棉花竹花形态与结构研究

邓 琳 黄 玲 初彩华 王 茜 詹 卉 王曙光*

(1.西南林业大学生命科学学院，昆明 650224； 2.毕节第三实验高级中学，毕节 553100)

竹类植物种类繁多，大多数生长于热带和亚热带，还有少数则生长于温带和寒带[1]。一般竹类植物的结实率极低，主要是由于其开花后便会死亡，甚至不会结实[2]。竹类植物的开花现象在全年都可观察到，然而不同竹种的花期也不尽相同，其中散生竹的花期晚于丛生竹1～2个月，但散生竹的花期又早于混生竹[3]。另外，同一竹种的成片竹林或竹丛花期也不尽相同[3]。此外，竹类植物极少开花，在自然条件下大部分竹种需经历120年或更长的时间才能开花，因而竹类植物的开花现象也极少[1]。这导致竹类植物通过生殖器官进行形态学、解剖学、系统分类等方面的研究皆遇到极大的阻碍，尤其是在胚胎学方面的研究更加困难。目前，国内外有关竹类植物花的解剖学已经有少量研究，但仅对少数竹种的生殖生物学进行过详细描述，如绿竹(Bambusaoldhamii)、毛竹(Phyllostachyspubescens)、绵竹(B.intermedia)、青丝黄竹(B.eutuldoidesvar.viridi-vittata)、巨龙竹(Dendrocalamussinicus)、孝顺竹(B.multiplex)和异叶苦竹(Arundinariasimoniif.albostriatus)等竹种[4～12]。

棉花竹(Fargesiafungosa)属禾本科(Gramineae)竹亚科(Bambusoidea)箭竹属(Fargesia)的一种高山竹种，主要分布于四川、贵州、云南等地，虽然其花期较长，但结实率还是极低[1]。其成熟竹秆近实心的，且秆材富有韧性，抗逆性也较强，造纸、材用均可[1]。目前，国内外有关棉花竹花器官和胚胎学解剖结构的研究报道极少。本文通过观察棉花竹花的基本结构，并对花药和子房进行解剖观察，并分析其胚胎发育规律，为棉花竹生殖生长的研究提供新的基础理论知识。

1 材料与方法

本实验所用的材料于2014年4月采自云南省曲靖市会泽县的大沟(103°03′～103°55′E，25°48′～27°04′N)以及西南林业大学珍稀竹种园(102°10′～103°40′E，24°23′～26°22′N)，均属人工栽培种。选取花枝上不同发育时期的小穗和花枝，固定于50%FAA固定液中，进行真空抽气备用。

将固定处理后的40枚小穗使用体视解剖镜(Olympus HO11)进行结构解剖、测量及拍照。然后再将30～40枚小花解剖后的花药和子房，采用常规石蜡切片的方法进行切片、制片，切片厚度为6～8 μm。利用番红—固绿双重染色，在Nikon-ECLIPSE50显微镜下进行观察和拍照，实验数据使用Excel软件进行分析。

2 结果

2.1 棉花竹小花及小穗的形态结构

棉花竹的花序轴是由节和节间的营养枝发育而来，小穗着生于小枝顶端，具有总梗，几乎一次性发生，基部具有一个叶状小穗基部具潜伏芽，由单个叶片形成的“佛焰苞”包裹多枚小穗(图1:A～C)。在花序轴的节上着生4～8枚小穗(图1A)。小穗成熟后呈黄绿色或者紫绿色，长2.4～3.9 cm，均长3.05±0.39 cm。每一小穗具有3～7朵两性小花，在相邻小花之间具有明显小穗轴，被绒毛，具脊，中空，长0.4～0.5 cm(图1:B～C)。

棉花竹小花没有花柄，为开放型，即当竹子开花时浆片会吸水膨胀进而撑开稃片，雄蕊伸出。棉花竹的花为雌雄同熟的。每朵小花的平均长度为1.85±0.168 cm，且各具1枚内、外稃(图1:D)。在未成熟的竹花中，外稃总是包被于内稃和小穗轴外。在发育完全的小花中，外稃呈卵状披针形，较内稃宽且硬，背面密被灰白色绒毛，边缘平滑，有时具纤毛，顶端渐尖，并逐渐发育为棕黄色，具有11～22脉，长为1.2～2.1 cm，均长1.77±0.209 cm(图1:F)。内稃对生于外稃内侧，仅顶端被绒毛且出现分叉，呈2尖齿状，背部具2脊，脊上被灰白色绒毛，脊间具2脉，平均长1.26±0.162 cm(图1:G)。颖片2枚，浆片3枚，尖端呈羽毛状，白色透明膜质，较薄，子房则被包被其中(图1:H～E)。雄蕊3枚，花药呈黄色或棕黄色，花丝纤细且相互分离。花药基部着生于花丝顶端，属于基着药，纵裂散粉(图1:I～J)。雌蕊1枚，子房呈椭圆形，幼嫩时为白色，成熟后则呈黄色，具二分叉羽毛状柱头，花柱较短(图1:K～L)。

2.2 花药和子房的形态结构及发育

通过对不同发育时期的花药进行解剖发现，次生造孢时期每个药室的药壁皆由4层细胞构成，由外到内依次为表皮、药室内壁、中层和绒毡层(图2:A)。其中，表皮细胞形状较规则，呈方形，且较其他几层细胞大，而内壁及中层细胞也是方形的，但较扁(图2:A)。此外，绒毡层的细胞质浓厚(图2:A)。未成熟花药由药隔组织将其分开并形成4个药室(图2:B,F)。次生造孢细胞随着花药的逐渐成熟而发育为小孢子母细胞(图2:D)。在小孢子母细胞开始形成时绒毡层逐渐退化，但其形状基本不变，随着花药的完全成熟仅保留一薄层(图2:C～H)。由此可见，绒毡层提供养分主要是由次生造孢时期开始至花粉粒成熟。在此发育过程中，花药壁的中层也逐渐退化，最后仅留下表皮和药室内壁2层结构(图2: L)。随着花药的逐渐成熟，次生造孢细胞的组织逐渐发生解体，各自独立发育为小孢子母细胞(图2:D)。小孢子母细胞随后发生减数分裂，形成二分体及四分体(图2:F～G)。在同一个药室中，同时可看到二分体及四分体同时存在(图2:G)，说明同一药室不同造孢细胞的发育并不一致。

图1 棉花竹小花形态 A.花枝；B.小穗轴；C.花芽(箭头)；D.小花.；E.浆片；F.外稃；G.内稃；H.颖片：尖端分叉具绒毛；I.雄蕊；J.花丝.；K.柱头(箭头)；L.子房Fig.1 The morphology of floret in F.fungosa A.Flower branch; B.Spikelet; C.Flowed bud(arrow); D.Flower; E.Lodicule; F.Lemmaes; G.Pales; H.Glumes:the apex was forked with villi; I.Stamen; J.Filament; K.Stigma(arrow); L.Ovary

在药室的内壁上还可观察到径向壁的纤维加厚，形成纤维层(图2:G)。小孢子母细胞发生减数分裂后先形成二分体后再形成四分体(图2:F～G)。同时，在相邻药室间连接的药壁较薄，未能发生纤维化而发生断裂从而释放花粉粒(图2:B～K)。花药药室间维管束细胞具有明显的细胞质和细胞核结构，暗示此时维管束仍在行使功能(图2:B)。另外，在小孢子发生时期，细胞质液泡化形成大液泡，将细胞核挤到细胞边缘，随后逐渐发育形成单核靠边期小孢子(图2:H)。成熟花粉粒呈不规则的椭圆形，具1个萌发孔(图2:I)。棉花竹的成熟花粉粒为二或三细胞型(图2:J)。

棉花竹的花器官具有1枚雌蕊，1室上位子房，倒生胚珠，侧膜胎座(图3:A)。由于其野外开花较少，实验材料有限，能够观察到雌蕊的不同的发育阶段较少，仅观察到由孢原细胞分化形成的大孢子四分体呈线形排列，以及二核胚囊等三个阶段(图3:B～C)。

图2 棉花竹花药 A.次生造孢细胞前期(Ep.表皮细胞，EN.药室内壁，ML.中层，Ta.绒毡层，SSC.次生造孢细胞，Ct.药隔组织)；B.维管束(CVB.药隔维管束)；C.绒毡层开始解体(箭头所示)；D.小孢子母细胞开始形成(箭头所示)；E.小孢子母细胞；F.二分体时期(箭头所示)；G.四分体时期，药室内壁纤维加厚形成纤维层(箭头所示)；H.单核靠边期(箭头所示)；I.萌发孔(箭头所示)；J.二核花粉粒(a.箭头),三核花粉粒(b.箭头)；K纤维层(箭头)Fig.2 The anther of F.fungosa A.The early stage of secondary sporogenous cells(EN.Endothecium, ML.Middle layer, Ta.Tapetum secondary sporogenous cell, Ct.Connective tissue); B.Vascular bundle(CVB.Connective vascular bundle);C.Disintegrateing tapetum(indicated by the arrow); D.The microspore cells were begining to become divided(indicated by the arrow); E.The microspore abortion(indicated by the arrow); F.The stage of dyad(indicated by the arrow); G.The stage of tetrad appeared that the fibrage layer were formed of thickening fiber(indicated by the arrow); H.Microspore with the nucleus locted aside(indicated by the arrow); I.Germinal aperture(indicated by the arrow); J.Binuclear pollen(a,arrow),3-celled pollen(b,arrow); K.Fibrage layer(arrow)

2.3 棉花竹雄配子体败育

在棉花竹雄蕊的发育过程中，发现大量花药不能正常发育，可将其归纳为不同败育类型(图4)。第一种类型为花药壁完全发育异常，且花药壁与造孢细胞完全皱缩(图4:A)。或绒毡层溶解，花药壁发生皱缩，也未形成正常造孢组织或小孢子(图4:B)。第二种类型为花药壁中表皮细胞正常发育，但绒毡层和中层细胞未形成，造孢组织不能正常发育(图4:C)。第三种类型为花药的维管束、药壁和药隔皆正常发育，少数花粉粒空壳，不具细胞质和细胞核(图4:D)。此外，还可观察到有的花药室中大量花粉粒皱缩变形，但花药壁和维管束的发育正常(图4:E)。

图3 棉花竹子房 A.侧膜胎座;B.大孢子四分体;C.二核胚囊(箭头所示)Fig.3 The ovary of F.fungosa A.Parietal placenta; B.Megaspore tetrad; C.Two nuclear embryo sac

图4 棉花竹不育雄配子 A.花药壁与造孢组织皱缩；B.无正常的造孢细胞；C.花药室显著收缩变形；D.不具细胞质和细胞核的败育花粉粒(箭头所示)；E.收缩败育的花粉粒(箭头所示)Fig.4 Sterile male gamete of F.fungosa A.Anther walls and sporogenic tissues shrink; B.Unnormal sporogenic cells; C.Abortive pollens without nucleus and cytoplasm; D.Deformed pollens(indicated by the arrow); E.Pollen grains that shrink and abort(indicated by the arrow)

3 讨论

3.1 棉花竹花器官特性及花序类型

根据竹类植物花器官的解剖结构和形态特征将其分为两种类型，即开放型如箣竹属(Bambusa)和闭合型如牡竹属(Dendrocalamus)[2]。在棉花竹开花时，浆片吸水膨胀撑开稃片，雄蕊伸出，具有3枚浆片，雌雄同熟，属于开放型。绵竹、孝顺竹和青丝黄竹的花器官也同属开放型[7～10]。在孝顺竹、青丝黄竹和绵竹的每一小穗基部都具有潜伏芽，这样续次发生的花序。其潜伏芽可产生新的小穗，紧接着形成新的潜伏芽，不断的往复进行从而实现连续开花，称其为“无限花序”[7～10]。但林树燕等[13]人的研究表明，竹类植物的花序皆为“混合花序”。因此，棉花竹的花序也是混合花序，所有小穗均为一个叶片形成的“佛焰苞”包裹，这是箭竹属竹种花序的重要特征。

棉花竹小花具有1枚雌蕊，由子房、花柱和柱头构成，子房呈椭圆状，花柱较短，这些发育特征与雷竹、毛竹、小麦和水稻等相似[14～17]。另外，雄蕊由花药和花丝构成，其中花药为基着药，具4药室，这与毛竹、青丝黄竹和绵竹的雄蕊结构特征相似[5,7～8]。竹类植物的花器官主要由外稃、内稃、浆片、雌蕊和雄蕊组成，它们在数量、形态和颜色上会因竹种的不同而不同[2]。在本研究中，观察到棉花竹的稃片共2枚，其中外稃为棕黄色，边缘平滑，在青丝黄竹和绿竹等竹种中稃片数量相同，但它们在颜色和形态上存在差异，如青丝黄竹外稃边缘具齿，绿竹内稃呈淡绿色等[6～7]。同时，棉花竹具有3枚浆片，呈羽毛状，绵竹和青丝黄竹等竹种的花器官中浆片数量与其相等，但它们的浆片分别呈卵形和近圆形，而车筒竹(B.sinospinosa)则仅具有两个边缘具纤毛的浆片[7～8,18]。此外，在棉花竹花器官的药室中部分小孢子成熟后会发育为二核或三核型花粉，这种现象在慈竹(Neosinocalamusaffinis)、车筒竹、绵竹、青丝黄竹、鹅毛竹(Shibataeachinensis)中皆可观察到[7～8,17～18]。

棉花竹雄蕊仅具3枚，显著区别于大多数竹种，如巨龙竹、孝顺竹、青丝黄竹、绵竹等竹种，均为6枚雄蕊[4,7～8,10]。然而，棉花竹与云龙箭竹(F.papyrifera)、元江箭竹(F.yuanjiangensis)、雷竹、鹅毛竹和异叶苦竹等竹种的雄蕊数量相同，皆为3枚[12,14,19]。由此可见，这对于不同属竹种在雄蕊数量方面的分类又提供了依据。此外，其雌蕊上具有2分叉羽毛状柱头，与巨龙竹、绿竹、慈竹和青丝黄竹等竹种中雌蕊数量相同，皆为1枚，且呈羽毛状，但巨龙竹雌蕊的柱头上无分叉，慈竹的柱头上则具有1～3分叉，车筒竹和青丝黄竹的柱头上皆具有3分叉[4,6～8,18]。

3.2 棉花竹的雄蕊败育

竹类植物开花与结实都很少，因此竹类植物的种子也较稀有[19]。然而，在野外生长的竹种还是多以种子进行繁殖，而人工栽培的竹种则已失去这种繁殖能力，如人工种植的龙竹(Dendrocalamusgiganteus)和绵竹多为孤立开花但基本都未能获得成熟种子[8,17]。这与杜凡等研究者认为多数野生型竹种形成的种子数明显多于栽培竹种的观点是一致的[20]。

棉花竹在野外仅能找到极少量未成熟种子[1]。在棉花竹雄蕊发育过程中，大量花药的发育受阻或异常导致竹子小花中出现多种花药败育类型，这也是棉花竹结实较少的原因之一。通过对雄蕊败育现象的观察，可将其败育方式总结为4种。首先，整个小花雄蕊的发育都出现异常，花粉粒中造孢细胞未出现。其次，就是药室收缩变形导致其内容物发生融合而聚集在一起，花药壁与药隔也未能正常发育，花药的表皮皱缩而相互紧贴。另外，药室中花粉粒皱缩变形，但花药壁和维管束的发育正常。此外，部分小孢子发育形成仅具有萌发孔而无完整细胞结构的空壳花粉粒。

棉花竹小花雄蕊中花药药室收缩变形以及空壳花粉粒形成的现象，在龙竹、慈竹、绵竹和车筒竹中皆有发现，同时还出现绒毡层过度发育的现象[4,8,18]。在龙竹、月月竹(Menstruocalamussichuanensis)、绵竹、鹅毛竹、爬竹(Drepanostachyummicrophyllum)和青丝黄竹中也出现药室收缩变形导致其内容物发生融合而聚集在一起的现象[4,7～8,12,18,21～22]。由此可见，雄蕊败育的现象在不同竹种中都会出现，这可能是导致竹种结实率较低的主要原因之一。