羊草及其它禾草有性繁殖研究进展.ppt

羊草及其它禾草有性繁殖研究进展羊草及其它禾草有性繁殖研究进展 草地科学研究所草地科学研究所穆春生穆春生1可编辑版1.种子 2.胚根 3.分蘖节 4.根茎 5.次生根 6.地上枝根茎型草类图示-芦苇2可编辑版多年生禾草可分：根茎型；疏丛型；密丛型；根茎-疏丛型四种。羊草及其根茎图3可编辑版1.胚根 2.种子 3.次生根 4.分蘖节 5.主枝 6.分蘖枝疏丛型草类图示-鹅观草4可编辑版1.胚根 2.种子 3.次生根 4.分蘖节 5.分蘖枝 6.主枝密丛型草类图示-针茅5可编辑版1.主枝 2.分蘖枝 3.根茎 4.根系根茎疏丛型草类-草地早熟禾6可编辑版一、羊草繁殖特点及研究意义 羊草（Leymus chinensis），又名碱草，属禾本科禾本科赖草属多年生根茎型根茎型植物，主要分布于欧亚大陆草原区东部。俄罗斯、朝鲜、蒙古等国及我国的东北三省及内蒙古、河北、山西、陕西、新疆等省区。全世界羊草总面积达42万km2，其中我国境内约占50。羊草具有抗逆性强（耐寒、耐旱和耐盐碱）的生态特性，在保持水土、生态建设方面起着及其重要的作用。羊草植株叶量大，营养价值高，适口性好，素有“牧草中的细粮”之称，牛羊均喜食，也是我国最重要的优良牧草之一。根茎型禾草是在植物系统发育中与外界条件相互作用所形成的一种重要繁殖类型，无论在天然草地，还是人工草地，均发挥着重要作用。其中，羊草是最有名的温带草甸草原类的主要建群种之一。7可编辑版 有性繁殖和无性繁殖是高等植物延续自身的两个基本方式。在东北松嫩平原，羊草4月上旬返青，5月末开始抽穗，7月中下种子成熟，其后进入果后营养期。在自然条件下，根茎型禾草均以无性繁殖繁殖为主，有性繁殖力弱。羊草在有性繁殖方面，表现着抽穗开花期虽然长达一个月之久，但抽穗率却只占10-20%；参差不齐、大小不一的穗上虽然小花数较多，但结实率却只有20-30%；常年的抽穗率和结实率虽然很低，但在个别年度间或不同人工措施间变异幅度却高达2.1%-71.3%和7.8%-73.3%。8可编辑版9可编辑版10可编辑版 羊草低下的有性繁殖能力和种子产能（一般年份羊草帯稃的种子产量只有100kg/ha左右），严重地制约人们对其的利用，与我国目前草地生态建设和畜牧业发展存在着尖锐的矛盾，而种子产能的大幅变化，又为采取人工措施提高种子产量提供了可能。11可编辑版12可编辑版13可编辑版14可编辑版15可编辑版16可编辑版二、羊草有性繁殖研究进展 以羊草为关键词，从检索的大量国内外研究文献来看：一是有关羊草研究的绝大数报道是我国学者发表的，说明了我国在羊草研究方面的水平居于世界领先的地位，这与羊草在我国分布面积大，以及在生态建设和畜牧业发展中占有极其重要的地位有关。二是从现有的羊草研究报道来看，大部分研究报道是关于羊草无性繁殖方面的，而有关羊草有性繁殖研究方面相对滞后，不但文献较少，而且研究水平也较低。17可编辑版 羊草种子产量构成因子可分解为单位面积穗数、每穗结实粒数和千粒重三大因子。现有研究结果表明，羊草种群的成穗数量不但是制约羊草种子产能的瓶颈，是提高种子产量的关键因子，而且还影响着羊草结实率和结实粒数的高低。18可编辑版 因此，提高羊草种子产能的焦点是其成穗率的问题，而当年羊草种群的成穗数量又与上一年秋季8-10月从地下芽库中输出形成的子株（Danghter Shoot，又称冬性植株）数量息息相关，且子株在翌年能否成穗，与其生育大小有关。羊草各羊草各类型芽类型芽、子株子株和和母株母株的示意图的示意图B1:根茎顶芽；DS1:根茎顶芽子株；B2:根茎节芽；DS2:根茎节芽子株；B3:分蘖芽；DS3:分蘖芽子株；YR:新生根茎；FS:抽穗株；VS:营养株。其中 VS和FS为母株；DS1，DS2和DS3为子株。19可编辑版1、子株的研究现状与分析、子株的研究现状与分析 羊草种子成熟后8-10月份在果后营养期形成的子株，它们分别来源于地下芽库中分蘖节芽（Shoot bud）、根茎顶端芽（Apical rhizome bud）和根茎节芽（Axillary rhizome bud），可分别称为分蘖节芽子株（Daughter axillary shoot）、根茎顶端芽子株（Daughter apical rhizome shoot）和根茎节芽子株（Daughter axillary rhizome shoot）。在相对稳定的天然草地上，根茎节芽很少萌发，大多处于休眠状态，主要靠根茎顶端芽和分蘖芽发育成子株。这些子株到生长季末，始终不拔节，生有1-5片叶，保持莲座丛状。20可编辑版 马鹤林等人较早地研究了内蒙古草原子株生长锥生长锥的分化状态，指出大多数子株生长锥处于幼穗分化八个阶段的第1阶段（初生期），少数处于第2阶段（伸长期）和第3阶段（结节期）。其后，再没有见到此方面的研究报道，直到近几年，我们在生长季末取样对松嫩草地子株生长锥的解剖学研究发现，大部分生长锥是处于结节期，而只有少部分处于伸长期和小穗分化始期。两者研究结果虽然在具体的幼穗分化阶段上有所差异，但共同点均证明了子株已进入了生殖生长的阶段。21可编辑版羊草根茎顶芽分生组织大小的测量与分化状态判别方法羊草根茎顶芽分生组织大小的测量与分化状态判别方法A：初生期（营养生长时期）的根茎顶芽分生组织，FL表示止叶原基；B：伸长期（生殖生长始期）的根茎顶芽分生组织，B1表示第一苞原基。图中横杠长度表示50m。图片为400倍成像。22可编辑版 初生期伸长期结节期 小穗分化期羊草幼穗分化进程图23可编辑版 由以上子株的研究现状看，对子株的研究仅限于其形成时间、来源和分化方面，还残留着形成它们的三类地下芽孕育发生在什么时间、出生比例（越冬芽和越冬子株比例）如何，在长达3个月之久的子株出生期，其峰期是在何时，三类不同的子株数量和比例是多少等问题，目前仍不清楚。在近年，我们对其中的问题之一，子株的孕生时间进行了研究，其结果如下：24可编辑版水平生长根茎顶芽和向水平生长根茎顶芽和向上生长根茎顶芽上生长根茎顶芽(a)，根茎节芽根茎节芽(b)，分蘖芽分蘖芽(c)，总芽总芽(d)；根茎顶芽子株根茎顶芽子株(a)，根茎节间芽子株根茎节间芽子株(b)，分蘖芽子株分蘖芽子株(c)总植株总植株(d)A1-1：水平生长根茎顶芽；A1-2：向上生长根茎顶芽；A2：根茎顶芽子株；B1：根茎节间芽；B2：根茎节芽子株；C1：分蘖芽；C2：分蘖芽子株。25可编辑版2、子株与翌年有性繁殖间关系的研究现状子株与翌年有性繁殖间关系的研究现状与分析与分析 子株与翌年有性繁殖关系的研究最早也见于1983年马鹤林等人的报道，指出在越冬前，只有具有3-4片叶的子株在翌年才能发育为生殖枝，其它较少叶片的子株不能发育成穗。后来，杨允菲等人（1994）用5-6月份调查羊草植株下部留有枯叶鞘、枯叶片、枯叶尖或“三枯”之一的方法来鉴别子株和母株（Parental Shoot，又称春性植株），进一步指出松嫩平原前一个生长季后期形成的子株占羊草种群生殖枝中的绝对比率，但年份之间有一定的波动。由上研究得出，无容置疑，羊草种群的生殖枝是由上一年秋季发育的子株形成的，但对于不同类子株所形成生殖枝的数量，即不同类子株对生殖枝的贡献，发育状态到什么程度的子株才能成穗，能成什么样的穗（穗大小），子株出生日期和发育状态与成穗早晚等问题，还有待于进一步研究。26可编辑版3、有性繁殖各组分间关系的研究现状与分析、有性繁殖各组分间关系的研究现状与分析 在生产上，为了提高羊草的种子产量，首先要考虑的是增加种群的生殖枝的比例。我们利用多元线性回归的方法分析了近几年产量构成因子对种子产量的贡献，发现抽穗数量、每穗结实粒数、千粒重对种子产量的标准化回归系数分别为13.956、8.144和3.544。从而得出抽穗数量是产量构成因子中的关键因子，提高羊草种群的抽穗数量可大幅提高其种子产量。27可编辑版 羊草种群的抽穗数量不但是制约种子产能的关键因子，而且还影响着结实率的高低。以往的研究也证明，在抽穗率和抽穗数高的年份，羊草种群的结实率和结实粒数也呈显著增加的趋势。分析其原因，可能是羊草为风媒异花授风媒异花授粉粉植物，整个种群种群的开花期长达40余天，结实率受传粉期间的花粉数量和密度不足所致。因此，通过抽穗数量的研究，就可抓住制约羊草种子产能的最关键问题，从而在为提高成穗数量、结实和种子产量奠定理论依据和提供了可能。28可编辑版4、气候、营养条件、草地利用等对有性繁殖影、气候、营养条件、草地利用等对有性繁殖影 响的研究现状与分析响的研究现状与分析1）气候）气候 羊草种群的抽穗率受生态环境制约，杨允菲等人通过对3个固定样点连续1216年的调查结果得出，羊草种群种子生产有明显的丰欠年现象，前一年度秋季（8-10月）低温、多雨多雨、少光照时，将对翌年幼穗分化及其生长有促进作用，可明显增加下一年羊草种群的抽穗数量、结实粒数和种子产量。而当年45份的多光照、高温、少雨有利于羊草种群的抽穗数量、结实粒数和种子产量。29可编辑版 我们通过近几年的调查结果也得出，前一年秋季的8-9月份的降雨量与第二年抽穗数量之间存在着明显的线性关系，当降雨量增加0.4倍时，抽穗数可增加4倍左右。以上研究结果说明，气候因子对羊草种群抽穗数和种子生产的滞后影响，与子株的孕生和生育时期密切相关。20042007年的降雨量和温度变化图 2005、2006、2007、2008年的抽穗率分别为18.0、35.1、11.8和12.0；每平方米的抽穗数量分别为160株、569株、142株和106株。2006年的抽穗率是2005、2007和2008年的1.85、2.97和2.93倍；每平方米抽穗数是3.56、4.01和5.37倍。发表论文30可编辑版31可编辑版 2）营养条件 据内蒙和东北地区多年多点的调查结果显示，人工草地羊草种群的最高结实率为73.3%，天然草地的最低结实率为7.8%，是与水、肥条件有关。采取人工措施的研究也证明，在羊草孕穗前期施用氮、磷、钾肥，可显著地提高结实粒数和结实率，从而大幅度地提高种子产量；在孕穗以后的各生殖生长阶段，补给水肥的残效对翌年种子生产有促进作用。研究还表明，CO2倍增对羊草的抽穗率有增加作用，其抽穗率比对照组增加57%。这说明在温度、光照、水分等环境条件一致，可满足植物生长的基本要求时，CO2倍增提高了羊草的光合作用，为其生长提供了物质基础。32可编辑版33可编辑版34可编辑版3）草地利用 多年对天然草地放牧场和割草处理的调查结果显示，生殖蘖数最低为2.1%，最高为71.3%，高强度放牧和长期连续割草不但使羊草种群的营养繁殖受阻，而且也导致有性生殖能力下降。理所当然，不合理的草地利用必然会影响羊草种群的生长发育。由以上研究结果和现状得出，羊草虽以无性繁殖为主，但有性生殖力却存在着巨大的变化空间，无论是水分因子，还是养分因子，均对羊草种群的有性生殖产生了极大的影响，但还没有在穗数和种子产能形成的关键期，即从子株孕生和发育期为切入点，来进行研究的相关报道，因此，具体在上一年的何时，采取什么最适宜的措施，以高效提高羊草种子产能的问题，目前还不清楚。35可编辑版5、生殖细胞、生殖器官发育对有性繁殖影响的研究、生殖细胞、生殖器官发育对有性繁殖影响的研究 现状与分析现状与分析 对于小孢子的育性问题，无论是上世纪80年代的研究，还是近几年的研究，通过20多年研究得出的却是二个不同的结论。一是部分研究者发现羊草花粉母细胞的减数分裂过程存在异常现象，认为大量的花粉败育是羊草结实率低的主要原因。二是部分研究者认为败育花粉比例很小，花粉育性不是结实率低的原因。在对大孢子发育与胚囊育性研究上，也发现了胚囊异常发育和雌蕊形态异常的现象。36可编辑版1）不正常 1980年以来，段晓刚等人针对羊草结实率低的问题，研究者发现羊草花粉母细胞的减数分裂过程存在异常现象，某些小孢子母细胞有明显的无丝分裂现象，结果形成了不育花粉，或花药中无花粉等异常现象，其中个别植株的不正常花粉竟达80%以上。Blair J.M.等人认为结实率低是因为基因作用直接引起的生理代谢障碍，或环境因素的原因，影响受精作用受精作用及合子合子的正常发育所致。有人认为，小孢子减数分裂的异常是由于温度不正常(高温、低温及变温)所引起的，但也有人认为减数分裂不正常的频率与气候条件并无明显的相关性。37可编辑版2）正常 关于小孢子发育异常现象，也有相反结论的报道，经碘碘化钾法测定不具生活力的花粉仅有7.2%，大多数花粉具生活力。张卫东等（2002）在自然条件下进行了羊草自交异交实验得出，羊草花粉大多是活力的，花粉成活力最低达92.2%，最高达95.2%，花粉败育最高不到8%，具有一定数目的自然授粉结实率，故认为花粉生活力不是限制羊草自然结实的主要障碍。38可编辑版39可编辑版40可编辑版41可编辑版3）大孢子发育与胚囊育性研究结实率是植物生殖过程的表达产物,胚囊作为植物生殖的载体,直接决定植物种子最终的形成与否,所以,胚囊的育性及受精状况是研究生殖过程最核心的内容之一。到目前为止，从胚囊育性的角度来研究羊草大孢子发生和雌配子体发育的报道仅有1篇，文中指出羊草的胚囊除大多数为单胚囊外，同时也发现20左右的双胚囊等现象，正常发育的胚囊仅占30左右，故认为胚囊异常发育可能是影响羊草结实率低的胚胎学因素之一。42可编辑版43可编辑版44可编辑版6、授粉特性与自交不亲和 王克平对羊草授粉特性进行了研究，结果表明羊草是风媒的异花授粉植物，推测异花传粉机制可能与结实率低有着密切的联系。自交、异交结实性实验结果表明，在自然条件下，羊草自交结实率为03%。在相同条件下，羊草自然异交结实率(7%57%)远大于自交的结实率。研究证明，与异交花粉相比，自交花粉在柱头上萌发率显著降低，花粉在花粉管中的伸长生长也受到抑制。45可编辑版7、种子发芽率低研究现状与进展前人研究证明羊草种子存在休眠现象，羊草的休眠类型为抑制物引起的生理性休眠，抑制物主要是脱落酸(ABA)，主要抑制部位是胚乳胚乳。随着羊草种子贮存年限的延长，脱落酸的含量逐渐下降，种子发芽率则逐渐提高。羊草种子的休眠期为4年左右，56年达到自然发芽率高峰，此后发芽率开始下降。进一步的研究显示，种子内萌发促进激素激素与抑制激素的比值对种子萌发起着重要的调节作用。当促/抑激素比值较大时，种子解除休眠，萌发率提高。羊草种子的休眠是萌发抑制物脱落酸与萌发促进物综合作用的结果。46可编辑版 利用各种物理化学方法可以破除羊草的休眠。土培法发芽率明显高于纸培法，且用低温流水浸泡法处理后能显著提高羊草发芽率。采用磁处理、激素处理等方法也可以打破羊草种子休眠，对提高种子发芽率有一定作用。以30%PEG（聚乙二烯）处理羊草种子24h，能显著提高羊草种子发芽率和幼苗活力，降低萌发过程中的外渗电导率。47可编辑版 结语：1、子株的数量与生育状态，成为节制羊草种群种子产能的纲和关键。然而，从年度内和年度间动态与示踪的角度，将子株进行分类，研究上一生长季不同类型子株的孕育、出生、外部大小、内部分化和生理状态，以及与下一生长季抽穗时间、成穗数量、成穗大小与种子产量等性状关系间的深入研究和从调控子株措施入手探讨种子生产的研究，至今在国内外少见报道或少未见报道。2、在产量构成因子里，抽穗数量是限制羊草种子产量的关键因子，结实粒数和千粒重的影响较小。羊草种子产量的构成因子是由两个生长季形成和决定的，其中，抽穗数量是在上一个生长季末的8-9月份，而结实粒数和千粒重是在当年形成和决定的。因此，为了提高羊草的种子产量，可首先考虑在前一生长季末期采取调控措施如水分等，提高羊草的抽穗数量，其次，可以采取在抽穗前采取调控措施如氮肥等，以提高每穗结实粒数和千粒重的方法。48可编辑版49可编辑版50可编辑版三、其它禾草有性繁殖方面的研究现状与分析三、其它禾草有性繁殖方面的研究现状与分析1、国内研究现状与分析、国内研究现状与分析 在我国，包括其它禾草有很多种，但对其有性生殖，乃至生物学的研究现状，正如2001年易津等人指出的那样，“目前国内的研究仅从羊草草地的利用角度出发，研究对象主要局限于赖草属的羊草，研究内容方面宏观重于微观，研究手段落后，也有一定的局限性”。51可编辑版 2001年后，我们对丛生型禾草朝鲜碱茅（Puccinellia chinampoensin）种子成熟后至生长季末分蘖株生长锥的解剖学研究发现，其绝大部分生长锥处于幼穗分化阶段的结节期，说明穗的形成也是发生在上一个生长季的后期。另外，还可见到对其它禾草收获时期收获时期、种子休眠、喷施植物生长调节剂、施肥等方面的研究报道，但大多数研究仍然是集中在羊草上。所以，前述的羊草研究现状和水平就成为我国在禾草研究领域的先进代表。52可编辑版2、国外研究现状与分析、国外研究现状与分析 在国外，从近几十年来对多年生禾草有性繁殖和种子产量的研究状况来看，多见于在栽培措施方面的报道。如种子适宜收获时间、残茬处理与火烧、喷施多效唑(PP333、与豆科牧草轮作及免耕、单播与混播、施肥、浇水处理等等。研究物种包括多年生黑麦草(Lolium perenne)、大赖草(Leymus racemosus)、鸭茅(dacylis glomerate)、高羊茅(Festuca arundinacea)和紫羊茅(Festuca rubra)等等。53可编辑版 在上世纪90年代至近期的施肥研究中，Young III 等人的报道也发现了在春季所采取的施肥措施，对当年丛生型多年生黑麦草抽穗数没有显著影响，但可极显著提高每穗结实粒数，从而提高种子产量，为何是这种结果，他只在文章的讨论中解释到抽穗数可能是在上一年夏季或秋季就决定了。对于与我们在羊草和朝鲜碱茅相似的研究结果，国际上有没有从上一年芽库和子株入手的研究呢？54可编辑版 为此，我们查阅了有关禾草地下芽库与地上植株建成关系方面的研究文献，发现从上世纪60年代Mcintyre发表在Nature的“Influence of Nitrogen Nutrition on Bud and Rhizome Development in Agropyron repens L.Beauv文章开始,到2007年Klimeov和 Klime 发表的“Bud banks and their role in vegetative regeneration A literature review and proposal for simple classification and assessment的综述，在此期间，涉及到地下与地上关系的报道多集中在芽库与地上植株的分蘖、种群结构、数量、维持、密度和净生物量等方面的研究。55可编辑版 至于从地下芽开始，研究芽与生殖枝和种子产量关系的报道则很少，2006年Hartnett等人利用研究北美禾草文献中的数据，在比较三种非洲多年生丛生禾草针禾草(Stipagrostis uniplumis)、莱赫曼画眉草(Eragrostis lehmanniana)和三芒草(Aristida stipitata)与北美草原侧穗格兰马草(Bouteloua curtipendula)、洽草(Koeleria macrantha)等四种多年生丛生草中发现，这三种非洲草形成的地下芽数量虽然少，但是形成生殖枝数和种子的能力却要比北美禾草高的多。由上国外研究现状得出，以上一年地下芽发生子株下一年成穗数种子产量的路线来进行根茎型羊草以至禾草有性生殖方面的研究，在国际上也很少。56可编辑版种子种子根根茎茎顶顶芽芽、根根茎茎节节芽芽和和分分蘖蘖芽芽，以以及及部部分分输输出出形形成相应子株成相应子株返返青青母母株株，以以分分蘖蘖芽芽和和分分蘖蘖芽芽子子株为主体株为主体种种子子萌萌发发生生长成植株长成植株冬冬季季来来临临，生长季结束生长季结束母母株株生生长长发发育育，少少部部分分母母株株生生殖殖生生长长春天返青春天返青图图 羊草种群年复一年的维持机制羊草种群年复一年的维持机制57可编辑版