李長(zhǎng)慧，李淑娟，張 靜，孫啟忠

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院,青海 西寧 810016)

梭羅草(Kengyiliathoroldiana)為禾本科小麥族以禮草屬多年生草本植物，為六倍體[1]，主要分布于亞洲中部，海拔3 700～5 200 m的地區(qū)[2]。在三江源高寒草原區(qū)，梭羅草是一種主要的鄉(xiāng)土草種，具有抗旱耐寒、抗風(fēng)沙耐鹽堿、返青早以及多分蘗等特性[3-5]。所以，通過(guò)栽培馴化和擴(kuò)繁，將梭羅草應(yīng)用于三江源自然保護(hù)區(qū)及整個(gè)青藏高原高寒草原退化草地的恢復(fù)治理具有重要的意義。同時(shí)，梭羅草是小麥(Triticumaestivum)的近緣種，開(kāi)展梭羅草生物學(xué)的研究對(duì)保護(hù)小麥基因資源也有重要意義[5]。禾本科牧草幼穗分化的過(guò)程是結(jié)實(shí)器官形成的過(guò)程，直接影響牧草的經(jīng)濟(jì)性狀，因此幼穗分化過(guò)程作為禾本科植物生物學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，一直受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[6-10]。早在20世紀(jì)40-50年代，庫(kù)別爾曼等[6]已對(duì)禾本科植物結(jié)實(shí)器官的形成階段作了研究 。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)草業(yè)科學(xué)工作者對(duì)冰草(Agropyronmongolicum)、老芒麥(Elymussibiricus)、多花黑麥草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaarundinacea)、草地早熟禾(Poapretensis)、加拿大披堿草(Elymusdahuricus)及長(zhǎng)穗偃麥草(Elytrigiaelongata)等草種生長(zhǎng)錐分化或穗分化進(jìn)行了觀察[11-16]，但對(duì)于梭羅草幼穗分化的觀察研究尚未見(jiàn)報(bào)道。了解梭羅草幼穗分化過(guò)程可為降低小花敗育率、提高種子產(chǎn)量及種子生產(chǎn)等提供理論依據(jù)。鑒于此，本研究應(yīng)用顯微解剖觀測(cè)法對(duì)梭羅草幼穗分化過(guò)程進(jìn)行觀察。

1 材料與方法

1.1供試材料和試驗(yàn)地點(diǎn) 2008年在可可西里采集梭羅草種子，于2009年種植于青海省鐵卜加草原改良試驗(yàn)站。2010年收獲種子，該種子千粒重4.68 g，發(fā)芽率81.33%。于2011年4月，將該批次種子種植在位于西寧市城北區(qū)的青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院牧草試驗(yàn)站內(nèi)，海拔2 250 m，年均溫約4.7 ℃，年降水370 mm左右，無(wú)霜期90～120 d。

1.2方法 依據(jù)庫(kù)別爾曼等[6]和李揚(yáng)漢[10]對(duì)禾本科植物形態(tài)解剖學(xué)的研究方法，采用顯微解剖法觀察梭羅草穗分化過(guò)程。從2011年8月梭羅草分蘗期開(kāi)始觀察，到2012年5月底抽穗結(jié)束，每隔3 d觀測(cè)一次。每次觀測(cè)隨機(jī)標(biāo)定20個(gè)植株，分別對(duì)單株株高、葉片數(shù)及物候期等進(jìn)行觀測(cè)，并在每個(gè)植株中取1～2個(gè)枝條，在體視解剖鏡(OLYMPUS-SZX7)下解剖觀察其生長(zhǎng)錐變化，并進(jìn)行顯微拍照。利用目鏡測(cè)微尺和臺(tái)尺測(cè)量生長(zhǎng)錐的長(zhǎng)度和寬度，以50%植株進(jìn)入某一分化期為標(biāo)準(zhǔn)記錄幼穗分化進(jìn)程，最后用FAA固定液固定，并用70%乙醇保存標(biāo)本。從氣象站收集該區(qū)氣溫、地溫等氣象資料，分析溫度與幼穗分化的函數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1幼穗分化過(guò)程 梭羅草幼穗分化過(guò)程開(kāi)始于種植當(dāng)年的9月份，結(jié)束于翌年5月份。梭羅草屬于復(fù)穗狀花序，幼穗分化的不同時(shí)期具有不同的特征，按照庫(kù)別爾曼劃分原則劃分為8個(gè)時(shí)期。

2.1.1初生期 梭羅草幼穗分化的初生期從種植當(dāng)年9月幼苗的分蘗期開(kāi)始。生長(zhǎng)錐具有寬大的基部，呈半球形或小山丘狀，半徑約178.51 μm，錐體外面被葉原基包被，底部葉原基交互排列。此時(shí)生長(zhǎng)錐未分化，即梭羅草的生長(zhǎng)還處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期(圖1-1，1-2)。該時(shí)期梭羅草的平均葉片數(shù)為3枚，平均自然高度為13.15 cm。該時(shí)期大約持續(xù)3周。

2.1.2伸長(zhǎng)期 梭羅草的伸長(zhǎng)期出現(xiàn)在種植當(dāng)年的9月底或10月初，半球形的生長(zhǎng)錐體積增大很快并開(kāi)始伸長(zhǎng), 基部葉原基停止發(fā)育，生長(zhǎng)錐則逐漸裸露于莖葉原始體之外。最后，生長(zhǎng)錐的高度大大超過(guò)其寬度，半球形變成圓錐體狀(圖1-3，1-4)。這個(gè)時(shí)期生長(zhǎng)錐長(zhǎng)度、基部寬度和頂部寬度分別為250.57、140.53和63.05 μm，梭羅草的平均葉片數(shù)為3枚，平均自然高度為16.97 cm。該時(shí)期大約持續(xù)4周。

2.1.3結(jié)節(jié)期 梭羅草生長(zhǎng)錐的結(jié)節(jié)期在種植當(dāng)年10月下旬到11月中旬。生長(zhǎng)錐頂端稍下方連續(xù)形成棱狀葉突起即苞葉原基, 這標(biāo)志著梭羅草的生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段。苞葉原基的分化使生長(zhǎng)錐明顯地分為正面和側(cè)面, 從側(cè)面觀察為棱狀，此時(shí)生長(zhǎng)錐略呈扁平狀(圖1-5，1-6)。該時(shí)期梭羅草生長(zhǎng)錐平均長(zhǎng)×寬為817.56 μm×307.59 μm，平均葉片數(shù)為3.5枚，平均自然高度為20.44 cm。該時(shí)期大約持續(xù)2.5周。

2.1.4小穗突起期 梭羅草生長(zhǎng)錐的小穗突起期于11月下旬開(kāi)始持續(xù)到翌年4月初返青期。棱狀的生長(zhǎng)錐在螺紋處產(chǎn)生缺刻，并逐漸加深,即為苞葉原基突起的腋部處形成小穗原基并逐漸伸長(zhǎng)。發(fā)生順序?yàn)樾∷朐葟纳L(zhǎng)錐的中上部發(fā)生， 然后逐漸向上和向下分化，最終整個(gè)幼穗呈扁平狀(圖1-7，1-8)。該時(shí)期生長(zhǎng)錐平均長(zhǎng)×寬為1 317.22 μm×340.59 μm。該時(shí)期要經(jīng)歷整個(gè)枯草期，進(jìn)入枯草期后生長(zhǎng)錐幾乎停止生長(zhǎng)而呈輕微脫水狀態(tài)。

2.1.5穎片突起期 梭羅草進(jìn)入返青期后，幼穗迅速生長(zhǎng)。幼穗的中上部小穗突起基部出現(xiàn)突起，形成穎片原基(圖1-9，1-10)，而此時(shí)生長(zhǎng)錐上部仍在伸長(zhǎng)，但分化較慢，生長(zhǎng)錐平均長(zhǎng)×寬為1 666.32 μm×462.62 μm。生長(zhǎng)錐的頂端不再分化出苞葉原基突起，而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?小穗原基，進(jìn)一步分化為1小穗。該時(shí)期梭羅草葉片數(shù)為1～2枚，植株自然高度約7.86 cm。該時(shí)期大約持續(xù)兩周。

2.1.6小花突起期 4月中旬，梭羅草小穗被兩個(gè)穎片原始體包裹，沿小穗軸分化出 5～6個(gè)小花原基。與此同時(shí),第1個(gè)外稃原始體由小穗底部小花原基外側(cè)開(kāi)始發(fā)育，外稃長(zhǎng)度逐漸大于穎片長(zhǎng)度。小花發(fā)育是由底部向頂部依次進(jìn)行的。生長(zhǎng)錐的頂端不再分化出苞葉原基突起，而是轉(zhuǎn)變?yōu)樾∷朐?，進(jìn)而分化成小穗(圖1-11，1-13)。小花分化的同時(shí)，整個(gè)生長(zhǎng)錐迅速伸長(zhǎng)，這一時(shí)期的生長(zhǎng)錐平均長(zhǎng)×寬為4 506.29 μm×935.93 μm，平均葉片數(shù)兩枚，植株自然高度為9.87 cm。該時(shí)期持續(xù)約10 d。

2.1.7雌雄蕊形成期 小花突起后，漸漸形成4個(gè)半球形突起。此時(shí)有3個(gè)雄蕊原基和1個(gè)雌蕊原基，之后雌蕊原基的突起漸漸分化成一個(gè)圓形凹陷，而3個(gè)雄蕊原基突起則逐漸發(fā)育成四棱形(藥隔)，且在靠近外稃一邊開(kāi)始分化出漿片原基。最終，雌蕊原基發(fā)育成子房、花柱和柱頭，雄蕊原基發(fā)育成花絲和花藥(圖1-14～1-18)。這一時(shí)期的生長(zhǎng)錐平均長(zhǎng)×寬為26 064.45 μm×2 251.79 μm，平均葉片數(shù)3枚，植株高度14.43 cm，整個(gè)葉鞘外部形態(tài)呈菱形。該時(shí)期約持續(xù)17 d。

2.1.8抽穗始期 雌雄蕊分化基本完成后，隨著莖的生長(zhǎng)，總穗呈狼尾狀，依次從頂部向基部抽出葉鞘，進(jìn)入開(kāi)花期。此時(shí)復(fù)穗狀花序的生長(zhǎng)也已基本完成(圖1-19～1-21)，穗長(zhǎng)×寬為44 505.00 μm×15 200.00 μm。

2.2生長(zhǎng)錐分化特性 梭羅草幼穗分化的整個(gè)過(guò)程規(guī)律性很強(qiáng)。從個(gè)體發(fā)育來(lái)看，花序中上部小穗發(fā)育最快, 然后向上、向下依次進(jìn)行, 基部小穗發(fā)育最慢。開(kāi)花從總穗中上部開(kāi)始，依次向上、向下，每個(gè)小穗均是基部先開(kāi)花，然后依次向上進(jìn)行。在種植第一年的初生期、伸長(zhǎng)期和結(jié)節(jié)期，生長(zhǎng)錐生長(zhǎng)比較緩慢，小穗分化期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)歷了枯草期和返青期。返青期以后，生長(zhǎng)錐生長(zhǎng)速度和分化速度均明顯加快。從群體來(lái)看，各植株在每個(gè)時(shí)期經(jīng)歷的時(shí)間大致相同，但各植株進(jìn)入特定時(shí)期的時(shí)間有差異，前后差10～15 d，從而出現(xiàn)了時(shí)期交錯(cuò)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象最終導(dǎo)致了梭羅草群體分化發(fā)育各個(gè)階段的不一致性(圖2)，從而導(dǎo)致在生產(chǎn)上梭羅草種子成熟表現(xiàn)出不一致性。

圖1 梭羅草幼穗分化過(guò)程Fig.1 The young spike differentiation process of Kengyilia thoroldiana

2.3生長(zhǎng)錐生長(zhǎng)速度與溫度的關(guān)系 梭羅草生長(zhǎng)錐從開(kāi)始生長(zhǎng)到分化完成共經(jīng)歷約9個(gè)月，即從第1年9月到次年5月。生長(zhǎng)速度與該時(shí)間段的溫度呈現(xiàn)出兩個(gè)相同高峰期。第1年9-11月，氣溫和地溫均高于0 ℃，梭羅草由初生期進(jìn)入伸長(zhǎng)期和結(jié)節(jié)期，長(zhǎng)度隨著細(xì)胞的分化增加。12月-次年3月上旬溫度較低，生長(zhǎng)錐的伸長(zhǎng)十分緩慢，3月下旬平均氣溫逐漸高于0 ℃，生長(zhǎng)錐的生長(zhǎng)速度迅速加快，到4月初進(jìn)入返青期時(shí)達(dá)到最大值，而后隨著小花和雌雄蕊的分化，幼穗生長(zhǎng)速度逐漸減慢，直至生長(zhǎng)到抽穗始期的最大長(zhǎng)度，3-5月間,生長(zhǎng)錐生長(zhǎng)速度(y)與地表溫度(x)關(guān)系的為指數(shù)函數(shù):

圖2 梭羅草幼穗分化的一致性Fig.2 Consistency of the young spike differentiation of Kengyilia thoroldiana

y=57.038e0.801x,R2=0.959 9.

3 討論與結(jié)論

3.1幼穗分化時(shí)期的劃分 不同學(xué)者對(duì)不同植物幼穗分化階段的劃分有所不同。有的學(xué)者將水稻(Oryzasativa)、糖蜜草(Melinisminutiflora)等植物的幼穗分化過(guò)程分為第一苞葉分化期、第一枝梗原基分化期等9個(gè)時(shí)期[14]。云錦鳳等[11]將冰草生長(zhǎng)錐分化劃分為小穗突起期、穎片突起期等8個(gè)時(shí)期；毛培勝等[12]將老芒麥幼穗分化過(guò)程劃分為結(jié)節(jié)期、二棱期等8個(gè)時(shí)期。梭羅草屬于復(fù)穗狀花序，分化時(shí)期特征與冰草相似。按照庫(kù)別爾曼等[6]和云錦鳳等[11]的劃分原則，劃分結(jié)果與冰草一致。因此,幼穗分化階段的劃分與花序的結(jié)構(gòu)和分化階段的特征有關(guān)。

3.2莖尖生長(zhǎng)錐的分化與發(fā)育規(guī)律 梭羅草莖尖生長(zhǎng)錐分化發(fā)育規(guī)律性很強(qiáng)。伸長(zhǎng)期以后均是總穗軸的中上部首先進(jìn)入結(jié)節(jié)期和小穗突起期，后向上下兩端分化，所以基部生長(zhǎng)錐分化最晚。開(kāi)花則是從復(fù)穗狀花序的中上部開(kāi)始，依次向上、向下。每個(gè)小穗均是基部先開(kāi)花, 然后依次向上。這與加拿大披堿草、高羊茅、草地早熟禾等幼穗發(fā)育的觀察結(jié)果相一致[11-15]。各植株在每個(gè)時(shí)期經(jīng)歷的時(shí)間大致相同，但各植株進(jìn)入特定時(shí)期的時(shí)間有差異，前后相差10～15 d，從而表現(xiàn)出時(shí)期交錯(cuò)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象最終導(dǎo)致了抽穗的不一致性，這與羊草、加拿大披堿草等相似[11]。

3.3幼穗分化與物候期的關(guān)系 梭羅草幼穗分化的初生期出現(xiàn)在分蘗期，在越冬前經(jīng)歷伸長(zhǎng)期和結(jié)節(jié)期，最后在小穗分化期進(jìn)入休眠，穎片突起期和小花突起期分別在第2年返青期和分蘗期，此時(shí)期小穗原基的發(fā)育及數(shù)量已確定，所以分蘗期決定了小花原基的發(fā)育及數(shù)量。小穗突起期和雌雄蕊形成期分別在拔節(jié)期和孕穗期，接著整個(gè)發(fā)育進(jìn)入抽穗階段。而加拿大披堿草生長(zhǎng)錐分化則開(kāi)始于返青后[11]。梭羅草分布于年積溫明顯不足的高海拔地區(qū)，為了在短促的生長(zhǎng)期內(nèi)完成由返青到種子成熟的全生育過(guò)程，梭羅草在秋季開(kāi)始生長(zhǎng)錐的生長(zhǎng)、分化，翌年返青后在原分化基礎(chǔ)上繼續(xù)分化，短期內(nèi)就能抽穗結(jié)實(shí)，這是梭羅草適應(yīng)高寒氣候的一種表現(xiàn)。云錦鳳等[11]所報(bào)道的冰草、老芒麥、多花黑麥草等牧草的幼穗分化與梭羅草不同，生長(zhǎng)錐的分化始于春季。這些牧草在生長(zhǎng)地有足夠的積溫能夠完成當(dāng)年的生育過(guò)程，不需要在秋季開(kāi)始生長(zhǎng)錐的分化。筆者觀察到梭羅草較中華羊茅、冷地早熟禾和披堿草返青早、種子成熟早。小穗突起期是梭羅草幼穗分化持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的階段，歷時(shí)約4個(gè)月。11月底隨著氣溫的降低，梭羅草生長(zhǎng)錐的伸長(zhǎng)、分化速度逐步減慢，到12月底仍然在進(jìn)行，至此有70%的個(gè)體達(dá)到了圖1-7所示階段，能形成的小穗數(shù)基本確定。1月初生長(zhǎng)錐的分化基本停止，進(jìn)入冬眠。翌年返青期后伴隨梭羅草的分蘗、拔節(jié)、孕穗等物候期完成幼穗的分化，到5月下旬開(kāi)始抽穗。

梭羅草幼穗分化的小穗突起期、小花突起期、雌雄蕊形成期和抽穗始期結(jié)實(shí)器官的形成狀況，直接影響到梭羅草花序的小穗數(shù)、小花數(shù)、有效花數(shù)、籽粒的飽滿度、種子成熟的整齊度和抗病蟲(chóng)害能力。因此，在梭羅草的大田生產(chǎn)上，要重視秋季和春季栽培技術(shù)措施的應(yīng)用，重視監(jiān)測(cè)梭羅草幼穗分化的過(guò)程，及時(shí)調(diào)整栽培技術(shù)措施，使梭羅草多結(jié)穗、多開(kāi)花、多結(jié)籽、結(jié)好籽，達(dá)到豐產(chǎn)的目的。

[1] 李淑娟,李長(zhǎng)慧,何國(guó)英,等.梭羅草的染色體核型分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(7):3356-3357.

[2] 郭本兆.中國(guó)植物志(第九卷第三分冊(cè)) [M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[3] 施建軍,王柳英.梭欏草的引種栽培試驗(yàn)[J].青海畜牧獸醫(yī)雜志,2005,35(6):10-11.

[4] 陳桂琛,周?chē)?guó)英,孫菁,等.梭欏草在青藏鐵路取土場(chǎng)植被恢復(fù)中的應(yīng)用研究[J].冰川凍土,2006,28(4):506-510.

[5] 李淑娟,李長(zhǎng)慧,孫海群.高寒草原生態(tài)草種梭羅草研究現(xiàn)狀[J].草業(yè)科學(xué),2009,26(1):64-68.

[6] 庫(kù)別爾曼Φ М,等.禾本科植物結(jié)實(shí)器官的形成階段[M].北京:科學(xué)出版社,1958.

[7] Marshall C.Development and physiological aspects of seed production in herbage grasses[J].Journal of Applied Seed Production,1985(3):43-49.

[8] Anslow R C.Seed formation in perennial ryegrass ⅡMaturation of the seed[J].Journal of the British Grassland Society,1964,19:349-357.

[9] 韓建國(guó).實(shí)用牧草種子學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[10] 李揚(yáng)漢.禾本科作物的形態(tài)解剖[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1979.

[11] 云錦鳳,米福貴,杜建才.冰草莖生長(zhǎng)錐分化、幼穗形成和小雹子發(fā)育[J].中國(guó)草地,1989，11(5):30-35.

[12] 毛培勝,韓建國(guó),劉剛.老芒麥幼穗的分化過(guò)程[J].中國(guó)草地,2004,9(5):16-20.

[13] 章崇玲,梁祖鐸.多花黑麥草幼穗分化進(jìn)程對(duì)種子生產(chǎn)性狀的影響[J].種子,1997(9):21-24.

[14] 劉露.高羊茅和草地早熟禾幼穗分化和種子產(chǎn)量形成的調(diào)控研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[15] 許圣德,云錦鳳,趙彥,等.加拿大披堿草生長(zhǎng)錐分化的觀察[J].草地學(xué)報(bào),2011(2):228-236.

[16] 楊金貴,米福貴,閆利軍,等.長(zhǎng)穗偃麥草花序分化過(guò)程的觀察[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào),2012,34(2):47-51.