不同種源的毛建草珠芽形成比較研究

田旭平， 郭慶浩， 孫鳴嶼， 李 倩， 路 通

(山西農業大學林學院， 山西 太谷 030801)

珠芽是植物在長期的物種進化中，為更好地適應不同的生境而形成的保護自我、繁衍后代的“胎生器官”，能較好的保留母體特征，較少變異和退化，是一種特殊器官[1]。高海拔地區的植物周期性的開花結實是一種極具風險的繁殖方式，為了避免種群更新失敗，高山植物采用多種營養繁殖方式，這種方式的重要性常隨海拔升高而增加[1]。很多高山植物在花期會產生營養芽(珠芽或吸芽)，珠芽為地上莖葉腋間自然發生的短縮、肥厚呈蓮座狀的短枝，當珠芽長到一定大小時，其下部能自然生根，從母株上剝離能栽植成功。珠芽的落地生根，可以使得母株迅速傳播并得以廣泛分布，具有擴大種群數量并占據較多生長空間的潛在能力[1-2]。

毛建草(又名巖青蘭,DracocephalumrupestreHance)是唇形科(Labiatae)青蘭屬(Dracocephalum)毛建草系多年生草本植物，主要生于海拔650～2 000 m(青海達2 650～3 100 m)的高山草原、草坡或疏林下向陽處[3]，中國遼寧、內蒙古、河北、山西、青海等為其主要產地，在這些省份的一些地方，常用毛建草地上部制作具有地方風味的茶葉。在栽培毛建草時，發現一些毛建草植株在開完花后，花莖的葉腋間會產生一些珠芽或新的花莖。目前尚未見到有關毛建草珠芽的報道。為了了解毛建草珠芽的繁殖特性，本文比較了采集地與人工栽培地珠芽的形成差異及扦插生根情況，以期為研究毛建草種群繁殖提供科學基礎，為氣候變化對毛建草的生物進化影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 珠芽形成的觀察

在2017年從山西省寧武縣蘆芽山大洼村周圍(111°59′29″ E，38°47′30″ N，平均海拔2 360 m)和婁煩縣云頂山頂(111°38′14″ E，37°53′14″ N，平均海拔2 708 m)的草地采集毛建草植株；在2018年分別從交城關帝山(112°6′34″ E，37°37′15″ N，平均海拔2 216 m)、渾源恒山(113°43′ 56″ E，39°40′25″ N，平均海拔1 280 m)、遼寧朝陽縣蘇家店村半截溝山(120°13′ 56″ E，41°16′ 46″ N，平均海拔380 m)采集。在5個種源地采集的毛建草都種植在山西農業大學林業站試驗地(112°35′19″ E，37°26′7″ N，海拔780 m)。

在2018—2020年對種植的毛建草統計產生珠芽的植株數量，并觀察珠芽的形成發育過程。在2019年對種植的毛建草植株產生的珠芽數量進行比較，對珠芽最多的和最少的材料進行了計量。在2018年9月和2019年10月分別對蘆芽山、關帝山和恒山采集地的毛建草珠芽著生情況進行調查。

1.2 珠芽原位生根觀察

在2018年10月20日，對種植的源自蘆芽山的毛建草珠芽在母株周圍的原位生根情況進行調查，統計生根的珠芽數量，并拍照記錄珠芽原位生根狀態。

1.3 珠芽扦插試驗

在2019年8月22日，根據珠芽球狀木質部直徑及葉片長度的不同，將源自蘆芽山的毛建草的珠芽分為大中小3類。大珠芽：直徑0.5 cm以上，葉長6 cm以上;中珠芽：直徑0.3～0.5 cm以內，葉長4～6 cm以內；小珠芽：直徑0.3～0.5 cm以內，葉長4 cm以內。大中小珠芽各扦插150 顆，基質采用珍珠巖、蛭石、有機質按1∶1∶1的比例配制，將珠芽基部膨大的球狀木質部埋進基質中，露天養護，用噴壺噴水保持濕潤。

在10月10日檢查珠芽存活率，有綠葉的認為成活，其他狀況認為沒有成活，同時隨機挖30 棵珠芽檢查其生根情況。對未生根的珠芽在11月10日低溫來臨前再次檢查生根情況。

2 結果和分析

2.1 植株形成珠芽能力的不同

通過對5個種源地的毛建草產生珠芽的植株數量比較(表1)，發現采自蘆芽山的毛建草植株在3年栽培期內都產生珠芽；采自云頂山和恒山的毛建草產生珠芽的植株數量隨著種植年限的延長而增加；采自朝陽半截溝和關帝山的毛建草產生珠芽的植株在2019和2020年都是同樣的植株。

在2019年粗略性比較種植的毛建草產生的珠芽數量，發現采自蘆芽山的毛建草單株產生的珠芽數量最多達到了43顆，最少的有13顆，觀測到植株間產生的珠芽數量有較大差異；采自關帝山的1株毛建草產生的珠芽有19顆，有1株毛建草僅產生2顆珠芽；其他種源地采集的毛建草產生的珠芽基本在2～6顆之間。

對蘆芽山、關帝山和恒山3個采集地的毛建草進行調查，發現3個采集地的植株都沒有珠芽產生，與種植于林業站的毛建草植株形成了鮮明的差異。

表1 不同產地的毛建草產生珠芽的植株比率Table 1 Ratio of bulbil plants of Dracocephalum rupestre collected from different habitats

2.2 珠芽形成過程

毛建草開完第一批花后，在花莖下部的葉片(有葉柄)和中上部的苞片(無葉柄，且抱莖)內的側芽開始萌發并發育形成小枝(圖1A)，萌發的側芽發育的結果不同，有些側芽節間伸長發育成花序開花(圖1B)，有的側芽節間皺縮成蓮座狀，葉片著生處膨大形成了珠芽(圖1C,1D,1E)。在一個葉腋能產生多個側芽，這個部位萌發的一部分側芽形成花序開花，一部分則成為珠芽。所有的花莖都能長出珠芽，只是珠芽的數量及大小有差異。

珠芽在發育過程中，不斷的通過花莖從母株上獲得營養，不斷抽生新葉，珠芽持續膨大，最后發育成木質化并縮短的莖塊，類似鱗莖。在10月時，毛建草地上部逐漸枯黃時，花莖及珠芽上的葉片也相繼干枯，珠芽頂端不再抽生新葉(圖1E)，進一步隨著母株地上部枯黃而枯萎。

圖1 毛建草珠芽發育狀態Fig.1 Development status of bulbil of Dracocephalum rupestre注：A為珠芽著生部位；B為珠芽開花；C為未開花的蓮座狀葉序，D為珠芽膨大；E為珠芽木質化Note:A,bulbil location；B,bulbil blooming；C,rosette phyllotaxy without blossom；D,bulbil fication;E,lignified bubil

2.3 不同部位的的珠芽原地生根率不同

從蘆芽山采集的毛建草植株地上部開始枯黃時檢查珠芽生根情況，發現只有3顆著生在花莖基部及靠近地表的珠芽著地生根(圖2A，2B箭頭指向)，占檢查珠芽數量的1%不到，2顆珠芽在靠近地面處長出1 cm左右的氣生根(圖2C箭頭指向)，占檢查珠芽數量的0.7%。在毛建草株叢中央的花莖上著生的珠芽沒有生根，生根的珠芽主要是著生在株叢外圍的花莖上，并且花莖為斜生狀態，離地表較近，有利于珠芽底端附著在地表。

圖2 毛建草珠芽原位生根狀態Fig.2 In situ rooting status of the bulbils of Dracocephalum rupestre注：A為花莖基部珠芽生根；B為花莖中部的珠芽著地生根；C為花莖上部珠芽氣生根Note:A,at the base of a flower stalk;B,at the middle of a flower stem by touchdown roots;C,at the top of a flower stalk by aerial roots

2.4 不同大小的珠芽扦插成活率及生根率不同

在10月10日第一次檢查扦插的珠芽生根情況時，發現珠芽大小不同時，其成活及生根率也不一樣。大珠芽成活率為78.45%，30棵珠芽生根率為100%，根系不僅長，而且數量多，最長7.1 cm(圖3A)；中珠芽成活率為75.68%，檢查的30棵珠芽生根率也為100%，但其根長較短且數量少，根長為2.3～4.3 cm(圖3B,3C)；小珠芽成活率為58.20%，生根率為0(圖3D)。在11月10日，僅檢查了小珠芽，發現小珠芽也已經生根，但根系較少。那些死亡的珠芽多為腐爛或者是干枯的。

圖3 珠芽扦插生根情況比較Fig.3 Rooting of cuttings in bulbil of Dracocephalum rupestre注：A為大珠芽；B，C為中珠芽；D為小珠芽Note:A,big bulbil;B,C,medium bulbil;D,little bulb

3 討論

3.1 種源地影響珠芽發生

半夏(Pinelliaternata)不同居群，其產生珠芽的能力不同，有的根本不會產生珠芽[4]，并且珠芽的發生頻率與葉形有關[5]。石竹科(Caryophyllaceae)的一些植物采用部分克隆、不克隆或偶爾克隆的方式[1]，增加其繁殖方式的多樣性，有助于種群的繁衍。從蘆芽山采集的毛建草植株全部產生珠芽，從云頂山和恒山采集的毛建草隨著種植年限的增加，其產生珠芽的植株數量在增加，而從關帝山和朝陽半截溝采集的毛建草產生珠芽的植株數量卻沒有隨著種植年份的延長而增加。說明毛建草珠芽的產生不僅與種源地有關，而且也跟植株個體基因型有關。

在3個采集地沒有發現毛建草植株產生珠芽，而引種到太谷后，毛建草或多或少的產生了珠芽，這表明其生態環境及其氣候環境的變化對珠芽產生起到了重要作用。高山墊狀植物在溫和的氣候條件下依舊能保持其生長型，是由遺傳特性所造成的，植物的生活型和形態在全世界所有山區都有其一致性[1]。當生長環境改變時，植物在不同環境因子作用下，其形態、生理、生態性狀與繁殖策略就會發生適應性的改變[6-8]。毛建草作為一種墊狀植物，從高海拔或高緯度種源地引種到低海拔地栽培時，仍然保持墊狀的生長形態，但卻產生了珠芽繁殖方式，增加了一種繁殖策略，但這種氣候變化對珠芽的產生機制暫未清晰。

3.2 生長節律影響珠芽發生

珠芽不僅發生在葉腋處，而且也能在花序的中下部發生，花序中的珠芽是由小穗發育而來的，屬于無性營養繁殖器官[9-10]。臺閩苣苔(Titanotrichumoldhamii)的花序不但能結種子而且在花期結束時的花序軸下部有珠芽產生[11]，珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)的花序上不但能產生種子，同時在其花發育失敗后也能產生珠芽，這表明花莖的頂端優勢在抑制腋芽的萌發[12]。毛建草珠芽發生在花后和種子發育期間，表明其生長發育具有一定的時序性，或許也是受頂端優勢的抑制，在種子發育期間產生珠芽，這與臺閩苣苔珠芽的形成具有相似性。

珠芽蓼借助地下根狀莖、分期發育形成的種子或者是花受精發育失敗后形成的珠芽使得其形成了多梯級、多形式的多種繁殖系統進行繁殖[13]，有性與無性繁殖的有機結合，是克隆植物長期與環境互作中形成的靈活多變的繁育策略，極大地提高了繁殖成功的機會，保證了該物種在復雜多變的環境條件中生存并延續下去[13-14]。珠芽具有繁殖系數高、生活力強等優點，且多產生于地上部分的葉腋間或花序軸而有利于其擴散和傳播[15]。栽培的毛建草不僅能產生大量種子，而且種子萌發率也較高，符合珠芽類植物的繁殖策略。

3.3 珠芽生長部位影響其能否發育成新的植株

半夏珠芽在土壤中形成則會生根發芽成為新塊莖[16]，在珠芽萌發期間保持土壤濕度對提高珠芽萌發率和促進半夏幼苗的生長均具有重要作用[17]。通過毛建草珠芽扦插和原地生根的觀察，發現毛建草珠芽在扦插時能生根，接近地面的珠芽在母株周圍也能生根，并且能繼續長葉發育成植株，離地面較近的珠芽能偶然產生氣生根，并未深扎進土壤中，而離地面較遠的珠芽則未生根。該現象說明珠芽的著生位置,其能否接觸土壤，以及是否具有足夠的空氣濕度影響珠芽生根并發育成植株。很多偶然的高山克隆植物在某些特定的環境中能進行無性繁殖，如莖枝或花梗在被土埋或基質潮濕松軟時，就會產生不定根，進而生長成一株獨立的植株個體[1]。半夏的倒苗有助于珠芽落地生根，發育成新的植株，而倒苗是對不利環境條件的一種適應，倒苗次數越多，產生的珠芽總數也越多[5]。能生根的毛建草珠芽主要發生在母株外圍的珠芽，而在母株株叢中心抽生的花莖上發生的珠芽則不生根，這進一步說明著生于母株基部斜生的花莖上，并且靠近土壤的珠芽接觸土壤后就能生根，表明珠芽生長部位影響著其能否落地生根，這與半夏珠芽生根的研究結果一致。

半夏的傳播方式無論是珠芽還是果實都缺乏有效的傳播媒介，大多數情況下，珠芽和果實都掉落在母株附近，而母株的生境大多能適合其子代的生長，這種傳播方式使子代過分集中，從而往往導致一些個體在生存競爭中被淘汰[4]。毛建草產生較多的珠芽，但由于在生長季不能全部落地生根，珠芽隨著植株干枯，表明并不會有太多的珠芽發育成新的植株，從而產生與母株競爭的后果。而少量接觸土壤生根的珠芽則在母株的外圍，既可以增加種群擴大的潛力，也不會對母株產生大的競爭，有的珠芽可能會凋落地上，掉落的珠芽是否會被土埋，次年是否會生根成長為新的植株，目前尚未觀察到。

3.4 珠芽大小影響珠芽生根的快慢

半夏珠芽萌發率與珠芽大小有顯著的正相關，珠芽越大活力越強，萌發率越高，萌發的新個體較健壯，幼苗生長較好[18]。扦插毛建草珠芽時，珠芽大且葉多的生根較好，而珠芽小且葉少的生根較慢，在規定期限內生根率較低，這與半夏珠芽大小影響其萌發的規律有相似性。毛建草的珠芽在扦插過程中，能連續萌發新葉，與珠芽蓼的珠芽萌發一樣，沒有休眠特性，具有較高的發芽率[17 ]。

薯蕷(DioscoreacirrhosaL.)珠芽外形多樣，其本質為莖，是一種特殊的變態莖[19]，成熟珠芽最外為木栓質表皮，其內為木栓形成層形成的周皮[20]。薯蕷珠芽外觀呈現嫩綠色球形小珠芽時，內部已分化出頂芽和多處根原基[2]，頂芽也是埋藏在周皮以內，在外方一般見不到頂芽的存在[20]。毛建草珠芽扦插時能生根長葉，說明其珠芽也具有了根原基和頂芽。毛建草珠芽基部木質化，有助于防止其失水，因此，未生根的毛建草小珠芽在基質中仍能使葉片保持存活狀態，在扦插期內能繼續生長新葉，并未死亡，表明珠芽木質部能吸收水分且供應營養物質，而那些死亡的珠芽則是因為在噴水及下雨時，將蛭石沖刷，使得珠芽裸露干枯，或者是埋深造成的珠芽腐爛。

4 結論

毛建草從高海拔(或高緯度)地引種到低海拔(低緯度)平原區后，由于環境及氣候條件發生了變化，使得毛建草在花后及種子發育期間形成了珠芽。毛建草種源及植株個體的差異影響珠芽產生的能力及數量。珠芽具備了在形態學和生理學上生根的能力，靠近土壤表面的珠芽能生根并發育成新的植株，有助于擴展種群生長空間，但是能生根的珠芽較少。無性與有性繁殖方式的結合使得種群既能維持基因型穩定的情況下，又有進化的可能。本研究將為毛建草的繁殖生物學及種群生態學提供新的切入點，增加了珠芽類植物的種類數量。