榆林沙区黑沙蒿花粉二型性特征观察

乔占国，汪 芳，吴娇娇，张春妮，张泽宁，宛 涛，郝 好，刘 龙

(1.陕西省榆林市林业科学研究所，陕西 榆林 719000；2.榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000；3.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

蒿属(Artemisia)是菊科春黄菊族(Anthemideae Cass.)的一个大属[1]。全国均有分布，多数集中于我国“三北”地区及西南各省区，约有186种[2]。其花粉数量多、个体小，风媒传粉，部分种的花粉含有致敏原[3]，是重要的气传致敏花粉[4]。国内外研究其花粉形态的学者很多[5-13]，主要致力于蒿属种间分类的花粉形态观察描述，对同一种植物2种花粉形态的微观数量特征差异显著性分析十分匮乏。有学者初步观察到黑沙蒿(Artemisiaordosica)花粉存在2种形态[1]，但未深入分析其微形态特征及数量特征的差异显著性。宛涛等[14]、郝好[15]对冷蒿(Artemisiafrigida)和紫花冷蒿(Artemisiafrigidavir.atropurpurea)的花粉形态进行了研究，蔡萍等[16]对乌丹蒿(Artemisiawudanica)花粉形态二型性也进行了专项观察，但黑沙蒿花粉形态二型性的深入系统研究成果尚未见报道。花粉二型性(pollen dimorphism)是正常和异常2种不同形态的花粉同时共存于同一花药中的现象，经诱导，异常花粉粒可以形成花粉胚，被称为胚性花粉或E花粉(embryonic pollen)[17-18]。花粉二型性对植物种间鉴别、属种分类及与环境的相互依存关系等密切相关。黑沙蒿是毛乌素沙地最主要的建群种之一，具有非常重要的生态价值，但其致敏性引发的过敏性鼻炎、哮喘，已严重影响了人们的生产生活，因此很有必要进一步客观准确地阐述陕北沙区黑沙蒿花粉的形态特征，为探索其致敏性、蒿属间系统分类、生物多样性研究等提供孢粉学依据。本研究采用扫描电镜(SEM)显微技术，对其花粉形态及二型性特征进行了详细观察及表型特征分析研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于毛乌素沙地南缘的榆林市小纪汗、昌汗界、补浪河和巴拉素等地。样地年均气温8.3 ℃～10.1 ℃，极端高温42.1 ℃(7月)、极端低温-31.8 ℃(1月)，≥10 ℃的积温2 800～3 400 ℃。年降水量350～503 mm，集中于6-9月，年蒸发量2 000～2 500 mm。该区属温带半干旱大陆性季风气候，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，风大沙多；光照充足，昼夜温差大，无霜期短[19]。地表主要是第四纪松散堆积物，土壤为风沙土；地带性植被为荒漠草原，其间有大面积人工植被分布，以黑沙蒿为建群种的沙生植被最发达[20]。

1.2 材料

供试材料为20世纪80年代在榆林市周边飞播的次生黑沙蒿群落。在陕西省榆林市小纪汗、昌汗界、补浪河和巴拉素4个村，选择基础环境基本相同，固定和半固定沙丘均匀分布，黑沙蒿长势基本一致的4块样地，于2020年8月2-4日，分别随机采集3个植株标本及花粉样品。黑沙蒿7月上旬为始花期，7月中旬到8月上旬为盛花期和散粉高峰期。

1.3 研究方法

1.3.1 样品采集 2020年8月2-4日，榆林沙区黑沙蒿盛花期和散粉高峰期，在小纪汗、昌汗界、补浪河和巴拉素4个样地随机采集黑沙蒿植株及花粉并编号，将植株标本夹在标本夹中[21]。花粉样品用滤纸包装，放入干燥容器，储藏于2～5 ℃备用[22-25]。

1.3.2 样品处理 将采集的黑沙蒿植株移交植物分类专家鉴定，再把鉴定正确无误的植株制成蜡叶标本，然后将编号对应的花粉样品进一步干燥、除杂等处理。将处理好的花粉样品分为2份：一份用王伏雄改进的醋酸酐分解法[13]酸解处理后，制成光镜切片；另一份包在纱布中轻轻抖动，均匀地撒在置于载物台的双面胶纸上，经IB-5型离子溅射仪喷金镀膜，制成扫描电镜样品[14]。

1.3.3 显微观察 将待检黑沙蒿花粉样品置于日立S-530扫描电子显微镜下，调整放大倍数，多角度观察其群体和个体的形态特征，以及极面、赤道面、萌发器官和外壁纹饰等，详细记录其典型特征及关键参数并拍照[26]。将待检光镜切片置于OLYMPUSB X41光学显微镜下，转换观察角度，调整放大倍数，仔细观察萌发器官并确定其形态和数量特征。对照光学和电子显微镜的观测结果和扫描照片，逐个准确测量花粉粒的极轴、赤道轴长度及大小，详细记录其大小、形态、萌发器官和外壁纹饰等细微结构特征[27]。

1.3.4 数据处理与分析 严格按照孢粉学要求随机选择30粒花粉进行测量，花粉粒的所有数据均来源于其平均值[17]，最后用Excel2019和SPSS 22.0软件处理。而长球形花粉粒与圆球形花粉粒在样本中的占比来自于对2 510粒花粉的观察统计。其中花粉粒的极轴平均长度用P表示，赤道轴植株平均长度用E表示，单位为μm。

2 结果与分析

2.1 黑沙蒿花粉形态总体特征

经观察，黑沙蒿花粉粒具有蒿属植物花粉的共性特征，其总体形态特征为：花粉粒外表轮廓波浪形，形状呈球形、近球形，极面观形状为三裂圆形；大小15.8～24.9 μm，属小型花粉粒；花粉萌发器官3孔沟，沟较长，边缘或光滑整齐或粗糙，可达两极，两极钝圆，沟间较宽；花粉粒外壁表面纹饰为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，刺基部膨大，分布较均匀，刺长约1.88 μm；刺间较均匀地分布有小颗粒状纹饰。黑沙蒿花粉除具有蒿属花粉的共性特征而外，还具有二型性特征，长球形和圆球形2种形态不同的花粉粒同时存在于同一花药中，2种花粉粒都属于小型单粒花粉，即便成熟后都能单独以单粒形式呈现。除此而外，黑沙蒿花粉粒在大小、赤道面观、萌发器官和表面纹饰等方面也有其自身特点(表1)。

表1 黑沙蒿花粉形态总体特征

2.2 黑沙蒿长球形花粉的形态特征

长球形花粉粒外表轮廓为波浪形；赤道轴长16.93(15.81～17.32)μm，赤道面观长椭圆形；极轴长23.43(20.10～24.91)μm，极面观三裂圆形；P/E=1.38。萌发器官3孔沟，沟深而细长，边缘较整齐光滑，可达两极，内孔深陷；沟间稍窄，极区面积较小。花粉粒表面为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，刺基部较小，顶部渐尖，较短，分布较稀疏均匀；刺间颗粒较小，稀疏均匀(图1)。

注：A：长球形花粉粒赤道面; B:长球形花粉粒极面; C：长球形花粉粒表面纹饰[16,21]。

2.3 黑沙蒿圆球形花粉的形态特征

圆球形花粉粒外表轮廓为小波浪形，赤道轴长17.10(15.99～18.01)μm，赤道面观圆球形；极轴长17.56(16.11～18.43)μm，极面观三裂圆形；P/E=1.03。萌发器官3孔沟，沟较浅较短，沟缘较粗糙，内孔外突；沟间较宽，极区面积较大。花粉粒表面为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，刺基部膨大，较短，顶部渐尖，分布较均匀密集；刺间颗粒较大，排列较密(图2)。

注：A：圆球形花粉粒赤道面; B：圆球形花粉粒极面;C：圆球形花粉粒表面纹饰[16,21]。

2.4 黑沙蒿2种花粉粒形态特征比较

黑沙蒿2种形态的花粉粒总体主要特征较一致，但其形状、大小、P/E值、赤道面观存在差异。长球形花粉粒赤道面观为椭圆形，圆球形赤道面观为圆球形；长球形花粉的极轴长23.43 μm，赤道轴长16.93 μm，P/E=1.38；圆球形花粉的极轴和赤道轴长度接近，为17.10～17.56 μm，P/E=1.03。显然，2种花粉粒的极轴、赤道轴长度及其比值P/E不同，导致了其赤道面形状的差异，长球形花粉粒赤道面观椭圆形，圆球形赤道面观圆球形。与此同时，2种花粉粒的外壁表面纹饰和萌发器官微性状也不相同。2种花粉的萌发器官都具3孔沟，但长球形花粉的沟深而细长，边缘较整齐光滑，可达两极，内孔深陷，沟间稍窄，极区面积较小；圆球形花粉的沟较浅较短，沟缘较粗糙，内孔外突，沟间较宽，极区面积较大；外壁表面纹饰两者都为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，但刺的分布、基部大小及刺间颗粒的大小和排列等有所差异，长球形花粉刺基部膨大，分布较稀疏均匀；刺间颗粒较小，稀疏均匀；而圆球形花粉刺基部较小，分布较均匀密集，刺间颗粒较大，排列较密。

黑沙蒿长球形花粉粒极轴与赤道轴长度差异显著(P<0.05)，赤道面观为椭圆形；圆球形花粉粒极轴与赤道轴长度相近，差异不显著(P>0.05)，赤道面观为圆形；两者的P/E差异显著。由此表明，黑沙蒿花粉具有长球形和圆球形2种形态，两者差异明显，具有非常明显的二型性特征。

通过3次光镜观察的样品共计2 510粒，其中长球形花粉1 610粒，占比64.1%；圆球形花粉900粒，占比35.9%。样本中长球形花粉粒所占比例显著高于圆球形花粉粒，说明黑沙蒿花粉中以长球形花粉粒为主(表2)。

表2 黑沙蒿2种花粉形态特征比较

3 结论与讨论

3.1 结论

黑沙蒿花粉形态特征与蒿属植物花粉形态总体特征一致，均为单粒小型花粉，具3孔沟，表面纹饰特征属于第Ⅰ类，即退化小刺与颗粒状纹饰的组合。

黑沙蒿花粉粒具明显的二型性特征，长球形花粉和圆球形2种形态花粉同时存在同一花药中。长球形花粉粒外表轮廓为波浪形；极轴长23.43(20.10～24.91)μm，赤道轴长16.93(15.81～17.32)μm，极轴与赤道轴长度差异显著(P<0.05)，P/E=1.38；圆球形花粉粒外表轮廓为小波浪形；极轴长17.56(16.11～18.43)μm，赤道轴长17.10(15.99～18.01)μm，极轴与赤道轴长度差异不显著(P>0.05)，P/E=1.03。2种花粉粒的P/E差异显著(P<0.05)。长球形花粉粒在样本中占比为64.1%，圆球形花粉粒占比为35.9%。

黑沙蒿花粉粒形态特征的特点首先受自身遗传基础控制，其次是其对长期适应生存环境的响应，是遗传因素与环境因素共同作用的产物。同时也反映出了进化物种的特点。

3.2 讨论

3.1.1 黑沙蒿花粉粒的形态特征 蒿属花粉总体形态特征为：小型单粒花粉，形状呈圆球形或长球形，极面观三裂圆形或三裂片圆形，赤道面观圆形或椭圆形；花粉具3孔沟，孔明显，沟中间宽两头窄，深浅长短不一，边缘整齐或不整齐；表面纹饰为刺与颗粒、颗粒与微刺或网胞与刺等的复合纹饰[15]，一般用纹饰类型Ⅰ-Ⅵ来表示[10]。黑沙蒿花粉粒符合蒿属植物花粉总体特征，为小型单粒花粉，萌发器官3孔沟，花粉粒表面纹饰属于退化小刺与颗粒状纹饰的组合，可归第Ⅰ类。但同一花药中有长球形和圆球形2种形态花粉粒，长球形花粉粒极轴长23.43 μm，赤道轴长16.93 μm，P/E=1.38，极轴与赤道轴差异明显，赤道面观为椭圆形；而圆球形花粉粒极轴长17.56 μm，赤道轴长17.10 μm，P/E=1.03，极轴与赤道轴相近，赤道面观为圆球形。长球形花粉粒轮廓为波浪形，萌发器官3孔沟，沟深而细长，边缘较整齐光滑，可达两极，内孔深陷，沟间稍窄，极区面积较小；而圆球形花粉粒轮廓为小波浪形，萌发器官3孔沟，沟较浅较短，沟缘较粗糙，内孔外突，沟间较宽，极区面积较大。长球形花粉粒表面为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，刺基部膨大，较短，顶部渐尖，分布较稀疏均匀；刺间颗粒较小，稀疏均匀；圆球形花粉粒表面也为退化小刺与颗粒状纹饰的组合，但刺基部较小，顶部渐尖，较短，分布较均匀密集，刺间颗粒较大，排列较密。

3.1.2 黑沙蒿花粉粒二型性的特征及比例 许多孢粉学研究资料认为，花粉形态是植物总体性状的重要组成部分，它既有科、属的共同特征，也有种的特异性[7,9]。我国学者曾观察到植物花粉二型现象，宛涛等观察到紫花冷蒿和冷蒿的花粉二型性比例分别为45%～64.5%和20%[14-15]；蔡萍等[16]观察到乌丹蒿花粉二型性出现的比例为60.1%。李懋学[28]发现芍药花粉也有二型性，正常花粉和异常花粉所占比例分别为75.8%和24.2%。本试验观察到，圆球形和长球形2种花粉形态同时存在于黑沙蒿同一花药中，具有花粉二型性特征，对两者的极轴和赤道轴长度及其比值P/E进行T检验，差异达到了显著水平(P<0.05)，花粉二型性特征非常明显。其长球形花粉粒在样本中所占比例高达64.1%，而圆球形花粉粒比例为35.9%。

3.1.3 黑沙蒿花粉粒二型性的成因 花粉形态是植物总体性状中较重要的部分，是在长期进化过程中不断演化和发展形成的[23,29]，花粉粒的性状特征也符合遗传稳定性和多样性的规律，主要是受其遗传基础控制，也受其长期生存环境影响[30]。宛涛等认为冷蒿正种与变种花粉形态差异与体内遗传基础受到长期生存环境影响有关[14]；N.Suoderlond[31]则认为花粉二型性的产生与花粉母细胞在减数分裂末期Ⅱ时发生了轴向改变有关；G.埃尔特曼[32]推测与雄蕊中花丝的长短有关，且花粉不止有二型，还应有三型或更多；而梁汉兴[33]推测五指莲二型性花粉粒产生的原因是小孢子在第1次有丝分裂时少数纺锤体进行了平周分裂。在所有植物总体性状中，花粉形态特征是较为稳定的进化性状，相对比较保守，外界环境条件对其影响较小[14,34]，但也符合不同生态条件对植物花粉形态构建的塑造规律[35]。黑沙蒿2种形态花粉粒的极轴(P)和赤道轴(E)长度以及P/E值差异明显，导致2种花粉粒的大小、赤道面形状有所不同。特别是其表面纹饰退化为小刺状，与菊科以虫媒为主的其他属的长刺明显不同[4]，这与其长期适应干旱少雨、风大沙多的荒漠恶劣环境及风媒传粉有关，同时也是其自身遗传性状及长期适应生存环境共同影响的特征。

3.1.4 黑沙蒿花粉粒的进化现状 一般情况下，花粉粒形状是由单沟的舟形、纵长形演化为具沟的球形、扁球形，然后演化为扁球形、圆球形，最后演化为长球形；花粉粒表面纹饰是由外壁表面光滑演化为外壁表面具有条纹状、网状，最后演化为花粉表面疣状、刺状[36-37]。被子植物花粉和裸子植物花粉一般有单槽型和三沟型，花粉从单槽型演化到三沟型的进化趋势，通常情况下是不可逆转的[36,38]。根据以上观点，综合黑沙蒿花粉具3孔沟、表面刺状-颗粒状复合纹饰等形态特征分析，黑沙蒿应属于较为进化的物种。