李明昊，姚 锐，杨梦涵，高 慧，任学军，郭振清，林小虎

(河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北 秦皇岛，066600)

禾本科黑麦属作物与小麦的亲缘关系相近，具有耐寒、抗旱、抗病以及优良的农艺性状等特点，是小麦的三级基因库，国内外学者已将它们广泛应用于小麦的遗传改良工作[1]。小黑麦是以小麦和黑麦作为亲本，人为通过杂交手段得到的异源多倍体，由于小麦有不同的倍性，在与黑麦杂交时就可以得到不同倍性小黑麦，当前生产上有利用价值且应用较普遍的小黑麦主要是六倍体小黑麦和八倍体小黑麦[2]。

对植物的微观形态进行观察，可以为植物分类提供参考信息，从而更准确地对植物进行分类[3,4]。近年来对于黑麦类作物的研究，很少见到从花药、花粉的显微形态学的角度进行综合分析的研究。刘植义等[3]利用扫描电镜对普通小麦、小黑麦和黑麦花粉粒及其叶表皮结构进行了观察，研究了小黑麦的花粉粒形态特征及叶表皮结构特征；而张述祖等[4]观察了小黑麦雄蕊药室内壁发育中细胞器，研究了小黑麦雄蕊发育的不同时期(从小孢子母细胞到成熟花粉)的药室内壁的细胞器的消长关系。但他们的研究是大约30年前进行的，使用的电镜分别为日立S-570和日立H-600。受当时研究设备限制，所得扫描照片清晰度不足，导致所得结论可能不精确。另一方面，近年来还未见有对黑麦类作物花药显微形态特征的研究报道，因此有必要利用现代高精设备对黑麦类作物花药和花粉粒的显微结构做更准确的研究。本次研究主要从显微形态学的角度比较3种不同倍性的黑麦类作物的花药形态和花粉粒微观结构，旨在发现三者之间的异同点，并为亲缘关系相近的麦类物种的分类提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本次研究所用试验材料为二倍体黑麦(山农SC1556)、六倍体小黑麦(山农HT1638)和八倍体小黑麦(山农OT0202)，均引自山东农业大学农学院，种植于河北科技师范学院生命科技实验站。

1.2 方法

1.2.1花药形态观察 在扬花期前取3种不同倍性黑麦类作物即将成熟的花药，均随机选择30粒，置于体视显微镜(OLYMPUS SZX16,日本，奥林巴斯公司生产)下观察花药形态、测量大小并拍照。

1.2.2花粉扫描电镜观察 在扬花期取3种不同倍性黑麦类作物成熟花药，自然干燥后镊子将花粉剥落到粘有导电胶带的扫描电镜样品台上，放置于场发射扫描电子显微镜(日立SU8010，日本，日立公司生产)在工作电压10 kV下观察花粉粒的微观结构并拍照。

1.2.3数据分析方法 花药形态差异性分析用Graphpad Prism 8.0数据分析软件进行分析并作图，花粉粒形态学特征用DPS数据分析软件进行分析并制作表格。花粉粒极轴长(P)，赤道轴长(E)参考刘鹏等[9]的方法表示，花粉粒的基本形状和等级分类参考李天庆[5]的分类标准表示。

2 结果与分析

2.1 不同倍性黑麦类作物花药形态

利用体视显微镜对3种不同倍性的黑麦类作物即将成熟的花药分别进行观察拍照并测量其大小。结果发现，3种不同倍性的黑麦类作物的即将成熟花药颜色均为绿色，但二倍体黑麦花药颜色更深，呈深绿色；3种黑麦类作物的花药均狭长，呈棒状，但二倍体黑麦花药更加狭长，呈长棒状，而六倍体小黑麦和八倍体小黑麦的花药相对较短呈短棒状。3种黑麦类作物的花药表面都为条纹状，但二倍体黑麦花药表面条纹更深，六倍体小黑麦和八倍体小黑麦花药表面条纹相对较浅(图1)。3种黑麦类作物花药大小有明显的不同：二倍体黑麦花药长度平均为8 662.75 μm±1 344.99 μm，宽度平均为797.42 μm±95.74 μm，六倍体小黑麦花药长度平均为3 903.70 μm±665.56 μm，宽度平均为581.72 μm±77.69 μm；八倍体小黑麦花药长度平均为5 365.34 μm±710.15 μm，宽度平均为892.91 μm±160.98 μm(表1)。在花药长度方面二倍体黑麦花药长度最长，八倍体小黑麦花药长度次之，六倍体小黑麦花药长度最短；二倍体黑麦和八倍体小黑麦的花药长度存在极显著差异、六倍体小黑麦和八倍体小黑麦的花药长度存在极显著差异，二倍体黑麦和六倍体小黑麦的花药长度存在极显著差异。在花药宽度方面八倍体小黑麦花药宽度最宽，二倍体黑麦花药宽度次之，六倍体小黑麦花药宽度最窄；二倍体黑麦和六倍体小黑麦的花药宽度存在极显著差异，六倍体小黑麦和八倍体小黑麦的花药宽度存在极显著差异(图2)。

表1 不同倍性黑麦类作物花药形态学特征

图1 不同倍性黑麦类作物花药形态

2.2 不同倍性黑麦类作物花粉粒超微结构观察

对3种不同倍性的黑麦类作物花粉粒进行超微结构观察，发现3种黑麦类作物花粉均为单粒花粉，单萌发孔(图3)。3种不同倍性的黑麦类作物花粉粒的外壁纹饰全部为颗粒状纹饰，但是不同黑麦类物种之间颗粒的疏密程度存在差异。其中二倍体黑麦花粉外壁颗粒纹饰为单一颗粒型，但是与六倍体小黑麦和八倍体小黑麦的花粉粒的纹饰颗粒相比颗粒最小并且排列最为稀疏；六倍体小黑麦花粉粒外壁纹饰也是单一颗粒型，且六倍体小黑麦纹饰颗粒稀疏程度在二倍体黑麦和八倍体小黑麦之间；八倍体小黑麦花粉粒外壁纹饰为单一颗粒同时也有连成锯齿状的复合颗粒，八倍体小黑麦花粉粒的纹饰颗粒与六倍体小黑麦和二倍体黑麦的花粉粒的纹饰颗粒相比颗粒排列最为密致。3种黑麦类作物花粉粒外壁纹饰颗粒疏密程度由疏到密的顺序依次为：二倍体黑麦，六倍体小黑麦，八倍体小黑麦。

图3 不同倍性黑麦类作物花粉超微形态特征

3种黑麦类作物的花粉粒大小存在差异(表2)，其中二倍体黑麦花粉粒的极轴长(P)为66.08 μm±5.00 μm，赤道轴长(E)37.70 μm±2.60 μm，P/E值为1.75为长球形；六倍体小黑麦花粉粒的极轴长(P)62.68 μm±3.08 μm，赤道轴长(E)57.18 μm±3.13 μm，P/E值是1.10为圆球形；八倍体小黑麦花粉粒的极轴长(P)为54.18 μm±3.06 μm，赤道轴长(E)48.08 μm±4.27 μm，P/E值是1.12为圆球形。

表2 不同倍性黑麦类作物花粉粒形态学特征

3 讨 论

本次研究对不同倍性黑麦类作物进行花药体视镜观察，花粉粒扫描电镜观察。花药体视镜观察结果表明：3种不同倍性黑麦类作物即将成熟的花药颜色均为绿色，3种不同倍性黑麦类作物的花药均狭长，呈棒状。3种不同倍性黑麦类作物在花药长度上差异均极显著，在花药宽度上二倍体黑麦和六倍体小黑麦花药宽度差异极显著，六倍体小黑麦和八倍体小黑麦花药宽度差异极显著；在扫描电镜下3种黑麦类作物的花粉粒都为单粒花粉，单萌发孔，3种不同倍性黑麦类作物花粉粒的极轴长，赤道轴长差异显著；3种不同倍性黑麦类作物花粉外壁纹饰全部为颗粒雕纹，其中二倍体黑麦花粉粒的纹饰颗粒排列最稀疏，六倍体小黑麦花粉粒的纹饰颗粒排列较密致，八倍体小黑麦花粉粒的纹饰颗粒排列最密致。

本次研究通过对3种不同倍性黑麦类作物花药和花粉粒的显微形态学观察丰富了黑麦属作物的花粉形态信息。郭学民等[6]得到榆叶梅不同植株之间花粉形态大小和纹饰既具有种的相似性又具有株的特异性的结果与本次研究中小黑麦花粉外壁纹饰全部为颗粒雕纹但颗粒的类型不完全相同的结果相似。职新浩等[7]观察了7种植物的花粉外壁纹饰结果表明外壁纹饰各不相同,各有特点,有些是它们共有的,但绝没有任何两种植物的花粉外壁纹饰完全相同的。植物花粉的形态特征是受基因控制的,不受外界条件的影响其形态特征具有可遗传性，因此可以作为分类标准[8～10]，对3种不同倍性黑麦类作物的花药、花粉粒进行了显微形态学观察，发现3种不同倍性的黑麦类作物的花粉粒的微观形态也存在差异，对于整个黑麦类作物而言，花粉粒的外壁纹饰可以反映不同黑麦类作物之间的差别，可以作为3种不同倍性的黑麦类作物分类的标准之一。然而，由于本次试验研究的黑麦类作物种类和数量都相对较少，要得出更严谨的黑麦类作物显微形态学及超微结构差异的相关性结论，还需要进行更全面、更深入的研究。