引用本文
苏芸芸, 王康才, 薛启. 不同产地藿香花粉活力与柱头可授性研究. 草业学报, 2016,25(9): 189-196
SU Yun-Yun, WANG Kang-Cai, XUE Qi. Study of the pollen viability and stigma receptivity of Agastache rugosa from different areas. Acta Prataculturae Sinica,2016,25(9): 189-196  
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不同产地藿香花粉活力与柱头可授性研究
苏芸芸, 王康才*, 薛启
南京农业大学园艺学院,江苏 南京 210095
*通信作者Corresponding author. E-mail:wangkc@njau.edu.cn

作者简介:苏芸芸(1991-),女,甘肃天水人,在读硕士。 E-mail:2014104128@njau.edu.cn

收稿日期: 2015-12-02
基金项目:工信部藿香规范化与规模化生产基地建设项目(2014)资助
摘要

主要对不同产地的藿香花粉活力、柱头可授性及花粉形态特征进行研究。各产地藿香花粉活力检测经过多种方法筛选后选择红墨水法,柱头可授性测定采用联苯胺-过氧化氢法,并利用扫描电镜对不同产地藿香的花粉形态进行观察。结果表明,在自然条件下,各产地开花习性较为一致,均在7至8月开花,群体花期15~28 d,单花花期约为3~5 d。不同产地藿香花粉活力随着开花时间的延长均表现出先升高后降低的趋势,平均花粉活力在18.46%~26.52%之间。5个产地当中,成都产地藿香平均花粉活力最高,长春产地藿香花粉活力最低。花粉寿命在4~5 d之间,柱头可授性可持续5~6 d。同时,在藿香刚开花第1天各产地柱头具可授性,在2~3 d内,具有较强的可授性。因而,不同产地藿香进行人工授粉最佳时期为开花后2~3 d。此外,不同产地藿香花粉粒形状主要为近球形或椭球形。花粉粒大小在42.93 μm×31.99 μm~46.59 μm×37.67 μm之间,均具6条萌发沟,萌发沟狭长、裂痕近两极。花粉外壁纹饰呈网状,网眼为不规则多角形,近圆形,大小不一。本文较为系统的比较了不同产地藿香花粉活力、柱头可授性及花粉形态,以期为藿香的人工栽培以及良种繁育提供理论依据。

关键词: 藿香; 花粉活力; 柱头可授性; 花粉形态
Study of the pollen viability and stigma receptivity of Agastache rugosa from different areas
SU Yun-Yun, WANG Kang-Cai*, XUE Qi
College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract

A study was undertaken to explore the pollen viability, stigma receptivity and pollen morphology of Agastache rugosa from different areas. Pollen viability was evaluated by red ink method; stigma receptivity was evaluated by benzidine-H2O2 method; pollen morphology was observed by scanning electron microscopy. The results showed that, the flowering habit was identical in the different areas under natural conditions. The majority of A. rugosa bloomed from July to August; the flowering stage of the populations was approximately 15-28 days and the life span of a single flower was about 3-5 days. The pollen viability of A. rugosa from different areas showed at first an increased and then a decreased trend with the increase of blooming time, with average pollen viability ranging between 18.46% and 26.52%. Among the five areas, the highest average pollen viability was from Chengdu and the lowest from Jilin. The life span of pollen was 4-5 days while stigma receptivity continued for 5-6 days. The stigma of A. rugosa from different areas had receptivity in the first day of blooming and higher receptivity in 2-3 days. This result indicated that the optimum artificial pollination time of different sources of A. rugosa is 2-3 days after blooming. The pollen shapes of A. rugosa from different areas were mainly spheroid and subglobose. The pollen size ranged between 42.93 μm×31.99 μm and 46.59 μm×37.67 μm. With 6 germinal furrows, the shape was long and narrow, almost reaching the poles. The surface emblazonry was netting and the shapes of pollen mesh were mostly irregular polygons to nearly round. These results provided a theoretical basis for the artificial cultivation and elite breeding of A. rugosa in the future.

Keyword: Agastache rugosa; pollen viability; stigma receptivity; pollen morphology

藿香(Agastache rugosa)为唇形科藿香属植物, 以全草入药, 也可作为茶或蔬菜食用。我国各地均有分布, 多为栽培, 主产四川、江苏、河南、河北及东北等地。藿香含有丰富的挥发油, 藿香油中主要含有甲基胡椒酚、长叶薄荷酮、倍半萜烯等。药理研究表明, 藿香挥发油能促进胃液分泌、增强消化力, 对胃肠有解痉作用。同时, 藿香在香精、香料工业、食品行业等领域中应用广泛, 其中在香精、香料行业中尤为重要。

传粉是种子植物授精的必经阶段, 其过程始于成熟花粉从开裂的花药中散出, 后借助一定媒介力量传送到适宜的柱头表面。在此过程中携带的雄配子体或前体花粉粒被暴露在干燥条件下, 必须在具有活力前到达适宜的接受柱头, 因此传粉的成功受花粉的活力与柱头可授性双重影响[1]。近几年, 花粉的活力与寿命以及柱头的可授性的研究已引起不少学者的重视, 并对药用植物的花粉生活力和柱头可授性开展了大量的研究。丁春邦等[2]对重楼属(Paris)9种5变种花粉活力与柱头可授性特性研究发现, 不同种类之间、同种不同变种以及同种不同居群之间花粉的活力差异较大。同时, 不同种类重楼的柱头可授性差异较大, 但同种不同居群间柱头可授性比较一致。此外, 对花粉活力和柱头可授性的研究也是开花植物有性生殖研究的基础, 在育种过程中, 理想亲本生殖发育最佳时期不相遇是影响杂交的主要方面, 因而需要全面了解认识亲本之间的物候期, 准确地把握最佳的授粉时间[3]。钟国成等[4]对丹参(Salvia miltiorrhiza)及其近缘种花粉活力与柱头可授性研究得出, 河南丹参随散粉时间的延长花粉活力逐渐降低且最高花粉活力是在开花的当天。而其他地区的丹参及其近缘植物随着散粉时间的延长花粉活力表现为先升高后降低。在开花后 2~3 d花粉活力达到最高, 花粉及柱头寿命可维持 3~5 d。这说明开花后 2~3 d是丹参及其近缘植物人工授粉的最佳时期。目前, 藿香的研究主要集中在挥发油成分方面较多[5, 6], 但关于藿香花的传粉特性、柱头可授性方面的研究尚未见报道。本试验从藿香的主要分布省中随机选取5个产地藿香的种子引于江苏南京栽培, 并对来自5个产地藿香的花粉活力、柱头可授性、花粉形态以及开花习性进行研究, 一方面为藿香在繁殖栽培及杂交育种等方面的合理开发利用提供理论依据。另一方面有助于了解藿香的生殖生物学特性, 提高藿香种子质量, 为藿香育种及人工栽培提供重要的理论和实践意义。

1 材料与方法
1.1 材料

藿香材料分别来自于商丘、成都、长春、安国、邯郸5个产地(表1), 经南京农业大学王康才教授鉴定均为唇形科藿香的种子, 栽培于南京农业大学实验基地, 水肥管理一致。

表1 材料来源 Table 1 Material and original
1.2 方法

1.2.1 开花动态观察 于2015年7月10日至7月14日, 分别在各产地中选择长势一致、生长健壮的植株10个穗状花序挂牌标记, 7月12日至8月10日期间, 进行藿香开花动态观察。从现蕾期开始, 每天观察1次, 直到花期结束。各花序中随机选取10朵单花, 每次观测时, 记录花的状态和开放过程、雌雄蕊的变化, 并测量各产地标记花朵的花冠直径、花冠长度。

1.2.2 花粉形态特征的观察 于盛花期, 采不同产地藿香成熟的花粉粒, 将花粉直接抖落在称量纸上, 然后用双面胶带将花粉粘在小金属台上进行喷金处理, 用日立S-3000N扫描电子显微镜观察并拍照记录。每个产地选取30个具有代表性的花粉粒, 用粒径计算软件测量获取花粉粒的极轴长和赤道轴长。

1.2.3 花粉活力测定 首先选用商丘产地的藿香花粉采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法, 红墨水法[7]及离体萌发法, 进行藿香花粉活力方法筛选, 筛选出最佳检测方法后, 其余4个产地花粉活力测定只采用最佳方法进行测定。

具体方法:在各产地藿香开花前分别标记好一批大小一致的花朵, 开花传粉后第1~6天, 每天中午12:00将同一植株传粉后不同天数散出的花粉撒在载玻片上, 分别用0.5%TTC(氯化三苯基四氮唑)溶液, 10%红墨水溶液, 及离体萌发法进行检测。其中离体萌发法培养基:包括以下7种培养基。0.1% 蔗糖、1% 蔗糖、20% PEG(相对分子质量为4000, 下同)、25% PEG、无机盐基液(参照胡适宜[8]方法配制, 下同)、用无机盐基液配制的20% PEG溶液、用无机盐基液配制的25% PEG溶液。考虑到藿香开花时, 温度相对较高, 因此, 以上方法均在25 ℃、30 ℃条件下进行。并经以上方法检测后置显微镜下统计盖片中央3~5个视野, 每个视野内花粉粒不少于300粒。每个产地均随机选取5朵小花进行测定, 计算其平均值。

1.2.4 柱头可授性检测 用联苯胺-过氧化氢法测定柱头的可授性[9]。具体方法:开花后第1~7天, 每天中午12:00采同一植株开花后不同天数的柱头, 置于载玻片上, 滴加联苯胺-过氧化氢溶液(1%联苯胺:3%过氧化氢:水=4:11:22, 体积比), 置显微镜下观察, 若柱头具可授性, 则柱头周围的反应液呈现蓝色并有气泡出现, 根据气泡多少判断柱头可授性的相对强弱。

1.3 数据处理

采用 Excel 2003 和 SPSS 19.0 软件进行方差分析和显著性检验, 方差分析多重比较采用Duncan(P< 0.05)。

2 结果与分析
2.1 不同产地藿香开花习性观察

通过对不同产地标记的花朵开放动态观察发现, 5个产地藿香开花习性较为一致。藿香花期在7月中旬至8月初, 花序开放时间因天气状况及花序长短而异, 群体花期约为15~28 d。藿香每天开放1~3轮花序。单花开放后持续约为3~5 d后凋落, 温度较高时持续开放2~4 d。不同产地藿香开花受温度、湿度影响较显著, 一般来说晴天气温较高, 开花较多; 雨天和阴天, 气温较低, 开花较少。晴天藿香多在上午8:00-10:00开放, 部分花序13:00-14:00开放。阴雨天藿香上午则推迟到9:00-10:30开放, 开放时间也相应延长至5 d左右。

2.2 不同产地藿香花部特征观察及花粉形态比较

2.2.1 花部形态观察 通过体式解剖显微镜下观察, 不同产地藿香的花具有多数唇形科植物特征。轮伞花序顶生或腋生; 花两侧对称, 花冠唇形紫色或浅紫色, 上唇2裂, 下唇4裂先端钝圆、近等大; 花萼筒状, 多5裂; 雄蕊4, 2强, 花丝紫色或浅紫色, 表面附着浅紫色鬓毛; 花药紫色或浅紫色、卵圆形; 柱头2浅裂, 子房上位。各产地花冠直径约为4~5 mm, 花冠长约为4~6 mm(表2)。

表2 不同产地藿香花部特征 Table 2 The floral morphology of A. rugosa from different areas

2.2.2 花粉形态比较 不同产地藿香花粉粒形态有相似之处, 赤道面观多为椭圆形, 均具有6条萌发沟, 狭长近两极, 沟痕深浅有差异, 其中, 长春产地藿香花粉粒萌发沟裂痕较其他产地深。花粉粒外壁表面纹饰均呈网状, 网眼大小不一, 多呈多角形, 近圆形, 网脊平滑; 极面观为椭圆形或扁球形, 从极面观可以看到不同产地藿香花粉粒的6条萌发沟均未延伸到两极。按照Punt等[10]关于极轴长(P)和赤道轴长(E)比值表示花粉粒形状规定, P/E< 1.3为近球形, 在1.30~1.60之间为椭球形。5个产地的藿香花粉粒P/E值分布在1.19~1.34之间, 花粉粒形状主要为近球形。P/E值最大者为成都产地藿香花粉, 最小者为商丘产地藿香花粉, 形状分别为椭球形、近球形。花粉粒大小用P× E表示[11], 5个产地的藿香花粉粒大小在42.93 μ m× 31.99 μ m~46.59 μ m× 37.67 μ m之间, 最大者来自长春产地, 最小者来自成都产地(表3, 图1)。

表3 不同产地藿香花粉电镜扫描形态特征比较 Table 3 Comparison of pollen morphology of A. rugosa from different areas under the scanning electron microscope observation

图1 不同产地藿香花粉形态
A:商丘Shangqiu, B:长春Changchun, C:成都Chengdu, D:安国Anguo, E:邯郸Handan; A1~E1:不同产地藿香花粉赤道面观Pollen morphology of A. rugosa from different areas in polar views; A2~E2:不同产地藿香花粉极面观Pollen morphology of A. rugosa from different areas in equatorial views.Fig.1 Pollen morphology of A. rugosa from different areas

2.3 花粉活力检测

2.3.1 花粉活力检测方法筛选 本实验采用0.5%TTC溶液检测花粉活力时, 花粉未能染色, 因而此方法不能用于检测藿香花粉活力。物理方法检测时, 只有10%红墨水使部分花粉染色, 效果最佳。离体萌发法中, 仅有用无机盐基液配制的20%PEG溶液与用无机盐基液配制的25%PEG溶液, 能使花粉粒萌发, 并且在25 ℃条件下萌发管生长速度较快。由于10%的红墨水法染色时间短, 操作简单方便, 为了采取花粉后能够立即检测花粉活力, 不同产地花粉活力检测均采用10%红墨水法(表4)。

表4 藿香花粉活力检测方法筛选 Table 4 Selection of pollen viability test way of A. rugosa

2.3.2 不同产地花粉活力检测 随着开花时间的增加, 不同产地的花粉活力均呈现出先上升后降低的趋势, 平均花粉活力在18.46%~26.52%之间。在散粉后的第2天, 商丘、成都、安国、邯郸4个产地藿香花粉活力达到最高, 而长春产地藿香散粉后第3天达最高。成都产地藿香花粉活力最高达55.68%, 约为长春产地藿香花粉活力最高时的1.37倍。商丘、邯郸两个产地在自然条件下花粉活力可持续4 d, 其他3个产地均在开花后5 d仅少数有活力(表5)。

表5 不同产地藿香花粉活力 Table 5 The pollen viability of A. rugosa from different areas %
2.4 不同产地藿香柱头可授性检测

由表6可知, 5个产地藿香的柱头在散粉后第1天均具有可授性, 其中成都产地藿香柱头部分具有较强的可授性。散粉后第3天商丘、邯郸产地藿香柱头可授性达最强, 其余3个产地均在散粉后第2天柱头可授性最强。不同产地藿香柱头可授性持续的时间不同, 其中商丘、成都两个产地在散粉后6 d内柱头具有可授性, 其他3个产地均可持续5 d具有可授性。

表6 不同产地藿香花粉柱头可授性检测 Table 6 The stigma receptivity of A. rugosa from different areas
3 结论与讨论

花粉活力快速检测主要有物理方法与萌发法2类。本试验对藿香花粉活力的检测进行了多种方法筛选, 常用的TTC染色法未能使藿香花粉染色, 而红墨水法效果较好。与一些文献报道结果类似, 如老鸦瓣(Tulipa edulis)[7]、腊梅(Chimonanthus praecox)[12]、桂花(Osmanthus fragrans)[13]均不能使用TTC法检测花粉活力, 其中老鸦瓣进行花粉活力检测, 经过多种方法筛选后发现红墨水法效果最佳。而对藿香花粉活力检测采用离体萌发法, 结果表明, 在25 ℃的培养条件下, 含有PEG的培养基液的花粉萌发较好。可能因为PEG在花粉管萌发中可能起渗透调节作用, 通过调节花粉粒内外的水势, 达到萌发所需的膨压, 从而加速花粉管萌发。但考虑到离体萌发法相对耗时久, 操作复杂, 结合大田生产, 由于红墨水法简单、易操作, 所以选择此法作为藿香花粉活力检测方法。

花粉活力主要与花药营养状况、花粉成熟度、代谢强度、自身的遗传差异有关以及受外界条件的制约。有文献报道, 宁夏枸杞(Lycium barbarum)花粉活力可保持15 d左右, 柱头可授性在72 h左右[14]; 锦带花(Weigela florida)的花粉活力在开花之初较高, 且能持续约3 d, 之后明显下降[15]。本文研究发现, 5个产地藿香花粉活力均表现为先升高后降低的趋势, 并且散粉后2~3 d内活力达最高, 花粉寿命为4~5 d。其中, 吉林产地藿香花粉活力较其他产地低, 而四川产地藿香表现出较高的花粉活力, 这很可能因为引自四川产地藿香的原产地纬度与现栽培地的纬度较为接近, 气候较为相似, 具有较适宜的生境从而表现出较高的活力。但不同产地藿香平均花粉活力较低, 在18.46%~26.52%之间, 这可能受自身遗传差异或环境等因素的影响, 但具体原因有待进一步研究。

柱头可授期是花朵成熟过程中的一个重要时期, 其很大程度上会影响自花传粉率、开花后不同阶段的传粉率、各种传粉者的相对重要性、雄性和雌性功能之间的相互干扰、不同基因型花粉之间的竞争以及配子体选择的机会等[16]。不同植物的柱头可授性所持续的时间从几小时到十几天不等。桔梗(Platycodon grandiflorus)柱头寿命长达9 d, 但最佳授粉期为花冠开裂后4~6 d[17]; 北重楼(Paris verticillata)在开花前柱头具有微弱的可授性, 在散粉后1~4 d, 柱头有很强的可授性, 5~10 d有中等可授性[18]。本文研究发现散粉后的第1天, 不同产地的藿香柱头均具有可授性, 散粉后2~3 d柱头可授性达到最强, 因而, 在散粉后2~3 d之间均为藿香人工授粉的最佳时期。不同产地的藿香从开花到柱头具有可授性, 形态上也发生了变化。主要表现为:在花药未开时, 部分花粉粒已具有活力, 柱头颜色为浅紫色, 柱头呈闭合状态; 当花药开裂时, 花粉粒具有较高活力, 柱头变为暗紫色, 柱头分裂角度加大。在开花初期, 柱头的高度与雄蕊的高度近等高, 随着开花时间的延长, 柱头的高度高于雄蕊的高度。相关文献报道丹参[4]存在花粉粒形态后熟现象, 根据联苯胺-过氧化氢法检测柱头可授性, 观察开花过程中柱头周围气泡多少, 可以判断不同产地藿香在柱头成熟后与成熟前相比其过氧化物酶活性大小具有明显差异, 说明不同产地藿香未表现出形态后熟现象。

The authors have declared that no competing interests exist.

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