王筱璐,吳寶成,周義峰,杭悅宇

〔江蘇省·中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園),江蘇 南京 210014〕

盾葉薯蕷 (DioscoreazingiberensisC.H.W right)隸屬薯蕷科 (D iosco reaceae)薯蕷屬 (DioscoreaL.)根狀莖組(Sect.StenophoraU line),為中國特有種[1],主要分布在河南南部、湖北、湖南、陜西秦嶺以南、甘肅天水以及四川等省海拔 100～1 800m的平地和高山區(qū)域。盾葉薯蕷花單性,雌雄異株,由于其根狀莖內(nèi)含有薯蕷皂苷元,因此,被認為是重要的甾體激素藥源植物[2]。

已有研究證實,盾葉薯蕷根狀莖內(nèi)的薯蕷皂苷元含量與其性別具有明顯相關(guān)性,如：栽培盾葉薯蕷同年生和 2年生雄株的薯蕷皂苷元含量顯著高于雌株[3-4]；雌雄同株的薯蕷皂苷元含量介于雌株和雄株之間且更接近于雄株[4]。由于性別與薯蕷皂苷元含量間具有一定的相關(guān)性,因而,對盾葉薯蕷的性別類型進行研究具有非常重要的意義。符策等[5]觀察到產(chǎn)自廣西的 1年生栽培盾葉薯蕷的開花植株有 4種性別類型,即雌株、雄株、雌雄同株異序和雌雄同序異花,其中雌株占 16.6％,雄株占 82.7％。盾葉薯蕷在產(chǎn)業(yè)化栽培過程中完全以地下根狀莖進行無性繁殖,因此,栽培盾葉薯蕷性別的多樣化究竟是栽培過程中引起的變異還是物種固有的特性?在栽培過程中性別是否會發(fā)生變化且如何變化?這一系列的問題目前尚未見研究報道。

作者以盾葉薯蕷野生資源保存較好的湖北武當(dāng)山區(qū)為研究區(qū)域,觀察了野生盾葉薯蕷植株的性別表型特征,同時對栽培于江蘇省·中國科學(xué)院植物研究所實驗地內(nèi)的盾葉薯蕷的性別特征進行了連續(xù) 3年的觀察,并比較了母根狀莖和子根狀莖的性別特征差異,以探索盾葉薯蕷在自然生境中的性別特點及栽培過程對盾葉薯蕷性別的影響,為薯蕷屬植物繁育系統(tǒng)的研究提供基礎(chǔ)研究資料,也為盾葉薯蕷的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況和研究方法

1.1 野生盾葉薯蕷樣地自然概況

目前,野生盾葉薯蕷的主要分布地[6-7]為湖北武當(dāng)山區(qū),因此,本研究選擇武當(dāng)山分布的野生盾葉薯蕷進行性別特征觀察。武當(dāng)山地處北緯 32°23′、東經(jīng)110°68′,主峰海拔 1 612 m。據(jù)記載[8],海拔 900 m以上的高山地帶年均溫 9.7℃,極端最高溫 34.1℃,極端最低溫 -18℃,≥10℃的年積溫 2 831℃,無霜期 183 d,年降雨量 1 125mm；海拔 155m的漢水河谷地帶年均溫 15.9℃,極端最高溫 41.5℃,極端最低溫 -12.4℃,≥10℃的年積溫 4 926.7℃,無霜期250 d,年降雨量 850mm。

1.2 實驗材料

于 2006年 6月 30日至 7月 7日 (盛花期)在武當(dāng)山共劃定了具有典型性的6個樣地(包括 4個樣帶和 2個樣方)觀察野生盾葉薯蕷的性別特征,樣地多位于林間小徑兩旁及公路兩旁山坡上,各樣地的具體狀況見表1。

供試栽培盾葉薯蕷則于 2003年秋引自湖北武當(dāng)山,共 153株。挖取根狀莖并栽培于江蘇省·中國科學(xué)院植物研究所實驗地內(nèi),株距 0.8m、行距 1m,地力均勻,采取正常的田間管理措施。

1.3 觀察方法

1.3.1 野生盾葉薯蕷性別特征觀察 于 2006年 6月 30日至 7月 7日分別對湖北武當(dāng)山 6個樣地內(nèi)的全部 717株野生盾葉薯蕷進行觀察,并對開花植株的性別特征進行觀察及統(tǒng)計。

表1 湖北武當(dāng)山野生盾葉薯蕷樣地概況Tab le 1 Plot survey of w ild D iosco rea zingiberensis C.H.W r igh t in W udangM oun ta in of HubeiProv ince

1.3.2 栽培盾葉薯蕷性別特征觀察 2004年至2006年連續(xù) 3年于每年的 3月份進行盾葉薯蕷栽種,每年 12月份起出盾葉薯蕷的根狀莖越冬貯藏,在每年的花期對植株的性別進行觀察和統(tǒng)計,并計算 2005年和 2006年的性別變異率。其中,2005年的變異率統(tǒng)計以 2004年相應(yīng)性別的基株數(shù)為基數(shù),2006年統(tǒng)計時仍以 2004年相應(yīng)性別的基株數(shù)為基數(shù),并計算增加的變異率。在統(tǒng)計過程中,將死亡的植株視為未發(fā)生變異,不計入變異數(shù)進行統(tǒng)計。

另外,在每年起出盾葉薯蕷的根狀莖時,將子根狀莖(新生的 1年生根狀莖)另行貯藏并栽種,觀察子根狀莖萌發(fā)植株的性別,并與母根狀莖萌發(fā)植株的性別進行比較。在進行盾葉薯蕷的性別觀察和統(tǒng)計時,將引種的每個根狀莖和每年新長出或斷下并另行栽種的所有子根狀莖以及其地上部分作為 1個基株(genet,以下簡稱株)進行統(tǒng)計。

2 結(jié)果和分析

2.1 野生盾葉薯蕷的性別特征

湖北武當(dāng)山區(qū)野生盾葉薯蕷的每個根狀莖約有8～10個指狀分支,但通常僅有 1個分支能長出纏繞莖。在野生狀況下,武當(dāng)山區(qū)的盾葉薯蕷常呈片狀分布,但各分布區(qū)域相距較遠,約幾十至幾百米,在分布區(qū)域內(nèi)盾葉薯蕷的密度通常較小,以其中 2個樣地 (2號樣帶和 5號樣方)的數(shù)據(jù)為參照進行估算,在 100 m2面積內(nèi)約有 2～14株。

由武當(dāng)山野生盾葉薯蕷的性別表型特征統(tǒng)計結(jié)果(表 2)可見,調(diào)查區(qū)域內(nèi)共有野生盾葉薯蕷 717株,但僅有 155株開花,約占觀察植株總數(shù)的 21.6％。在 155株開花盾葉薯蕷植株中僅有 1株為雌雄同株,并且位于同一根纏繞莖上,其余均為雌雄異株。此外,各樣地雌雄株比例為 1∶1～1∶3,平均雌雄株比例為 1∶1.57。

表 2 湖北武當(dāng)山野生盾葉薯蕷性別特征的觀察結(jié)果Tab le 2 O bserva tion resu lt of sex character of w ild D ioscorea zingiberensis C.H.W r igh t in W udangM oun ta in of HubeiProv ince

2.2 栽培盾葉薯蕷的性別特征及變異

2.2.1 栽培盾葉薯蕷的性別特征 連續(xù) 3年在盛花期對 153株栽培盾葉薯蕷進行性別特征觀察和統(tǒng)計,結(jié)果見表3。

由表 3可見,2004年,雄株有 78株,占基株總數(shù)的 50.98％；雌株有 62株,占基株總數(shù)的 40.52％；雌雄同株有 13株,僅占基株總數(shù)的 8.50％；每個基株的纏繞莖數(shù)僅為 1～2支。2005年,雄株和雌株數(shù)量大幅度減少,分別只有 35和 19株；雌雄同株的數(shù)量則大幅度增加,達到 88株,占基株總數(shù)的 57.52％,比上一年的雌雄同株基株數(shù)量增加了近 6倍；同時,有 11株沒有開花；每個基株的纏繞莖數(shù)略有增加,為 5～6支。2006年,有 16株在冬季保存過程中死亡,故未栽種,其余 137株成活植株中雄株數(shù)量略有上升,為 38株；而雌株數(shù)量則繼續(xù)下降,僅剩 9株；雌雄同株 33株；由于 2006年未開花的基株數(shù)量明顯增多 (57株),因而雌雄同株占基株總數(shù)的比例降至 21.57％,但仍占開花植株數(shù)的 41.25％；每個基株纏繞莖數(shù)與2005年相近,為 5～6支。

表 3 2004年至 2006年栽培盾葉薯蕷性別特征的觀察結(jié)果Tab le 3 O bserva tion resu lt of sex character of cu ltiva ted D iosco rea zingiberensis C.H.W r igh t from 2004 to 2006

2.2.2 栽培盾葉薯蕷的性別變異 栽培盾葉薯蕷成活基株的性別變異狀況詳見圖 1。結(jié)果表明,在栽培條件下,盾葉薯蕷基株的性別隨栽培年限的增長發(fā)生一定的變異,且變異幅度較大。

由圖 1可見,2004年栽培的盾葉薯蕷中有 78株為雄株,至 2005年其中 22株仍為雄株,8株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦?40株轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁?2005年的總變異率達到61.54％。到了 2006年,2005年未產(chǎn)生變異的雄株中又有 2株轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁?變異率增加了 2.56％；而在 2005年轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦甑亩苋~薯蕷中又有 2株返變?yōu)樾壑?變異率又增加了 2.56％；2005年變?yōu)榇菩弁甑幕曛蟹謩e有 8株和 3株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑旰痛浦?變異率分別增加了 10.26％和 3.85％。

由圖 1還可以看出,2004年栽培的盾葉薯蕷中有62株為雌株,到 2005年其中 10株仍為雌株,而有 11株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑辍?8株轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁?2005年的總變異率高達 79.03％。在 2006年,2005年未變異的 10株雌株中又有 2株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑辍?株轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁?變異率總計增加了 4.84％；而在 2005年變?yōu)樾壑甑幕曛杏钟?株轉(zhuǎn)變?yōu)榇菩弁?變異率增加了4.84％；在 2005年變?yōu)榇菩弁甑幕曛蟹謩e有 5株和 2株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑旰痛浦?變異率分別增加了8.06％和 3.23％。

圖 1的統(tǒng)計結(jié)果還顯示,2004年栽培的盾葉薯蕷中雌雄同株的基株為 13株,到 2005年其中的 2株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑辍?株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦?2005年的總變異率為23.07％；2005年未變異的 10株雌雄同株基株在2006年又各有 1株分別轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑旰痛浦?變異率總體上增加了 15.38％。此外,2005年轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑甑幕曛杏?1株在 2006年又返變?yōu)榇菩弁?變異率增加了7.69％。

總體而言,2005年存活并開花的盾葉薯蕷基株中共有 100株發(fā)生了變異,但在 2006年有 13株返變回原性別,有 26株保持了 2005年變異的性別,有 11株變異為第 3種性別。統(tǒng)計結(jié)果顯示,栽培 3 a后,盾葉薯蕷雄株的總變異率達到 80.77％,雌株的總變異率達到 100.00％,雌雄同株的總變異率達到 46.14％。

2.2.3 栽培盾葉薯蕷母根狀莖及子根狀莖的性別變異 在 2004年起出栽培盾葉薯蕷根狀莖時,從 52個根狀莖上斷下 1年生根狀莖作為子根狀莖,保存越冬后,于次年進行種植。在 2005年盾葉薯蕷的花期觀察子根狀莖萌發(fā)植株的性別表型并與對應(yīng)的母根狀莖萌發(fā)植株的性別進行比較,結(jié)果見表 4。

由表 4可見,共有 26個子根狀莖萌發(fā)植株的性別與其母根狀莖萌發(fā)植株有差異,總體變異率達到約50％。其中,母根狀莖萌發(fā)植株為雄株的,其子根狀莖萌發(fā)植株的總變異率最高,達到 59.09％；母根狀莖萌發(fā)植株為雌株的,其子根狀莖萌發(fā)植株的總變異率也較高,達到 50.00％；母根狀莖萌發(fā)植株為雌雄同株的,其子根狀莖萌發(fā)植株的總變異率相對較低,僅為41.67％。

圖 1 2004年至 2006年栽培盾葉薯蕷成活基株性別變異狀況F ig.1 Sex var ia tion sta tus of surv iva lgenets of cu ltiva ted D iosco rea zingiberensis C.H.W r igh t from 2004 to 2006

表 4 栽培盾葉薯蕷同一基株母根狀莖及子根狀莖的性別變異狀況Tab le 4 Survey of sex var ia tion between paren t rh izom e and progeny rh izom e from sam e genet of cu ltiva ted D iosco rea zingiberensis C.H. W r igh t

3 討 論

通常情況下,野生盾葉薯蕷的分布密度較低,雌雄植株分布較均勻；根狀莖呈不規(guī)則指狀生長,延伸廣度遠小于地上部分的平均株距；1個根狀莖只生長出 1支纏繞莖,沒有出現(xiàn)由于根狀莖逐年增生而在 1個基株上生長出多個單株的情況,因此,有性繁殖是野生盾葉薯蕷的主要繁殖方式。薯蕷科是比較原始的單子葉植物,在薯蕷科中演化較原始的屬 (如AvetraPerrier.等)具有兩性花[9],而野生盾葉薯蕷所在的根狀莖組在薯蕷屬中的演化地位最原始[10],也有兩性花向單性花過渡的種類,如馬腸薯蕷 (D.simulansPrain etBurkill)[11],因此,在野生狀況下盾葉薯蕷出現(xiàn)極少量的雌雄同株個體可認為是殘存的原始性狀。

野生盾葉薯蕷性型表達明確、性系統(tǒng)簡單,而栽培盾葉薯蕷與野生盾葉薯蕷相比出現(xiàn)了明顯不同的性別表型。隨著生長年限的增加,栽培盾葉薯蕷同一根狀莖的地上纏繞莖數(shù)明顯增加,平均可達 5～6支,形成一個較大的分支系統(tǒng),性別表達也由原來的單性別表達逐年轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)同株內(nèi) (包括同一基株內(nèi)和母根狀莖與子根狀莖間)很高比例的性別轉(zhuǎn)變：雌雄單性異株向雌雄同株轉(zhuǎn)變的較多,其反向轉(zhuǎn)變卻較少,雌株和雄株間的相互轉(zhuǎn)變逐年減少,特別應(yīng)該注意的是雌性基株數(shù)量減少較多。

植物的性別表達是一個極其復(fù)雜的、受到許多內(nèi)在因素和外界因子共同影響的基因表達調(diào)控的過程。目前,相關(guān)專家已在水稻 (OryzasativaL.)[12]、玉米(ZeamaysL.)[13]和擬南芥〔Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.〕[14]等多種植物中找到特異的性別表達基因。有學(xué)者對環(huán)境因子影響瓜類性別表現(xiàn)進行了研究,結(jié)果顯示：較低的溫度(尤其是夜溫)和較短的日照能夠促進瓜類的雌花分化,而較高的溫度和較長的日照則能夠促進雄花分化；此外,土壤中的養(yǎng)分、水分和空氣中的氣體成分也會影響瓜類作物的性別表現(xiàn)[15]。如果不考慮自然條件下發(fā)生頻率極低的體細胞遺傳突變,盾葉薯蕷同一基株的母根狀莖與子根狀莖間以及不同年份同一基株的性別表現(xiàn),理論上應(yīng)該是完全相同的[16],但在栽培條件下卻出現(xiàn)了復(fù)雜的性系統(tǒng)及大幅度的性別變異,這些變異可能是由于外界環(huán)境中生物或非生物因子的影響導(dǎo)致性別分化與表達的不穩(wěn)定而造成的,但是這些生物或非生物因子中哪一種或哪幾種起決定性作用?是否導(dǎo)致栽培盾葉薯蕷在遺傳結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了變異?這些問題仍需進一步深入的研究和探討。

[1］D ing Z Z,GilbertM G.D ioscoreaceae[M]∥W u Z Y,Raven PH. Flora of China：Vol.24.Beijing：Science Press,St.Louis：M issouriBotanical Garden Press,2000：276-297.

[2］丁志遵,王意成,周雪林,等.甾體激素原料植物——盾葉薯蕷的單株篩選[M]∥南京中山植物園.南京中山植物園研究論文集：1980.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1981：81-86.

[3］譚遠友,余展深,齊迎春,等.栽培盾葉薯蕷中皂甙元含量與質(zhì)量的動態(tài)變化[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2000,18 (1)：17-18.

[4］曹玉芳,王太霞,胡正海.盾葉薯蕷根狀莖不同部位和不同生長期薯蕷皂苷元含量的差異性研究[J].中草藥,2004,35(5)： 562-566.

[5］符 策,陸祖正,周 婧,等.盾葉薯蕷開花結(jié)果調(diào)查[J].廣西熱帶農(nóng)業(yè),2005(1)：10-12.

[6］李軍超,李向民,郭曉思,等.盾葉薯蕷研究進展[J].西北植物學(xué)報,2003,23(10)：1842-1848.

[7］徐成基.中國薯蕷資源 [M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版杜, 2000：1-349.

[8］朱延鈞,楊立華,張國才.武當(dāng)山盾葉薯蕷生態(tài)環(huán)境及其分布規(guī)律[J].資源開發(fā)與市場,1998,14(3)：124-125,142.

[9］萬金榮,丁志遵,秦慧貞.薯蕷科植物地理學(xué)的研究[J].西北植物學(xué)報,1994,14(2)：128-135.

[10］杭悅宇,徐珞珊,史德榮,等.中國薯蕷屬植物地下莖淀粉粒形態(tài)特征及其分類學(xué)意義[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報,2006, 15(4)：1-8.

[11］杭悅宇.中藥萆薢類的基源、鑒定及質(zhì)量評價研究[D].南京：中國藥科大學(xué)生藥學(xué)院,2007：30-34.

[12］陳 銳,高之楨,詹樹萱,等.2個水稻花發(fā)育相關(guān)MADS-box基因的全序列 cDNA克隆及結(jié)構(gòu)分析[J].復(fù)旦學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,42(4)：570-575.

[13］Schm id t R J,Veit B,M andelM A,et al.Identification and molecular characterization ofZAG1,the m aize homolog of theArabidopsisfloral homeotic gene AGAMOUS[J].The PlantCell, 1993,5：729-737.

[14］Tzeng T Y,Chen H Y,Yang C H.Ectop ic exp ression of carpelspecificMADS box genes fromLilyandLisianthuscauses sim ilar homeotic conversion of sepal and petal inArabidopsis[J].Plant Physio logy,2002,130(4)：1827-1836.

[15］邵宏波,姜恩來,初立業(yè).高等植物的性別表達及其調(diào)控：外界因子對植物性別表達的影響[J].四川師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1992,13(4)：275-279.

[16］Vance R R.C lonalorganism s：popu lation biology and evolution of clonalorganism s[J].Science,1987,235：1264.