（图1b～图7b）；由极面观测，7 个苜蓿品种的花粉极面观均为三裂圆形（图1c～图7c）。

表6 不同苜蓿品种花粉极赤比的比较

表7 花粉形状分级

2.2 花粉萌发孔和表面纹饰比较

由图1b～图7b 和图1c～图7c 可知，7 个苜蓿品种的花粉均有3 条萌发孔沟，萌发孔沟细长，边缘较整齐，无明显凸起。草原2 号杂花苜蓿部分花粉粒萌发孔沟中间部位呈微闭合状态。

敖汉苜蓿花粉粒表面纹饰为穴状纹饰，穴较小且较深，并伴有少量穿孔，赤道面观分布较均匀，越趋于两极纹饰越少；与其他品种相比，敖汉苜蓿极面观纹饰数量较多（图1d）。准格尔苜蓿花粉粒表面纹饰多为穴状纹饰，赤道面观中部偶有脑纹状纹饰（图2d）。草原1 号杂花苜蓿花粉粒表面纹饰为浅穴状，数量少，呈分散分布，但极面观纹饰稀少（图3d）。草原2 号杂花苜蓿花粉粒表面纹饰为穴状，穴较小，数量多，且分布均匀，纹饰还伴有少量穿孔现象（图4d）。草原3 号杂花苜蓿花粉粒表面纹饰多为穴状，穴较小，少数花粉粒赤道面观中部呈现出脑纹状纹饰，草原4 号紫花苜蓿极面观纹饰稀少（图5d）。草原4 号紫花苜蓿花粉粒表面纹饰为浅穴状，穴较小，与其他苜蓿品种相比，草原4 号紫花苜蓿极面观纹饰较多（图6d）。花苜蓿花粉粒表面纹饰为浅穴状，穴小深度较浅，纹饰不明显，相比其他品种花粉更为光滑，赤道面观纹饰分布均匀，极面观光滑无纹饰（图7）。

图1 敖汉苜蓿花粉形态

图2 准格尔苜蓿花粉形态

图3 草原1 号杂花苜蓿花粉形态

图4 草原2 号杂花苜蓿花粉形态

图5 草原3 号杂花苜蓿花粉形态

图6 草原4 号紫花苜蓿花粉形态

图7 花苜蓿花粉形态

3 讨论

花粉形态特征是植物亲缘关系基础、植物分类以及栽培品种审定的重要依据。传统的形态分类受环境影响较大，客观性受到一定限制，而花粉的形态特征是由基因控制，受外界环境条件的影响较小，具有很强的遗传稳定性。植物花粉形态特征是在长期的自然环境条件下进化形成，携带大量有关演化的信息，在品种分类以及品种间亲缘关系的分析方面，孢粉学具有重要意义[23]。本研究结果表明，7 个苜蓿品种的花粉，在形态特征的多个方面表现出一定程度的差异。

本研究结果表明，除草原3 号杂花苜蓿和花苜蓿外的苜蓿品种花粉极轴长均大于40 μm，这与马剑敏等[13]研究发现的苜蓿属花粉极轴长通常在20～40 μm 的结果略有差异；参试7 个苜蓿品种花粉赤道轴长20.56～26.39 μm，与马剑敏等[13]研究发现的苜蓿属花粉赤道轴长为13～37 μm 的结果一致，与孙启忠等[22]研究发现的赤道轴长度为21.6～26.8 μm的结果略有差异；根据花粉粒大小的范围，通常分为6 个等级，从本研究结果来看，参试7 个苜蓿品种花粉直径大小为25～15 μm，均属中等，敖汉苜蓿花粉直径最大（33.71 μm），花苜蓿花粉直径最小（26.99 μm）；参试品种的花粉极赤比为1.54～1.81，属于长球形花粉，草原1 号杂花苜蓿花粉极赤比最大（1.81），草原4 号紫花苜蓿花粉极赤比最小（1.54）。极赤比大小很大程度上确定了花粉形状，由于苜蓿品种遗传特性的差异，各品种花粉形态表现各异[24]。敖汉苜蓿是内蒙古地方品种、草原4 号紫花苜蓿是抗蓟马育成品种、花苜蓿是野生驯化品种，其花粉遗传特性差异很大，该结果与以上提出的结论相符。

花粉粒的萌发器官、外壁纹饰等细微特征随植物种类而不同，并在各种植物中表现稳定[25]。具有萌发孔沟类型的萌发器官是被子植物特有的，本研究参试7 个苜蓿品种的花粉均具有3 条萌发孔沟，萌发孔沟细长，边缘较整齐，无明显凸起，这与中国科学院植物研究所形态室孢粉组研究的中国植物花粉形态苜蓿花粉粒是3 萌发孔沟类型的结果一致[23]，草原2 号杂花苜蓿部分花粉粒萌发孔沟中间部位呈微闭合状态。有研究表明，苜蓿属花粉外壁以脑纹状纹饰为主，穴状纹饰为辅，经过观察发现仅有准格尔苜蓿、草原3 号杂花苜蓿花粉粒赤道面中部偶有脑纹状纹饰，其他花粉粒表面均呈现穴状纹饰或者浅穴状纹饰，与本研究结果略有差异。宛涛等[26]研究发现，草原2 号杂花苜蓿花粉粒表面具浅穴状纹饰，穴较小，并伴有一定数量的穿孔，极区和沟缘周围较光滑，沟间区还有阴影状斑痕，与本研究结果相符。本研究结果表明，敖汉苜蓿、准格尔苜蓿、草原2 号杂花苜蓿和草原3 号杂花苜蓿花粉粒表面纹饰属穴状纹饰，草原1 号杂花苜蓿、草原4 号紫花苜蓿花粉粒表面纹饰属浅穴状纹饰。

4 结论

7 个苜蓿品种的花粉粒形态特征具有一定程度的异同之处。7 个品种均有极面观三裂圆形、赤道面观椭圆形、具3 萌发孔沟等特征，而在花粉粒极轴长、赤道轴长、大小、极赤比和表面纹饰等指标上有显著差异。花苜蓿和草原4 号紫花苜蓿花粉形态相比其他品种差异明显。花苜蓿花粉大小明显小于其他品种，且花粉表面的穴状纹饰深度明显浅于其他品种，草原4 号紫花苜蓿极赤比显著小于其他品种，更显膨润状。