兜蘭屬植物及其研究現(xiàn)狀-

1、兜蘭屬植物及其研究現(xiàn)狀*龍波龍春林碩士研究生,中國科學(xué)院昆明植物研究所昆明650204;中國科學(xué)院研究生院,北京100039教授,博士生導(dǎo)師,中國科學(xué)院昆明植物研究所,昆明650204*國家科技基礎(chǔ)條件平臺項目(N o.2004D K A30430&2005D K21006,云南省自然科學(xué)基金(2005C0053M資助項目關(guān)鍵詞兜蘭組織培養(yǎng)保護(hù)生物學(xué)分子生物學(xué)兜蘭屬植物是蘭科中的珍品,被5華盛頓公約6列為級珍稀瀕危物種,有許多種是極具觀賞價值的世界級花卉名品;其花期長,花色莊重素雅,花型奇特,其唇瓣狀如拖鞋,故有/拖鞋蘭0之稱。杏黃兜蘭是世界上非常罕見的黃花種類,和硬葉兜蘭并稱為/金童玉女0,

2、在國際蘭花展中屢獲金獎。本文概述了近20年來國內(nèi)外對兜蘭屬植物的研究,著重介紹了兜蘭屬植物在組織培養(yǎng)、保護(hù)生物學(xué)、分子生物學(xué)、生理生態(tài)學(xué)等方面的研究進(jìn)展,并指出在雜交育種、種質(zhì)保存及基因工程等方面均有待于對其進(jìn)行深入研究。1兜蘭屬植物的概況兜蘭,又稱/女士拖鞋蘭0、/仙履蘭0,是蘭科兜蘭屬(Paphiope dilum植物的統(tǒng)稱。在拉丁語中,兜蘭的屬名Paphiopedilum由愛神Paphos和鞋子Pedilon組合而成,即愛神之鞋,以其唇瓣的形狀而得名。兜蘭是蘭科植物中最具特色的一個類群,也是最奇特的觀賞蘭花1,2。本屬植物的花形十分奇特,唇瓣呈兜狀,酷似舊時歐洲淑女的拖鞋;背萼特別發(fā)達(dá),

3、具有艷麗的花紋。兜蘭與其他蘭花明顯不同的地方是,2枚能育雄蕊著生在蕊柱的兩側(cè);發(fā)達(dá)的背萼呈扁圓形或倒心形,在各瓣中最顯著。因此,兜蘭以其獨特魅力和許多優(yōu)異特性而備受世界花卉愛好者的鐘愛。全世界約有兜蘭屬植物66種,近年來發(fā)表了10余個新種,總數(shù)增加到80余種3,主要分布于熱帶和亞熱帶地區(qū),其中1/3以上分布于中國。杏黃兜蘭自傳入歐美后,獲得近百個美國蘭展獎項,熱潮至今未衰。硬葉兜蘭曾勇奪世界蘭展全場總冠軍,驚艷蘭壇。杏黃兜蘭和硬葉兜蘭被并稱為/金童玉女0,是蘭花中的珍品,備受世人的關(guān)注。然而受盛名之累,中國的兜蘭屬植物雖然豐富,但由于過度采集、走私出境猖獗以及生境破壞等原因,近十幾年來野生兜蘭

4、的數(shù)量急劇減少,分布區(qū)逐漸萎縮,不少種類已經(jīng)到了滅絕的邊緣。針對野生兜蘭受到掠奪性采挖和貿(mào)易而導(dǎo)致該類群植物迅速減少甚至滅絕的狀況,5華盛頓公約6(即5瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約6,Convention on Int ernational T rade in Endan-gered Species of Wild Fauna and Flora,CITES把所有兜蘭屬植物列入其附錄一名錄,等同于大熊貓的保護(hù)等級,受到國際社會的嚴(yán)格保護(hù)。2研究進(jìn)展由于兜蘭屬植物的奇特性和巨大的觀賞價值,不少國內(nèi)外學(xué)者開展了兜蘭屬的分類學(xué)、形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、地理學(xué)、栽培和雜交育種的工作,并出版了一些專著4-12。

5、現(xiàn)從以下8個方面對兜蘭屬植物的研究狀況進(jìn)行簡要概述:2.1形態(tài)學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)唐沢耕司4對幾十種兜蘭進(jìn)行了形態(tài)學(xué)的觀察和核型分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分類上的討論,將兜蘭屬劃分成六個亞屬。Braem G J12對兜蘭屬的分類與唐沢耕司的基本一致。任玲等對兜蘭(P.godefroyae St ein有性生殖全過程曾有過詳細(xì)的研究。結(jié)果表明兜蘭胚珠具一層珠被,胚囊發(fā)育為蔥型,胚乳具二核。種子成熟時胚柄及胚乳核都消失。成熟種子只具單層細(xì)胞的種皮和一個未分化的球形胚。單粒分散的花粉包裹于黃色粘性物質(zhì)中。推測此粘液可能是花粉鞘類物質(zhì),它使得傳粉效率更高,但這種花粉團(tuán)塊的結(jié)構(gòu)在兜蘭屬中是否普遍,在蘭#341#

6、科植物系統(tǒng)發(fā)育上有何意義,還需要進(jìn)一步的比較和觀察13。孫安慈14對蘭科植物的蘭屬、兜蘭屬及石斛屬16個種的葉片及其橫斷面進(jìn)行了掃描電鏡的觀察。觀察發(fā)現(xiàn)兜蘭屬的各個種上下表皮細(xì)胞均為多邊形,花葉類上表皮細(xì)胞表面明顯呈乳突狀,葉肉有分化;綠葉類呈龜背狀隆起,葉肉不分化。葉表皮細(xì)胞形狀、表面的突起和紋飾、葉肉分化與否等反映了各屬的特征。葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)特征也反映了各個種的生長習(xí)性,對生長環(huán)境的適應(yīng)。因此,認(rèn)為葉片的形態(tài)特征可以作為種、屬分類的參考。2.2組織培養(yǎng)利用組織培養(yǎng)的方法進(jìn)行大規(guī)?？寺》敝?無疑可以減輕對野生兜蘭植物的采集壓力。由于兜蘭原生種的組織培養(yǎng)較難,雜交種的組織培養(yǎng)相對較易,因此利用雜

7、交種進(jìn)行組織培養(yǎng)是國外兜蘭商品化種苗生產(chǎn)的主要方式。兜蘭與大多數(shù)洋蘭一樣,由于種子的胚發(fā)育不完全,在自然狀況下需與真菌共生才有極少數(shù)的萌發(fā)。國內(nèi)外對兜蘭菌根的研究發(fā)展緩慢。李明15曾采用根組織切片法從杏黃兜蘭根內(nèi)分離到13株真菌,其中以鐮刀菌和組絲核菌為優(yōu)勢菌。將組絲核菌JF74, JF75,JF80制成菌劑,施入杏黃兜蘭根部,對杏黃兜蘭產(chǎn)生了一定的促進(jìn)生長的效果。但是鐮刀菌對杏黃兜蘭是有益還是有害及其作用機理還待進(jìn)一步研究。目前的組織培養(yǎng)研究著重于優(yōu)化培養(yǎng)條件,如外植體的取材、培養(yǎng)基成分和激素的選擇試驗。研究發(fā)現(xiàn)用雜交種兜蘭的外植體誘導(dǎo)類原球莖較易獲得成功16-22,而采用無菌種子萌發(fā)技術(shù),

8、已成功地獲得多種兜蘭的無性克隆個體23-27。但無論是在國內(nèi)還是國外,兜蘭屬植物的花藥培養(yǎng)、原生質(zhì)體培養(yǎng)等尚未見報道。隨著人口增長、環(huán)境變化、濫伐森林和耕地沙漠化,一些珍稀的物種以及具有抗蟲、病、毒、不良環(huán)境潛能的地方栽培品種已經(jīng)滅絕或瀕于絕種。此外,因植物育種技術(shù)的發(fā)展,高產(chǎn)品種單一化趨勢日益明顯,植物遺傳基礎(chǔ)越來越窄。因此,利用植物組織和細(xì)胞保存種質(zhì),所占空間小,基因型穩(wěn)定,受外界影響小,同時也便于種質(zhì)交換和轉(zhuǎn)移,防止有害病蟲的人為傳播。然而,在兜蘭屬植物的種質(zhì)資源保存技術(shù)方面國內(nèi)外仍然是空白。2.3傳粉生物學(xué)Hans Bnziger從1990到1994年共花了224小時持續(xù)在泰國常綠林里

9、觀察紫毛兜蘭,發(fā)現(xiàn)其周圍大約有100種雙翅目食蚜蠅,在15個實驗對象中有效花粉傳播者主要為雌性的Episyrphus alternans,Syrphus fulvifa-cies,Betasyrphus serarius。紫毛兜蘭靠花色和散發(fā)出類似尿素的味道來吸引遠(yuǎn)距離的昆蟲,退化雄蕊(可能是模擬一滴蜜汁或露水引誘近距離昆蟲。當(dāng)昆蟲被吸引時,便著陸于中央一突疣(偽裝成棲木,因控制不住而滑入兜內(nèi)。為了防止昆蟲飛出,唇瓣形成囊狀,所以昆蟲只能擦過柱頭,粘上花藥逃出去。粘稠的花藥至少可以持續(xù)8周的生活力,但只有8%的植株可以產(chǎn)生蒴果28。劉可為等對杏黃兜蘭的傳粉生物學(xué)進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)杏黃兜蘭的繁育

10、系統(tǒng)是兼具異交和自交的混合交配系統(tǒng)。杏黃兜蘭是一種食源性欺騙的植物,它模仿食源性植物黃花香。此外,通過檢測還發(fā)現(xiàn)杏黃兜蘭的花粉為脂質(zhì);花粉活力和柱頭可授性在花朵開放期內(nèi)具有同步性,而花粉在柱頭凋落后仍具活力,去除了雄蕊可明顯延長花朵開放時間29。2.4保護(hù)生物學(xué)羅毅波等在了解了國際蘭科植物研究和保育的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,提出國內(nèi)關(guān)于蘭科植物保育的研究與國際同類工作相比存在不小的差距30。他們認(rèn)為蘭科植物由于其單個果實內(nèi)具有成千上萬顆種子,因而利用種子進(jìn)行大規(guī)模繁殖就成為蘭科植物遷地保護(hù)的重要手段。特別是對兜蘭屬植物來說,目前組織培養(yǎng)等方法還未取得突破,種子繁殖就成為唯一的規(guī)模繁殖的方法

11、3。劉仲健等31對梧桐山野生的紫紋兜蘭進(jìn)行了觀察,研究了當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒅脖?、土壤和其他環(huán)境因素與紫紋兜蘭之間的關(guān)系。觀察結(jié)果表明,梧桐山地區(qū)的紫紋兜蘭在次生闊葉林下生長良好;大多數(shù)開花的紫紋兜蘭均能結(jié)果。因此認(rèn)為,紫紋兜蘭生存所面臨的主要威脅應(yīng)該是其生境亦即森林的破壞,而不是其自身存在的生物學(xué)缺陷。居群遺傳學(xué)的研究可以解釋植物的遺傳變異水平及其空間結(jié)構(gòu),為制定原地保護(hù)策略提供基本數(shù)據(jù)。李昂采用空間自相關(guān)分析方法對硬葉兜蘭(Paphiopedi-lum micrant hum和獨花蘭(Changnienia amoena4個天然群體的小尺度空間遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,以探討兩種蘭科植物群體內(nèi)遺傳變異的

12、分布特征及其形成機制。結(jié)果表明,適時的遷地保護(hù)對硬葉兜蘭是必要的。上述研究結(jié)果有助于進(jìn)一步了解物種的進(jìn)化歷程和瀕危機制,并且能為制定有效的保護(hù)策略和措施提供科學(xué)依據(jù)32。# 342 #2.5分子生物學(xué)分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于蘭科植物的分類鑒定和品種鑒別,為蘭花的分類提供了分子水平的證據(jù),也為蘭花保護(hù)策略和措施的制定提供了理論基礎(chǔ)。但至今為止,國內(nèi)外用此技術(shù)研究兜蘭屬遺傳多樣性的報道并不多見。Antony V Cox等33應(yīng)用核rDNA的ITS核苷酸序列數(shù)據(jù),研究杓蘭屬、兜蘭屬、美洲兜蘭屬、碗蘭屬、墨西哥蘭屬的150170個種之間的親緣關(guān)系,其中兜蘭屬的研究包括了中國兜蘭屬的15個原生種。研究認(rèn)為se

13、ction Parvisepalum應(yīng)從短瓣亞屬subgenus Brachyp-etalum中劃出另立一亞屬subgen Parvisepalum;而sec-t ion Coryope dilum和sect ion Pardalopetalum應(yīng)歸為一個組section Pardalopet alum。ITS樹狀圖明確了5個屬和各屬內(nèi)種間的親緣關(guān)系,兜蘭屬的劃分與Cribb的傳統(tǒng)分類基本一致。國內(nèi)也有應(yīng)用分子標(biāo)記的報道,孫彩云曾利用RAPD和同工酶分子標(biāo)記技術(shù)來分析中國兜蘭種間親緣關(guān)系。研究結(jié)果顯示,R APD和同工酶兩種手段對種間親緣關(guān)系的劃分與傳統(tǒng)分類大致吻合,同工酶比RAPD的結(jié)果更接

14、近傳統(tǒng)分類。兜蘭亞屬需進(jìn)一步分組,彩云兜蘭、卷萼兜蘭、紫紋兜蘭及其變種云南虎皮應(yīng)自成一個組,白花兜蘭和同色兜蘭的真正的分類學(xué)位置應(yīng)如何確定尚需進(jìn)一步研究34。2.6系統(tǒng)演化和生態(tài)地理王英強35分析了國產(chǎn)兜蘭屬植物的生態(tài)地理分布特點和發(fā)展趨勢,以及兜蘭屬植物的系統(tǒng)演化趨勢與生態(tài)地理環(huán)境的關(guān)系。國產(chǎn)兜蘭主要分布于熱帶過渡地區(qū)(南亞熱帶,主產(chǎn)于西南各省區(qū);大多數(shù)種類生長于石灰?guī)r山地,多為半附生蘭,呈叢生生長;國產(chǎn)兜蘭屬中最原始的短瓣亞屬絕大部分種類僅分布在滇東南地區(qū)與貴州、廣西連成一片的巖溶地貌的石灰?guī)r地區(qū),而兜蘭屬中較進(jìn)化的兜蘭亞屬大部分種類在本區(qū)皆有分布。這說明滇東南的石灰?guī)r地區(qū)可能是兜蘭屬的起

15、源中心和演化中心,中國的南亞熱帶地區(qū)是兜蘭屬植物的生態(tài)多樣性中心。2.7生理生態(tài)Z eiger37發(fā)現(xiàn)在兜蘭屬里,綠光不但刺激了光敏色素反應(yīng),還引起了藍(lán)綠光可逆性反應(yīng)。實驗表明紅光可以使氣孔張開,且在遠(yuǎn)紅光下是可逆的。這個實驗結(jié)果與Z eiger等38的觀點有差別導(dǎo)致兜蘭氣孔張開的是藍(lán)光而不是紅光。氣孔開度與紅光速率成反比,另外保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)體會影響葉黃素循環(huán)組合,在藍(lán)光照射下玉米黃質(zhì)的含量增加。Z eiger對保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體的研究作了展望,認(rèn)為進(jìn)一步的研究應(yīng)當(dāng)是關(guān)于在完整的葉片保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體中,通過光合作用固碳,能產(chǎn)生多少滲透性的活性糖;用缺失了保衛(wèi)細(xì)胞所有鉀離子通道的突變體來闡明,作為保衛(wèi)細(xì)胞

16、的滲透劑,蔗糖是否可以完全替代鉀離子。2.8基因工程研究蘭科植物表現(xiàn)有高度特異的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理特性,是研究花著色機理和子房發(fā)育的理想對象。蘭花具有特異的查爾酮合成酶(CHS和二氫葉酸還原酶(D FR等可控制花色素合成的基因。其他的如DOH1基因控制石斛蘭花芽的形成和提早開花,PHAL.039基因和ACC合成酶基因在蝴蝶蘭授粉后的子房發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用。由于蘭科植物對根癌農(nóng)桿菌或發(fā)根農(nóng)桿菌不敏感,并且一些直接轉(zhuǎn)移的方法如PEG介導(dǎo)和電激法成功率低,使得蘭花基因工程的研究進(jìn)展緩慢。目前只有蝴蝶蘭屬、大花蕙蘭、石斛蘭屬、文心蘭屬、五唇蘭屬和萬代蘭屬等幾種蘭科植物有轉(zhuǎn)基因研究進(jìn)展方面的報道,主

17、要以原球莖為材料采用基因槍或農(nóng)桿菌法轉(zhuǎn)化,部分研究獲得了轉(zhuǎn)化植株39。3展望到目前為止,對兜蘭的研究已取得一些成果,但與蝴蝶蘭、大花蕙蘭、石斛等其他的觀賞性蘭花相比,還有很大的空間。最近發(fā)展了新的組織培養(yǎng)技術(shù)薄層切片(Thin Cross Section培養(yǎng)和薄層細(xì)胞(T hin Cell L ayers培養(yǎng),此類技術(shù)能高效地獲得再生小植株,但也尚未在兜蘭上應(yīng)用。由于蘭花雜交育種方法繁瑣,選育周期長,不光是兜蘭,整個蘭科的育種工作進(jìn)展緩慢,這勢必影響我國蘭花的發(fā)展。以組織培養(yǎng)為基礎(chǔ)開展綜合育種,包括種屬間雜交、誘變育種,遠(yuǎn)緣雜交同時結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù),將為兜蘭育種研究帶來希望。#343#(2006

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