大白杜鵑子房解剖結構及其生態意義

宋 杰,馬紹宇,蔡艷飛,張 露,楊 維,解瑋佳*

(1.云南省農業科學院 花卉研究所，云南 昆明 650205；2.國家觀賞園藝工程技術研究中心，云南 昆明 650205；3.云南省花卉育種重點實驗室，云南 昆明 650205；4.云南省花卉技術工程研究中心，云南 昆明 650205；5.云南農業大學 園林園藝學院，云南 昆明 650201)

杜鵑屬(Rhododendron)是杜鵑花科(Ericaceae)中最大的屬，也是北溫帶植物區系中的大屬之一。全世界有1000余種，我國有近570種，占世界杜鵑花資源的半數以上。我國西南橫斷山脈地區是世界杜鵑花的起源地和現代分布中心之一。杜鵑花屬植物種類繁多，具有樹形豐富、花葉形態多樣、色彩艷麗多變、花期長、適應性強等特點，是優質園林綠化資源。國外學者從宏觀和微觀領域上對杜鵑花進行了深入研究。Anderson等[1]首次對杜鵑進行了組織培養研究。隨后Wang(1977年)、Preil(1977年)、Hannapel(1981年)、Meyer(1981年)、Economou(1981、1984年)、Read(1982年)和Dabin(1983年)等都對杜鵑進行了組織培養研究[2]。Philipson等[3]對杜鵑屬莖節的解剖研究在有花植物的系統發育等方面有重要的意義價值。Sleumer[4]根據花部器官、果實和種子的形態構造，以及植物習性等特征將杜鵑花屬劃分成8個亞屬，這一觀點在近代分類學領域中對杜鵑花屬的分類問題取得了重大突破。Goetsch等[5]將分子生物學應用于屬下分類群間親緣關系的確立等。

國內研究杜鵑花主要集中在資源考察[6-8]、形態學分類[6,8-10]、生態與分布[11-12]、植物化學[13]、孢粉學[9]、組織培養[14-15]等領域，有關于解剖學方面的研究很少，且多局限于粗脈杜鵑(R.coeloneurumDiels)、馬纓杜鵑(R.delavayiFranch)、露珠杜鵑(R.irroratumFranch)、滇南杜鵑(R.hancockiiHemsl)、東南杜鵑(R.dunniiWils)、刺毛杜鵑(R.championiaeHook)等植物葉片的中脈、上下角質膜厚度、表皮細胞層數、厚度和柵海厚度比，以及中脈維管束結構、葉脈最大導管直徑、氣孔密度等研究[11-12,16-17]。

大白杜鵑(R.decorumFranch)是常綠杜鵑亞屬[SubgenHymenanthes(BL)K. Kocg]中常綠杜鵑組(SectponticumG. Dou)云錦杜鵑亞組(SubsectfortumeaS. Jeumer)的植物。其花淡紅色或白色、花梗淡綠色帶紫紅色，具有較高的觀賞價值，其根、枝葉可入藥。該種主要分布于四川、云南、貴州等地，生長在海拔1000～3700 m的林下、灌叢中或自成純林，喜冷涼、濕潤氣候和腐殖質、疏松、濕潤的微酸性土壤，需一定光照但不耐暴曬。目前，對大白杜鵑的研究主要集中在營養成分[17]、耐旱性[18]、種子形態[19]、基因多態性分析[20]、組織培養[21-24]、扦插繁殖[24-25]等方面。有關杜鵑花屬花器官的形態結構已有相關報道，但大多集中在花芽、花序、花冠、花瓣和花萼的形態特征上[26-28]，而對其雌蕊的解剖結構研究則較為少見。本試驗利用光學顯微鏡，采用常規石蠟切片技術對大白杜鵑的雌蕊進行解剖結構觀察，旨在為大白杜鵑野生資源的雜交育種提供解剖學依據，補充和完善前人對杜鵑屬植物的形態、解剖學研究工作，并從解剖學的角度研究杜鵑屬植物的系統演化與其生態適應之間的關系，為該屬的生物進化研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該試驗在云南省農業科學院花卉研究所(海拔1926 m，102°41′ E，25°01′ N)進行。試驗地屬低緯高原山地季風氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，年均氣溫14.5 ℃。年均日照時數為2445.6 h，日照率56%，年均降雨量1035.3 mm，相對濕度為74%，干濕季分明，5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季。

1.2 供試材料

所用的大白杜鵑雌蕊采自云南省農業科學院花卉研究所自行播種培育的5～6年生開花植株。

1.3 試驗方法

1.3.1 大白杜鵑雌蕊內部結構觀察 隨機采集大白杜鵑雌蕊30個，觀察統計其心皮數目，在光學顯微鏡下統計單心皮內的胚珠數。統計單雌蕊內的胚珠數量。

1.3.2 大白杜鵑雌蕊的解剖結構觀察 雌蕊的解剖采用石蠟切片法。參照李正理[29]的方法，隨機采集大白杜鵑雌蕊30個，將雌蕊放入FAA固定液(甲醛∶冰醋酸∶70%乙醇=1∶1∶18)中固定24 h，隨后轉入70%的酒精中，4 ℃冰箱中保存以備石蠟切片用。石蠟切片處理步驟：愛氏蘇木精整體染色3 d，然后用體積分數30%、50%、70%、85%、95%和100%乙醇逐級脫水，經TO透明、浸蠟包埋后切片(切片厚度8 μm)，再經過展片、烘干、脫蠟、透明后用中性樹膠封片。用Nikon SMZ800 顯微鏡觀察雌蕊的柱頭、花柱、子房和胚珠的形態及組織解剖結構，用附帶的照相系統拍照記錄。

1.3.3 大白杜鵑果實發育過程中的子房解剖結構觀察 采用人工授粉的方式對大白杜鵑雌蕊進行雜交授粉，在授粉后0、30、60、90、120、150 d分別隨機采集大白杜鵑雌蕊5個，按1.3.2的方法進行石蠟切片處理，觀察其果實發育過程中的子房解剖結構觀察。

2 結果與分析

2.1 大白杜鵑雌蕊內部結構

觀察結果表明，大白杜鵑的雌蕊為10～16個心皮相互連合組成的復雌蕊，平均12個心皮，單心皮內胚珠110～432個，平均253.33個，單果內胚珠1320～6912個，平均胚珠數目為3040個。

2.2 大白杜鵑雌蕊的解剖結構

2.2.1 花柱的解剖結構 花柱為柱頭和子房之間的連接部分，是花粉管進入子房的通道，在花粉管生長過程中提供營養物質。大白杜鵑的花柱為所有組成復雌蕊的心皮所衍生而形成的單個花柱，其柱頭成熟時表面有明顯的液體分泌物，為典型的濕柱頭。從大白杜鵑的花柱柱頭橫切片來看(圖1-1)：其柱頭外表皮層上長有多個腺毛(圖1-1：G)，表皮內排列較緊密的薄壁組織，柱頭中央分布有較寬的花粉管引導組織(圖1-1：PT)，屬開放型花柱。從大白杜鵑的花柱縱切片來看(圖1-2)：花柱中央區域分布的細胞縱向排列疏松，具有細胞間隙，花柱內分布著多條花粉管引導組織(圖1-2：PT)直伸花柱(圖1-2：ST)。

2.2.2 子房的解剖結構 子房是雌蕊基部膨大部分，外部分化成子房壁，內部空間形成子房室。從大白杜鵑子房的橫、縱切結果來看(圖1-3，圖1-4)：大白杜鵑的雌蕊為復雌蕊，合生心皮，心皮邊緣內卷，匯合成隔，直達子房中央，將子房分為多室，形成中軸胎座(圖1-3，圖1-4：PL)。大白杜鵑子房的縱切結構顯示(圖1-4)：其子房上位，著生于花托(圖1-4：RE)之上,在子房與花托之間還長有蜜腺(圖1-4：N)，心皮上端為內陷的花柱(圖1-4：SS)。子房由子房壁(圖1-3，圖1-4：OW)和胚珠(圖1-3，圖1-4：OV)組成，子房壁3層，內外表面為角質化的表皮細胞，且外表皮層上長有腺體(圖1-3，圖1-4：G)，在內外兩層表皮間為多層薄壁細胞，其間分布有維管束；茄形胚珠(圖1-3，圖1-4：OV)眾多，密集著生于腹縫線處的胎座(圖1-5，圖1-6：PL)周圍。子房內分布有花粉管引導組織(圖1-3：PT)。通過對大白杜鵑雌蕊的單心室橫、縱切結構觀察(圖1-5，圖1-6)，可見其胚珠(圖1-5，圖1-6：OV)呈兩列密集著生于胎座(圖1-5，圖1-6：PL)。

1.柱頭橫切，2.花柱縱切，3.子房整體橫切，4.子房整體縱切，5.單心室縱切，6.單心室橫切。G.腺毛，N.蜜腺，OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，PT.花粉管引導組織，RE.花托，SS.凹陷的花柱，SC.花柱道，SE.種子，SEP.隔片，ST.柱頭。

圖1大白杜鵑雌蕊和果實解剖結構

2.3 大白杜鵑果實發育過程中的子房解剖結構觀察

在人工雜交授粉后，大白杜鵑的果實開始慢慢發育。從子房的解剖結構來看，雜交授粉后30 d，胚珠已經明顯長大，各心室開始加寬變大(圖2-2)；授粉后60 d，子房壁內表皮開始發育為隔片(圖2-3，SEP)，將各心室隔開，而種子則繼續發育；授粉后90 d，隔片發育完成，種子開始發育出尾翅(圖2-4，SE)；授粉后150 d，種子尾翅發育完成，種臍明顯(圖2-5，SE)。至此，大白杜鵑子房發育成為開裂蒴果，其果實由果皮、胎座、種子組成，花柱(圖2-6，STY)宿存。果皮由子房壁發育而成，各心室間有隔片(圖2-6：SEP)將種子(圖2-6：SE)隔開，種子成熟時沿腹縫線裂開(圖2-6)。

3 討論與結論

花作為有花植物的生殖器官，在系統發育中是比較保守的，無論在系統學還是生物進化方面都有重要的意義。郭木桂[27]對皇冠杜鵑、小葉鐵紅、絕代佳人3個杜鵑品種的花瓣、花萼片的解剖結構進行了比較研究。周蘭英等[9]對16種野生杜鵑花粉進行了觀察。唐光大等[16]對5種分類爭議較大的杜鵑進行分類時也結合了花部形態特征。余興衛[30]對杜鵑花屬植物花鱗片、花梗等結構進行了形態解剖學方面的研究，并探討了相關性狀的系統演化關系及生態適應意義。范民[31]對映山紅(RhododendronsimsiiPlanch)的花瓣、鱗片、葉片的解剖結構進行觀察。本研究所觀測大白杜鵑的雌蕊解剖結構特征與牛皮杜鵑(RhododendronaureumGeorgi)[28]的有許多相似之處，具備了杜鵑屬植物的一般特點，但在諸如心皮數目、胚珠數目、子房室數等具體解剖結構數量存在一定的差異。通過對大白杜鵑雌蕊的解剖學研究，豐富了杜鵑屬的系統學資料，加之與其他種的差異對比，對該屬的分類及種間關系的探討具有重要的意義。

1、2、3、4、5分別為授粉后0、30、60、90、150 d的大白杜鵑子房縱切圖，6.成熟后開裂的蒴果。OV.胚珠，OW.子房壁，PL.胎座，SE.種子，SEP.隔片，STY.花柱。

圖2大白杜鵑果實發育過程中的子房結構

植物與其生長環境是統一整體，生態環境決定植物的形態建成，即環境對植物的長期作用影響植物的形態建成，使植物形成適應環境的形態結構、生理功能和生態特征[32-37]，是特殊綜合生態環境長期作用的結果。對于杜鵑屬葉片對生態環境的適應性已有很多報道，主要集中在某些種上。例如，熊子仙等[33]認為表皮細胞鱗片、毛的形成都是杜鵑花長期適應海拔高度及水分、光照等生態因子的結果。石登紅等[17]利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察了6種杜鵑花屬植物的葉片厚度、氣孔大小、氣孔形態、氣孔指數、分布類型在各種間也存在結構差異，這些結構特征差異是抗寒抗旱性的表現形式。容麗等[11]對馬纓杜鵑、迷人杜鵑(RhododendronagastumBalf. f. et W. W. Smith)、露珠杜鵑等13種杜鵑屬植物的葉片解剖特性及生態適應性進行了研究，得出海綿組織發達顯示對高山涼濕環境的適應、發達機械組織顯示對干燥環境的適應等結論。劉旭穎等[34]對遼寧地區耐寒杜鵑葉片結構解剖，觀察得出葉片厚度、氣孔大小、氣孔形態等在種間具有不同的結構特征，而這些結構特征差異是其抗旱、抗寒性的表現形式。

本研究發現，大白杜鵑的子房壁在授粉后1個月后開始逐漸加厚變硬，直至果實成熟。田間觀察發現，大白杜鵑從雜交授粉至果實成熟所需周期較長，大約需要6個月，其堅實的子房壁在整個果實發育期間為種子的生長發育提供了良好保障，有利于保護其種子抵抗不良的外界環境，是植物對其生境適應的一種表現。此外，大白杜鵑從種子播種至植株開花需要3～4年時間。在這個漫長的營養生長期間，由于各種外界環境影響，大多數種苗都無法正常長大。而大白杜鵑子房內眾多的胚珠(種子)數量從源頭保證了其物種的繁衍。綜上所述，研究結果為杜鵑屬植物的解剖學研究提供了一定的理論，但研究深度還有所欠缺，參考關于杜鵑花科及杜鵑花屬植物花部器官解剖特征生態適應性意義的系統研究還有待進一步深入研究。

[1] Anderson W C. Propagation ofRhododendronsby tissue culture: PartⅠ development of a culture medium for multiplication of shoots. Proc Intl Plant Prop Soc, 1975, 25: 129-135.

[2] 曹孜義,劉國民.實用植物組織培養技術教程[M].蘭州：甘肅科學技術出版社,2002.

[3] Philipson W R, Philipson M N. Diverse Nodal typesRhododeodron[J]. Am Arb, 1968, 49: 193-224.

[4] Sleumer H. Past and Present taxonomic systems ofRhododendronbased on macromorphological charaeters[M]//Luteyn J L, O’ Brien M E. Contributions Towarda Classification ofRhododendron. New York: New York Botanical Garden, 1980: 19-26.

[5] Goetsch L, Eekert A J, Hall B D. The molecular systematics ofRhododendon(Ericaceae): a Phylogeny basedUpongene sequences[J]. Systematic Botany, 2005, 30(3): 616-626.

[6] 朱春艷.杜鵑花資源及其園林應用研究[D].杭州：浙江大學,2008.

[7] 董昕.川西南杜鵑屬植物微形態特征及分類學研究[D].成都：四川農業大學,2012.

[8] 周麗麗.杜鵑花植物景觀調查研究[D].杭州：浙江農林大學,2013.

[9] 周蘭英,王永清,張麗.26種杜鵑屬植物花粉形態及分類學研究[J].林業科學,2008,44(2):55-63.

[10] 黃承玲,陳訓,高貴龍.3種高山杜鵑對持續干旱的生理響應及抗旱性評價[J].林業科學,2011,47(6):48-55.

[11] 容麗,陳訓,汪小春.百里杜鵑杜鵑屬13種植物葉片解剖結構的生態適應性[J].安徽農業科學,2009,37(3):1084-1088.

[12] 曹曉娟,劉建軍,楊梅.太白山5種杜鵑屬植物葉片光合特性及解剖結構的生態適應性研究[J].西北植物學報,2009,29(12):2483-2491.

[13] 周三云,李蓉濤.杜鵑花屬植物化學成分及生物活性研究進展[J].云南中醫中藥雜志,2008,29(5):51-53.

[14] 汪玲敏,李世峰,解瑋佳,等.云南杜鵑(RhododendronyunnanenseFranch.)無菌葉片高頻再生體系的建立[J].分子植物育種,2015,13(8):1877-1883.

[15] 郭穎.三種高山杜鵑組織培養快繁技術研究[D].北京：北京林業大學,2015.

[16] 唐光大,吳海求,莊雪影.杜鵑花屬5種植物葉表皮結構解剖及分類意義初探[J].湖北民族學院學報：自科版,2010,28(4):371-374.

[17] 石登紅,陳訓.6種杜鵑花屬(Rhododendron)植物葉片結構的研究[J].貴州科學,2005,23(3):39-45.

[18] 熊子仙,杜青,王啟德.國產杜鵑花葉解剖與分類群[J].廣西植物,2000,20(4):335-338.

[19] 黃承玲,周洪英,陳訓,等.GA3浸種對大白杜鵑種子萌發的影響[J].植物生理學報,2010,46(8):793-796.

[20] 譚萍,李煜,趙飲虹.貴州幾種常見杜鵑花的隨機擴增多態性DNA RAPD研究[J].西北植物學報,2005,25(4):794-798.

[21] 唐丹林,張光凡,陳孝泉.大白杜鵑、尖葉杜鵑的營養成分的研究[J].四川大學學報：自然科學版,1992,29(2):316-318.

[22] 劉燕,王濟紅,陳訓,等.大白杜鵑組培與快繁研究：基本外植體和初代培養基篩選[J].種子,2010,29(8):34-37.

[23] 羅彭,莊平,白潔.大白杜鵑、美容杜鵑和喇叭杜鵑的組織培養[J].植物生理學報,2007,43(2):326.

[24] 龍毅,劉作易,毛堂芬,等.大白杜鵑芽的誘導增殖研究[J].貴州農業科學,2008,36(3):14-15,17.

[25] 周艷,李朝蟬,周洪英,等.大白杜鵑扦插繁殖技術研究[J].種子,2012,31(4):123-126.

[26] 張德罡,曹文俠,蒲小鵬,等.東祁連山杜鵑屬植物形態特征及其生態適應性[J].草原與草坪,2003(1):27-30,37.

[27] 郭木桂.杜鵑花3個品種比較解剖學研究[J].現代農業科技,2010(10):182-185.

[28] 丁洪玲,宮宇,李美善,等.牛皮杜鵑植株解剖結構的研究[J].延邊大學農學學報,2008,30(2):90-97.

[29] 李正理.植物制片技術[M].北京：科學出版社,1987.

[30] 余興衛.杜鵑花屬(RhododendronL.)一些植物的形態解剖與園林應用研究[D].福州：福建農林大學,2008.

[31] 范民.杜鵑花屬映山紅的解剖學研究及其系統學意義[J].南平師專學報,2007,26(4):146-149.

[32] 劉穆.種子植物形態解剖學導論[M].北京：科學出版社，2004.

[33] 熊子仙,王啟德.中國有鱗杜鵑葉背鱗片顯微形態研究[J].西北植物學報,1997,17(1):65-77.

[34] 劉旭穎,沈向芹,張艷紅.耐寒杜鵑葉片研究結構[J].湖北農業學報,2010，49(8):1903-1905.

[35] 強勝.植物學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[36] 王桂芹,劉艷然.都支杜鵑莖、葉解剖特征與環境結構比較分析[J].植物研究,2012,32(5)：532-536.

[37] 宮宇,劉憲虎,張春影,等.不同地區牛皮杜鵑葉片解剖特征與環境的適應性[J].延邊大學農學報,2010,32(1):22-25.