翠竹開花生物學特性研究

傅華君，范婷婷，楊 蒙，萬雅雯，丁雨龍，林樹燕＊

(1. 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學竹類研究所，江蘇 南京 210037；3. 南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037)

開花結實是植物進入成熟衰老狀態的標志，竹子亦是如此，只是自然界中大多數竹類植物營養生長的時間比較長，要經過數年或數十年甚至更久才會進入性成熟階段[1-2]。并且竹類植物開花后發生大面積的枯死、竹林進入衰敗死亡等開花特性一直威脅著竹類物種的繁衍，而且破壞了大熊貓等一些珍稀瀕危動植物的生境，嚴重威脅著它們的生存[3]，同時，也對某些經濟竹林造成了毀滅性的打擊。目前，水稻（Oyza sativaL.）、小麥（Triticum aestvumL.）、玉米（Zea maysL.）等禾本科其他植物的生殖生物學研究已越來越深入[4-6]，而竹子因開花周期漫長，且大多數植株花后成片枯死，結實的情況更為罕見，使得試驗材料難以獲取，大大限制了其開花結實的生殖生物學的研究，同時使得開花竹林利用以及無性系選育等很多方面的研究進展遲緩[7]。

竹類植物在開花之前有明顯的預兆，例如新出土的竹筍矮小或不發筍，竹林整體枯黃。喬士義[8]等研究表明，竹株開花前葉片有發黃的趨勢，開花小枝上發生變異生出變態小葉。根據對麻竹（Dendrocalamus latiflorusMunro）[9]植株開花前后動態觀察發現，開花的枝條上會出現變態型小葉，代表竹株進入生殖生長的階段，原應發育為營養軸的潛伏芽轉而分化成花序軸；何奇江等[10]對雷竹（Ph. violascens(Carr.) A.et C.Riv.）開花生物學特性進行了研究發現，開花雷竹的花穗絕大多數無葉，可能是開花竹株處于生殖生長時而抑制了營養葉的生長，并且最終雷竹林營養消耗過度，花后竹林衰敗死亡。有關竹類植物開花方面的研究主要集中在花期生物學特性[11]、花粉生活力[12]、花粉形態[13]、花粉管的生長[14]等研究上，還有一些關于胚胎學[15]方面的研究。

翠竹（Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai）屬于地被類竹種，葉片翠綠，極耐修剪，經常運用于園林布置中。20世紀80年代翠竹引入南京林業大學竹種園[16]，直至2015年還未有關于其開花結實的相關記載或報道，但近幾年竹種園中的翠竹在自然環境中連年開花，為開展竹類植物生殖生物學的研究提供了珍貴的試驗材料。本研究以南京林業大學竹類植物園中開花的翠竹為研究對象，綜合利用野外定株調查、形態觀察以及掃描電鏡等方法，系統研究了翠竹花期生物學特性以及翠竹花粉形態等，以期全面了解翠竹有性繁殖的特性，加強竹子開花的基礎生物學研究，為竹類植物個體發育過程積累原始材料，也為下一步深入開展竹類植物開花分子機理、遺傳轉化等深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗地位于江蘇省南京市南京林業大學竹種園（118°48′17″ E，32°4′44″ N），土壤屬于下蜀系黃壤，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，春秋短、冬夏長。雨量充沛，平均降水量為971.7 mm，全年積溫（10 ℃以上）為 4 897 ℃，年平均氣溫為15.7 ℃，全年無霜期233 d。年溫差較大，7月份平均28 ℃，1 月份平均 2.2 ℃[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 翠竹開花竹林觀察 在翠竹林中選定3個1 m×1 m樣方，連續3年觀察調查開花竹林的構成，以了解翠竹開花物候，并對翠竹的開花期進行統計分析，主要記錄以下幾個時間段：開花初期（25%以下的竹株開花）、開花盛花期（25%～75%的竹株開花）、開花后期（25%以下的竹株開花）、開花末期（少于10%的竹株開花）。

1.2.2 花序形態特征 2016—2018年連續3年觀察翠竹的開花動態，了解翠竹竹株開花和死亡的基本情況。開花期間，定期記錄小花開放、花粉散出、內外稃打開與閉合開始和持續的時間。在盛花期任選30根花枝，觀察并記錄花器官各結構的長度、顏色等花部形態特征以及內、外稃打開時間，并在LEICA S6D體視顯微鏡下拍照。

1.2.3 花粉形態觀察 當翠竹處于盛花期時，采集開花竹株上成熟且未散粉的花藥作為材料，先用70% FAA固定花藥，掃描電鏡制樣后，移入Quanta 200環境掃描電鏡下觀察并照相。

2 結果和分析

2.1 翠竹開花林相變化

翠竹開花時間較為一致，屬于成片開花類型（圖1-1）。開花的竹林整體呈枯黃色，每年開花過后部分竹稈死亡，所以在竹林中既有開花的竹子，又有正常不開花的竹子（圖1-2），還有已開過花的枯死竹（圖1-3）。3月初翠竹竹鞭上會長出新芽，4月份新筍出土長成新竹，6—10月整個翠竹竹林出現返綠現象。

圖 1 翠竹花序形態建成過程Fig. 1 The formation process of inflorescence of Pleioblastus pygmaeus

翠竹花芽的形成到開花跨越兩個年度，一般于10月下旬形成花芽（圖1-4），次年3月下旬開花。花芽一般是從枝條的下部開始出現，然后從下而上，整個枝條各節都發育為花芽。在花芽發育過程中，前期發育緩慢，即從花芽分化到次年2月氣溫較低的情況下，花芽發育非常遲緩（圖1-5）。3月中上旬，隨著溫度的升高以及光照的增加，花芽發育速度加快（圖1-6,7），到3月中下旬可陸續抽出小穗以及花序，直至花序形態建成（圖1-8）。3月下旬至4月上旬為翠竹的盛花期（圖1-9），竹林大面積成片開花，并且翠竹盛花期時間比較短，持續時間為2周左右。1個月之后，種子陸續成熟，隨機脫落。

翠竹1年之中林相變化（圖2）可歸納為：翠竹竹林在10月下旬發生開花轉變，開始孕育花芽，竹稈變為枯黃，枝條頂部葉片變黃脫落，直到次年春天3月花序抽出生成小穗，小花形態建成。3月中下旬至4月初為翠竹盛花期，竹林中小花集中開放，4月中上旬大部分小穗開花結束，但在開花期間仍有新生的枝條，其后斷斷續續有一兩個小穗開花，而不開花的枝條上逐漸抽出新葉。1個月之后，種子陸續成熟，果實為穎果。4月份新筍出土長成新竹，整個竹林重新進入營養生長期。

圖 2 翠竹1年之中林相變化Fig. 2 The morphology changes of Pleioblastus pygmaeus in a year

2.2 開花竹株類型

翠竹花后死亡與否和開花程度相關，一般開花時無葉或少葉，或過多開花的竹株更容易死亡。根據開花特點，可將開花翠竹竹株分為4個類型：（1）老竹全株開花型；（2）老竹部分開花型；（3）新竹全株開花型；（4）筍芽開花型：

（1）老竹全株開花型：翠竹開花時花芽頂端生出變態小葉，整個植株長滿花序，老竹枝條的頂部僅零星分布少量老葉，成片集中開花。花后竹稈呈枯黃色，植株進入半死亡狀態。

（2）老竹部分開花型：竹林中這部分翠竹進入生殖年齡后，竹株上只有部分枝條開花，開花后竹株一般不死亡，次年可繼續開花。

（3）新竹全株開花型：新竹只有一級側枝，比正常竹株矮小，新竹成竹展枝時先發出細小竹葉，主枝和一級側枝的枝條前端都形成花序，外側的葉片比正常葉片要小。在每年新發竹筍中，都有不開花竹株長成，是竹林自然更新的一種方式。新長成的竹株相對而言較矮小，但是在整個竹林中新竹的比例越來越多，整個竹林逐漸開花停止，從而達到更新復壯。

（4）筍芽開花型：開花翠竹林中，花芽直接從地下冒出，多株簇生在一起，形成無葉型的花序，開花后即死亡（圖1-10，11）。根據對地下竹鞭探查，發現從地下竹鞭上的本應發育為筍芽的芽轉而形成了花芽，從而形成當年生花序。

2.3 開花動態

2.3.1 竹林的開花動態 從表1中可以看出在2016—2018的觀察期間，翠竹的花期歷時1個月左右，但是盛花期持續較短，一般集中在1星期內完成開花。不同年份的花期略有不同，總體沒有明顯的差別。

表 1 翠竹竹林開花進程（日/月）Table 1 The flowering process of Pleioblastus pygmaeus(Date/Month)

2.3.2 小花的開花動態 于2016年3月27日（天氣晴朗）標記20株翠竹小花，3個重復，每隔1小時進行定株觀測。由表2可以看出翠竹在1天之內隨時都可以開花，尤以上午8:00—12:00這段時間開花最多。小花開放數受外界環境影響顯著，一般是晴朗的天氣開花數較陰雨天多，并且溫度越高，開花持續的時間及散粉的速度越快。

表 2 小花開放進程Table 2 The opening process of florets

小花剛開的時候，內、外稃微微張開，只略微看見花藥的頂部（圖3-1）；隨著時間的延長，內、外稃張開幅度變大，此時花藥露出大半（圖3-2）；漿片吸水膨大將內外稃完全推開，可見花藥全部露出（圖3-3）；隨后花絲不斷伸長將花藥送出稃片之外，花藥逐漸呈下垂狀態（圖3-4,5），中間露出雌蕊柱頭；花藥完全下垂時，包裹在內部的柱頭完全露出，花藥頂部開裂（圖3-6,7,8），隨后借助風力傳粉。花藥散粉后，內外稃重新閉合（圖3-9）。翠竹單花持續的時間一般只有幾小時，花藥從稃片包圍到伸出稃片之外的時間為4～8 h，花藥完成開裂散粉大約需要1～2 h。

于2016年3月28日（天氣晴朗）標記了3朵小花，記錄小花從片完全閉合到完成散粉所需的時間，開花進程如下：

① 8:50花藥微微露出—9:50花藥露出大半—10:50花藥全部露出—11:00花藥趨于下垂—2:50花藥全部下垂—13:30花藥開裂散粉。

② 8:55花藥微微露出—9:55花藥露出大半—10:55花藥全部露出—11:55花藥趨于下垂—12:55花藥全部下垂—14:15花藥開裂散粉。

③ 9:00花藥微微露出—10:00花藥露出大半—12:00花藥全部露出—13:00花藥趨于下垂—14:00花藥全部下垂—15:20花藥開裂散粉。

圖 3 翠竹小花開花進程Fig. 3 The flowering process of Pleioblastus pygmaeus

2.4 花粉形態特征

翠竹花粉粒近圓球形（圖4-1），單個萌發孔，孔明顯，近圓形，萌發孔內凹，孔蓋下限（圖4-2）。外壁紋飾細顆粒狀，外壁極薄，易皺癟破裂。花粉粒的直徑約為30.6～35.4 μm，平均值為 33.0 μm。

圖 4 翠竹花粉形態Fig. 4 The morphology and germination of pollen of Pleioblastus pygmaeus

3 討論

3.1 開花現象以及開花類型

根據對翠竹開花林相的觀察發現，翠竹屬于成片開花類型，與剛竹屬的淡竹[18]、水竹（Ph.heterocladaOliver）[19]等竹種開花行為一致，部分半花半葉的竹株可以連續幾年開花，全株開花的植株花后即死亡。而叢生竹例如孝順竹，在開花的竹林中，發現大部分竹叢都是正常生長的，只有少數幾株零星開花[20]，其他叢生竹林如巨龍竹（Dendrocalamus sinicusChia et J. L. Sun）[49]、 慈 竹（Bambusa emeiensisChia et H.L.Fung）[21]等竹種都表現為零星開花，花期能維持10～15年左右。

3.2 花序的特點

張文燕等[22]以花柱伸出的程度為依據將竹子分為長花柱型和短花柱型，長花柱型竹種開花時，內外稃片微啟不全部張開，柱頭細長凸出，能夠伸出稃外以接受花粉，如早竹、粉綠竹（Ph. viridiglaucescens(Carr.) A. et C. Riv.）、黃槽石綠竹（Ph. arcanaf.luteosulcataC.D.Chu et C.S.Chao）等[17]竹種；后者花柱較短，開花時漿片吸水將稃片撐開露出柱頭，如福建茶稈竹（Pseudosasa amabilisvar.convexaZ.P.Wang et G.H.Ye）、短穗竹（Semiarundinaria densiflora(Rendle) Wen）、異葉苦竹、月月竹等竹種。翠竹亦屬于短花柱型，開花時漿片吸水膨脹，將內外稃推開，露出包裹在內的3裂羽毛狀柱頭，可以接受飄散的花粉，一段時間后內、外稃重新閉合。

McClure教授根據竹子的小穗基部有無芽的存在發展了竹子的無限制與有限制花序的理論[23]。有限花序基部無休眠芽，開花是一次性的，而無限花序的竹子開花時其小穗基部保留生長點，不斷產生新的休眠芽，萌發出新的假小穗。竹子開花時是一次發生或續次發生在分類學上具有重要意義，花序的發育特性是竹子劃分超族的依據[24]。2017年林樹燕等[16]通過詳細研究，認為翠竹花序頂生或側生，一小穗軸具少數至多枚小穗，屬于混合花序。就整個翠竹同一花序而言，一般是位于花序軸頂端的小穗中的小花最先開放，是從頂端開始向基部開放的順序；而就翠竹同一花小穗而言，一般是小穗基部的小花先開放，然后漸次向頂端開放，開花順序是從基部開始的。因此，不能將翠竹的開花順序簡單說成單一的從上而下或從下而上。

3.3 花粉形態

翠竹的花粉近球形，單個萌發孔，孔明顯，具明顯的孔環和蓋，與大部分竹類植物花粉形態描述一致。翠竹的外壁紋飾為細顆粒狀，與林樹燕[17]報道的短穗竹、異葉苦竹、鵝毛竹等竹種的外壁表面紋飾一致。不同植物的花粉在發育過程中花粉形態都比較穩定，進化上最具保守性，因此了解翠竹花粉形態對于竹子的分類研究具有重要意義[25]。測得翠竹的花粉粒直徑為33.0 μm，小于毛竹的（61.0 μm）和鵝毛竹的（40.22 μm），但是與異葉苦竹的（27.86 μm）相近。剛竹屬竹種花粉屬于大型花粉，平均直徑均在50 μm以上；而苦竹屬的花粉屬于中型花粉，平均直徑多在50 μm以下[26]。

3.4 翠竹分類學的討論

翠竹原產日本，最初的學名由荷蘭植物學家Friedrich Anton Wilhelm Miquel 1866年命名，其基本名是Bambusa pygmaeaMiq[27]；由于該竹子不是叢生竹，英國植物學家Algernon Bertram Freeman-Mitford于1896年將翠竹移至散生竹的青籬竹屬，學名為Arundinaria pygmaea(Miq.) Mitf；1902年由 Ascherson，Paul Friedrich August等人更名為Arundinaria pygmaea(Miq.) Asch. & Graebn[28]；1913年法國植物學家E. G. Camus認為該竹子的分枝特性等性狀不同于青籬竹屬，而將翠竹移至赤竹屬，學名為Sasa pygmaea(Miq.) E. G. Camus[29]，1932年日本植物分類學家Nakai將翠竹移至苦竹屬（也稱大明竹屬），學名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai[30]；1942年，Nakai 發表了新屬Nipponocalamus，將翠竹移至該新屬，學名為Nipponocalamus pygmaeus(Miq.)Nakai[31]；1978年，日本植物學家認為該新屬不成立，于是將翠竹又移至苦竹屬，學名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai，該竹種被引種到我國后，先后被置于赤竹屬[32-33]和青籬竹屬[34]。鑒于東亞是否有青籬竹屬竹種的分布，國內學術界還存在很大爭議。2017年林樹燕[16]認為赤竹屬的竹種是6個雄蕊，而翠竹只有3個雄蕊，于是將翠竹移至苦竹屬（也稱大明竹屬），學名為Pleioblastus pygmaeus(Miq.) Nakai。

4 結論

翠竹開花時間一致，屬于成片開花類型，翠竹花芽的形成到開花跨越2個年度，一般于10月下旬形成花芽，次年3月下旬開花，3月下旬至4月上旬為翠竹的盛花期，持續時間為1周左右；翠竹在1天之內隨時都可以開花，上午（上午8:00—12:00）開花最多且受溫度影響顯著。1個月之后，種子陸續成熟，隨機脫落，每年開花過后部分竹稈死亡。翠竹花后死亡與否和開花程度相關，一般開花時無葉或少葉，或過多開花的竹株更容易死亡。根據開花特點，可將開花翠竹竹株分為4個類型：(1)老竹全株開花型；(2)老竹部分開花型；(3)新竹全株開花型；(4)筍芽開花型。翠竹單花持續的時間一般只有幾小時，花藥從稃片包圍到伸出稃片之外的時間為4～8 h，花藥完成開裂散粉大約需要1～2 h。翠竹花粉粒近圓球形，單個萌發孔，孔明顯，近圓形，萌發孔內凹，孔蓋下限。外壁紋飾細顆粒狀，外壁極薄，易皺癟破裂。花粉粒的直徑約為 30.6～35.4 μm，平均值為 33.0 μm.

翠竹花后，能收獲一定數量的種子，在自然狀態下的開花翠竹林復壯能力目前還在觀察。