梭羅草幼穗分化過程的觀察

李長慧，李淑娟，張 靜，孫啟忠

(1.中國農業科學院研究生院，北京 100081； 2.中國農業科學院草原所，內蒙古 呼和浩特 010010； 3.青海大學農牧學院,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[2]。在三江源高寒草原區，梭羅草是一種主要的鄉土草種，具有抗旱耐寒、抗風沙耐鹽堿、返青早以及多分蘗等特性[3-5]。所以，通過栽培馴化和擴繁，將梭羅草應用于三江源自然保護區及整個青藏高原高寒草原退化草地的恢復治理具有重要的意義。同時，梭羅草是小麥(Triticumaestivum)的近緣種，開展梭羅草生物學的研究對保護小麥基因資源也有重要意義[5]。禾本科牧草幼穗分化的過程是結實器官形成的過程，直接影響牧草的經濟性狀，因此幼穗分化過程作為禾本科植物生物學研究的重要內容之一，一直受國內外學者的重視[6-10]。早在20世紀40-50年代，庫別爾曼等[6]已對禾本科植物結實器官的形成階段作了研究 。自20世紀80年代以來，我國草業科學工作者對冰草(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)及長穗偃麥草(Elytrigiaelongata)等草種生長錐分化或穗分化進行了觀察[11-16]，但對于梭羅草幼穗分化的觀察研究尚未見報道。了解梭羅草幼穗分化過程可為降低小花敗育率、提高種子產量及種子生產等提供理論依據。鑒于此，本研究應用顯微解剖觀測法對梭羅草幼穗分化過程進行觀察。

1 材料與方法

1.1供試材料和試驗地點 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站。2010年收獲種子，該種子千粒重4.68 g，發芽率81.33%。于2011年4月，將該批次種子種植在位于西寧市城北區的青海大學農牧學院牧草試驗站內，海拔2 250 m，年均溫約4.7 ℃，年降水370 mm左右，無霜期90～120 d。

1.2方法 依據庫別爾曼等[6]和李揚漢[10]對禾本科植物形態解剖學的研究方法，采用顯微解剖法觀察梭羅草穗分化過程。從2011年8月梭羅草分蘗期開始觀察，到2012年5月底抽穗結束，每隔3 d觀測一次。每次觀測隨機標定20個植株，分別對單株株高、葉片數及物候期等進行觀測，并在每個植株中取1～2個枝條，在體視解剖鏡(OLYMPUS-SZX7)下解剖觀察其生長錐變化，并進行顯微拍照。利用目鏡測微尺和臺尺測量生長錐的長度和寬度，以50%植株進入某一分化期為標準記錄幼穗分化進程，最后用FAA固定液固定，并用70%乙醇保存標本。從氣象站收集該區氣溫、地溫等氣象資料，分析溫度與幼穗分化的函數關系。

2 結果與分析

2.1幼穗分化過程 梭羅草幼穗分化過程開始于種植當年的9月份，結束于翌年5月份。梭羅草屬于復穗狀花序，幼穗分化的不同時期具有不同的特征，按照庫別爾曼劃分原則劃分為8個時期。

2.1.1初生期 梭羅草幼穗分化的初生期從種植當年9月幼苗的分蘗期開始。生長錐具有寬大的基部，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。此時生長錐未分化，即梭羅草的生長還處于營養生長時期(圖1-1，1-2)。該時期梭羅草的平均葉片數為3枚，平均自然高度為13.15 cm。該時期大約持續3周。

2.1.2伸長期 梭羅草的伸長期出現在種植當年的9月底或10月初，半球形的生長錐體積增大很快并開始伸長, 基部葉原基停止發育，生長錐則逐漸裸露于莖葉原始體之外。最后，生長錐的高度大大超過其寬度，半球形變成圓錐體狀(圖1-3，1-4)。這個時期生長錐長度、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為3枚，平均自然高度為16.97 cm。該時期大約持續4周。

2.1.3結節期 梭羅草生長錐的結節期在種植當年10月下旬到11月中旬。生長錐頂端稍下方連續形成棱狀葉突起即苞葉原基, 這標志著梭羅草的生長進入生殖生長階段。苞葉原基的分化使生長錐明顯地分為正面和側面, 從側面觀察為棱狀，此時生長錐略呈扁平狀(圖1-5，1-6)。該時期梭羅草生長錐平均長×寬為817.56 μm×307.59 μm，平均葉片數為3.5枚，平均自然高度為20.44 cm。該時期大約持續2.5周。

2.1.4小穗突起期 梭羅草生長錐的小穗突起期于11月下旬開始持續到翌年4月初返青期。棱狀的生長錐在螺紋處產生缺刻，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。發生順序為小穗原基先從生長錐的中上部發生， 然后逐漸向上和向下分化，最終整個幼穗呈扁平狀(圖1-7，1-8)。該時期生長錐平均長×寬為1 317.22 μm×340.59 μm。該時期要經歷整個枯草期，進入枯草期后生長錐幾乎停止生長而呈輕微脫水狀態。

2.1.5穎片突起期 梭羅草進入返青期后，幼穗迅速生長。幼穗的中上部小穗突起基部出現突起，形成穎片原基(圖1-9，1-10)，而此時生長錐上部仍在伸長，但分化較慢，生長錐平均長×寬為1 666.32 μm×462.62 μm。生長錐的頂端不再分化出苞葉原基突起，而逐漸轉變為1小穗原基，進一步分化為1小穗。該時期梭羅草葉片數為1～2枚，植株自然高度約7.86 cm。該時期大約持續兩周。

2.1.6小花突起期 4月中旬，梭羅草小穗被兩個穎片原始體包裹，沿小穗軸分化出 5～6個小花原基。與此同時,第1個外稃原始體由小穗底部小花原基外側開始發育，外稃長度逐漸大于穎片長度。小花發育是由底部向頂部依次進行的。生長錐的頂端不再分化出苞葉原基突起，而是轉變為小穗原基，進而分化成小穗(圖1-11，1-13)。小花分化的同時，整個生長錐迅速伸長，這一時期的生長錐平均長×寬為4 506.29 μm×935.93 μm，平均葉片數兩枚，植株自然高度為9.87 cm。該時期持續約10 d。

2.1.7雌雄蕊形成期 小花突起后，漸漸形成4個半球形突起。此時有3個雄蕊原基和1個雌蕊原基，之后雌蕊原基的突起漸漸分化成一個圓形凹陷，而3個雄蕊原基突起則逐漸發育成四棱形(藥隔)，且在靠近外稃一邊開始分化出漿片原基。最終，雌蕊原基發育成子房、花柱和柱頭，雄蕊原基發育成花絲和花藥(圖1-14～1-18)。這一時期的生長錐平均長×寬為26 064.45 μm×2 251.79 μm，平均葉片數3枚，植株高度14.43 cm，整個葉鞘外部形態呈菱形。該時期約持續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，總穗呈狼尾狀，依次從頂部向基部抽出葉鞘，進入開花期。此時復穗狀花序的生長也已基本完成(圖1-19～1-21)，穗長×寬為44 505.00 μm×15 200.00 μm。

2.2生長錐分化特性 梭羅草幼穗分化的整個過程規律性很強。從個體發育來看，花序中上部小穗發育最快, 然后向上、向下依次進行, 基部小穗發育最慢。開花從總穗中上部開始，依次向上、向下，每個小穗均是基部先開花，然后依次向上進行。在種植第一年的初生期、伸長期和結節期，生長錐生長比較緩慢，小穗分化期持續時間較長，經歷了枯草期和返青期。返青期以后，生長錐生長速度和分化速度均明顯加快。從群體來看，各植株在每個時期經歷的時間大致相同，但各植株進入特定時期的時間有差異，前后差10～15 d，從而出現了時期交錯現象，這種現象最終導致了梭羅草群體分化發育各個階段的不一致性(圖2)，從而導致在生產上梭羅草種子成熟表現出不一致性。

圖1 梭羅草幼穗分化過程Fig.1 The young spike differentiation process of Kengyilia thoroldiana

2.3生長錐生長速度與溫度的關系 梭羅草生長錐從開始生長到分化完成共經歷約9個月，即從第1年9月到次年5月。生長速度與該時間段的溫度呈現出兩個相同高峰期。第1年9-11月，氣溫和地溫均高于0 ℃，梭羅草由初生期進入伸長期和結節期，長度隨著細胞的分化增加。12月-次年3月上旬溫度較低，生長錐的伸長十分緩慢，3月下旬平均氣溫逐漸高于0 ℃，生長錐的生長速度迅速加快，到4月初進入返青期時達到最大值，而后隨著小花和雌雄蕊的分化，幼穗生長速度逐漸減慢，直至生長到抽穗始期的最大長度，3-5月間,生長錐生長速度(y)與地表溫度(x)關系的為指數函數:

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 討論與結論

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

3.2莖尖生長錐的分化與發育規律 梭羅草莖尖生長錐分化發育規律性很強。伸長期以后均是總穗軸的中上部首先進入結節期和小穗突起期，后向上下兩端分化，所以基部生長錐分化最晚。開花則是從復穗狀花序的中上部開始，依次向上、向下。每個小穗均是基部先開花, 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育的觀察結果相一致[11-15]。各植株在每個時期經歷的時間大致相同，但各植株進入特定時期的時間有差異，前后相差10～15 d，從而表現出時期交錯現象，這種現象最終導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系 梭羅草幼穗分化的初生期出現在分蘗期，在越冬前經歷伸長期和結節期，最后在小穗分化期進入休眠，穎片突起期和小花突起期分別在第2年返青期和分蘗期，此時期小穗原基的發育及數量已確定，所以分蘗期決定了小花原基的發育及數量。小穗突起期和雌雄蕊形成期分別在拔節期和孕穗期，接著整個發育進入抽穗階段。而加拿大披堿草生長錐分化則開始于返青后[11]。梭羅草分布于年積溫明顯不足的高海拔地區，為了在短促的生長期內完成由返青到種子成熟的全生育過程，梭羅草在秋季開始生長錐的生長、分化，翌年返青后在原分化基礎上繼續分化，短期內就能抽穗結實，這是梭羅草適應高寒氣候的一種表現。云錦鳳等[11]所報道的冰草、老芒麥、多花黑麥草等牧草的幼穗分化與梭羅草不同，生長錐的分化始于春季。這些牧草在生長地有足夠的積溫能夠完成當年的生育過程，不需要在秋季開始生長錐的分化。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時間最長的階段，歷時約4個月。11月底隨著氣溫的降低，梭羅草生長錐的伸長、分化速度逐步減慢，到12月底仍然在進行，至此有70%的個體達到了圖1-7所示階段，能形成的小穗數基本確定。1月初生長錐的分化基本停止，進入冬眠。翌年返青期后伴隨梭羅草的分蘗、拔節、孕穗等物候期完成幼穗的分化，到5月下旬開始抽穗。

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實器官的形成狀況，直接影響到梭羅草花序的小穗數、小花數、有效花數、籽粒的飽滿度、種子成熟的整齊度和抗病蟲害能力。因此，在梭羅草的大田生產上，要重視秋季和春季栽培技術措施的應用，重視監測梭羅草幼穗分化的過程，及時調整栽培技術措施，使梭羅草多結穗、多開花、多結籽、結好籽，達到豐產的目的。

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