川莓花蜜腺泌蜜节律及发育形态特征

沈燕 ,  唐晓宇 ,  唐秀俊 ,  罗丽林 ,  黄振兴 ,  刘曼

植物研究 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (04) : 636 -647.

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植物研究 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (04) : 636 -647. DOI: 10.7525/j.issn.1673-5102.2025.04.015
研究论文

川莓花蜜腺泌蜜节律及发育形态特征

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Rhythms of Nectar Secretion, Morphological Characteristics of Developmental Floral Nectary in Rubus setchuenensis

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摘要

川莓(Rubus setchuenensis)是优质蜜源植物,为了解其泌蜜节律、花蜜腺发育形态特征,在观察记录川莓花部泌蜜特征基础上,通过石蜡切片和扫描电镜分别观察了5个发育时期(幼蕾期、花蕾期、初花期、盛花期及散粉后期)花蜜腺发育形态解剖特征及超微结构。川莓在贵州省湄潭县的开花期为6—11月,花蜜分泌旺盛期为7—9月;单朵花的开花期为3 d,泌蜜期为2 d,单朵花泌蜜总量及含糖总量平均值分别为(30.58±3.60) μL和(7.14±2.33) mg。川莓花蜜腺位于雄蕊基部与子房之间的浅盘状花托内壁上,由表皮、蜜腺薄壁细胞和维管束 3部分组成,依据蜜腺着生位置、解剖结构特征及有无淀粉粒消长变化3个角度划分,川莓花蜜腺分别属于花托蜜腺、结构蜜腺和淀粉型蜜腺。花蜜腺发育始于幼蕾期,表皮气孔始现于花蕾期,原蜜由维管束提供,以淀粉的形式储存于蜜腺细胞中。淀粉粒从幼蕾期开始积累,淀粉粒含量、花蜜腺表皮气孔大小和开口面积及蜜腺厚度等均在初花期达到最大,此时花蜜腺发育成熟,花蜜由蜜腺表皮表面的角质层和气孔泌出,盛花期和散粉后期的淀粉粒几近消失。

Abstract

Rubus setchuenensis(Rosaceae) is a high-quality nectariferous plant. In order to clarify the nectar secretion rhythm and morphological characteristics of developmental floral nectary, the floral nectar secretion characteristics were observed and recorded, and morphological and anatomical characteristics and ultrastructure of floral nectary at five developmental stages(young bud stage, flower bud stage, initial flowering stage, full blooming stage and post anthesis stage) were investigated by paraffin section and scanning electronic microscope. The flowering period of R.setchuenensis was from June to November in Meitan County, Guizhou Province, and the vigorous nectar secretion period was from July to September. The flowering period and the nectar secretion period of a single flower were three days and two days, and the average total nectar secretion and total sugar content were (30.58±3.60) μL and (7.14±2.33) mg, respectively. The floral nectary of R.setchuenensis was located on the inner wall of the plate-like receptacle between the stamen base and the ovary, which was composed of epidermis, nectary parenchyma cells and vascular bundle. According to the position and anatomical structure of nectary, and the change of starch granules, floral nectary of R.setchuenensis would be divided into receptacle nectary, structural nectary and starch nectary, respectively. The nectary and epidermal stomata developed from the young bud stage and the budding stage, respectively. The original nectar was provided by the vascular bundle and stored in the nectary cells in the form of starch. The starch granules began to accumulate from the young bud stage, and the starch granule content, size and aperture area of stomata, and thickness of nectary reached the maximum at the initial flowering stage. The nectar was secreted from the cuticles and stomata on nectary epidermis, and the starch granules nearly disappeared at the full blooming stage and the post anthesis stage.

Graphical abstract

关键词

川莓 / 泌蜜规律 / 花蜜腺 / 发育解剖

Key words

Rubus setchuenensis / secretion regularity / floral nectary / development anatomy

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沈燕,唐晓宇,唐秀俊,罗丽林,黄振兴,刘曼. 川莓花蜜腺泌蜜节律及发育形态特征[J]. 植物研究, 2025, 45(04): 636-647 DOI:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.04.015

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川莓(Rubus setchuenensis)隶属蔷薇科(Rosaceae)悬钩子属(Rubus),为多年生落叶灌木,高2~3 m,茎杆粗,直立后倒垂,光滑无刺,野生于林缘灌丛,是中国特有种1,原产于中国西南地区,现主要分布在四川、贵州、云南、广西、湖南、湖北等地2。川莓花序为狭圆锥花序,顶生或腋生,花期长,蜜粉丰富,且花蜜和果肉均是蜜蜂的食物来源。不仅如此,川莓根具有活血、止呕、祛风除湿等功效,叶可治疗咳血、月经不调、痢疾、黄水疮等疾病3。因在药用方面的价值,近年来,川莓研究主要集中在化学成分鉴定4、叶绿体全基因组测定5、原花青素提取工艺6等方面,而在蜜用价值方面的研究仅局限于资源调查7,其他方面的研究鲜见报道。川莓是贵州秋季主要蜜源植物盐肤木(Rhus chinensis)大泌蜜期前后重要的辅助蜜源8,通过分析不同月份川莓泌蜜节律变化、单花蜜量,并结合区域内生物量,可推测其蜜蜂承载量及蜂蜜生产潜力9,有助于指导蜂农在秋季蜂蜜收割前的春繁、越夏及收割后的越冬3个关键阶段科学管控蜂群。综上,研究川莓花蜜腺泌蜜节律和发育形态特征,对植物资源开发利用和蜂业生产均具有重要的科学价值和实践意义。
近些年,部分主要蜜源植物的泌蜜节律9-11及其泌蜜的生态影响因素12-15已被揭示,对花蜜腺的研究主要是针对经济作物和主要蜜源植物蜜腺生态学作用、蜜腺发育及花蜜分泌分子机制等方面16-19,但有关川莓泌蜜节律及发育形态特征的研究鲜见报道。蔷薇科植物的花蜜腺为花托蜜腺,由蜜腺表皮、蜜腺薄壁细胞、维管束组成,同科植物花蜜腺结构研究主要集中在苹果亚科(Maloideae)中多个属的不同物种,如山楂(Crataegus pinnatifida)、木瓜(Pseudocydonia sinensis)及苹果(Malus pumila)等20-21,悬钩子属中,仅Kostryco和Chwil21在2022年首次对覆盆子(Rubus idaeus)6个种植品种的花蜜腺进行了描述,研究了花蜜腺的解剖结构、蜜腺表皮微观形态及蜜腺细胞超微结构,但只描述了覆盆子泌蜜期的花蜜腺结构,并未涉及不同发育期花蜜腺结构的观察结果。
本研究在监测川莓泌蜜规律的基础上,进一步观察不同发育时期花蜜腺细胞结构和蜜腺表皮超微结构,探究川莓花蜜腺发育与花蜜分泌的相关性,为川莓蜜用价值的开发利用提供理论依据,为蜂产业发展提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 花蜜量监测

试验地点设在贵州省湄潭县湄江湖水库(27°58′34.86″N,107°34′17.01″E,海拔878 m)。于川莓开花期(2022年6—11月),每月收集3次花蜜分泌数据,每次从10 m2川莓灌丛中随机监测20朵花,3次重复,每月共监测180朵花。

于收集数据前一天傍晚从10 m2川莓灌丛中随机先选取发育一致含苞待放的花蕾进行套网(纱网孔径125 μm),次日早上再筛选刚开放的20朵花进行标记,并于当天早(08:00—09:00)、中(13:00—14:00)、晚(17:00—18:00)用5 μL微量进样器逐朵吸取花蜜,测定每朵花的泌蜜量(μL),并用手持糖度计测量当时的花蜜糖度(oBx),用温湿度计测量并记录当时的温度和湿度。监测持续到花不再泌蜜为止,因川莓开花第2天晚(17:00—18:00)监测泌蜜量均为0,测量此时段的温湿度无意义,故未记录此时段温湿度数据。

用上述测得的花蜜量和糖度计算花蜜含糖量(mg),计算公式为22

Y1=0.002 26+0.009 37X+0.000 058 5X2
Y2=V×Y1

式中:X为花蜜糖度;Y1为1 μL的花蜜含糖量;Y2为花蜜含糖量;V为泌蜜量。

1.2 取样方法

根据花蕾的形态、大小,将其分为5个时期,依次为幼蕾期(已分化出花的各器官)、花蕾期(花蕾已形成并逐渐膨大,但尚未开放)、初花期(刚展开1~2片萼片)、盛花期(完全开放)和散粉后期(花瓣掉落,花丝枯萎变色)(图1)。每个时期分别采集20朵花浸于5%戊二醛溶液中固定24 h,用于扫描电镜观察花蜜腺表皮的超微特征;采集5个时期各20朵花置于FAA固定液中,用于石蜡切片,结合组织化学染色,观察花蜜腺在组织水平上的细胞分化及分泌物的来源和性质。

1.3 扫描电镜观察

取5%戊二醛溶液固定后的花朵标本,在体视镜下解剖,去掉萼片、花瓣、花丝及子房等部分,保留浅盘状花托,使花托内表皮(花蜜腺位于花托内侧)暴露。经0.2 mol·L-1磷酸缓冲溶液清洗3次,超声波清洗5 min,乙醇梯度脱水置换叔丁醇(50%乙醇→70%乙醇→85%乙醇→95%乙醇→100%乙醇Ⅰ→100%乙醇Ⅱ→100%乙醇Ⅲ→100%叔丁醇Ⅰ→100%叔丁醇Ⅱ→100%叔丁醇Ⅲ,每级30 min),真空冷冻干燥机(FD-1-50,中国)干燥,离子溅射喷金仪镀金(JEOL Smart coater,日本)80 s后,置于台式扫描电子显微镜(Nikon JCM 6000,日本)下观察花蜜腺表皮气孔和角质层纹饰,并在相同倍镜下拍取每个时期花托内表皮的外缘、中部及靠近子房内侧3个部位各2张图片,用于计算气孔密度。

气孔密度=观测到的气孔总数观测视野数量×单个视野面积

利用Image J软件测量5个时期表皮电镜图中的气孔长、气孔宽、气孔面积、气孔开口面积及气孔复合体直径。

1.4 石蜡切片制作与观察

取FAA固定液中5个时期标本,经乙醇梯度脱水、二甲苯透明、浸蜡、石蜡包埋、切片(切片厚8 µm)、展片、粘片、染色,最后用加拿大树胶封片制作成石蜡切片标本23,在正置数码显微镜(Nikon NI-E+DS-RI2+NIS-AR,日本)下观察拍照。番红固绿染色参照陈阳等24的方法,用于观察蜜腺组织形态;PAS染色(过碘酸-Schiff染色)参照吴冬梅等25的方法,用于观察不同时期花蜜腺细胞中淀粉粒物质变化。

用Image J软件测量蜜腺表皮高度和宽度、蜜腺薄壁细胞直径和细胞层厚度及蜜腺下薄壁细胞直径和细胞层厚度等。

1.5 数据处理

采用Excel 2019统计和计算试验数据平均值,通过SPSS 27对数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 川莓泌蜜节律

2.1.1 川莓开花特点

川莓单朵花开花期平均为3 d,单朵花泌蜜期平均为2 d,但同一花序花朵发育不一致,通常是5个发育时期并存,导致同一花序的开花期在7 d到45 d不等;同一枝条上每个花序发育也不一致,故每个川莓植株花期不等,一般可持续1~3个月;湄江湖水库川莓整体开花期较长,从6月可持续到11月。

2.1.2 单朵花泌蜜总量和花蜜含糖总量的月动态

表1表2可知,6—11月,川莓单朵花泌蜜总量及花蜜含糖总量均呈现先升高后降低的趋势,花蜜分泌旺盛期为6—9月,单朵花泌蜜总量和花蜜含糖总量月平均值分别为(30.58±3.60) μL和(7.14±2.33) mg,单朵花泌蜜总量和花蜜含糖总量皆是8月最高((34.32±1.85) μL和(9.08±0.57) mg)、11月最低((25.4±2.28) μL和(3.56±0.39) mg),均与其他月份差异显著(P<0.05)。结合表3温湿度数据可知,单朵花泌蜜总量及花蜜含糖总量均与泌蜜监测时的平均温度变化规律一致,与相对空气湿度变化规律正好相反,因此,呈现出单朵花泌蜜总量及花蜜含糖总量8月最高、11月最低的结果,由此推测,单朵花泌蜜总量及花蜜含糖总量可能受环境温度和湿度的影响。

2.1.3 单朵花泌蜜量、花蜜含糖量的日动态

川莓开花第1天单朵花泌蜜量、花蜜含糖量明显高于第2天,是第2天的6~10倍(表1表2)。从第1天早上到第2天中午5个时间段的单朵花泌蜜量逐渐减少,至第2天晚上无花蜜泌出。6—11月间,单朵花泌蜜量在第1天早上08:00—09:00时段最高,与其他时段存在显著差异(P<0.05);6—7月间,第1天早上08:00—09:00时段的单朵花花蜜含糖量显著高于其他时段(P<0.05),但8—11月间,第1天中午13:00—14:00时段的单朵花花蜜含糖量显著高于其他时段(P<0.05)。单朵花泌蜜量主要集中在开花第1天早上08:00—09:00和中午13:00—14:00时段,占单朵花泌蜜总量的2/3,第1天早上08:00—09:00时段的单朵花泌蜜量和花蜜含糖量均在7月最高((14.00±1.01) μL和(3.83±0.36) mg),11月最低((8.00±0.86) μL和(1.12±0.17) mg),均与其他月份差异显著(P<0.05);第1天中午13:00—14:00时段的单朵花泌蜜量和花蜜含糖量均在9月最高((12.20±1.06) μL和(3.83±0.28) mg),显著高于其他月份(P<0.05)。

2.2 不同花发育期川莓花蜜腺位置、超微结构特征

2.2.1 川莓花蜜腺的位置和结构

川莓属于周位花,花托呈浅盘状,花萼、花冠和雄蕊群着生在花托边缘,花蜜腺位于雄蕊基部与子房之间的花托内壁上(图2A~2C),根据着生位置可知,川莓花蜜腺属于花托蜜腺。川莓幼蕾期纵切图2B、2D中左花托内侧无明显的花蜜腺结构,图2E中右花托内侧中部现明显花蜜腺结构,证实川莓花蜜腺原基是在幼蕾期各部分花器官原基分化完成后,由花托内表面细胞反分化形成。随着川莓花蜜腺不断发育,长度不断增加,而厚度则呈先增加后减少的趋势。花蜜腺厚度在初花期最厚((653.43±45.24) μm),显著高于其他时期(P<0.05);花蜜腺长度在幼蕾期最短((650.77±114.73) μm),与其他时期有显著差异,但其他4个时期之间花蜜腺长度无显著差异(P<0.05),盛花期花蜜腺长度为(2 613.26±58.72) μm(表4)。

2.2.2 川莓花蜜腺表皮的超微结构特征

川莓花蜜腺表皮是一层特化的表皮细胞,外面有角质层覆盖,蜜腺表皮可发育出失去关闭能力的气孔,花发育各时期角质层纹饰的形状、气孔分布和大小均有变化(图3)。幼蕾期花蜜腺表皮角质层纹饰明显呈网状脊,脊间有不规则内凹(图3A双箭头所示);花蕾期角质层纹饰内凹部分逐渐向外呈近圆形突起(图3B双箭头所示),仍存在少量的脊状突起;初花期角质层纹饰呈近圆形突起(图3C双箭头所示),近圆形突起间形成沟壑;盛花期表皮角质层纹饰重新变为网状脊,脊间不规则内凹(图3D、3E双箭头所示);散粉后期角质层极度皱缩,无规则纹饰(图3F双箭头所示)。盛花期和散粉期部分角质层破裂,有花蜜分泌痕迹(图3D、3F单箭头所示),部分气孔有花蜜残留(图3E、3F三箭头所示),表明川莓花蜜是由气孔和角质层泌出。

川莓花蜜腺表皮气孔分化始于花蕾期,幼蕾期蜜腺表皮无气孔分布。表5显示,气孔长度、气孔面积和气孔复合体最大直径在5个发育时期均无显著差异(P>0.05);气孔宽度、气孔开口面积及气孔复合体最小直径均在初花期最大,分别为(5.85±0.80) μm、(9.19±3.28) μm2和(10.77±1.97) μm。气孔密度随发育进程逐渐增大,在散粉后期最高((301.67±10.50) 个·mm-2),与盛花期((258.33±19.60) 个·mm-2)存在显著差异(P<0.05)。

2.2.3 不同花发育时期川莓花蜜腺结构及内含物变化

川莓花蜜腺由一层表皮、多层蜜腺薄壁细胞及蜜腺薄壁细胞间的维管束3部分组成(图4),从解剖结构特征划分,川莓花蜜腺属于结构蜜腺。

川莓花蜜腺表皮细胞呈方形,排列整齐,与内侧细胞分界明显(图4A~4E)。表6显示,表皮细胞宽度随发育进程而增加,但表皮细胞宽度无显著差异(P>0.05);表皮细胞厚度在初花期最高((20.88±2.49) μm),与其他时期存在显著差异(P<0.05),这一结果与图4C中初花期表皮细胞外侧突起,外壁有1层染色较深的角质层,随细胞形态部分向外突起,以及扫描电镜中初花期角质层纹饰呈近圆形突起相互印证。

川莓花蜜腺薄壁细胞呈圆形或多角形,细胞核较大,细胞质染色较深,越靠近表皮细胞越小且紧密,相反则相对较大、疏松(图4A~4E)。细胞质在花蕾期和初花期呈高稠密状态,致使细胞界限模糊(图4B、4C),在盛花期及散粉后期细胞质稠密度降低,细胞形态清晰可辨(图4D、4E);蜜腺薄壁细胞层数在幼蕾期最少,到花蕾期增加至14~15层后便不再增加(表6);蜜腺薄壁细胞层厚度在初花期为(629.88±46.59) μm,显著高于其他时期(P<0.05)(表6);蜜腺薄壁细胞直径在散粉后期最大((40.91±11.29) μm),与花蕾期和初花期无显著差异,但显著大于盛花期(P<0.05)(表6)。蜜腺下薄壁细胞层数变化与蜜腺薄壁细胞层数变化正好相反,在幼蕾期层数最多,花蕾期减少到8层后保持不变(表6),这与2.2.1中所述川莓花蜜腺原基由花托内表面细胞反分化形成相对应;蜜腺下薄壁细胞层厚度在花蕾期最高((786.41±110.60) μm),与其他时期存在显著差异(P<0.05);蜜腺下薄壁细胞直径在初花期最高,为(78.61±17.99) μm,显著高于其他时期(P<0.05)(表6)。

川莓花蜜腺组织间的维管束,一端与花柄内维管束相连,贯穿花蜜腺组织后,末端与花丝维管束相连。PAS染色显示,维管束细胞中整齐排列有大量小颗粒淀粉粒,粒径小于蜜腺薄壁细胞中的淀粉粒(图5C),表明原蜜是由维管束提供,以淀粉的形式储存。

川莓花蜜腺在5个发育时期中存在明显的淀粉粒消长变化。幼蕾期蜜腺存在较少小颗粒淀粉粒(图5A),花蕾期蜜腺中淀粉粒增大、增多,初花期蜜腺中淀粉粒进一步累积(图5C、5D),盛花期蜜腺中淀粉粒减少,大部分蜜腺薄壁细胞中无淀粉粒,少数表皮下蜜腺薄壁细胞中具有少量淀粉粒(图5E),散粉后期蜜腺细胞中少量分布有小颗粒淀粉粒(图5F),故根据有无淀粉粒消长变化分类,川莓花蜜腺属于淀粉型蜜腺。

3 讨论

川莓单朵花泌蜜期为2 d,单朵花泌蜜量和花蜜含糖量均在开花第1天最高,这与刺五加(Eleutherococcus senticosus)雌雄花开花后分别在第5~9天和第1~3天泌蜜26、米团花(Leucosceptrum canum11和百子莲(Agapanthus africanus27在开花第2天泌蜜量最大有所不同。不同物种花泌蜜在时间上的差异可能受授粉生物学、开花物候和生物地理环境等因素的影响,如川莓为两性花聚合果,单朵花泌蜜期短,集中大量泌蜜存放于花盘中,更有利于蜜蜂授粉。另外,川莓花泌蜜受环境温湿度影响的推测,与Wyatt28提出温度和湿度是影响植物花泌蜜重要因素的观点相同。可见,适当的高温高湿天气,可促进川莓花泌蜜,提高花蜜含糖量。

根据蜜腺着生位置分类29,川莓花蜜腺属于花托蜜腺,无突起结构,与同为花托蜜腺的十字花科(Brassicaceae)油菜(Brassica campestris)和芥菜(Brassica juncea)等种类有所不同,十字花科花蜜腺在花丝基部呈不规则突起16。川莓与同属覆盆子的花托蜜腺在整体结构上相同,但在花蜜腺的表皮角质层纹饰、气孔大小及密度、蜜腺薄壁细胞层数及厚度等细胞水平上均存在差异21。根据整个泌蜜期淀粉粒的有无消长变化分类30,川莓花蜜腺属于淀粉型蜜腺,与白麻(Apocynum pictum18和异株百里香(Thymus marschallianus31等非淀粉型蜜腺在淀粉粒含量变化上有所区别。川莓花蜜腺位置结构类型、糖的储存及分泌方式与多种植物,如杏(Prunus armeniaca32、香叶天竺葵(Pelargonium graveolens33白花草木樨(Melilotus albus34刺槐(Robinia pseudoacacia35等花蜜腺高度一致。川莓花蜜腺原基的分化方式和原蜜来源与杏32、新疆鼠尾草(Salvia deserta36、垂花青兰(Dracocephalum nutans37、龙眼(Dimocarpus longan38、烟草(Nicotiana tabacum39等植物相似。川莓花蜜腺发育状态,如表皮气孔大小和开口面积、蜜腺厚度、蜜腺细胞内淀粉粒含量等均在初花期达到最大,这一发育特点印证了川莓开花即开始大泌蜜的特征。蜜腺表皮角质层纹饰在蜜腺细胞内含有大量淀粉粒的花蕾期和初花期呈近圆形突起,而在淀粉粒含量极少的其他3个时期呈网状脊,推测川莓花蜜腺表皮角质层纹饰在不同发育时期的变化似乎与蜜腺表皮细胞内含物含量有关。

本研究利用石蜡切片和扫描电镜技术,观察了花蜜腺形态结构、发育规律及花蜜分泌方式,关于川莓泌蜜机理的深层解析,仍需结合透射电镜观察和分子生物学技术等手段开展进一步研究。

4 结论

川莓在贵州湄潭县开花期为6—11月,花蜜分泌旺盛期为6—9月;单朵花开花期3 d、泌蜜期2 d、单朵花泌蜜总量和含糖总量分别为(30.58±3.60) μL和(7.14±2.33) mg,第1天泌蜜量最多,约是第2天的6~10倍。

花蜜腺位于雄蕊基部与子房之间的浅盘状花托内壁上,由表皮、蜜腺薄壁细胞及维管束3部分组成。依据蜜腺着生位置分类,川莓花蜜腺属于花托蜜腺;从解剖结构特征划分,川莓花蜜腺属于结构蜜腺;根据有无淀粉粒消长变化分类,川莓花蜜腺属于淀粉型蜜腺。

花蜜腺发育始于幼蕾期,表皮气孔始现于花蕾期,原蜜是由维管束提供,以淀粉的形式储存于蜜腺细胞中,淀粉粒从幼蕾期开始积累,淀粉粒含量、花蜜腺表皮气孔大小和开口面积及蜜腺厚度等均在初花期达到最大,此时花蜜腺发育成熟,花蜜由蜜腺表皮表面的角质层和气孔泌出,盛花期和散粉后期的淀粉粒几近消失。

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