5个美丽茼麻品种花粉形态扫描电镜观察分析

张家培，吕昊卓，王鑫，冯琪，赵艺璇，田琳，刘冬云

(1 河北农业大学 园林与旅游学院， 河北 保定 071000；2 西北农林科技大学 经济管理学院，陕西 杨凌 712100)

美丽茼麻(Abutilon×hybridum)，别称吊灯花、风铃花等，锦葵科，茼麻属[1]。美丽茼麻起源于美洲的巴西及巴拉圭等地，现分布于世界各地，主要集中在热带及亚热带[2]。

美丽茼麻为灌木，花朵鲜艳，颜色种类繁多，花萼类似钟铃，单花花期2～3 d，花期5-10月，主要花色有黄、红、粉、白，花量较多[3]。因其花朵长相奇特艳丽，姿态优美，种植方式多样，不仅适合绿地栽植、种植于庭院与行道树配植，还可以对其进行剪扎造型盆栽观赏，在中国华南地区多采取盆栽形式或植于庭院[4]。但目前，国内对于美丽茼麻的研究主要集中在扦插繁育及花部形态结构上，关于美丽茼麻花粉形态及系统分类研究较少[3-5]。

有花植物雄蕊中的生殖细胞叫做花粉，花粉携带大量的遗传信息。花粉的种类不尽相同，不同植物的花粉形态有着较大的差异性，数量和活力变化有着比较大的范围[6]。在基因的控制下，使花粉的形态特征在进化的过程中具有保守、可靠和稳定的特性。丰富的遗传信息是研究植物的起源、系统分类、系统发育、品种演化、亲缘关系等方面的重要依据[7]。花粉形态研究，可以用来鉴别植物种类。其中花粉粒的形态、大小，花粉萌发孔的数目、位置、形状以及细尖峰状结构等，在不同的植物中具有物种的特异性，这种特异性受遗传因素的影响控制，解决植物分类系统中的植物物种在地位上问题[8]。 目前，国内外使用扫描电镜观察花粉形态已应用于小苍兰、柳叶马鞭草等植物亲缘关系分析[9-10]。因此，本研究选用5个美丽茼麻的栽培品种，通过观察其花粉形态，比较极轴长、赤道轴长、P/E值、萌发孔的位置、大小、数量以及细尖峰状结构，旨在探讨美丽茼麻品种间的亲缘关系，为将来对美丽茼麻的种质鉴定和利用杂交育种等手段开展种质创新等工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取5个品种美丽茼麻成熟的雄花序为试验材料。美丽茼麻品种名称详情见表1。

表1 供试美丽茼麻植物列表Table 1 List of Abutilon×hybridum varieties for test

1.2 方法

1.2.1 花粉采集 选择生长健壮，没有病虫害的侵扰，均处于盛花期的植物样本。采集新鲜花粉。

1.2.2 预处理 准备在电镜扫描前，应先用戊二醛固定液固定样品浸泡(4 ℃)8 h以上，经过去离子水浸泡3次，时长分别为6，7，8 min，再经过50%乙醇14 min→70%乙醇14 min→85%乙醇14 min→95%乙醇15 min→100%乙醇15 min进行脱水处理。

1.2.3 处理 打开二氧化碳临界点干燥仪气阀，制冷到10℃，放入试验样品，充入CO2液体，静置27 min后放出CO2液体，这个步骤重复3次，然后再次充入CO2液体，加热45 min后关闭总气阀，等待气体全部缓慢放出之后，取出处理后的试验样品。

1.2.4 电镜观察 把花粉均匀弹撒在双面导电胶上，然后喷金处理。其后观察仪器采用HITACHI SU8010扫描电镜观察。选取典型花粉粒进行拍照，在300×视野下拍摄花粉群体，在1 200×视野下拍摄花粉粒个体，在5 000×和8 000×下分别拍摄花粉局部图片。

1.2.5 数据分析 数据分析统计其赤道轴长(E)、极轴长(P)、细尖峰状结构，萌发孔等特征，计算极轴长/赤道轴长(P/E)。根据王开发等人的划分花粉的标准(表2)对花粉形态进行分类[7-8]。使用EXCEL 2010和SPSS 22.0进行数据的分析与处理。

表2 花粉状的分类标准Table 2 Classification criteria of pollen

2 结果与分析

2.1 花粉的外部形态与特征

对5个品种美丽茼麻的花粉的形态的电镜扫描结果进行分析。结果见图1。根据王开发等人的划分花粉的标准[7]进行测量统计，结果见表3。

表3 美丽茼麻花粉形态与大小
Table 3 Size ofAbutilon×hybridumpollen grains

品种Variety极轴长Polar axis length范围/μmRange均值±标准差Average±SD变异系数/%CV赤道轴长Equatorial axis length范围/μmRange均值±标准差Average±SD变异系数/%CVP/E‘樱花’54.4～61.958.25±2.484.2654.3～60.957.46±2.203.831.01‘红姬’56.4～61.858.67±2.073.5350.6～56.554.32±2.103.871.08‘伏姬’48.6～61.855.32±4.568.2447.4～58.352.85±4.678.841.04‘初恋’57.2～62.260.1±1.833.0453.5～61.157.48±2.975.161.04‘小矮人’57.5～61.360.14±1.833.0454.1～62.256.5±2.885.091.11

如图1可知，5个品种美丽茼麻的花粉形态存在形式相同，为单粒。由表3可知，如下结果。

‘樱花’花粉的赤道面与极面均呈现近圆形。极轴(P)长约58.25 μm(54.4～61.9 μm)，变异系数为4.26%。花粉赤道轴(E)长约57.46 μm(54.3～60.9 μm)，变异系数为1.01%。‘樱花’花粉粒上的从表面伸出的细尖峰状结构高度平均值为3.51 μm(3.2～3.9 μm)。细尖峰状结构底部平均宽度约2.68 μm(2.3～3.1 μm)。萌发孔的大小范围在0.1～1.9 μm之间。‘红姬’花粉的赤道面与极面均呈现近圆形。极轴(P)长约58.67 μm(56.4～61.8 μm)，变异系数为3.53%。花粉赤道轴(E)长约54.32 μm(50.6～56.5 μm)，变异系数为1.08%。‘红姬’花粉粒上从表面伸出的细尖峰状结构平均高度约2.73 μm(2.1～3.1 μm)。细尖峰状结构底部平均宽度约2.19 μm(1.5～2.5 μm)。萌发孔的大小范围在0.1～0.5 μm之间。‘伏姬’花粉的赤道面与极面均呈现近圆形。极轴(P)长约55.32 μm(48.6～61.8 μm)，变异系数为8.24%。花粉赤道轴(E)长约52.85 μm(47.4～58.3 μm)，变异系数为1.04%。‘伏姬’花粉粒上从表面伸出的细尖峰状结构平均高度约3.00 μm(2.7～3.5 μm)。细尖峰状结构底部平均宽度约2.65 μm(2.2～3.5 μm)，最大值3.1 μm，最小值2.2 μm。萌发孔的大小范围在0.1～1.6 μm之间。

‘初恋’花粉的赤道面与极面均呈现近圆形。极轴(P)长约60.10 μm(57.2～62.2 μm)，变异系数为3.04%。花粉赤道轴(E)长约57.48 μm(53.5～61.1 μm)，变异系数为1.04%。‘初恋’花粉粒从表面伸出的细尖峰状结构平均高度约3.63 μm(3.3～4.0 μm)细尖峰状结构底部平均宽度约3.13 μm(2.2～3.6 μm)。萌发孔的大小范围在0.1～0.7 μm之间。

‘小矮人’花粉均是呈现近圆形的赤道面与极面。极轴(P)长约60.14 μm(57.5～61.3 μm)，变异系数为3.04%。花粉赤道轴(E)长约56.50 μm(54.1～62.2 μm)，变异系数为1.11%。‘小矮人’花粉粒上从表面伸出的细尖峰状结构平均高度约3.54 μm(3.2～3.9 μm)。细尖峰状结构底部宽平均度约2.80 μm(2.5～3.4 μm)。萌发孔的大小范围在0.1～0.7 μm之间。

以上数据表明，美丽茼麻花粉的极轴长度为47.4～62.2 μm，花粉粒极轴比较大的为‘初恋’和‘小矮人’，花粉粒极轴比较小的为‘红姬’和‘伏姬’。试验的5种花粉中的P/E值均在1.14～0.88之间，均属于近球形花粉。

2.2 萌发孔与外壁纹饰特征

根据图1及以上数据研究观察分析可得，5种美丽茼麻属植物的花粉颗粒形态特征相似，大小没有明显差异。外壁呈网状，萌发孔附着在外壁上，均匀分布，大小不规则，大小各异。细尖峰状结构均匀无规则分布于外壁上，上窄下宽，向外部延伸。

2.3 聚类分析

参考顾欣、韩柏明等的分析方法，以极轴长、赤道轴长、萌发孔、细尖峰状结构为原始数据提取主成分，再以美丽茼麻的5个品种的主要成分得出聚类分析[11-12]，结果见图2。

图2 5个美丽茼麻品种的花粉形态聚类分析Figure 2 Cluster analysis of pollen morphology of 5 Abutilon×hybridum varieties

由图2可知，在遗传距离1.0处时，美丽茼麻的5个品种被划为2类，其中‘初恋’、‘小矮人’聚为一类，‘樱花’、‘红姬’与‘伏姬’聚为一类；当遗传距离为3.0时，‘樱花’、‘小矮人’与‘初恋’合为一类，‘红姬’、‘伏姬’各自为一类；当遗传距离为9.0时，‘红姬’、‘小矮人’、‘樱花’与‘初恋’等合为一类，‘伏姬’独自聚为一类。

3 结论与讨论

美丽茼麻花粉的极轴长度为47.4～62.2 μm。试验的5个品种花粉中的P/E值均在1.14～0.88之间，均属于近球形花粉。美丽茼麻花粉外壁分布有大小不均形态各异的萌发孔。细尖峰状结构均匀无规则分布于外壁上，上窄下宽，向外部延伸。5个品种花粉粒由大到小排序为：‘初恋’、‘小矮人’、‘樱花’、‘红姬’、‘伏姬’。根据聚类分析结果来看，‘伏姬’与其他4个品种有着比较远的亲缘关系，进化程度较高，而‘初恋’等为较原始的品种。

本试验研究表明，5个美丽茼麻品种的花粉粒在形状、萌发孔的位置、外壁纹饰等方面的相似性说明该种的高度统一：花粉粒形状均为近球形，极轴面和赤道面均为近圆形。但在花粉极轴、赤道轴长度、极轴与赤道轴比值大小、萌发孔的大小以及从表面伸出的细尖峰状结构形状等方面的差异说明了不同品种间的遗传差异性，其中极轴的变异系数在3.04～8.24之间；赤道轴的变异系数在3.83～8.84之间；最为稳定的为P/E值，可作为区分不同的品种的一项比较可靠的参数。聚类分析结果表明在遗传距离1.0时，美丽茼麻的5个品种被划为2类，其中‘初恋’、‘小矮人’聚为一类，‘樱花’、‘红姬’、‘伏姬’各自为一类；当遗传距离为3.0时，‘樱花’、‘小矮人’与‘初恋’合为一类，‘红姬’、‘伏姬’聚为一类；当遗传距离为9.0时，‘红姬’、‘小矮人’、‘樱花’与‘初恋’等合为一类，‘伏姬’独自聚为一类。

花粉与其他生殖器官同样很少受到环境因素的影响，花粉的形态特征是物种亲缘关系和分类研究的重要依据[13]。在有关孢粉学的研究中，在植物进化方面有多种不同观点，周守标关于花粉粒外壁纹饰特征的进化规律则与Erdtman有关被子植物的研究相关一致性，被子植物的花粉粒大小是由大到小进化的，花粉粒体积较大的被子植物为比较原始的[14-15]。花粉外壁纹饰演化是由光滑表面结构向孔穴状发展，再由孔穴状向条纹状演化[16-17]。条纹的大小、宽窄、深浅等特征可以反映花粉外壁纹饰的差异，也可以成为衡量被子植物进化程度的主要依据。综上所述，美丽茼麻的花粉形态特征具有重要的分类学价值，可作为划分种内品种间水平的划分依据。