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红肉火龙果花器官发生与发育过程观察

孙佩光 程志号 孙长君 郭素霞 郭刚 苗红霞 李洪立 吴琼

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红肉火龙果花器官发生与发育过程观察

    作者简介: 孙佩光(1980-),男,博士,副研究员,主要研究方向:热带果树遗传改良(E-mail:sunpeiguang888@sina.com)
    通讯作者: 吴琼(1974-),男,研究员,主要研究方向:热带果树遗传改良( E-mail:lihongli29@163.comwuqiong2046@126.com)
  • 基金项目:

    中国热带农业科学院热带特色园艺作物种质资源收集、保存和创新利用团队项目(17CXTD-02),海南省自然科学基金项目(318MS103,319MS094)

  • 中图分类号: Q 945.65

Floral Organogenesis of Red Pitaya (Hylocereus monacanthus)

  • 摘要:   目的  通过研究红肉火龙果花器官发生次序、解剖结构和形态特征,为火龙果花芽分化期划分和花期调控等研究提供参考。  方法  以红肉火龙果不同发育时期的花芽为材料,使用基恩士VHX-5000数码显微镜对花器官发生和发育过程进行观察。  结果  红肉火龙果花芽从枝条上的刺座下方发生;萼片原基、花瓣原基呈螺旋状发生。雄蕊原基多轮着生于花被片基部,近轴端雄蕊原基发育早于远轴端。花药着生方式为基着药,具4个花粉囊,对称排列,纵裂。心皮原基多达30个且同时发生,多个心皮原基底部愈合形成侧膜胎座和下位子房,子房1室。2行胚珠着生于腹缝线上,拳卷胚珠。心皮原基顶部收拢且向上分化出花柱和柱头。成熟的柱头浅裂24~30裂,柱头表面密布乳突细胞;花柱中空,花柱道密布乳突状细胞。  结论  红肉火龙果花器官发生次序为萼片原基–花瓣原基–雄蕊原基–雌蕊原基,部分花器官发生和发育在时间上存在重叠性。
  • 图 1  花被片和心皮原基的发生发育过程

    Fig. 1  Initiation and developmental process of tepals and carpellary primordia

    图 2  雄蕊原基和胚珠原基的发生发育过程

    Fig. 2  Initiation and development of stamen and ovule primordia

    图 3  胚珠原基、雌蕊和雄蕊发育过程

    Fig. 3  Development of ovule primordia, stamen, and pistil

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出版历程
    收稿日期: 
  • 初稿:  2020-03-30
  • 修改稿:  2020-08-17

红肉火龙果花器官发生与发育过程观察

    通讯作者: 李洪立, lihongli29@163.com
    通讯作者: 吴琼, wuqiong2046@126.com
    作者简介: 孙佩光(1980-),男,博士,副研究员,主要研究方向:热带果树遗传改良(E-mail:sunpeiguang888@sina.com)
  • 1. 中国热带农业科学院海口实验站/海南省香蕉遗传改良重点实验室,海南 海口 571101
  • 2. 中国热带农业科学院热带生物技术研究所,海南 海口 571101
  • 3. 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所,海南 海口 571737

摘要:   目的  通过研究红肉火龙果花器官发生次序、解剖结构和形态特征,为火龙果花芽分化期划分和花期调控等研究提供参考。  方法  以红肉火龙果不同发育时期的花芽为材料,使用基恩士VHX-5000数码显微镜对花器官发生和发育过程进行观察。  结果  红肉火龙果花芽从枝条上的刺座下方发生;萼片原基、花瓣原基呈螺旋状发生。雄蕊原基多轮着生于花被片基部,近轴端雄蕊原基发育早于远轴端。花药着生方式为基着药,具4个花粉囊,对称排列,纵裂。心皮原基多达30个且同时发生,多个心皮原基底部愈合形成侧膜胎座和下位子房,子房1室。2行胚珠着生于腹缝线上,拳卷胚珠。心皮原基顶部收拢且向上分化出花柱和柱头。成熟的柱头浅裂24~30裂,柱头表面密布乳突细胞;花柱中空,花柱道密布乳突状细胞。  结论  红肉火龙果花器官发生次序为萼片原基–花瓣原基–雄蕊原基–雌蕊原基,部分花器官发生和发育在时间上存在重叠性。

English Abstract

    • 【研究意义】被子植物花器官发生与发育过程特征对于探讨花及其各个器官的起源、进化、系统分类有着重要的意义,同时为体外有效调控花期提供重要的参考依据[13]。火龙果属于仙人掌科(Cactaceae)量天尺属[Hylocereus(Berg.)Britt. et Rose]的果用栽培种[2],是一种集保健、食用为一体的新兴热带水果,具有较高的经济价值和广阔的开发利用前景[45]。研究火龙果花器官发生与发育过程特别是花器官发生次序,将为精准调控花期、提高产量,并为系统分类与花芽分化期划分奠定理论基础。【前人研究进展】火龙果花为雌雄同花,成熟的花由花托、花柄、花萼、花瓣、雄蕊群和雌蕊群(包括柱头,花柱和子房)等部分组成[6]。自然状态下火龙果的坐果率较低,其原因可能与火龙果柱头高于雄蕊、花粉萌发率较低(约为43.9%~65.76%)和花期阴雨天气等因素影响有关[7-9]。研究表明,小孢子减数分裂过程异常和减数分裂后有丝分裂过程异常等均可导致花粉活力降低[10]。学者对火龙果小孢子发生和雄配子体形成过程进行观察[11-12],报道了小孢子减数分裂过程的异常现象,导致其花粉活力降低的原因尚不明确。为了提高火龙果坐果率,改善果实品质,人工授粉、液体授粉和雨季套袋授粉技术[9, 13-14]相继被开发和推广,显著提高了火龙果的产量和种植效益。火龙果是长日照植物,延长光照时间可以促进其花芽分化。通过用人工补光技术,可以调节火龙果产期,实现火龙果11月至次年5月份的鲜果供应[15]。但人工补光时宜选择混合灯光如红黄灯或蓝红光(比例为14),混合灯光的催花效果优于单一白光和黄光[15-16]。【本研究切入点】目前关于人工补光催花的理论研究滞后,对于该技术的风险预备不足,开展火龙果花器官发生和发育过程的研究显得尤为必要。而有关花器官发生与发育过程的研究主要集中在梨[17]、樱桃[18]、杏[19]以及柑橘[20]等园艺作物上,至今尚未对火龙果花器官发生和发育过程进行系统研究。已有的报道关于火龙果花粉囊数量的描述尚有争议[6, 11, 21],火龙果花粉活力降低的原因尚需进一步深入探讨。火龙果花器官发生次序是否与梨、樱桃、柑橘等果树存在差异尚不清楚。为此本研究从火龙果花器官发生次序入手,通过系统了解其解剖结构特点,对其花器官发生和发育过程进行描述,为今后有效调控花期、提高产量、错峰上市等奠定基础。【拟解决的关键问题】本研究拟对火龙果花芽发生部位、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基及雌蕊原基研究的基础上,系统了解火龙果花器官发生与发育过程,旨在为火龙果花期划分、花期调控提供理论依据。

    • 试验材料为引自台湾的红肉火龙果(Hylocereus monacanthus)品种大红,花芽样品采自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所儋州果树实验基地。2018年3~6月,在大红火龙果花芽分化期,每隔1~2 d采集花芽,卡诺固定液(V无水乙醇V冰醋酸=31)固定24 h后,移至70%乙醇溶液中,4 ℃保存。在体视显微镜下,用镊子去除花原基上多余的萼片和花瓣,显露观察部位,滤纸吸干水分,使用基恩士数码显微镜(KEYENCE,VHX-5000)拍照观察。

    • 大红火龙果枝条上分布着许多小窼,下方突起又称刺座,是变态的短枝末端,其基部与主枝木质部相连。刺座上分布2~3个木质化的短刺,花芽、叶芽均从刺座下方发生。短刺座下为2~3个呈螺旋状排列的初始萼片原基(图1-AB)。3月中下旬~4月上旬,经过纵向生长和横向生长,坚硬的鳞片将刺座上的短刺和腺毛顶起,火龙果芽鳞凸起成半圆形花芽(图1-CD)。经过一段时间的生长,生长点逐渐呈宽圆锥形(图1-D 、EF),顶部增宽且渐趋平坦,萼片原基进一步分化。随后生长点由点状突起变得平坦,萼片原基内侧分化出花瓣原基(图1-GH、I),花芽分化进入花瓣原基分化期。初始时花被片多呈螺旋状发生,分化完成的萼片和花瓣围绕着花轴逆时针覆瓦状排列(图1-L)。

      图  1  花被片和心皮原基的发生发育过程

      Figure 1.  Initiation and developmental process of tepals and carpellary primordia

    • 花被片分化完成后,顶部生长点呈球形(图1-DF),之后花芽顶部由球型凸起变成“T”型凸起,随后在生长点附近和花瓣原基底部周围分化出多层点状雄蕊原基(图1-FH),散布在花被片基部(图2-A、B)。多层雄蕊原基组合成多层环状雄蕊原基群(图 2-C、D),花芽分化进入雄蕊原基分化期。同一轮的雄蕊发育状态基本相同,近轴端的雄蕊原基分化先于远轴端。雄蕊原基分化初期为点状或半球型凸起(图1-FK),随后经历扁平状–拇指状–扁平铲状–四棱状等形态(图2-A、B、C、D、EFJ)。雄蕊原基上端分化出花药,下部分化形成细长的花丝(图3-F , H)。当心皮原基腹缝线边缘开始分化点状的胚珠原基时,雄蕊原基上端已经完成了花药的分化,下端也发育为花丝(图2-G)。随着胚珠原基的发育,花药和花丝增粗、变长,直至大红火龙果花开放前,花药充实饱满,花粉囊内充满花粉粒。花药为基着药,具4个花粉囊,对称分布在药隔周围(图3-HI);花药囊横截面为圆形,花药纵裂。

      图  2  雄蕊原基和胚珠原基的发生发育过程

      Figure 2.  Initiation and development of stamen and ovule primordia

      图  3  胚珠原基、雌蕊和雄蕊发育过程

      Figure 3.  Development of ovule primordia, stamen, and pistil

    • 大红火龙果花芽长度为0.5-1.5 cm左右时,花芽中部的“T”型凸起的四周逐渐向上抬升,在其周围逐渐分化出一圈点状或半球形的心皮原基,生长点中部逐渐下凹(图1-J),标志着花芽分化进入雌蕊原基分化期。随后,心皮原基发育成30个舌状组织(图1-K),侧向生长促使心皮原基底部愈合并膨大,顶部逐渐收拢。大红火龙果的心皮原基多达30个,多个心皮边缘彼此愈合形成典型的侧膜胎座,子房1室(图1-K;图2-G)。胚珠原基着生于两心皮边缘相连处的腹缝线上(图3-A、B、C),起始时胚珠原基为半球形凸起,沿心皮愈合方向排列成2列(图2-HI、K、L)。大红火龙果的子房全部与凹下的花托愈合,形成下位子房上位花。雌蕊原基向上伸长并分化出花柱和柱头(图2-G)。随着花芽顶部分生组织纵向分裂速度加快,花蕾变长,花瓣、花柱和柱头等花器官的形态增大。大红火龙果胚珠原基上端分化为胚珠,下端分化出珠柄。胚珠类型为拳卷胚珠,其特点是珠柄卷曲且将胚珠包裹,珠柄末端与腹缝线内侧相连(图3-D、E)。成熟柱头浅裂,柱头多达24~30裂,密布乳突状细胞(图3-G、J);花柱中空且花柱道内密布乳突状突起,这些突起多由花柱内表皮细胞发育而来,构成特殊的通道细胞(图3-KL)。

    • 花器官发生与发育过程直接影响花期划分、花期调控及果实产量和品质,一直是果树育种学家关注的热点问题之一。前期学者借助石蜡切片法[11, 19]、光学显微镜和扫描电镜[12 , 22]等技术研究果树花器官发生与发育过程。笔者使用基恩士数码显微镜(KEYENCE,VHX-5000)较系统地观察了大红火龙果花器官发生与分化过程,结果发现其拍摄的图像三维立体感强,能够更加直观呈现雄蕊原基、心皮原基、胚珠原基等花器官发生和发育的整体和局部细节特征。此外,还可以实现新鲜样品现采现拍,具有节省时间、节约试剂、操作简单等优点。

      火龙果植物学性状的研究相对滞后,仅见中国植物志[21]关于量天尺属的文字记载和植物学性状的描述,以及一些学者对于火龙果花形态结构[6]、花粉囊结构的描述[11]。中国植物志中记载仙人掌科花药形态特征为“花药基部着生,2室,药室平行,纵裂”[21];后来一些学者的研究也得出同样结论[6]。但本研究发现大红火龙果花药具4室,4个花粉囊,对称排列在药隔周围,与王鑫[11]等的报道一致。

      甜樱桃[18, 23]、杏李[19]、温州蜜柑[20]等花芽分化时期的划分依据花原基、萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊等组织形态的出现为标准。本研究表明,大红火龙果花器官发生次序为萼片原基、花瓣原基、雄蕊原基、雌蕊原基,其发生次序与甜樱桃[18, 23]、杏李[19]、温州蜜柑[20]等果树的发生次序一致,符合大多数被子植物花器官发生的一般规律。但大红火龙果花器官分化是一个连续分化过程,部分花器官分化和发育过程存在重叠性。为了更好地对火龙果花芽分化时期进行准确划分,我们还需要对其花原基分化、萼片原基分化和花瓣原基分化过程进行深入观察。

参考文献 (23)

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