梭罗草幼穗分化过程的观察

李长慧，李淑娟，张 静，孙启忠

(1.中国农业科学院研究生院，北京 100081； 2.中国农业科学院草原所，内蒙古 呼和浩特 010010； 3.青海大学农牧学院,青海 西宁 810016)

梭罗草(Kengyiliathoroldiana)为禾本科小麦族以礼草属多年生草本植物，为六倍体[1]，主要分布于亚洲中部，海拔3 700～5 200 m的地区[2]。在三江源高寒草原区，梭罗草是一种主要的乡土草种，具有抗旱耐寒、抗风沙耐盐碱、返青早以及多分蘖等特性[3-5]。所以，通过栽培驯化和扩繁，将梭罗草应用于三江源自然保护区及整个青藏高原高寒草原退化草地的恢复治理具有重要的意义。同时，梭罗草是小麦(Triticumaestivum)的近缘种，开展梭罗草生物学的研究对保护小麦基因资源也有重要意义[5]。禾本科牧草幼穗分化的过程是结实器官形成的过程，直接影响牧草的经济性状，因此幼穗分化过程作为禾本科植物生物学研究的重要内容之一，一直受国内外学者的重视[6-10]。早在20世纪40-50年代，库别尔曼等[6]已对禾本科植物结实器官的形成阶段作了研究 。自20世纪80年代以来，我国草业科学工作者对冰草(Agropyronmongolicum)、老芒麦(Elymussibiricus)、多花黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaarundinacea)、草地早熟禾(Poapretensis)、加拿大披碱草(Elymusdahuricus)及长穗偃麦草(Elytrigiaelongata)等草种生长锥分化或穗分化进行了观察[11-16]，但对于梭罗草幼穗分化的观察研究尚未见报道。了解梭罗草幼穗分化过程可为降低小花败育率、提高种子产量及种子生产等提供理论依据。鉴于此，本研究应用显微解剖观测法对梭罗草幼穗分化过程进行观察。

1 材料与方法

1.1供试材料和试验地点 2008年在可可西里采集梭罗草种子，于2009年种植于青海省铁卜加草原改良试验站。2010年收获种子，该种子千粒重4.68 g，发芽率81.33%。于2011年4月，将该批次种子种植在位于西宁市城北区的青海大学农牧学院牧草试验站内，海拔2 250 m，年均温约4.7 ℃，年降水370 mm左右，无霜期90～120 d。

1.2方法 依据库别尔曼等[6]和李扬汉[10]对禾本科植物形态解剖学的研究方法，采用显微解剖法观察梭罗草穗分化过程。从2011年8月梭罗草分蘖期开始观察，到2012年5月底抽穗结束，每隔3 d观测一次。每次观测随机标定20个植株，分别对单株株高、叶片数及物候期等进行观测，并在每个植株中取1～2个枝条，在体视解剖镜(OLYMPUS-SZX7)下解剖观察其生长锥变化，并进行显微拍照。利用目镜测微尺和台尺测量生长锥的长度和宽度，以50%植株进入某一分化期为标准记录幼穗分化进程，最后用FAA固定液固定，并用70%乙醇保存标本。从气象站收集该区气温、地温等气象资料，分析温度与幼穗分化的函数关系。

2 结果与分析

2.1幼穗分化过程 梭罗草幼穗分化过程开始于种植当年的9月份，结束于翌年5月份。梭罗草属于复穗状花序，幼穗分化的不同时期具有不同的特征，按照库别尔曼划分原则划分为8个时期。

2.1.1初生期 梭罗草幼穗分化的初生期从种植当年9月幼苗的分蘖期开始。生长锥具有宽大的基部，呈半球形或小山丘状，半径约178.51 μm，锥体外面被叶原基包被，底部叶原基交互排列。此时生长锥未分化，即梭罗草的生长还处于营养生长时期(图1-1，1-2)。该时期梭罗草的平均叶片数为3枚，平均自然高度为13.15 cm。该时期大约持续3周。

2.1.2伸长期 梭罗草的伸长期出现在种植当年的9月底或10月初，半球形的生长锥体积增大很快并开始伸长, 基部叶原基停止发育，生长锥则逐渐裸露于茎叶原始体之外。最后，生长锥的高度大大超过其宽度，半球形变成圆锥体状(图1-3，1-4)。这个时期生长锥长度、基部宽度和顶部宽度分别为250.57、140.53和63.05 μm，梭罗草的平均叶片数为3枚，平均自然高度为16.97 cm。该时期大约持续4周。

2.1.3结节期 梭罗草生长锥的结节期在种植当年10月下旬到11月中旬。生长锥顶端稍下方连续形成棱状叶突起即苞叶原基, 这标志着梭罗草的生长进入生殖生长阶段。苞叶原基的分化使生长锥明显地分为正面和侧面, 从侧面观察为棱状，此时生长锥略呈扁平状(图1-5，1-6)。该时期梭罗草生长锥平均长×宽为817.56 μm×307.59 μm，平均叶片数为3.5枚，平均自然高度为20.44 cm。该时期大约持续2.5周。

2.1.4小穗突起期 梭罗草生长锥的小穗突起期于11月下旬开始持续到翌年4月初返青期。棱状的生长锥在螺纹处产生缺刻，并逐渐加深,即为苞叶原基突起的腋部处形成小穗原基并逐渐伸长。发生顺序为小穗原基先从生长锥的中上部发生， 然后逐渐向上和向下分化，最终整个幼穗呈扁平状(图1-7，1-8)。该时期生长锥平均长×宽为1 317.22 μm×340.59 μm。该时期要经历整个枯草期，进入枯草期后生长锥几乎停止生长而呈轻微脱水状态。

2.1.5颖片突起期 梭罗草进入返青期后，幼穗迅速生长。幼穗的中上部小穗突起基部出现突起，形成颖片原基(图1-9，1-10)，而此时生长锥上部仍在伸长，但分化较慢，生长锥平均长×宽为1 666.32 μm×462.62 μm。生长锥的顶端不再分化出苞叶原基突起，而逐渐转变为1小穗原基，进一步分化为1小穗。该时期梭罗草叶片数为1～2枚，植株自然高度约7.86 cm。该时期大约持续两周。

2.1.6小花突起期 4月中旬，梭罗草小穗被两个颖片原始体包裹，沿小穗轴分化出 5～6个小花原基。与此同时,第1个外稃原始体由小穗底部小花原基外侧开始发育，外稃长度逐渐大于颖片长度。小花发育是由底部向顶部依次进行的。生长锥的顶端不再分化出苞叶原基突起，而是转变为小穗原基，进而分化成小穗(图1-11，1-13)。小花分化的同时，整个生长锥迅速伸长，这一时期的生长锥平均长×宽为4 506.29 μm×935.93 μm，平均叶片数两枚，植株自然高度为9.87 cm。该时期持续约10 d。

2.1.7雌雄蕊形成期 小花突起后，渐渐形成4个半球形突起。此时有3个雄蕊原基和1个雌蕊原基，之后雌蕊原基的突起渐渐分化成一个圆形凹陷，而3个雄蕊原基突起则逐渐发育成四棱形(药隔)，且在靠近外稃一边开始分化出浆片原基。最终，雌蕊原基发育成子房、花柱和柱头，雄蕊原基发育成花丝和花药(图1-14～1-18)。这一时期的生长锥平均长×宽为26 064.45 μm×2 251.79 μm，平均叶片数3枚，植株高度14.43 cm，整个叶鞘外部形态呈菱形。该时期约持续17 d。

2.1.8抽穗始期 雌雄蕊分化基本完成后，随着茎的生长，总穗呈狼尾状，依次从顶部向基部抽出叶鞘，进入开花期。此时复穗状花序的生长也已基本完成(图1-19～1-21)，穗长×宽为44 505.00 μm×15 200.00 μm。

2.2生长锥分化特性 梭罗草幼穗分化的整个过程规律性很强。从个体发育来看，花序中上部小穗发育最快, 然后向上、向下依次进行, 基部小穗发育最慢。开花从总穗中上部开始，依次向上、向下，每个小穗均是基部先开花，然后依次向上进行。在种植第一年的初生期、伸长期和结节期，生长锥生长比较缓慢，小穗分化期持续时间较长，经历了枯草期和返青期。返青期以后，生长锥生长速度和分化速度均明显加快。从群体来看，各植株在每个时期经历的时间大致相同，但各植株进入特定时期的时间有差异，前后差10～15 d，从而出现了时期交错现象，这种现象最终导致了梭罗草群体分化发育各个阶段的不一致性(图2)，从而导致在生产上梭罗草种子成熟表现出不一致性。

图1 梭罗草幼穗分化过程Fig.1 The young spike differentiation process of Kengyilia thoroldiana

2.3生长锥生长速度与温度的关系 梭罗草生长锥从开始生长到分化完成共经历约9个月，即从第1年9月到次年5月。生长速度与该时间段的温度呈现出两个相同高峰期。第1年9-11月，气温和地温均高于0 ℃，梭罗草由初生期进入伸长期和结节期，长度随着细胞的分化增加。12月-次年3月上旬温度较低，生长锥的伸长十分缓慢，3月下旬平均气温逐渐高于0 ℃，生长锥的生长速度迅速加快，到4月初进入返青期时达到最大值，而后随着小花和雌雄蕊的分化，幼穗生长速度逐渐减慢，直至生长到抽穗始期的最大长度，3-5月间,生长锥生长速度(y)与地表温度(x)关系的为指数函数:

图2 梭罗草幼穗分化的一致性Fig.2 Consistency of the young spike differentiation of Kengyilia thoroldiana

y=57.038e0.801x,R2=0.959 9.

3 讨论与结论

3.1幼穗分化时期的划分 不同学者对不同植物幼穗分化阶段的划分有所不同。有的学者将水稻(Oryzasativa)、糖蜜草(Melinisminutiflora)等植物的幼穗分化过程分为第一苞叶分化期、第一枝梗原基分化期等9个时期[14]。云锦凤等[11]将冰草生长锥分化划分为小穗突起期、颖片突起期等8个时期；毛培胜等[12]将老芒麦幼穗分化过程划分为结节期、二棱期等8个时期。梭罗草属于复穗状花序，分化时期特征与冰草相似。按照库别尔曼等[6]和云锦凤等[11]的划分原则，划分结果与冰草一致。因此,幼穗分化阶段的划分与花序的结构和分化阶段的特征有关。

3.2茎尖生长锥的分化与发育规律 梭罗草茎尖生长锥分化发育规律性很强。伸长期以后均是总穗轴的中上部首先进入结节期和小穗突起期，后向上下两端分化，所以基部生长锥分化最晚。开花则是从复穗状花序的中上部开始，依次向上、向下。每个小穗均是基部先开花, 然后依次向上。这与加拿大披碱草、高羊茅、草地早熟禾等幼穗发育的观察结果相一致[11-15]。各植株在每个时期经历的时间大致相同，但各植株进入特定时期的时间有差异，前后相差10～15 d，从而表现出时期交错现象，这种现象最终导致了抽穗的不一致性，这与羊草、加拿大披碱草等相似[11]。

3.3幼穗分化与物候期的关系 梭罗草幼穗分化的初生期出现在分蘖期，在越冬前经历伸长期和结节期，最后在小穗分化期进入休眠，颖片突起期和小花突起期分别在第2年返青期和分蘖期，此时期小穗原基的发育及数量已确定，所以分蘖期决定了小花原基的发育及数量。小穗突起期和雌雄蕊形成期分别在拔节期和孕穗期，接着整个发育进入抽穗阶段。而加拿大披碱草生长锥分化则开始于返青后[11]。梭罗草分布于年积温明显不足的高海拔地区，为了在短促的生长期内完成由返青到种子成熟的全生育过程，梭罗草在秋季开始生长锥的生长、分化，翌年返青后在原分化基础上继续分化，短期内就能抽穗结实，这是梭罗草适应高寒气候的一种表现。云锦凤等[11]所报道的冰草、老芒麦、多花黑麦草等牧草的幼穗分化与梭罗草不同，生长锥的分化始于春季。这些牧草在生长地有足够的积温能够完成当年的生育过程，不需要在秋季开始生长锥的分化。笔者观察到梭罗草较中华羊茅、冷地早熟禾和披碱草返青早、种子成熟早。小穗突起期是梭罗草幼穗分化持续时间最长的阶段，历时约4个月。11月底随着气温的降低，梭罗草生长锥的伸长、分化速度逐步减慢，到12月底仍然在进行，至此有70%的个体达到了图1-7所示阶段，能形成的小穗数基本确定。1月初生长锥的分化基本停止，进入冬眠。翌年返青期后伴随梭罗草的分蘖、拔节、孕穗等物候期完成幼穗的分化，到5月下旬开始抽穗。

梭罗草幼穗分化的小穗突起期、小花突起期、雌雄蕊形成期和抽穗始期结实器官的形成状况，直接影响到梭罗草花序的小穗数、小花数、有效花数、籽粒的饱满度、种子成熟的整齐度和抗病虫害能力。因此，在梭罗草的大田生产上，要重视秋季和春季栽培技术措施的应用，重视监测梭罗草幼穗分化的过程，及时调整栽培技术措施，使梭罗草多结穗、多开花、多结籽、结好籽，达到丰产的目的。

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