火柴头初始花芽分化与叶生长的同生关系

池源+徐小颖+徐义昆+金银根

摘要：应用植物形态学解剖观察、苏木精整染、石蜡法连续切片以及显微观察拍照技术，研究火柴头初始花芽分化与叶生长的同生关系。结果表明：火柴头种子萌发后，经过约20 d的营养生长，至主茎出现4～6张真叶时，主茎顶端花芽开始分化，其分化进程与真叶数、真叶面积呈正相关，整个分化过程历经约15 d；幼苗进入4叶期后，花芽分化从分化初期过渡到苞片及花序原基分化期；幼苗进入5叶期后，花芽分化进入萼片及花瓣原基分化期；幼苗进入6叶期后，花芽分化进入雄、雌蕊原基分化期。

关键词：火柴头；初始花芽分化；叶生长；同生关系；开花调控

中图分类号：S184；S451文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0174-04

火柴头（Commelina benghalensis L.）是单子叶植物纲鸭跖草科鸭跖草属的一年生草本植物。金银根等指出，火柴头不仅是枝源型克隆植物，而且可同时进行有性生殖，更为特殊的是其在地下开花结实的生殖方式[1-2]。火柴头在整个生长周期中能产生3种生长特性不同的生殖茎、5种开花特性不同的结实花以及6类生物学特性不同的可育种。3种生殖茎为气生生殖茎、贴地生殖茎、地下生殖茎；5种结实花为气生生殖茎上的雄花、气生生殖茎上的开花传粉型两性花、气生生殖茎上的闭花受粉型两性花、贴地生殖茎上的闭花受粉型两性花、地下生殖茎上的闭花受粉型两性花[3]；6类可育种为地上大、小种，贴地大、小种和地下大、小种[4]。基于以上多样的生殖特性，火柴头形成了极强的生态适应性，从而在世界范围内广布性存在。在我国，火柴头也广布于诸多省份，尤其在棉花、玉米田间呈片状或群带状分布，与农作物竞争光照、肥料、水分以及生长空间而使农作物严重减产，再加上火柴头对多种除草剂都不敏感，一旦在田间蔓延则很难根除[5]。因此，要治理火柴头这种杂草灾害，必须弄清其繁殖机制，以找出有效的控制措施。本研究主要观察火柴头幼苗的形态建成叶的发育和初始花芽分化过程中的形态结构特征，以了解花芽分化与叶发育的同生关系，为开花调控的研究奠定基础，并为有效治理该种杂草提供依据。

1材料与方法

1.1材料准备

将火柴头地上大种均匀地洒在盛有2/3珍珠岩的篮筐中（篮筐尺寸36 cm×25 cm，每框42株，共6框），置于光照培养箱中，昼/夜温度为27 ℃/25 ℃，光/暗周期为12 h/12 h，昼/夜湿度为74%/50%，光照度为176 μmol/（m2·s），每2 d定时加500 mL Hoagland营养液[6]。

1.2茎节生长点解剖学观察

每天定时观察火柴头生长情况并拍照记录；10 d后，每天定时取火柴头主茎茎节生长点，用流水冲洗干净后，制作临时装片，显微观察并拍照。确定初始花芽分化时间，并作记录[7-8]。

1.3材料基本参数的测量

按照真叶数以及顶叶卷曲程度选取4叶期、5叶期、6叶期、7叶期健康的火柴头幼苗，每个叶期6株，编号后记录其相关的生长时间、不定根、侧根、分枝情况以及顶叶卷曲程度，测量其株茎、株高，以及顶枝3张真叶的叶长、叶宽并计算其真叶面积，其中叶长是叶片基部至叶尖距离，叶宽是叶片2/3处肩宽，由于大部分真叶在叶片2/3处收尖，因此按叶长×叶宽的2/3计算叶面积[9-10]。

1.4茎节生长点石蜡切片的制作

将测量完基本参数的新鲜幼苗清洗干净，取长约1 cm顶芽并及时放入福尔马林-乙酸-乙醇固定液（FAA）[11]中固定12 h，用70%乙醇冲洗后，再用稀释4倍的徳氏苏木精于40 ℃加热染色72 h[12-13]，再用乙醇梯度脱水（乙醇浓度分别是85%、95%、100%），二甲苯與纯乙醇梯度置换（二者比例分别是1 ∶[KG-*3]2、1 ∶[KG-*3]1、2 ∶[KG-*3]1），石蜡法包埋、切片（厚度为 10 μm），再经展片、烤片、脱蜡、透明后用中性树脂封片，在Leica显微镜下观察拍照。

2结果与分析

2.1火柴头幼苗的生长特性

在光照培养箱温度稳定高于25 ℃、水分充足的情况下，火柴头地上大种在珍珠岩这种介质中经历吸胀吸水、缓慢吸水、生长吸水3个阶段后，1～2 d便开始萌动形成幼苗。

火柴头是典型的单子叶植物，种子萌发时，胚轴一端突破种孔盖生长，以这一端末尾膨大的吸盘状结构为界，向上分化成胚芽鞘（后期形成真叶），向下分化成胚根（后期形成火柴头根系）。最初，由于胚芽鞘的束缚，真叶卷曲生长；随着真叶的生长，下胚轴逐渐伸长，到一定长度后，真叶突破胚芽鞘逐渐展开；经过约1周后，第1张真叶完全展开，此时胚芽鞘基部再次分化出新叶，新叶裹在第1张真叶基部卷曲生长，到一定长度后展开，当这2张真叶大小一致时，基部相交处又会分化形成新叶，如此形成火柴头茎节。而与此同时，胚根形成的根系也在不断趋向成熟，随着数目的累积增多，根系逐渐变粗变长，以确保水分的供给。火柴头在这种培养方式下真叶以1张/周的速率健康生长，培养20 d左右进入4叶期后，顶端叶芽开始分化形成花芽，从而进入火柴头初花花芽分化期。火柴头的整个生长过程如图1所示。

2.2火柴头花芽分化与叶生长的同生关系

经过对不同叶期、真叶不同发育程度材料及其补充材料数周的石蜡切片处理、分析观察后，得到火柴头顶端初始花芽分化与叶生长的同生关系：花芽分化从4叶期（大约生长 20 d）陆续开始到6叶期（大约生长30 d）基本完成，整个过程历时约15 d；花芽分化与真叶数、真叶面积呈正相关，真叶数越多，花芽分化越完整；在同一叶期，真叶面积越大，花芽质量越好，主要表现在各原基形成的器官体积大而胞质饱满，后期具有较强的生殖能力；花芽分化进程越到后期越紧凑，最终趋向成熟。

4叶期一般从分化初期过渡到苞片原基以及花序原基的分化，这段时期的本质是营养生长向生殖生长过渡的阶段，形成花序之后对于花蕾而言才开始进行真正的花芽分化；5叶期一般进行萼片原基以及花瓣原基的分化，这段时期分化进程加快，各个时期没有明显界限，经常会看到2～3个时期叠加的情况；6叶期一般进行雄、雌蕊原基的分化，这段时期花蕾趋向成熟，雄蕊原基分化形成花药后，雌蕊原基开始进行分化，二者分化紧凑，速度相当迅速，最终雄蕊原基比雌蕊原基早一步完成分化，此时花芽分化基本完成；7叶期一般进入花成熟时期，花序中的各花蕾完善自身发育，为后期有性生殖作准备。花芽分化进程与叶生长的同生关系见表1。

2.3火柴头花芽的分化过程

分化初期：茎节顶端细胞分化加快，向上隆起，呈半球形，形成营养生长锥，原分生组织细胞不断分化，使生长锥变得圆滑丰满。形态学上生长锥细胞小而密集，通过苏木精染色后颜色较深（此时细胞处于生命活性最高、细胞分裂活性强的阶段），细胞核与细胞质的体积比较大，其形态与基底组织细胞明显不同，基底组织细胞发育更早，已形成成熟液泡，细胞核与细胞质体积比较小，排列不规则，染色较浅，后期生长锥发育成近似圆锥状（图2-1中Gc）。

苞片原基分化期：营养生长锥顶端变得宽而平坦，两边产生凸体，凸起部分形态相似，染色较深，细胞排列紧密而且分裂速度快，迅速向上生长，但是二者大小存在差异，说明这2个凸体不是同时发育的，最终两边会结合到一起，形成苞片，将整个营养生长锥包围（图2-2中Bp）。

花序原基分化期：营养生长锥随着苞片的伸长不断升高，紧贴着苞片里侧，生长锥逐渐变平，细胞生长分化速度出现差异，产生3～4个小的凸体即花原基（Fp），这些花原基不在同一平面，共同构成花序原基（Ip），后期将发育成火柴头的聚伞状花序，至此茎节生长点完成由营养生长向生殖生长的过渡，开始进入真正的花芽分化期（图2-3中Ip；图2-4中Fp）。

花原基分化期是生殖生长锥（Rc）进行自身分化形成花蕾的过程，这些生长锥都要经历由尖变圆、由外到内依次产生凸体，形成萼片原基（Se）、花瓣原基（Pet）、雄蕊原基（Sp）、雌蕊原基（Pp）的过程，从而完成花芽分化，形态结构上可根据大小、位置来判断其发育的早晚以及花芽分化的质量（图2-4至图2-8）。

萼片原基分化期：当花原基继续伸长，顶部变得丰满时，在生殖生长锥最外侧一轮同一水平面上最先对称地发育形成3个凸体，这些凸体生长迅速，后期将发育成萼片，由于切片只能取到1个平面，不能将所有凸体结构都展示出来（图2-4至图2-6中Se）。

花瓣原基分化期：当苞片顶端形成钩状曲折时，紧接着在相邻萼片基部里侧一轮、同一水平面上对称地分化形成3个凸体，这些凸体紧贴生殖生长锥两侧快速发育，迅速向上生长，最后可形成花瓣，由于切片只能取到1个平面而不能将所有凸体结构都展示出来（图2-4至图2-6中Pet）。

雄蕊原基分化期：随着萼片、花瓣原基的成形，生殖生长锥中心再次隆起，形成6个对称的凸体，这些凸体逐渐伸长变粗最终依次分化出花药、花丝，从而形成雄蕊，由于切片只能取到1个平面不能将所有凸体结构都展示出来（图2-7中Sp）。

雌蕊原基分化期：当雄蕊原基开始分化不久形成花药雏形后，上升到一定高度的生长锥中心再次隆起，形成心皮原基，最终分化出子房、花柱，从而形成雌蕊，由于切片只能取到1个平面不能将所有结构都展示出来（图2-8中Pp）。

至此花芽分化结束，性器官逐步完善生殖能力的分化，使整个花序趋向成熟。纵观整个过程，每个时期并不是彼此独立的，同一时段可能进行好几个时期的分化，而且分化节奏紧凑。

3讨论

花芽分化是在植物顶端分生组织感受到一定成花刺激后开始的，整个过程不仅受到外界环境因子的影响，而且受到植物体内诸多因子的调控。植物体受到成花刺激后，生长点内部会发生一系列生理生化反应，为后期的形态变化提供DNA、RNA等原料物质，并提供蛋白酶、矿质元素等能源物质以及细胞分裂素、赤霉素等激素物质，而这些物质大多数是由叶片合成，通过输导组织源源不断地运向生长点并在生长点内累积的，整个过程终将由量变产生质变，形成相互协调的体系，进而完成成花作用[14]。

目前对于果树、花卉等一些园艺性木本植物花芽分化的研究较多，而对于火柴头、水花生等一些危害性草本植物花芽分化过程鲜有研究，而且，目前对双子叶植物花芽分化的研究较为成熟，对于单子叶植物花芽分化研究较少。其实植物花芽分化虽然都会经历同样的几个过程，但是具体引起成花的诱导因子、成花形态以及成花发育方式都有明显区别。对于一般植物来说，光诱导作用是最明显的刺激成花诱导因素[15]，但是不同植物感受光诱导的机制不同，园艺性木本植物大多是多年生的，在临界花期感受光周期诱导之前，需要1個低温春化的刺激作用，而园艺性花卉植物对春化作用不是很敏感，这种植物对光照度要求严格[16]，光照越强，花芽越容易分化，而且分化进程也越快，这一点与草本植物很相似。何井瑞研究火柴头时发现，火柴头的初花期一般发生在5—6月，花芽分化历程大约为半个月，盛花期一般发生在7—8月，花芽分化历程大约为1周，这说明火柴头花芽分化也明显受到光期调控，而且光照度越强，成花能力越强[17]。

花芽分化起始于植物芽轴的顶端，很难从外部形态准确地把握花芽分化的起始和不同时期。本研究用形态学解剖法对大量火柴头幼苗茎节生长点处不同叶芽进行解剖，初步得到花芽分化各时期的始末时间，再用石蜡法连续切片得到火柴头花芽分化期间的形态变化过程，找出与叶生长的同生关系，对从形态上准确判断火柴头花芽分化的过程和时期有重要的参考价值。

花芽分化开始时生长锥伸长，表面积变大，表面数层细胞分裂加速，产生皱褶，在本该形成叶原基的地方产生了胞质浓厚的花原基，在花原基上又分化出各器官原基。一般来说，当花芽内不再进行花器官的分化时，花芽分化结束。不同植物花芽分化发育形态各异，张立莎对多年生木本仁果类植物苹果树花芽分化研究发现，花芽分化顺序是花序原基、花萼原基、花瓣原基、雄蕊原基、雌蕊原基[18]；张智等对多年生木本核果类植物桃树花芽分化研究发现，分化过程与苹果树相似，就是缺少花序原基形成期，这与植物本身花器官组成特征有关[19]；杨小明等对2年生园艺性植物甘蓝花芽分化研究发现，其花芽分化与木本植物相比差异明显，分化初期生长锥膨大，中心凸体周围产生3～5个小圆凸体，之后在生长点周围又形成1圈圆突群，最后由圆突群形成花蕾雏形，随后花柄伸长，花萼开始分化，与此同时，侧芽也开始分化[20]；陶月良等对黄瓜花芽分化研究发现，其花芽分化有自身的特点，所有花器官原基发生完成后并不等于花芽分化的结束，其花芽分化在最初阶段有着明显的两性特点，但最终会根据环境因素来选择到底是哪种性器官可以继续分化，也就是说黄瓜的花芽分化首先是两性期，最后为单性期，至此花芽分化才结束[21]；贺丹等对一年生园艺性花卉植物牡丹、芍药花芽分化研究发现，它们的花芽分化过程具有一定的相似性，分化顺序是苞片原基、萼片原基、花瓣原基以及雌雄蕊原基分化期，苞片结构与木本植物也存在着差异[22]。查阅仅有的关于少数几种单子叶植物花芽的研究可知，张丹丹等对多年生单子叶草本植物玉簪花花芽分化研究发现，其花芽分化过程分为形态分化前期、被片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期4个时期[23]；黄济明等对多年生单子叶草本球根植物麝香百合花芽分化研究发现，其过程分为茎端未见分化、花原基形成、外层花瓣原基形成、内层花瓣原基形成和雌雄蕊形成5个时期[24]；王家艳等对单子叶草本植物细叶百合花芽分化研究发现，其过程分为6个时期，即未分化期、分化初期、小花原基分化期、花被原基分化期、雄雌蕊原基分化期、整个花序形成期[25]；安黎哲等对一年生草本植物番茄花芽分化研究发现，其分化规律也遵循由外到内、由下而上的原则，而且具体分化过程与本研究最为相似[26]。

本研究得到的火柴头花芽分化顺序：苞片原基、花序原基、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基和雌蕊原基分化期。从分化初期到萼片原基分化期，生长速度较慢；当进入萼片原基分化期后，发育速度明显加快，尤其是性器官的分化速度最快，雌雄蕊原基近于同时发生。在营养生长阶段，真叶数及大小直接影响第1花序分化的早晚，真叶面积影响着花芽分化的数目与花芽质量；花芽开始分化后，顶芽最先分化，顶芽两侧的上位侧芽随即也开始分化，一般当第1花序的花蕾成形时，其侧芽开始形成花序，如此反复分化，可以形成顶芽的2～4个花苞，从而过渡到盛花期。

关于火柴头的雄、雌蕊原基分化界限不明显的原因，可能是其花芽分化总历程较短，致使分配到这2个时期的时间极少，这也体现在整个花芽分化过程由慢到快的节奏上。火柴头从4叶期开始进入分化初期，营养生长锥开始向生殖生长锥过渡，分生组织细胞不断积累，形成所需的营养物质，到6叶期基本完成花芽分化。van Meulebroek等认为，在此过程中8种主要的植物激素（生长素、赤霉素、脱落酸、茉莉酸、水杨酸、玉米素、N-苄基腺嘌呤和油菜素内酯）是植物花芽分化重要的信号分子[27]；冯慧等认为，细胞分裂素的存在会促进荔枝花芽的分化，荔枝花芽在进入花序原基形成期及花序轴形成期后细胞分裂素含量会逐渐增加，到花器官形成期达到高峰，而雌雄蕊形成期的细胞分裂素含量较低[28]；王姗等发现，在凤梨花器官发育时，赤霉素含量上升，脱落酸、玉米素含量处于正常水平，在其花芽诱导期，脱落酸、玉米素含量升高，低水平的生长素、赤霉素促进其花芽的诱导，而相对较高的生长素、赤霉素含量利于其花形态的建成[29]。因此，可以推测火柴头雄、雌蕊原基分化时期的界限不明顯可能与细胞分裂素、玉米素、赤霉素等激素含量的变化有关，具体原因有待进一步研究。

花芽分化是有花植物发育中最为关键的阶段[30]，通过了解植物花芽分化的机制，对合理制定栽培措施、合理进行花期调控以及彻底根除开花结实能力强的危害性植物等都有重要意义，阐明火柴头初始花芽分化进程与叶生长的同生关系，有助于确定控制该杂草的有效手段，减少其危害和损失。

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