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,中國科學院昆明植物研究所昆明650204;中國科學院研究生院,北京100039教授,博士生導師,中國科學院昆明植物研究所,昆明650204*國家科技基礎條件平臺項目(N o.2004D K A30430&2005D K21006,云南省自然科學基金(2005C0053M資助項目關鍵詞兜蘭組織培養(yǎng)保護生物學分子生物學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)、保護生物學、分子生物學、生理生態(tài)學等方面的研究進展,并指出在雜交育種、種質保存及基因工程等方面均有待于對其進行深入研究。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,

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;發(fā)達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等級,受到國際社會的嚴格保護。2研究進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)外學者開展了兜蘭屬的分類學、形態(tài)學、細胞學、地理學、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行簡要概述:2.1形態(tài)學和細胞生物學唐沢耕司4對幾十種兜蘭進行了形態(tài)學的觀察和核型分析,并在此基礎上進行了分類上的討論,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的研究。結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中。推測此粘液可能是花粉鞘類物質,它使得傳粉效率更高,但這種花粉團塊的結構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胞均為多邊形,花葉類上表皮細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)結構特征也反映了各個種的生長習性,對生長環(huán)境的適應。因此,認為葉片的形態(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類原球莖較易獲得成功16-22,而采用無菌種子萌發(fā)技術,

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,因植物育種技術的發(fā)展,高產(chǎn)品種單一化趨勢日益明顯,植物遺傳基礎越來越窄。因此,利用植物組織和細胞保存種質,所占空間小,基因型穩(wěn)定,受外界影響小,同時也便于種質交換和轉移,防止有害病蟲的人為傳播。然而,在兜蘭屬植物的種質資源保存技術方面國內(nèi)外仍然是空白。2.3傳粉生物學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進行研究,結果發(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;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保護生物學羅毅波等在了解了國際蘭科植物研究和保育的最新進展和發(fā)展趨勢的基礎上,提出國內(nèi)關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,因而利用種子進行大規(guī)模繁殖就成為蘭科植物遷地保護的重要手段。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行了觀察,研究了當?shù)氐臍夂?、植被、土壤和其他環(huán)境因素與紫紋兜蘭之間的關系。觀察結果表明,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果。因此認為,紫紋兜蘭生存所面臨的主要威脅應該是其生境亦即森林的破壞,而不是其自身存在的生物學缺陷。居群遺傳學的研究可以解釋植物的遺傳變異水平及其空間結構,為制定原地保護策略提供基本數(shù)據(jù)。李昂采用空間自相關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構進行了研究,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。結果表明,適時的遷地保護對硬葉兜蘭是必要的。上述研究結果有助于進一步了解物種的進化歷程和瀕危機制,并且能為制定有效的保護策略和措施提供科學依據(jù)32。# 342 #2.5分子生物學分子標記技術應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),也為蘭花保護策略和措施的制定提供了理論基礎。但至今為止,國內(nèi)外用此技術研究兜蘭屬遺傳多樣性的報道并不多見。Antony V Cox等33應用核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。研究認為se

13、ction Parvisepalum應從短瓣亞屬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)也有應用分子標記的報道,孫彩云曾利用RAPD和同工酶分子標記技術來分析中國兜蘭種間親緣關系。研究結果顯示,R APD和同工酶兩種手段對種間親緣關系的劃分與傳統(tǒng)分類大致吻合,同工酶比RAPD的結果更接

14、近傳統(tǒng)分類。兜蘭亞屬需進一步分組,彩云兜蘭、卷萼兜蘭、紫紋兜蘭及其變種云南虎皮應自成一個組,白花兜蘭和同色兜蘭的真正的分類學位置應如何確定尚需進一步研究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,還引起了藍綠光可逆性反應。實驗表明紅光可以使氣孔張開,且在遠紅光下是可逆的。這個實驗結果與Z eiger等38的觀點有差別導致兜蘭氣孔張開的是藍光而不是紅光。氣孔開度與紅光速率成反比,另外保衛(wèi)細胞質體會影響葉黃素循環(huán)組合,在藍光照射下玉米黃質的含量增加。Z eiger對保衛(wèi)細胞葉綠體的研究作了展望,認為進一步的研究應當是關于在完整的葉片保衛(wèi)細胞葉綠體中,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)細胞所有鉀離子通道的突變體來闡明,作為保衛(wèi)細胞

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)、結構和生理特性,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,并且一些直接轉移的方法如PEG介導和電激法成功率低,使得蘭花基因工程的研究進展緩慢。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基因研究進展方面的報道,主

17、要以原球莖為材料采用基因槍或農(nóng)桿菌法轉化,部分研究獲得了轉化植株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)技術薄層切片(Thin Cross Section培養(yǎng)和薄層細胞(T hin Cell L ayers培養(yǎng),此類技術能高效地獲得再生小植株,但也尚未在兜蘭上應用。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)為基礎開展綜合育種,包括種屬間雜交、誘變育種,遠緣雜交同時結合轉基因技術,將為兜蘭育種研究帶來希望。#343#(2006

18、年5月8日收到1BRAEM G,C HIRON G.Paph ioped ilumM.Paris:Tropi-calia,1988.2CRIBB P J.Th e Gen us Paphiop edilum(Ed.2M.Kota Kinabalu:Natural History Publications(B orneo,1998.3羅毅波,賈建生,王春玲.初論中國兜蘭屬植物的保護策略及其潛在資源優(yōu)勢J.瀕危物種科學通訊,2005,4(2:11-20.4唐沢耕司. M.誠文堂新光社,1982.5BIRK L A.The Paphiopedilum G row er.s M an ualM.Pis

19、ang Pr ess,1983.6C RIBB P J.The Genu s Paphiopedilum.T he Royal Botanic GardensM.L ondon:Kew an d Corringride Books,1987.7麥奮.亞洲原產(chǎn)拖鞋蘭圖譜M.臺北:淑馨出版社,1990.8陳心啟,吉占和.中國蘭花全書M.北京:中國林業(yè)出版社, 1998.9陳心啟,吉占和,羅毅波.中國野生蘭科植物彩色圖鑒M.北京:科學出版社,1999.10AVERYANOV L,CRIB B P,et al.Slipper Or ch ids of Viet-namM.Sydney:T imber

20、Pr ess,2003.11C AVESTRO W.Le gen re PaphiopedilumM.Paris:Claudi-ne Gilquin,2003.12B RAE M G J.Paphiopedilum:Eine M onograp hie aller, Frauen s chun-or ch ideen der asiatischen Tropoen und Sub reopen M.H ildesheim:Sch mersow,1998.13任玲,王伏雄.兜蘭胚胎學的研究J.植物學報,1987,29(1: 14-21.14孫安慈.蘭屬、兜蘭屬、石斛屬植物葉片的掃描電鏡觀察J.武

21、漢植物學研究,1995,13(4:289-294.15李明,張灼.杏黃兜蘭菌根研究與應用J.生物學雜志,2001, 18(6:17-18.16張曉紅,徐濤,谷祝平.兜蘭類原球莖的誘導及植株再生J.生物多樣性研究進展.17HUANG L C,L IN C J,KU O C I.Paphiopedilum clonin g in vitroJ.Scien tia Hor ticulturae,2001,91:111-121.18C HEN T Y,C HEN J T.M ultiple shoot form ation and plant regen eration fr om s tem nod

22、al explants of Paphiopedilum or-chidsJ.In Vitro C ellular an d Developm en t Biology-Plant, 2002,38:595-597.19C HEN T Y,C HEN J T,C HANG W C H.Plant r egeneration th rough direct shoot bud formation from leaf cultures of Paph iopedilum orch idsJ.Plant C ell,Tissue and Organ C ul-tur e,2004,76:11-15.

23、20曹受金,田英翠,潘百紅,等.兜蘭組培快繁影響因素分析J.北方園藝,2005,(3:79-80.21LIN Y H,CH ANG C H,CHANG W C.Plant regeneration from callus culture of a Pap hiopedilum hybridJ.Plan t cell.Tissue and Organ Culture,2000,62:21-25.22ST IM ART D P,ASCHE R P D.In vitro germ ination of Paph ioped ilu m seed on a com pletely d efin ed

24、mediumJ.Sci-en tia Hor ticulturae,1985,26:57-67.23PIERIK R L M.Seed germ ination an d fur th er developm en t of plantlets of Pap hiopedilum ciliolare Pfitz.in vitroJ.Scien-tia Hor ticulturae,1987,34:139-153.24陳之林,葉秀嶙,梁承鄴,等.杏黃兜蘭和硬葉兜蘭的種子試管培養(yǎng)J.園藝學報,2004,31(4:540-542.25丁長春,虞泓,劉方媛.影響杏黃兜蘭種子萌發(fā)的因素J.云南植物研究,

25、2004,26(6:673-677.26丁長春,虞泓,劉方媛,等.杏黃兜蘭胚培養(yǎng)與快速繁殖J.植物生理學通訊,2005,41(1:55.27NH UT D T,TRANG P T T,VU N H,et al.A woun ding m eth-od and liquid cultur e in Paph ioped ilu m delen atii pr opagation J.Propagation of Or namental Plants,2005,5(3:158-163. 28BNZ IGER H.The m esm er izing w art:the pollination s

26、trate-gy of epiphytic lady s lipper orchid Paph iopedilu m villos u m (Lin dl.Stein(Or ch idaceaeJ.Botanical Journ al of the Linn ean Society,1996,121:59-90.29劉可為,劉仲健,雷嗣鵬,等.杏黃兜蘭傳粉生物學的研究J.深圳特區(qū)科技,2005,11:171-178.30羅毅波,賈建生,王春玲.中國蘭科植物保育的現(xiàn)狀和展望J.生物多樣性,2003,11(1:70-77.31劉仲健,張建勇,茹正忠,等.蘭科紫紋兜蘭的保育生物學研究J.生物多樣性,

27、2004,12(5:509-516.32李昂,羅毅波,葛頌.采用空間自相關分析研究兩種蘭科植物的群體遺傳結構J.生物多樣性,2002,10(3:249-257.33C OX A V,PRIDGEON A M,et al.Phylogen etics of th e slip-p er orchids(Cypr ipedioideae,Orchidaceae:nuclear rDNA ITS sequencesJ.Plant Sy s tematics and Evolution,1997, 208:197-223.34孫彩云,張明永,葉秀奔,等.利用RAPD和同工酶研究中國兜蘭屬種間親緣關系J.園藝學報,2005,32(2:268-272.35王英強.中國兜蘭屬植物生態(tài)地理分布J.廣西植物,2000,20(4:289-294.36GEH RING C A,IRVING H R,et al.Jasm osnate ind u