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东方百合花器官数量变异分析

来源：花匠小妙招时间：2024-11-26 04:38

百合作为世界五大切花之一，其花型一直是一个重要的因素，它是由花瓣、雄蕊、雌蕊的形态数量变异及其排列组合决定的，直接影响百合的观赏价值[1]。花发育的研究一直是植物研究领域的热点，尤其是像百合等以花器为主要观赏对象的植物。对花发育的研究可以为植物培育、丰富品种等方面提供大量的理论依据。百合花器变异不仅为花器官形态建成的比较发育遗传学研究提供丰富的资源，也为百合进行重瓣及无花粉性目标育种提供材料[2]。花不仅是植物重要的生殖器官，也是观赏植物中重要的观赏器官。花器官形态的多样性、数目的增减及奇特性是植物分类和系统发育的重要依据，能够客观地反映植物品种的演进规律。有关花器官发育的研究，国外科研人员通过拟南芥、金鱼草等植物突变体的研究，建立了调控花器官发育的各种模型及假说[3-5]。随着对花发育模型及假说的不断深入研究，百合的ABCDE功能的相关基因被采用同源基因克隆和文库筛选等方法也得到克隆，其中有些基因已经在模式植物中得到功能验证[6]。由于百合花器官基因表达模式与模式植物有所不同，与利用这些基因开发观赏价值更高的商业品种还有一定的差距[7]。我国在被子植物花器的形成系统发育方面起步较晚，在花器官变异发生的研究中，大多利用人为外界干扰如植物激素、物理或化学处理等方法获得变异性材料[8-11]，对于在大面积生产过程中的花器官变异却鲜有报道。东方百合因其品种丰富，花型观赏价值高，一直是百合切花中的主栽品系。连云港地区切花百合日光温室生产过程中，东方百合中的部分品种在花型方面发生不同类型的变异。本课题组在连续跟踪观察及统计的基础上，对百合花器官变异进行系统分析, 以期为百合育种以及进一步对百合花器官结构和功能的研究奠定基础。

1. 材料和方法

1.1 供试材料

3个东方百合品种：‘Siberia’、‘Sorbonne’、‘Fastrada’均从荷兰引进，于2016年9月23日，种植于连云港市农业科学院东辛农场试验基地日光温室内。

1.2 方法

从2017年1月15日至3月14日，每周1～2次对‘Siberia’、‘Sorbonne’、‘Fastrada’等3个品种的花被片数目、雄蕊数目、雄蕊瓣化、子房发育情况等进行观察记录并对具有典型变异的花朵进行数码拍照。花被片6片，雄蕊6枚，且无雄蕊瓣化的为正常花；花被片、雄蕊数目增多或减少及雄蕊瓣化等现象视为花器变异的异常小花。

1.3 统计分析

对所观察记录的数据用Excel软件进行统计分析。

2. 结果与分析

2.1 3个东方百合品种中变异小花的总体变异类型

通过对正常花被片、正常雄蕊、雄蕊瓣化等性状进行统计(表 1)，发现3个东方百合品种‘Siberia’、‘Sorbonne’、‘Fastrada’在日光温室切花生产中，其花器官变异的株数占所有植株的比率分别为13.4%、8.1%、16.3%；3个品种共有58种变异类型，其中单个品种特有的变异类型共计46种，占总变异类型的79.3%，‘Siberia’为27种占该品种总变异的69.3%，‘Sorbonne’为9种占该品种总变异的50%，‘Fastrada’为10种占该品种总变异的66.7%；2个品种间共有的变异类型为10种，占总变异类型的17.2%，其中‘Siberia’为10种，占该品种总变异的25.6%，‘Sorbonne’为7种，占该品种总变异的38.9%，‘Fastrada’为10种，占该品种总变异的20.0%；3个品种共有的变异类型为2个，占各自品种变异类型分别为5.1%、11.1%、13.3%，占总变异类型为3.4%。说明3个东方百合变异类型虽然丰富，但品种间共有的变异类型较少。

表 1 变异小花中总体变异情况

Table 1. Variations on floret count

品种变异类型 1个品种特有的变异类型 2个品种间共有的变异类型 3个品种间共有的变异类型植株变异率/% Siberia 39 27 10 2 13.4 Sorbonne 18 9 7 2 8.1 Fastrada 15 10 3 2 16.32.2 变异小花中正常花被片数目出现的频次差异

通过对单朵变异小花中的正常花被片数目观察的统计分析(表 2)，发现3个百合品种的正常花被片的数目分别减少至2枚(图 1-A)、3枚(图 1-B)、4枚(图 1-C、I)、5枚(图 1-D、K、L)，比正常百合小花的6枚(图 1-P)分别少4、3、2、1枚。同时，也发现一些变异小花中正常花被片数目比6枚多1～2枚，增至7枚(图 1-E、F、N)、8枚(图 1-G、M、O)。3个东方百合品种变异花器中，品种‘Sorbonne’的正常花被片数目最为丰富，2～8枚均有出现，‘Siberia’和‘Fastrada’只有3～8枚。从正常花被片出现的频次看，3个东方百合品种中‘Siberia’出现7枚和8枚的频次共计41.1%，比6枚出现的频次多16.9%，比3～5枚出现的频次总和多6.4%，说明百合变异小花中，以正常花被片数量增加为主；‘Sorbonne’以出现5枚正常花被片的频次为主，多达79.5%;而‘Fastrada’却以正常花被片6枚为主，达80.6%。说明百合变异小花中，不同品种间正常花被片出现的频次不同。

表 2 单朵变异小花中正常花被片数目的出现频次

Table 2. Frequency of normal tepal count shown as variation on single flower

(单位/%) 品种正常花被片数目 2 3 4 5 6 7 8 Siberia 0 2.1 7.3 25.3 24.2 21.1 20 Sorbonne 1.4 1.4 9.6 79.5 5.5 0 2.7 Fastrada 0 0 3.2 9.7 80.6 3.2 3.2注：①正常花被片数目：单朵变异小花中非雄蕊瓣化的花被片数目；②正常花被片数目出现的频次：正常花被片数目的变异小花出现的次数/所有变异小花出现的次数。

图 1 东方百合中花被片、雄蕊数目的变异

注：A为‘Sorbonne’品种的花被片数目为2枚，雄蕊为4枚，花药瓣化1枚；B为‘Siberia’品种的花被片数目为3枚，雄蕊为4枚，花药瓣化1枚；C为‘Siberia’品种的花被片数目为4枚，雄蕊为5枚；D为‘Siberia’品种的花被片数目为5枚，雄蕊为8枚；E为‘Siberia’品种的花被片数目为6枚，雄蕊为7枚，花药瓣化1枚；F为‘Siberia’品种的花被片数目为7枚，雄蕊为7枚；G为‘Siberia’品种的花被片数目为8枚，雄蕊为8枚；H为‘Sorbonne’品种的花被片数目为6枚，雄蕊为2枚；I为‘Sorbonne’品种的花被片数目为4枚，雄蕊为3枚，花药瓣化1枚；J为‘Siberia’品种的花被片数目为6枚，雄蕊为4枚；K为‘Siberia’品种的花被片数目为5枚，雄蕊为6枚，花药瓣化1枚；L为‘Siberia’品种的正常花被片数目为5枚，雄蕊为6枚，花药瓣化1枚；M为‘Siberia’的花被片数目为8枚，雄蕊为7枚；N为‘Siberia’品种的花被片数目为7枚，雄蕊为8枚，花药瓣化2枚；O为‘Siberia’品种的花被片数目为8枚，雄蕊为9枚，花药瓣化1枚；P为‘Sorbonne’品种的正常小花中花被片数目为6枚，雄蕊为6枚；Q为‘Siberia’品种的花被片数目为6枚，雄蕊为2枚，花药瓣化1枚。

Figure 1. Variations on stamen and tepal counts of Oriental Lily flowers

2.3 变异小花中正常雄蕊数目出现的频次差异

在变异的百合小花中，发现一些正常雄蕊数目出现的频次比6枚多1～3枚分别为7枚(图 1-E、F、M，图 2-S)、8枚(图 1-D、G、N)、9枚(图 1-O)；同时，也发现一些花药的数目减少至2枚(图 1-H、Q)、3枚(图 1-I)、4枚(图 1-A、B、J)、5枚(图 1-C)。

图 2 百合小花中雄蕊瓣化程度、子房、花二次发育等变异

注：A为‘Fastrada’变异小花中花药瓣化1枚；B为‘Fastrada’变异小花中花药瓣化2枚；C为‘Fastrada’变异小花中花药瓣化3枚；D为‘Siberia’变异小花中花药瓣化4枚；E为正常花药；F～J为不同程度的花药瓣化；K为1个花药着生2个花丝；L为1个花丝着生2个花药；M为雌蕊上着生化药；N为柱头分成2列；O为柱头分成3列；P为单朵小花中着生2个雌蕊；Q为‘Siberia’品种花茎上的叶瓣化；R为花被片褶皱面积加大；S为雄蕊2次发育；T为雄、雌蕊二次发育。

Figure 2. Variations on stamen-petaloid degree, ovary and secondary development of Oriental Lily flowers

通过变异小花中正常花药数目出现的频次进行统计(表 3)，‘Siberia’品种的正常花药数目出现7～9枚的频次共计34.7%，正常花药数目为6枚的频次达24.2%，出现2～5枚正常花药的频次共计41.1%，说明‘Siberia’品种正常发育的雄蕊，在生产过程中在花药较少、6枚花药、花药较多等3个方向的变异频次相差不大；而‘Sorbonne’和‘Fastrada’的正常花药数目为1～5枚的变异频次之和分别为97.2%和90.3%，说明这两个品种的变异小花主要向花药减少方向变异。

表 3 单朵变异小花中正常雄蕊数目出现的频次

Table 3. Frequency on normal stamen count shown as variation on single flower

(单位/%) 品种正常花被片数目 2 3 4 5 6 7 8 9 Siberia 1.1 1.1 12.6 26.3 24.2 16.8 16.8 1.1 Sorbonne 2.7 1.4 6.8 86.3 0 1.4 0 1.4 Fastrada 3.2 25.8 22.6 38.7 9.7 0 0 0①正常花药数目：单朵变异小花中非雄蕊瓣化的花药数目；②正常花药数目出现的频次：正常花药片数目的变异小花出现的次数/所有变异小花出现的次数。2.4 变异小花中不同雄蕊瓣化的差异

通过对3个品种的变异小花不同数目花药瓣化出现的频次进行统计(表 4)，3个品种中瓣化频次最低的为‘Siberia’品种，其瓣化率只有47.4%，而‘sorbonne’和‘Fastrada’的瓣化率分别达89.0%和93.5%，说明在百合变异小花种雄蕊瓣化是一种花器变异最普遍的现象，且‘sorbonne’和‘Fastrada’在花器官变异中以雄蕊瓣化为主；‘Fastrada’雄蕊瓣化的数目却分别为1枚(图 2-A)、2枚(图 2-B)、3枚(图 2-C)均有出现，其出现的频次分别为41.9%、38.7%、12.9%，而‘Siberia’和‘sorbonne’雄蕊瓣化的数目均有1～2枚和4(图 2-D)枚出现，但4枚的数量极少，其频次分别为1.1%和1.4%。‘Siberia’和‘sorbonne’在雄蕊瓣化为1枚时出现的频次最多，分别为43.1%和83.4%，通过对百合变异小花中雄蕊瓣化现象的观察，正常雄蕊只有花药和花丝两部分(图 2-E)，在所发现的雄蕊瓣化的小花中，可以明显地看到花丝、花瓣、花药等3部分，有的只是在花瓣一侧着生花药，有的则是在花瓣中间或一侧有部分未发育完全的花药，花药瓣化的程度有明显的过渡痕迹(图 2-F～J)。

表 4 单朵变异小花中雄蕊瓣化数目出现的频次

Table 4. Frequency on number of stamen-petaloid segments shown as variation on single flower

(单位/%) 品种花药瓣化数目 0 1 2 3 4 Siberia 52.6 43.1 3.2 0 1.1 Sorbonne 11 83.4 4.1 0 1.4 Fastrada 6.5 41.9 38.7 12.9 0注：花药瓣化数目出现的频次：花药瓣化数目的变异小花出现的次数/所有变异小花出现的次数。2.5 变异小花中各类型被片不同数目的差异

3个品种的变异小花中，通过对各类型花被片不同数目出现的频次进行统计分析(表 5)，发现‘Siberia’品种各类型花被片出现的数目分别为4枚(图 1-B、C)、5枚(图 1-D、K)、6枚(图 1-L、Q)、7枚(图 1-E、F)、8枚(图 1-G、M)、9枚(图 1-B、C)、10枚(图 2-D)，其中7枚的频次最高达26.3%，其次是6枚为25.3%。比6枚多的各类型花被片(7～10枚)频次之和为55.9%，比6枚少的花被片(4～5枚)为36.9%，说明‘Siberia’品种有一半以上的花器官变异为增加花被片数目；‘Fastrada’在变异中各类型花被片出现的数目仍以各类型花被片的数目增加为主，其中各类花被片数目为7～10枚时出现的频次高达87%，说明该品种花器变异主要以花被片增加为主；而‘Sorbonne’在单独变异小花中花被片数目为6枚(图 1-H)时出现的频次最高为75.3%，5枚(图 1-I)时的频次仅为16.4%, 而在7～10枚时出现的频次只有8.3%，说明该品种的变异对花被片的影响较小。

表 5 变异小花中所有各类型花被片不同数目出现的频次

Table 5. Frequency on counts of various tepals shown as variation on single flower

(单位/%) 品种花药瓣化数目 3 4 5 6 7 8 9 10 Siberia 0 3.2 15.8 25.3 26.3 24.2 4.2 1.1 Sorbonne 2.7 5.5 8.2 75.3 5.5 0 1.4 1.4 Fastrada 0 0 6.5 6.5 38.7 29.0 16.1 3.2注：①各类型花被片:单朵变异小花中正常花被片的数目与雄蕊瓣化数目之和；②各类型花被片数目出现的频次：所有花被片数目的变异小花/所有变异小花。2.6 变异小花中各类型雄蕊数目的差异

通过对变异小花中各类型雄蕊数目出现的频次进行统计分析(表 6)，3个东方百合品种中均没有发现各类型雄蕊数目为9枚的变异小花。‘Siberia’在变异小花中，各类型雄蕊数目出现频次最多的为6枚(图 1-K)，达34.7%，而7枚(图 1-K、L、M; 图 2-D、S)、8枚(图 1-D、E、G)、10枚(图 1-N、O)出现频次的总和共计为46.3%，3至5枚出现的频次为19%，说明东方百合品种‘Siberia’在变异小花中，有接近1/2的变异小花以各类型雄蕊增加为主，有超过1/3的变异小花保持各类型雄蕊不变，只有不到1/5的变异小花以雄蕊减少为主；而‘Sorbonne’和‘Fastrada’品种的各类型雄蕊数目为6枚时出现频次最多分别为83.6%和64.5%，其次是2～5枚之和，分别为13.7%和25.8%，而‘Sorbonne’品种的各类型雄蕊数目为7枚和10枚时出现的频次分别为2.8%、9.7%。说明‘Sorbonne’和‘Fastrada’在单朵变异小花中所有雄蕊数目以6枚为主，多余6枚的变异小花出现的频次均不足10%。且‘Fastrada’品种在单独变异小花中所有雄蕊出现的数目只有5枚、6枚(图 2-A～C)、7枚。

表 6 变异小花中各类型雄蕊不同数目出现的频次

Table 6. Frequency on stamen count shown as variation on single flower

(单位/%) 品种花药瓣化数目 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Siberia 0 1.1 2.1 15.8 34.7 25.3 18.9 0 2.1 Sorbonne 1.4 0 6.8 5.5 83.6 0 1.4 0 1.4 Fastrada 0 0 0 25.8 64.5 9.7 0 0 0注：①各类型雄蕊:单朵变异小花中正常雄蕊的数目与雄蕊瓣化数目之和；②各类型花被片数目出现的频次：所有花被片数目的变异小花/所有变异小花。2.7 变异小花中花被片与雄蕊数目出现的频次差异及其他变异

正常的百合小花中花被片与雄蕊的数目为12枚。在变异的小花中，发现花被片与雄蕊的数目比12枚增加或减少一些，从7～18枚均有出现(表 7)。从花被片与雄蕊数目出现的频次来看，‘Siberia’出现的类型最多，从8枚(图 1-B)、9枚(图 1-C、Q)、10枚(图 1-J)、11枚(图 1-K)、12枚(图 1-L)、13枚(图 1-D；图 2-D、S)、14枚(图 1-E、F)、15枚(图 1-M)、16枚(图 1-G)、17枚(图 1-N)、18枚(图 1-O)均有出现，且13～18枚出现的频次最高，总计为50.6%, 其次是8～11枚(31.5%)，最后为12枚(17.9%)，说明‘Siberia’花器变异中有1/2以上是花被片与雄蕊数目增加为主，有约不到1/3的频次是减少的。‘sorbonne’的花被片与雄蕊数目出现的类型较为丰富，7～12枚与15～18枚均有不同频次的出现，但总数比12枚少的频次达94.5%，说明‘sorbonne’在花器变异中以花被片与雄蕊数目减少为主；‘Fastrada’的花被片与雄蕊数目总和出现的类型较少只有9～13枚，且以12枚出现的频次最高，达67.8%，其次是9～11枚为22.5%，13枚的频次只有9.7%。说明‘Fastrada’变异小花中花被片与雄蕊总数数目以12枚为主。

表 7 变异花器中花被片与雄蕊数目出现的频次

Table 7. Frequency on stamen and tepal counts shown as variation on single flower

(单位/%) 品种花药瓣化数目 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Siberia 0 2.1 4.2 10.5 14.7 17.9 17.9 12.6 5.3 12.6 1.1 1.1 Sorbonne 1.4 8.2 4.1 5.5 75.3 2.7 0 0 5.3 12.6 1.1 1.1 Fastrada 0 0 3.2 3.2 16.1 67.8 9.7 0 0 0 0 0注：花被片与雄蕊数目出现的频次：花被片雄与蕊数目的变异小花/所有变异小花。2.8 子房、雄蕊及花器官二次发育等其他变异

3个品种的花器官变异中，雌蕊变异大多只有形态上的变化。有的没有雌蕊或雌蕊变成2个(图 2-P)，有的柱头变成2列(图 2-N)或3列(图 2-P)，有的子房上面着生有花药(图 2-M)，这些变异在百合小花中极少出现；有的变异只是花丝与花丝或花瓣底部生长在一起(图 1-C、E、G、L、Q、N，图 2-B)；有的则是两个花丝上着生1个花药(图 2-K)，或一个花丝上着生2个花药(图 2-L)等现象；也有少数花器官出现二次发育的现象，如‘Siberia’品种的小花在花被片及花药均发育成熟时又出现一个为成熟的花药(图 2-S)；如‘sorbonne’品种的小花中在花被片及花药发育后期又出现花药及花被片再次发育的现象，且花梗明显变长。

3. 讨论与结论

在日光温室栽培过程中，3个品种间花器官变异的数量存在明显差异。首先从变异总量上来看，有的品种的花被片与雄蕊的总数达18枚，比正常百合花被片与雄蕊的总数多6枚；有的只有7枚比正常百合花被片与雄蕊的总数少5枚；从花被片数目上来看，3个品种中的正常花被片、各类型花被片在小花中出现的频次均有差异，如‘Fastrada’品种的正常花被片数目为6枚时，出现的频次最高，达83.6%。而‘sorbonne’品种的正常花被片数目为5枚时，出现的频次最高为79.5%。‘Siberia’品种的正常花被片数目在5～8枚上均匀分布；从雄蕊数目上来看，3个品种的正常雄蕊、各类型雄蕊数目出现变异频次差异也极为明显，如‘Fastrada’的各类型雄蕊数目为4～7枚，其出现次数最高的是5枚和6枚，频次分别为25.8%和64.5%, 而‘sorbonne’在品种的各类型雄蕊数目有7种，其出现次数最高的数目为6枚，其频次高达83.6%。

本研究材料的变异是天然的，且有很多中间过渡态，变异类型比人工筛选的类型更多。3个百合品种的花器变异类型丰富，且有些类型的变异具有渐变性，如‘sorbonne’和‘Fastrada’品种的变异小花中出现的雄蕊瓣化现象，说明百合花器的变异不服从质量性状，大多为数量性状的变异，是基因型与环境因素互作的结果[12]。通过观察3个品种的变异花器官未完全变异所留的痕迹发现，所变异的类型有叶片聚顶瓣化、花瓣褶皱面积变大，雄蕊瓣化、花器官的二次发育、花瓣及雄蕊的累积重复出现以及百合花本身存在的苞片瓣化等现象，这与赵印泉等[13]对重瓣花起源现象的描述是一致的。对于如何让这些变异材料稳定遗传及如何利用这些变异材料应用于无花粉重瓣花品种的选育需要进一步研究。

植物花器官的形态建成过程取决于一个复杂的涉及多基因的分子遗传调控网络体系，花器官的多样化实际上是这个体系的调整和修饰。对于花器官发育的遗传控制机理国外已提出多种模型。1991年Coen和Meyerowitz提出了著名的花器官发育的ABC模型[3]，2001年Theissen提出了ABCDE模型和‘四聚体模型’的构想[5, 14]，以及1993年Tunen等提出了修改的‘ABC’模型[15]等基本揭示了花器官形成的分子机制。因为所观察3个百合品种的大部分变异小花的植株均出现有正常小花的现象，说明百合花器的变异是不稳定的，因此百合花器的变异应发生在花亚区形成阶段，既不是花器官的错位发育，也不是由基因突变产生的可稳定遗传的变异，控制百合花被片与雄蕊细胞分裂速度和细胞分裂模式的基因表达可能受到某种环境因素的影响，这也是变异不稳定的原因，同时环境因素也可能影响不同小花花器数目变异间的频率差异[16]。

花发育是植物生命周期中一个综合的发育过程，涉及不同发育方式的转换，包括开花诱导、信号传递、属性决定、器官发生，既受环境因子(如光周期、温度等)的诱导，又受到自身内部因素的调节，经过一系列信号转导过程，启动成花决定过程中的控制基因[17]。温度、光照、植物激素及土壤水分和营养等各种因素均能影响植物的开花[18]。百合属长日照下休眠的植物，对于百合花发育，大多通过光照[19-21]及低温[22-25]等外界条件对百合花期、花品质、内源激素等方面的影响，对于百合花器官数量变异的研究鲜有报道。本研究在观察花器官变异的时，发现‘Siberia’品种在日光温室内生长过程中，处于光照较弱的部分植株，变异的小花较多且类型丰富，由于东方百合属抽茎之后出现花芽分化[26], 因此温度与光照对东方百合花分化影响较大。