鄧 琳 黃 玲 初彩華 王 茜 詹 卉 王曙光*

(1.西南林業(yè)大學生命科學學院，昆明 650224； 2.畢節(jié)第三實驗高級中學，畢節(jié) 553100)

竹類植物種類繁多，大多數(shù)生長于熱帶和亞熱帶，還有少數(shù)則生長于溫帶和寒帶[1]。一般竹類植物的結(jié)實率極低，主要是由于其開花后便會死亡，甚至不會結(jié)實[2]。竹類植物的開花現(xiàn)象在全年都可觀察到，然而不同竹種的花期也不盡相同，其中散生竹的花期晚于叢生竹1～2個月，但散生竹的花期又早于混生竹[3]。另外，同一竹種的成片竹林或竹叢花期也不盡相同[3]。此外，竹類植物極少開花，在自然條件下大部分竹種需經(jīng)歷120年或更長的時間才能開花，因而竹類植物的開花現(xiàn)象也極少[1]。這導致竹類植物通過生殖器官進行形態(tài)學、解剖學、系統(tǒng)分類等方面的研究皆遇到極大的阻礙，尤其是在胚胎學方面的研究更加困難。目前，國內(nèi)外有關(guān)竹類植物花的解剖學已經(jīng)有少量研究，但僅對少數(shù)竹種的生殖生物學進行過詳細描述，如綠竹(Bambusaoldhamii)、毛竹(Phyllostachyspubescens)、綿竹(B.intermedia)、青絲黃竹(B.eutuldoidesvar.viridi-vittata)、巨龍竹(Dendrocalamussinicus)、孝順竹(B.multiplex)和異葉苦竹(Arundinariasimoniif.albostriatus)等竹種[4～12]。

棉花竹(Fargesiafungosa)屬禾本科(Gramineae)竹亞科(Bambusoidea)箭竹屬(Fargesia)的一種高山竹種，主要分布于四川、貴州、云南等地，雖然其花期較長，但結(jié)實率還是極低[1]。其成熟竹稈近實心的，且稈材富有韌性，抗逆性也較強，造紙、材用均可[1]。目前，國內(nèi)外有關(guān)棉花竹花器官和胚胎學解剖結(jié)構(gòu)的研究報道極少。本文通過觀察棉花竹花的基本結(jié)構(gòu)，并對花藥和子房進行解剖觀察，并分析其胚胎發(fā)育規(guī)律，為棉花竹生殖生長的研究提供新的基礎理論知識。

1 材料與方法

本實驗所用的材料于2014年4月采自云南省曲靖市會澤縣的大溝(103°03′～103°55′E，25°48′～27°04′N)以及西南林業(yè)大學珍稀竹種園(102°10′～103°40′E，24°23′～26°22′N)，均屬人工栽培種。選取花枝上不同發(fā)育時期的小穗和花枝，固定于50%FAA固定液中，進行真空抽氣備用。

將固定處理后的40枚小穗使用體視解剖鏡(Olympus HO11)進行結(jié)構(gòu)解剖、測量及拍照。然后再將30～40枚小花解剖后的花藥和子房，采用常規(guī)石蠟切片的方法進行切片、制片，切片厚度為6～8 μm。利用番紅—固綠雙重染色，在Nikon-ECLIPSE50顯微鏡下進行觀察和拍照，實驗數(shù)據(jù)使用Excel軟件進行分析。

2 結(jié)果

2.1 棉花竹小花及小穗的形態(tài)結(jié)構(gòu)

棉花竹的花序軸是由節(jié)和節(jié)間的營養(yǎng)枝發(fā)育而來，小穗著生于小枝頂端，具有總梗，幾乎一次性發(fā)生，基部具有一個葉狀小穗基部具潛伏芽，由單個葉片形成的“佛焰苞”包裹多枚小穗(圖1:A～C)。在花序軸的節(jié)上著生4～8枚小穗(圖1A)。小穗成熟后呈黃綠色或者紫綠色，長2.4～3.9 cm，均長3.05±0.39 cm。每一小穗具有3～7朵兩性小花，在相鄰小花之間具有明顯小穗軸，被絨毛，具脊，中空，長0.4～0.5 cm(圖1:B～C)。

棉花竹小花沒有花柄，為開放型，即當竹子開花時漿片會吸水膨脹進而撐開稃片，雄蕊伸出。棉花竹的花為雌雄同熟的。每朵小花的平均長度為1.85±0.168 cm，且各具1枚內(nèi)、外稃(圖1:D)。在未成熟的竹花中，外稃總是包被于內(nèi)稃和小穗軸外。在發(fā)育完全的小花中，外稃呈卵狀披針形，較內(nèi)稃寬且硬，背面密被灰白色絨毛，邊緣平滑，有時具纖毛，頂端漸尖，并逐漸發(fā)育為棕黃色，具有11～22脈，長為1.2～2.1 cm，均長1.77±0.209 cm(圖1:F)。內(nèi)稃對生于外稃內(nèi)側(cè)，僅頂端被絨毛且出現(xiàn)分叉，呈2尖齒狀，背部具2脊，脊上被灰白色絨毛，脊間具2脈，平均長1.26±0.162 cm(圖1:G)。穎片2枚，漿片3枚，尖端呈羽毛狀，白色透明膜質(zhì)，較薄，子房則被包被其中(圖1:H～E)。雄蕊3枚，花藥呈黃色或棕黃色，花絲纖細且相互分離。花藥基部著生于花絲頂端，屬于基著藥，縱裂散粉(圖1:I～J)。雌蕊1枚，子房呈橢圓形，幼嫩時為白色，成熟后則呈黃色，具二分叉羽毛狀柱頭，花柱較短(圖1:K～L)。

2.2 花藥和子房的形態(tài)結(jié)構(gòu)及發(fā)育

通過對不同發(fā)育時期的花藥進行解剖發(fā)現(xiàn)，次生造孢時期每個藥室的藥壁皆由4層細胞構(gòu)成，由外到內(nèi)依次為表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層(圖2:A)。其中，表皮細胞形狀較規(guī)則，呈方形，且較其他幾層細胞大，而內(nèi)壁及中層細胞也是方形的，但較扁(圖2:A)。此外，絨氈層的細胞質(zhì)濃厚(圖2:A)。未成熟花藥由藥隔組織將其分開并形成4個藥室(圖2:B,F)。次生造孢細胞隨著花藥的逐漸成熟而發(fā)育為小孢子母細胞(圖2:D)。在小孢子母細胞開始形成時絨氈層逐漸退化，但其形狀基本不變，隨著花藥的完全成熟僅保留一薄層(圖2:C～H)。由此可見，絨氈層提供養(yǎng)分主要是由次生造孢時期開始至花粉粒成熟。在此發(fā)育過程中，花藥壁的中層也逐漸退化，最后僅留下表皮和藥室內(nèi)壁2層結(jié)構(gòu)(圖2: L)。隨著花藥的逐漸成熟，次生造孢細胞的組織逐漸發(fā)生解體，各自獨立發(fā)育為小孢子母細胞(圖2:D)。小孢子母細胞隨后發(fā)生減數(shù)分裂，形成二分體及四分體(圖2:F～G)。在同一個藥室中，同時可看到二分體及四分體同時存在(圖2:G)，說明同一藥室不同造孢細胞的發(fā)育并不一致。

圖1 棉花竹小花形態(tài) A.花枝；B.小穗軸；C.花芽(箭頭)；D.小花.；E.漿片；F.外稃；G.內(nèi)稃；H.穎片：尖端分叉具絨毛；I.雄蕊；J.花絲.；K.柱頭(箭頭)；L.子房Fig.1 The morphology of floret in F.fungosa A.Flower branch; B.Spikelet; C.Flowed bud(arrow); D.Flower; E.Lodicule; F.Lemmaes; G.Pales; H.Glumes:the apex was forked with villi; I.Stamen; J.Filament; K.Stigma(arrow); L.Ovary

在藥室的內(nèi)壁上還可觀察到徑向壁的纖維加厚，形成纖維層(圖2:G)。小孢子母細胞發(fā)生減數(shù)分裂后先形成二分體后再形成四分體(圖2:F～G)。同時，在相鄰藥室間連接的藥壁較薄，未能發(fā)生纖維化而發(fā)生斷裂從而釋放花粉粒(圖2:B～K)?；ㄋ幩幨议g維管束細胞具有明顯的細胞質(zhì)和細胞核結(jié)構(gòu)，暗示此時維管束仍在行使功能(圖2:B)。另外，在小孢子發(fā)生時期，細胞質(zhì)液泡化形成大液泡，將細胞核擠到細胞邊緣，隨后逐漸發(fā)育形成單核靠邊期小孢子(圖2:H)。成熟花粉粒呈不規(guī)則的橢圓形，具1個萌發(fā)孔(圖2:I)。棉花竹的成熟花粉粒為二或三細胞型(圖2:J)。

棉花竹的花器官具有1枚雌蕊，1室上位子房，倒生胚珠，側(cè)膜胎座(圖3:A)。由于其野外開花較少，實驗材料有限，能夠觀察到雌蕊的不同的發(fā)育階段較少，僅觀察到由孢原細胞分化形成的大孢子四分體呈線形排列，以及二核胚囊等三個階段(圖3:B～C)。

圖2 棉花竹花藥 A.次生造孢細胞前期(Ep.表皮細胞，EN.藥室內(nèi)壁，ML.中層，Ta.絨氈層，SSC.次生造孢細胞，Ct.藥隔組織)；B.維管束(CVB.藥隔維管束)；C.絨氈層開始解體(箭頭所示)；D.小孢子母細胞開始形成(箭頭所示)；E.小孢子母細胞；F.二分體時期(箭頭所示)；G.四分體時期，藥室內(nèi)壁纖維加厚形成纖維層(箭頭所示)；H.單核靠邊期(箭頭所示)；I.萌發(fā)孔(箭頭所示)；J.二核花粉粒(a.箭頭),三核花粉粒(b.箭頭)；K纖維層(箭頭)Fig.2 The anther of F.fungosa A.The early stage of secondary sporogenous cells(EN.Endothecium, ML.Middle layer, Ta.Tapetum secondary sporogenous cell, Ct.Connective tissue); B.Vascular bundle(CVB.Connective vascular bundle);C.Disintegrateing tapetum(indicated by the arrow); D.The microspore cells were begining to become divided(indicated by the arrow); E.The microspore abortion(indicated by the arrow); F.The stage of dyad(indicated by the arrow); G.The stage of tetrad appeared that the fibrage layer were formed of thickening fiber(indicated by the arrow); H.Microspore with the nucleus locted aside(indicated by the arrow); I.Germinal aperture(indicated by the arrow); J.Binuclear pollen(a,arrow),3-celled pollen(b,arrow); K.Fibrage layer(arrow)

2.3 棉花竹雄配子體敗育

在棉花竹雄蕊的發(fā)育過程中，發(fā)現(xiàn)大量花藥不能正常發(fā)育，可將其歸納為不同敗育類型(圖4)。第一種類型為花藥壁完全發(fā)育異常，且花藥壁與造孢細胞完全皺縮(圖4:A)。或絨氈層溶解，花藥壁發(fā)生皺縮，也未形成正常造孢組織或小孢子(圖4:B)。第二種類型為花藥壁中表皮細胞正常發(fā)育，但絨氈層和中層細胞未形成，造孢組織不能正常發(fā)育(圖4:C)。第三種類型為花藥的維管束、藥壁和藥隔皆正常發(fā)育，少數(shù)花粉?？諝ぃ痪呒毎|(zhì)和細胞核(圖4:D)。此外，還可觀察到有的花藥室中大量花粉粒皺縮變形，但花藥壁和維管束的發(fā)育正常(圖4:E)。

圖3 棉花竹子房 A.側(cè)膜胎座;B.大孢子四分體;C.二核胚囊(箭頭所示)Fig.3 The ovary of F.fungosa A.Parietal placenta; B.Megaspore tetrad; C.Two nuclear embryo sac

圖4 棉花竹不育雄配子 A.花藥壁與造孢組織皺縮；B.無正常的造孢細胞；C.花藥室顯著收縮變形；D.不具細胞質(zhì)和細胞核的敗育花粉粒(箭頭所示)；E.收縮敗育的花粉粒(箭頭所示)Fig.4 Sterile male gamete of F.fungosa A.Anther walls and sporogenic tissues shrink; B.Unnormal sporogenic cells; C.Abortive pollens without nucleus and cytoplasm; D.Deformed pollens(indicated by the arrow); E.Pollen grains that shrink and abort(indicated by the arrow)

3 討論

3.1 棉花竹花器官特性及花序類型

根據(jù)竹類植物花器官的解剖結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征將其分為兩種類型，即開放型如箣竹屬(Bambusa)和閉合型如牡竹屬(Dendrocalamus)[2]。在棉花竹開花時，漿片吸水膨脹撐開稃片，雄蕊伸出，具有3枚漿片，雌雄同熟，屬于開放型。綿竹、孝順竹和青絲黃竹的花器官也同屬開放型[7～10]。在孝順竹、青絲黃竹和綿竹的每一小穗基部都具有潛伏芽，這樣續(xù)次發(fā)生的花序。其潛伏芽可產(chǎn)生新的小穗，緊接著形成新的潛伏芽，不斷的往復進行從而實現(xiàn)連續(xù)開花，稱其為“無限花序”[7～10]。但林樹燕等[13]人的研究表明，竹類植物的花序皆為“混合花序”。因此，棉花竹的花序也是混合花序，所有小穗均為一個葉片形成的“佛焰苞”包裹，這是箭竹屬竹種花序的重要特征。

棉花竹小花具有1枚雌蕊，由子房、花柱和柱頭構(gòu)成，子房呈橢圓狀，花柱較短，這些發(fā)育特征與雷竹、毛竹、小麥和水稻等相似[14～17]。另外，雄蕊由花藥和花絲構(gòu)成，其中花藥為基著藥，具4藥室，這與毛竹、青絲黃竹和綿竹的雄蕊結(jié)構(gòu)特征相似[5,7～8]。竹類植物的花器官主要由外稃、內(nèi)稃、漿片、雌蕊和雄蕊組成，它們在數(shù)量、形態(tài)和顏色上會因竹種的不同而不同[2]。在本研究中，觀察到棉花竹的稃片共2枚，其中外稃為棕黃色，邊緣平滑，在青絲黃竹和綠竹等竹種中稃片數(shù)量相同，但它們在顏色和形態(tài)上存在差異，如青絲黃竹外稃邊緣具齒，綠竹內(nèi)稃呈淡綠色等[6～7]。同時，棉花竹具有3枚漿片，呈羽毛狀，綿竹和青絲黃竹等竹種的花器官中漿片數(shù)量與其相等，但它們的漿片分別呈卵形和近圓形，而車筒竹(B.sinospinosa)則僅具有兩個邊緣具纖毛的漿片[7～8,18]。此外，在棉花竹花器官的藥室中部分小孢子成熟后會發(fā)育為二核或三核型花粉，這種現(xiàn)象在慈竹(Neosinocalamusaffinis)、車筒竹、綿竹、青絲黃竹、鵝毛竹(Shibataeachinensis)中皆可觀察到[7～8,17～18]。

棉花竹雄蕊僅具3枚，顯著區(qū)別于大多數(shù)竹種，如巨龍竹、孝順竹、青絲黃竹、綿竹等竹種，均為6枚雄蕊[4,7～8,10]。然而，棉花竹與云龍箭竹(F.papyrifera)、元江箭竹(F.yuanjiangensis)、雷竹、鵝毛竹和異葉苦竹等竹種的雄蕊數(shù)量相同，皆為3枚[12,14,19]。由此可見，這對于不同屬竹種在雄蕊數(shù)量方面的分類又提供了依據(jù)。此外，其雌蕊上具有2分叉羽毛狀柱頭，與巨龍竹、綠竹、慈竹和青絲黃竹等竹種中雌蕊數(shù)量相同，皆為1枚，且呈羽毛狀，但巨龍竹雌蕊的柱頭上無分叉，慈竹的柱頭上則具有1～3分叉，車筒竹和青絲黃竹的柱頭上皆具有3分叉[4,6～8,18]。

3.2 棉花竹的雄蕊敗育

竹類植物開花與結(jié)實都很少，因此竹類植物的種子也較稀有[19]。然而，在野外生長的竹種還是多以種子進行繁殖，而人工栽培的竹種則已失去這種繁殖能力，如人工種植的龍竹(Dendrocalamusgiganteus)和綿竹多為孤立開花但基本都未能獲得成熟種子[8,17]。這與杜凡等研究者認為多數(shù)野生型竹種形成的種子數(shù)明顯多于栽培竹種的觀點是一致的[20]。

棉花竹在野外僅能找到極少量未成熟種子[1]。在棉花竹雄蕊發(fā)育過程中，大量花藥的發(fā)育受阻或異常導致竹子小花中出現(xiàn)多種花藥敗育類型，這也是棉花竹結(jié)實較少的原因之一。通過對雄蕊敗育現(xiàn)象的觀察，可將其敗育方式總結(jié)為4種。首先，整個小花雄蕊的發(fā)育都出現(xiàn)異常，花粉粒中造孢細胞未出現(xiàn)。其次，就是藥室收縮變形導致其內(nèi)容物發(fā)生融合而聚集在一起，花藥壁與藥隔也未能正常發(fā)育，花藥的表皮皺縮而相互緊貼。另外，藥室中花粉粒皺縮變形，但花藥壁和維管束的發(fā)育正常。此外，部分小孢子發(fā)育形成僅具有萌發(fā)孔而無完整細胞結(jié)構(gòu)的空殼花粉粒。

棉花竹小花雄蕊中花藥藥室收縮變形以及空殼花粉粒形成的現(xiàn)象，在龍竹、慈竹、綿竹和車筒竹中皆有發(fā)現(xiàn)，同時還出現(xiàn)絨氈層過度發(fā)育的現(xiàn)象[4,8,18]。在龍竹、月月竹(Menstruocalamussichuanensis)、綿竹、鵝毛竹、爬竹(Drepanostachyummicrophyllum)和青絲黃竹中也出現(xiàn)藥室收縮變形導致其內(nèi)容物發(fā)生融合而聚集在一起的現(xiàn)象[4,7～8,12,18,21～22]。由此可見，雄蕊敗育的現(xiàn)象在不同竹種中都會出現(xiàn)，這可能是導致竹種結(jié)實率較低的主要原因之一。