滇重楼花药开闭运动的影响因子及细胞形态学调控机制探讨

王艳芳+李戈+唐玲+杨春勇+李荣英

[摘要] 为了研究滇重楼花药开闭运动的影响因子及细胞形态学调控机制，观察花药开闭运动现象与对应生态因子变化，设计不同光照、温度、湿度试验和人工淋雨试验，观察各因子对花药开闭运动的影响，制作石蜡切片，观察花药开闭运动时细胞形态变化。结果表明花药早开晚闭运动由外界生态因子调节，总体趋势是高温、强光、低湿利于花药开裂，低温、弱光、高湿利于花药闭合。该实验中，各生态因子对花药开裂的影响从大到小依次为湿度、温度、光照，各生态因子对花药闭合的影响从大到小依次为光照、湿度、温度，雨天雨滴的直接接触导致花药的快速闭合。从其细胞形态结构变化看，花药早开晚闭运动就是一个花粉囊壁细胞失水开裂和吸水闭合的过程，推测不同光照、温度和湿度条件引发了细胞内不同的生理活动，导致细胞渗透压变化，进而导致花药开裂或闭合。而花药遇雨闭合是一个简单的物理调节过程，雨点落在花药上，直接浸泡花药，导致花药细胞渗透压变化吸水闭合。

[关键词] 滇重楼； 花药开闭运动； 生态因子； 细胞形态学调控机制

[Abstract] In order to study the effect elements of anthers opening-closing movement of Paris polyphylla var. yunnanensis， and its cell morphology regulatory mechanism. Anthers daily opening in the morning and closing in the evening and its corresponding ecological elements changes were recorded. Different light， temperature， humidity experiment and artificial rainfall experiment were designed to observe the effect on anthers opening-closing movement， paraffin sections were made to observe the cell morphology change when the anthers daily opening and closing. The result showed that the movement of anthers daily opening and closing was regulated by ecological elements. The overall trend was high temperature and strong light， low humidity was favorable for anther opening， and low temperature， weak light， high humidity was favorable for anther closing. In this experiment， the effect of these ecological elements on the movement of anthers opening from strong to weak was humidity， temperature， light. The effect of these ecological elements on the movement of anthers closing from strong to weak was light， humidity， temperature. The direct contact of the raindrops causes the rapid closing of the anthers in the rain. Observing the cell morphology change when anthers opening and closing， it was a pollen sac dehydration and water-absorption process， different light， temperature and humidity conditions induce different physiological activities in the cell， which caused the cell osmotic pressure change， eventually resulting in anther opening and closing movement. But anthers closing caused by the rain was a simple physical adjustment process， the raindrops fell on the anthers directly， which caused anthers soaked water and change of the cell osmotic pressure， then resulting in anther closing.

[Key word] Paris polyphylla var. yunnanensis； the movement of anther opening and closing； ecological element； cell morphology regulatory mechanism

在重樓传粉研究中，许多学者观察到了重楼花药遇雨闭合及每天早晨开裂傍晚闭合的现象，认为其在应对外界不良环境，提高雄性适应度方面具有重要意义[1-3]。笔者在西双版纳滇重楼传粉生物学研究中发现，花粉可以在花药上保存10 d以上，且花粉活力一直很高[4] 。由于滇重楼花被特化为条状，对内侧的花性器官无保护作用，滇重楼开花时正处在西双版纳雨季，花粉很容易被雨水从花粉囊中冲洗掉，正是由于花药这种遇雨闭合的行为，延长了花粉在花药上的存在时间，还可以保持花粉干燥，保证了花粉活力。另外重楼主要依靠蝇类传粉[1] ，其只在白天活动，因此花药夜间闭合不会影响传粉，还可以将花粉保存于花粉囊内，减少了外界不良环境影响，延长了花粉在花药上的存在时间和花粉活力。

遇雨闭合与花药早开晚闭的影响因素及细胞形态学调控机制，关于这方面的研究近年正在开始，王定康等[5]报道花药早开晚闭是由生态因子控制的，并认为高温可以加速早晨花药开裂，推迟傍晚花药闭合，黑暗促使花药闭合，光照促使花药开裂，湿度对花药开闭影响不大，花药遇雨闭合是雨滴的作用。赵峥等[6]报道温度是影响滇重楼花药开裂时间的主导因子。那么光照和温度因子对花药开闭的影响程度究竟如何？湿度对花药开闭毫无影响吗？雨滴又是如何影响花药闭合的？本研究详细观察了花药早开晚闭的情况，及对应的生态因子的变化。在人工气候箱设计了正交试验，研究了光照、湿度、温度对花药开闭运动的影响程度。设计了人工淋雨试验，观察雨滴对花药开裂的影响。通过石蜡切片观察花粉囊不同开闭状态时的细胞形态变化，说明调控花药开闭运动的细胞形态学机制。意在解决以下几个问题，各生态因子对花药周期性开闭运动的影响程度；花药遇雨闭合的影响因素；调控花药开闭运动的细胞形态学机制。

1 材料

实验地位于中国医学科学院药用植物研究所云南分所西双版纳州勐海县种植基地，海拔1 215 m，年平均气温18.5 ℃，最冷月12.3 ℃，最热月22.8 ℃，年降水量1 523.1 mm，年平均日照时数2 061.4 h。实验材料选自种质圃中在云南勐腊县引种栽培的滇重楼 Paris polyphylla Smith var. yunnanensis （Franch.） Hand.-Mazz种质。

2 方法

2.1 花药开闭运动现象观察 随机标记20株在盛花期的滇重楼植株，连续3 d，每天早晨7∶30—9∶00，下午18∶30—21∶00每隔半小时记录每朵花花药开闭情况，和对应生态因子包括光照强度、温度、湿度三者的变化，观察花药雨天的状态。

2.2 各生态因子对花药开闭运动影响的研究 采用L9（34）正交试验，设计了光照、温度、湿度3个因子、3水平对花药开裂的影响，具体见表1。试验在实验室人工气候箱进行，选择开花盛期花朵，每组试验4～6朵花，重复3次，试验时间1 h。其中光照和温度条件由人工气候箱自动调节；20%～30%湿度条件由放入气候箱的干燥剂调节，另2个湿度条件由放入气候箱的微型加湿器调节。

2.3 人工淋雨试验对花药闭合的影响 设计了人工淋雨试验，观察花药在直接淋雨与有避雨措施情况下的闭合情况，淋雨环境由小型气雾喷壶产生。

2.4 调控花药开闭运动的显微机制研究 制作石蜡切片，观察花药不同开闭状态时显微结构，研究形成调控花药开闭运动的细胞形态学调控机制。

3 结果与分析

3.1 花药开闭运动观察 滇重楼单花顶生，柱头由5～8个棒状裂瓣组成，雄蕊群基数一般为柱头裂瓣基数的2倍，围绕子房与柱头生长。每个花药由4个花粉囊组成，中间药隔膨大将花粉囊两两隔开。重楼花期，每天早晨7∶30—9∶30，2个相邻花粉囊之间开始开裂，裂缝从花粉囊中间或顶端延伸至整个花粉囊，花粉囊壁慢慢外卷直至贴合药隔，花粉在花药开裂后完全暴露在了空气中；下午18∶30—21∶00，花粉囊壁离开药隔，慢慢收拢，直至闭合成2个完整花粉囊，花药的这种周期性早晨开裂与傍晚闭合行为贯彻整个花期。当白天遇到下雨时，花药也会根据雨量大小在几到十几分钟内闭合，雨过天晴后花药会再次开裂，见图1。

每天早晚花药开率变化情况，及对应生态因子光照、温度、湿度变化情况见图2。早上7∶30—9∶30时段，花药完成开裂，对应光照变化范围为2 290～6 390 lx，温度变化范围为18.8～26.2 ℃，湿度变化范围为89%～69%。晚上18∶30—21∶00时段，花药完成闭合，对应光照变化范围为2 460～0 lx，温度变化范围为30.7～23.2 ℃，湿度变化范围为51.3%～73.3%。花药早开晚闭运动与早晚生态因子光照、温度、湿度变化同步进行，总体趋势是升温、加光、降湿利于花药开裂，降温、减光、加湿利于花药闭合。

3.2 各生态因子对花药开闭运动的影响 各因素水平下，花药的开闭率差异明显，总体趋势是高温、强光、低湿利于花药开裂，低温、弱光、高湿利于花药闭合，与室外观察结果一致，见表2。

极差分析表明，在各因素设定的水平范围内，各因子对花药开裂的影响强度从大到小依次为湿度、温度、光照，各因素水平影响强度顺序为湿度20%～30%> 70%～80%> 95%～100%，温度30～35 ℃>20～25 ℃>5～10 ℃，光照3 000 lx>1 000 lx>0 lx。花药开裂的最优水平组合为A3B3C1，即光照强度为3 000 lx，温度为30～35 ℃，湿度为20%～30%，见表3。各因子对花药闭合的影响强度从大到小依次为光照、湿度、温度，各因素水平影响强度顺序为光照0 lx>1 000 lx>3 000 lx，濕度95%～100%>70%～80%>20%～30%，温度 5～10 ℃>20～25 ℃>30～35 ℃。花药闭合的最优组合为A1B1C3，即光照强度为0 lx，温度为5～10 ℃，湿度为95%～100%。

方差分析表明，光照、温度、湿度3个因素均极显著影响花药开裂（P<0.01），光照、湿度2个因素极显著影响花药闭合（P<0.01），温度对花药闭合影响不显著，见表4。

3.3 人工淋雨试验对花药闭合的影响 午间人工淋水试验表明，花药在直接淋雨环境下，会在5～10 min完成闭合，在遮雨不直接接触水滴的情况下，虽然周围环境湿度达到了100%，但花粉囊不会立即全部闭合，说明是雨滴的直接接触导致花药的快速闭合。

3.4 花药开闭运动的细胞形态学调控机制研究 从花药的切片看，完整花粉囊由3层薄壁细胞组成，内外2层细胞长条形，首尾相连，排列较整齐，细胞较小。中间层细胞长方形，细胞较大，在接近2个相邻花粉囊之间时，细胞变小，各层细胞的细胞核均很

明显。当花药成熟，外界生态因子适宜花药开裂时，花药从2个相邻花粉囊之间裂开，开裂后的花粉囊壁只剩下中间层较完整，其细胞脱水收缩呈紧密排列，胞内细胞核依旧明显，此时花粉囊壁仍具有调节功能，当外界生态因子适宜花药闭合时，细胞再次吸水完成花药闭合，见图3。

4 讨论

4.1 各生态因子对滇重楼花药开闭运动的影响 本实验观察到各生态因子对花药开闭运动影响的总体趋势是升温、加光、降湿利于花药开裂，降温、减光、加湿利于花药闭合。同时正交试验表明，各生态因子对滇重楼花药开裂和闭合2个过程影响程度不同，各因子对花药开裂的影响从大到小依次为湿度、温度、光照，且均极显著影响花药开裂（P<0.01）。各因子对花药闭合的影响从大到小依次为光照、湿度、温度，其中光照、湿度2个因素极显著影响花药闭合（P<0.01），温度对花药闭合影响不显著。而王定康等[5]研究表明滇重楼花药开闭主要有温度和光照调节，湿度对花药开闭影响不明显，赵峥等[6]报道温度是影响滇重楼花药开裂时间的主导因子，推测造成这一结果与试验时时间长短及设定条件有关，同时也说明各生态因子调节花药开闭运动的复杂性。另外根据本实验结果推测滇重楼花药开裂与闭合可能是2个调控方式不同的过程，因此各因子对其影响存在差异。

4.2 滇重楼花药开闭运动的细胞形态学调控机制 关于花药开裂的细胞形态学机制研究较多[7-8]，花药开裂有1个关键组织叫裂口组织，单细胞层，无细胞壁加厚，花药成熟后，引发茉莉酸类激素调节花粉囊壁隔膜组织脱水，同时花粉囊壁上的水通道蛋白表达，K+离子及一些碳水化合物的次生代谢产物在水通道蛋白作用下进入花粉粒使其膨胀，对裂口组织产生压力，使花药开裂，有关花药闭合的细胞形态学研究未见报道。

从本实验滇重楼花粉囊壁细胞结构变化看，其花药开闭运动是1个花粉囊壁失水开裂和吸水闭合的过程。与其他植物花药成熟后开裂不同的是，滇重楼花药成熟后，呈现的是一种周期性的开闭运动，由昼夜的光照、温度和湿度条件变化引发，生物体的这种能够感受外界条件的变化并对之积极的发生反应而呈现出各种活动状态的属性称为感应运动。郁金香、番红花可以感受温度变化，使花瓣不同部位生长速度不同，呈现昼开夜合的周期性变化[9]。滇重楼花药的这种感应运动机制未见报道，结合花药细胞形态学变化，推测是光照、温度和湿度条件变化引发细胞内不同生理活动，导致细胞渗透压变化，造成细胞失水或吸水，进而导致花药开裂或闭合，但具体机制如何，需要进一步试验。

关于花药遇雨快速闭合，推测其跟花药昼开夜合复杂的生理活动调控不同，本实验认为其更像是一个简单的物理调节过程，雨点落在花药上，直接浸泡花药导致花药细胞渗透压变化吸水闭合，因此花药遇雨闭合的速度与雨滴浸泡花药的速度相关。

[参考文献]

[1] 丁春邦，李强，李燕，等.重楼属9种5变种花粉活力与柱头可授性特征研究[J].草业学报，2009， 18（4）：61.

[2] 李强，丁春邦，胡小林，等.重楼属3种植物花粉活力及柱头可授性研究[J].中国中药杂志，2007，32（10）：969.

[3] 王定康，孙桂芳，陈雪，等.几种重楼属植物花药开裂和关闭现象的研究[J].安徽农业科学，2008， 36（9）：3709.

[4] 王艳芳，李戈，唐玲，等.西双版纳滇重楼传粉生物学研究[J].中国中药杂志，2013，38（17）：2773.

[5] Wang Dingkang， Sun Guifang， Wang Lifang， et al. A novel mechanism controls anther opening and closing in Paris polyphylla var. yunnanensis[J].Chin Sci Bull，2009，54（2）：244.

[6] 趙峥， 尹芳园，耿开友，等.生态因子对滇重楼花药开裂的影响[J].广西植物，2016，36（10）：1192.

[7] 丁泽琴，王志敏，牛义，等. 植物花药开裂机制研究进展[J].中国蔬菜，2013（8）：12.

[8] 华水金，孟华兵，王学德，等. 植物花药开裂的细胞学和分子生物学机制[J].细胞生物学杂志，2007（29）：389.

[9] 任海云. 植物的感性运动[J].植物学通报，1995，30（9）：30.

[责任编辑 吕冬梅]