蔣 政 孫李勇 劉 旭 劉晨妮 尹增芳,2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037)

在自然界中，生長(zhǎng)在溫帶的植物通常一年只開(kāi)一次花，但是也有一些植物存在多次開(kāi)花的現(xiàn)象。一般認(rèn)為果木類(lèi)一年多次開(kāi)花會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)現(xiàn)象的發(fā)生[1]，而園藝植物多次開(kāi)花則可以增加觀賞性狀的多選擇性。王俊杰和汪琪華[2]最早總結(jié)了生長(zhǎng)在我國(guó)的木本植物二次開(kāi)花的類(lèi)別，但關(guān)于植物二次開(kāi)花現(xiàn)象機(jī)理的解讀資料較少。在黃牡丹雜種(Paeonia‘High Noon’)二次開(kāi)花現(xiàn)象研究中，發(fā)現(xiàn)其生長(zhǎng)發(fā)育年周期、花芽分化[3]及二次成花的酶代謝具有一定規(guī)律性[4]。發(fā)育生物學(xué)已經(jīng)證實(shí)，碳水化合物、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配格局與開(kāi)花密切相關(guān)。郭娜[5]認(rèn)為3種丁香屬(Syringa)植物二次花芽分化階段營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生規(guī)律性變化，而在砂梨(Pyruspyrifolia)第二次開(kāi)花過(guò)程中，枝條內(nèi)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的變化亦非常顯著[6]。因此，比較不同開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化狀況，更有助于對(duì)二次開(kāi)花現(xiàn)象的理解。

常春二喬玉蘭(Magnoliasoulangeana‘Changchun’)屬于木蘭科(Magnoliaceae)木蘭屬(Magnolia)，是由二喬玉蘭(Magnoliasoulangeana)芽變枝繁育而來(lái)，具有與二喬玉蘭同樣的觀賞性狀，如早春開(kāi)花，先花后葉，花繁茂艷麗等，但相對(duì)于二喬玉蘭，在同樣的栽培環(huán)境下，常春二喬玉蘭一般一年至少開(kāi)花兩次[7]，而二喬玉蘭則僅于春季開(kāi)花一次。在自然生長(zhǎng)條件下，常春二喬玉蘭與二喬玉蘭一樣經(jīng)歷營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)階段的轉(zhuǎn)變，但成花后的常春二喬玉蘭可分別于春、夏季各開(kāi)花一次。這一現(xiàn)象值得人們進(jìn)一步的思考：常春二喬玉蘭春季開(kāi)花與夏季開(kāi)花特性有何差異？是怎樣的營(yíng)養(yǎng)水平及其效應(yīng)機(jī)制可以導(dǎo)致其兩季開(kāi)花？基于上述問(wèn)題，本研究擬對(duì)常春二喬玉蘭春夏兩季開(kāi)花現(xiàn)象進(jìn)行形態(tài)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化的觀測(cè)及分析，為木本植物多次開(kāi)花的生物學(xué)研究提供基礎(chǔ)理論資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以南京林業(yè)大學(xué)校園中6年生的常春二喬玉蘭為試驗(yàn)材料，樹(shù)體無(wú)病蟲(chóng)害，常規(guī)養(yǎng)護(hù)管理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 年生長(zhǎng)物候期劃分

自2015～2017年共進(jìn)行了3次年生長(zhǎng)物候期觀測(cè)。采用常規(guī)形態(tài)檢測(cè)的方法，選取生長(zhǎng)狀態(tài)良好的90個(gè)枝條進(jìn)行跟蹤標(biāo)記，測(cè)量并記錄標(biāo)記枝上芽的長(zhǎng)、寬和生長(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí)，隨機(jī)選取樹(shù)冠中部5枚芽在Nikon SMZ18體視顯微鏡下進(jìn)行解剖并拍照，根據(jù)標(biāo)記枝上芽的生長(zhǎng)量和發(fā)育狀態(tài)，確定常春二喬玉蘭的生長(zhǎng)發(fā)育物候期，并于開(kāi)花期統(tǒng)計(jì)測(cè)算開(kāi)花率：

開(kāi)花率(%)=開(kāi)放花朵數(shù)量/花芽總量×100%

(1)

1.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定

在明確常春二喬玉蘭年生長(zhǎng)物候期的基礎(chǔ)上，自2017年1月至2017年6月于常春二喬玉蘭春夏季開(kāi)花的各關(guān)鍵物候期進(jìn)行采樣，每次隨機(jī)采集3～5個(gè)生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲(chóng)害的枝條，清洗擦干，將頂芽下部第2～3節(jié)間莖段剪碎混勻作為莖段待測(cè)樣品。采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[8]；酸解法和蒽酮法測(cè)定淀粉含量[9]；考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定可溶性蛋白含量[8]。試驗(yàn)3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Photoshop CS5軟件進(jìn)行圖版制作，物候觀測(cè)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)測(cè)定數(shù)據(jù)使用Excel 2010、SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 年生長(zhǎng)物候動(dòng)態(tài)

2.1.1 芽發(fā)育動(dòng)態(tài)

自1月上旬至2月上旬，常春二喬玉蘭標(biāo)記枝頂花芽長(zhǎng)寬無(wú)明顯變化。2月下旬，花芽發(fā)育膨大，其長(zhǎng)寬生長(zhǎng)量分別高于2月上旬36.29%和24.21%。3月初，花芽生長(zhǎng)量進(jìn)一步增加(圖1a)，并開(kāi)放成花。3月下旬，常春二喬玉蘭標(biāo)記開(kāi)放成花的枝上側(cè)芽開(kāi)始萌動(dòng)，并抽出新生枝條，4月至5月下旬新枝頂芽不斷生長(zhǎng)。對(duì)新枝頂芽解剖發(fā)現(xiàn)，常春二喬玉蘭于5月初完成營(yíng)養(yǎng)頂端向生殖頂端的轉(zhuǎn)化(圖2a)，5月中上旬開(kāi)始分化形成花被片(圖2b)，5月中下旬開(kāi)始分化形成雌、雄蕊(圖2c)，及至5月底花芽形態(tài)分化基本完成(圖2d)。隨后枝頂花芽生長(zhǎng)量出現(xiàn)兩種不同的變化趨勢(shì)：一部分花芽發(fā)育膨大，其長(zhǎng)寬生長(zhǎng)量分別高于5月下旬的60.15%和44.44%，并于6～7月漸次開(kāi)放成花；另一部分花芽則未發(fā)育膨大，生長(zhǎng)量亦明顯小于膨大花芽。自7～8月，未膨大花芽生長(zhǎng)量?jī)H小幅增長(zhǎng)。9～12月由于未膨大花芽芽鱗片的脫落，致使其長(zhǎng)度有所下降，然其寬度卻無(wú)明顯變化，說(shuō)明此時(shí)未膨大花芽逐漸進(jìn)入休眠狀態(tài)(圖1b)。

圖1 常春二喬玉蘭年生長(zhǎng)周期頂芽形態(tài)變化Fig.1 Morphological changes of top buds during annual growth cycle in M.soulangeana ‘Changchun’

2.1.2 物候期動(dòng)態(tài)

如圖3所示，自12月始至翌年2月下旬，以枝頂花芽無(wú)明顯生長(zhǎng)量變化的階段為常春二喬玉蘭休眠期。3月初，花芽芽鱗片破裂，露出紅色花被片，常春二喬玉蘭進(jìn)入春季開(kāi)花期，整個(gè)春季開(kāi)花過(guò)程歷時(shí)約20 d。4～5月，開(kāi)放花枝上側(cè)芽抽枝生長(zhǎng)，為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期。常春二喬玉蘭具有頂芽成花的自然屬性，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期后枝條頂芽開(kāi)始生殖轉(zhuǎn)化?；ㄑ啃螒B(tài)分化始于5月初，終于5月底，為花芽分化期。隨后花芽的發(fā)育進(jìn)程分為兩種類(lèi)型：迅速膨大花芽與未膨大花芽。6月后，一部分花芽迅速膨大開(kāi)放成花，常春二喬玉蘭進(jìn)入夏季開(kāi)花期，歷時(shí)約20 d。6～7月內(nèi)未膨大花芽正常發(fā)育。7月后未膨大花芽發(fā)育較為遲緩，將此時(shí)期定義為發(fā)育滯緩期。此外，少量夏季開(kāi)放的花的基部側(cè)芽再次分化形成花芽。10～11月常春二喬玉蘭開(kāi)始落葉，標(biāo)志著落葉期的到來(lái)，枝條葉片全部脫落后，樹(shù)體進(jìn)入休眠期。

2.2 春夏季開(kāi)花模式差異

常春二喬玉蘭營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后分化的花芽具有花開(kāi)兩季的特點(diǎn)，而且春夏季花期內(nèi)開(kāi)花模式存在一定差異。春季開(kāi)花為先葉開(kāi)花，而夏季開(kāi)花則為花葉同放。春季開(kāi)花表現(xiàn)為樹(shù)冠上所有花芽全部開(kāi)放，開(kāi)花率可達(dá)100%，且開(kāi)花同步率較高，而夏季開(kāi)花為部分花芽漸次開(kāi)放，開(kāi)花率約為30%，且開(kāi)花同步率較低。春季開(kāi)花時(shí)，花朵基部的側(cè)芽明顯膨大(圖4a)，而夏季開(kāi)花時(shí)，花朵基部以及花枝上的側(cè)芽均相對(duì)較小(圖4b)。春季開(kāi)花雌雄蕊發(fā)育健全(圖4c)，為可育花，而夏季開(kāi)花雌雄蕊干癟細(xì)小，發(fā)育不完全(圖4d)，為不育花。兩季開(kāi)花在花色和花形上并無(wú)明顯差別(圖4:a～b)。

圖2 常春二喬玉蘭花芽分化過(guò)程 a.生殖轉(zhuǎn)化初始階段；b.花被片分化階段；c.雌雄蕊分化階段；d.形態(tài)分化完成階段 RC.生殖頂端；Rec.花托；TeP.花被片原基；SP.雄蕊原基；PP.雌蕊原基；Sta.雄蕊；Pis.雌蕊Fig.2 The process of flower buds differentiation of M.soulangeana‘Changchun’ a. Initial of reproductive transformation; b. Tepal differentiation stage; c. Pistil and stamen differentiation stage; d. Completion of flower bud differentiation RC. Reproductive cone; Rec. Receptacle; TeP. Tepals primordium; SP. Stamen primordium; PP. Pistil primordium; Sta. Stamen; Pis. Pistil

圖3 常春二喬玉蘭年物候期Fig.3 The annual phenological period of M.soulangeana ‘Changchun’

2.3 春、夏季開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化動(dòng)態(tài)

2.3.1 春季開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)

自休眠期至春季開(kāi)花期，著生常春二喬玉蘭花芽的枝條中，可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均總體呈下降趨勢(shì)(圖5)。在花芽開(kāi)始膨大時(shí)，可溶性糖含量下降最為明顯(P<0.05)，而可溶性蛋白含量則僅有輕微下降，淀粉含量變化不顯著，說(shuō)明可溶性糖的大量消耗為花芽的膨大生長(zhǎng)供應(yīng)了必須的物質(zhì)儲(chǔ)備。隨著春季開(kāi)花期的到來(lái)，可溶性糖、可溶性蛋白含量明顯下降， 至花期結(jié)束時(shí)二者降至最低，分別相對(duì)于休眠期下降了56.94%和40.34%，淀粉含量同樣下降顯著(P<0.05)，推測(cè)春季開(kāi)花及隨后的側(cè)芽萌動(dòng)需要消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

圖4 春夏季開(kāi)花期間花部形態(tài)差異 a.春季開(kāi)放的花及其側(cè)芽形態(tài)；b.夏季開(kāi)放的花及其側(cè)芽形態(tài)；c.春季開(kāi)放花的雌雄蕊形態(tài)；d.夏季開(kāi)放花的雌雄蕊形態(tài)Fig.4 Flower morphological differences during spring and summer flowering periods a. Morphology of flowers bloomed in spring and their lateral bud; b. Morphology of flowers bloomed in summer and their lateral bud; c. Pistil and stamen morphology of flowers bloomed in spring; d. Pistil and stamen morphology of flowers bloomed in summer

圖5 春季開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig.5 The nutrient contents during spring flowering

圖6 夏季開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig.6 The nutrient contents during summer flowering

2.3.2 夏季開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)

自花芽分化期至夏季開(kāi)花期，可溶性糖和淀粉含量總體呈現(xiàn)“降—升”趨勢(shì)，而可溶性蛋白則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(圖6)?？扇苄蕴呛偷矸塾诨ㄑ颗虼笊L(zhǎng)時(shí)達(dá)到最低值，并分別相對(duì)于花芽分化期下降了35.27%和35.12%，可溶性蛋白含量亦明顯下降，而此時(shí)正值花器官進(jìn)一步發(fā)育與花芽迅速膨大生長(zhǎng)階段，可見(jiàn)夏季開(kāi)花的啟動(dòng)需要大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給。隨著夏季開(kāi)花期的到來(lái)，可溶性糖和淀粉含量均有所上升，而可溶性蛋白含量則繼續(xù)下降至最低，且相對(duì)于花芽分化期下降了33.91%，推測(cè)碳水化合物含量的升高與含氮化合物含量的降低有利于夏季開(kāi)花的實(shí)現(xiàn)。

3 討論

3.1 常春二喬玉蘭春夏季開(kāi)花模式的特異性

常春二喬玉蘭營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后分化的花芽能夠花開(kāi)兩季，這與什錦丁香(Syringa×chinensis)、小葉丁香(Sytingamicrophylla)、藍(lán)丁香(Syringameyeri)[5]的二次開(kāi)花特性類(lèi)似，而與黃牡丹雜種[3]的一年多次花芽分化而多次開(kāi)花的特點(diǎn)略有不同。另外，有些植物如蘋(píng)果(Maluspumila)[1]、梨[10]、桑樹(shù)(Morusalba)[11]等會(huì)因?yàn)槿斯ぬ幚?、氣候變化、病蟲(chóng)害或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而導(dǎo)致二次開(kāi)花，這些二次開(kāi)花現(xiàn)象往往不穩(wěn)定，甚至因營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不均而有損經(jīng)濟(jì)效益，而常春二喬玉蘭的春夏季開(kāi)花乃是品種遺傳特性使然，開(kāi)花物候期穩(wěn)定。相較春季開(kāi)花的白玉蘭(Magnoliadenudata)和二喬玉蘭，它具有夏季花葉同放的特性，而相較于夏季開(kāi)花的廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)，它又具有春季先葉開(kāi)花的特性，故此常春二喬玉蘭因其獨(dú)特的物候特性和開(kāi)花優(yōu)勢(shì)而具有更高的觀賞價(jià)值。

從開(kāi)花育性角度而言，莢蒾屬(Viburnum)、繡球?qū)?Hydrangea)以及菊科(Asteraceae)部分物種[12]的可育花與不育花出現(xiàn)于同一花期，且二者分布于花序的不同位置，屬于空間上的育性差異，而常春二喬玉蘭的可育花出現(xiàn)于春季開(kāi)花期，不育花則出現(xiàn)于夏季開(kāi)花期，屬于時(shí)間上的育性差異。夏季開(kāi)花不育雖不具備明顯的生殖生物學(xué)意義，但卻在降低了開(kāi)花消耗的同時(shí)，仍保證了一定的觀賞性，大大增加了常春二喬玉蘭的觀賞價(jià)值。

3.2 春、夏季開(kāi)花模式與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡

3.2.1 先葉開(kāi)花模式與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再分配

花芽在不同發(fā)育階段，均是生長(zhǎng)代謝中心，要從植物體的不同部位大量調(diào)集貯藏的無(wú)機(jī)和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為花芽生長(zhǎng)發(fā)育提供碳骨架和能源[13～14]。有研究認(rèn)為，開(kāi)花期植物的莖不像其他器官那樣能夠消耗或積累可溶性糖，而僅有分配和轉(zhuǎn)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的作用[15]，這與本研究相關(guān)結(jié)果不一致。休眠期常春二喬玉蘭枝條的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均較高，說(shuō)明彼時(shí)莖為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存器官。春季開(kāi)花期間，萌動(dòng)開(kāi)放的花從枝條中調(diào)集所需營(yíng)養(yǎng)，故枝條可溶性糖和可溶性蛋白含量明顯下降。枝條中淀粉含量?jī)H于開(kāi)花后期下降明顯，說(shuō)明常春二喬玉蘭春季開(kāi)花早期以可溶性糖和可溶性蛋白為主要能量和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，直至春季開(kāi)花后期，為供應(yīng)開(kāi)花和側(cè)芽萌動(dòng)，致使枝條中儲(chǔ)存的淀粉分解。由于先葉開(kāi)花樹(shù)種在春季開(kāi)花時(shí)無(wú)葉片提供同化產(chǎn)物，故常春二喬玉蘭與毛泡桐(Paulowniatomentosa)[16]類(lèi)似，二者在開(kāi)花過(guò)程中所消耗的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)皆來(lái)源于樹(shù)體上一年的營(yíng)養(yǎng)貯存。

3.2.2 花葉同放模式與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再分配

花芽膨大生長(zhǎng)時(shí)，枝頂花芽大量消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)一步分化發(fā)育并膨大，成為生長(zhǎng)代謝中心，故枝條中3種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均明顯下降。由于常春二喬玉蘭夏季開(kāi)花時(shí)花葉同放，葉片中的光合產(chǎn)物又具有就近分配的特性[13]，所合成的碳水化合物通過(guò)枝條向花轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致莖中可溶性糖與淀粉含量在開(kāi)花后均顯著上升，這與馬鈴薯(Solanumtuberosum)[17]開(kāi)花期的碳水化合物變化趨勢(shì)基本一致。同期可溶性蛋白含量明顯下降，則與‘豐水’梨(Pyruspyrifolia‘Hosui’)[6]第二次開(kāi)花期蛋白質(zhì)含量的變化類(lèi)似，上述結(jié)果可能與碳水化合物的合成加速以及蛋白質(zhì)水解酶活性增強(qiáng)有關(guān)。謝寅峰等[18]研究表明鵝毛竹(Shibataeachinensis)開(kāi)花期間可溶性糖和可溶性蛋白的比值有所升高，且均高于不開(kāi)花植株，這說(shuō)明碳水化合物含量的相對(duì)升高以及含氮化合物含量的相對(duì)降低，有利于植物二次開(kāi)花的實(shí)現(xiàn)。

此外，研究表明，糖可能以某種信號(hào)分子的形式存在，以類(lèi)似植物激素的方式，調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和成熟[19～21]，如蔗糖能夠促進(jìn)晚花生態(tài)型擬南芥(Arabidopsisthaliana)、油菜(Brassicacampestris)、白芥(Sinapisalba)和葡萄(Vitisvinifera)開(kāi)花，而蔗糖介導(dǎo)的信號(hào)途徑可能分別在CONSTANS下游和FLOWERINGLOCUST上游，通過(guò)整合到光周期途徑中發(fā)揮作用[22]；海藻糖-6-磷酸亦對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用[23]，其合成酶缺失突變體能顯著延遲擬南芥開(kāi)花[24]；擬南芥淀粉缺失、合成或降解突變體的開(kāi)花時(shí)間亦會(huì)被顯著推遲[25～26]。因此，夏季開(kāi)花期可溶性糖和淀粉含量的提高是否還作為某種信號(hào)分子，參與常春二喬玉蘭夏季開(kāi)花的調(diào)控則有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。

綜上所述，在常春二喬玉蘭春夏季開(kāi)花期內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配與消耗因開(kāi)花模式不同而相異。枝條不僅是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸器官，也兼具儲(chǔ)藏功能。春季開(kāi)花以營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗和利用為主要模式，夏季開(kāi)花則不僅僅需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的充分供給，其動(dòng)態(tài)平衡也對(duì)此時(shí)開(kāi)花的實(shí)現(xiàn)具有重要的作用。