9.植物的生殖生理
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提要植物的生殖是一个相当复杂的生理过程，包括花前成熟、成花诱导、花器官的形成及授粉和受精等重要环节。本章内容主要包括上述生殖生长过程所需要的条件、生理生化变化和人为控制方法等。
植物在营养生长的基础上在一定的外界条件诱导下，茎尖分生组织从分化枝叶转为分化生殖器官（花芽），花芽的分化是植物由营养生长转入生殖生长的重要标志。大多数高等植物在其生活周期中均存在一个共同的特点，就是在开花之前要达到一定的年龄或处于一定的生理状态，然后才能具有接受外界环境诱导而开花的能力。植物在感受外界刺激而开花之前必须达到的生理状态称为花熟状态(ripeness to flower state)。植物在达到花熟状态之前的营养生长阶段称为幼年期(juvenile phase)。处于幼年期的植物即使满足了其开花所需的外界条件也不能开花。已经达到花熟状态的植物，也只有在适宜的外界条件下才能开花。也就是说当植物已达花熟状态时，外界环境的某些因素对植物的开花起主导作用。植物总是在合适的季节才能开花，而季节的变化主要与温度和日照长度的变化有关。研究证明，植物的开花与温度高低和日照长短有密切的关系。因此，幼年期、温度（主要是低温）和光周期是控制植物开花的重要因素。除此之外，营养以及其他条件与开花也有较为密切的关系。
9.1幼年期与花熟状态
高等植物幼年期的长短因种类不同而差异很大。一般来说，草本植物的幼年期较短，只需几天或几个星期，如山嵛菜（Lunaria）发芽后第7周、甘蓝发芽后第11周左右是幼年期；还有的草本植物根本或几乎没有幼年期，如花生种子在休眠芽中已出现了花序原基，随着植株的生长，花芽也分化完成；矮牵牛、油菜等植物也几乎没有幼年期，即使在刚发芽之后，只要在适当的外界条件下就可以长出花芽。但大多数木本植物的幼年期较长从几年甚至到几十年不等，例如果树的幼年期一般为3～15年，山毛榉的幼年期长达40年。
植物的幼年期与花熟状态无论从形态上还是从生理特征上均有明显的区别。如多年生桧柏幼年期为针状叶，成年后叶为鳞片状；幼年期的代谢活动旺盛，生长速度较快，而成年期的代谢活动和生长速度较幼年期相对缓慢。由于植株发育是由幼年期逐渐转入成年期，所以同一株植物自基部向顶端不同的部位成熟度不一样。从器官本身出现的早晚而言，显然下部枝叶先出现为老，而上部枝叶后出现为幼，但从它们所代表的植物生活时间而言，则情况恰恰相反，下部枝叶因其出现时植株较年轻而为幼年枝叶，上部枝叶由于出现时植株较年老而为成年枝叶，即下部的枝叶较年轻而上部的枝叶较年老，中部则为中间型。这是在认识植物开花现象时必须加以注意的“生理年龄”。“生理年龄”现象在园艺生产实践中早已引起了人们的注意。例如，以桦树不同部位获取切段进行嫁接的实验表明：从树木基部得到的接穗嫁接到幼年期砧木上时，2年内不开花，相反从树木顶端得到的接穗进行嫁接时，则很快开花。以常青藤的基部或顶端的枝条为接穗嫁接，前者一两年后仍不开花，而后者一两年后则开花。Tran Thanh Van（1973）曾用烟草花茎不同部位的切断做薄层培养，试图建立一个与正常花芽形成方式类似的外植体花芽形成系统。她在研究中发现，在同样的培养基上，靠近叶片着生部位的切断在培养中只长叶芽，而靠近花着生部位的切断则可以直接长出花芽，在两者之间，花芽的发生能力有一个梯度变化。由此可见，植物的年龄或状态对植物的开花起非常重要的作用。然而，人们对决定植物“生理年龄”的物质基础迄今还一无所知。
由于植物处于幼年期不能开花，所以在生产上人们往往设法缩短幼年期以提早开花，常采用的方法有加速生长、减慢生长、嫁接、化学处理等。如将桦树在连续长日照下生长，使幼年期由5～10年缩短到不足1年；苹果和柠檬一般开花需要4～15年，如果进行环割处理，则可在1～2年内形成花芽；用减缓营养体生长速度的方法来缩短幼年期，例如用石膏把萝卜的幼芽固定使生长被抑制，则可提早开花（Kojima和Maeda,1985），用植物生长抑制剂马来酰肼或高浓度的糖液处理也可以提早开花；温室中强烈熏蒸消毒或摘心等处理均能抑制茎的生长，同样可使花芽形成提早；外施赤霉素可使杉科、柏科和松科中的一些植物提早开花；外施生长素对凤梨和夏威夷荔枝花芽形成有强烈的诱导作用。
9. 2 春化作用
早在十九世纪中叶人们就发现，自然界许多二年生植物（如芹菜、胡萝卜和白菜等）及许多秋播作物（如冬小麦、油菜等），冬前经过一定的营养生长，然后度过寒冷的冬季，在第二年的夏初开花结实。若将秋播的作物改为春播时，则不能开花或大大延迟开花。实验表明，出现此种现象的原因是因为秋播作物的开花需要一定时间的低温。在自然条件下秋播，冬季能满足其所需要的低温条件，因此作物能开花结实，而春播时则不能满足其开花所需的低温条件，因此不能开花结实或大大延迟开花。我国劳动人民很早就利用“闷麦法”解决了冬麦春播的问题，即把萌发的小麦种子放在0~5°C的环境下40~50天后，就可以在春天播种且开花结实，从而避免了因秋季干旱等原因无法播种所带来的损失。但是，在一些高寒地区，如我国的东北和新疆等西北地区及前苏联的大部分地区冬季酷寒，无法在秋季播种冬小麦，只能种植春小麦。最早提出春化概念的是前苏联植物生理学家李森科（Lysenko），他将浸泡吸胀萌动的冬小麦种子经低温处理后春播，便可使其在当年的夏初抽穗开花。李森科将这种技术称为春化，意为冬小麦春麦化了。后来春化的概念除了种子对低温的要求以外，还包括在成花诱导中植物其他生育期对低温的反应。低温促进植物开花的作用称为春化作用（vernalization）。
需要春化作用才能开花的植物包括一些冬性一年生植物（如冬小麦、冬黑麦、冬大麦等）、大多数二年生植物（如白菜、萝卜、胡萝卜、油菜、天仙子、芹菜等）及一些多年生的草本植物（牧草、黑麦草等）。这些植物在通过低温春化后还需要在长日条件下才能开花。
表9-1 不同类型小麦通过春化需要的温度及天数
类型 春化温度范围（0C） 春化天数（d） |
冬性 0~3 40~45 半冬性 3~6 10~15 春性 8~15 5~8 |
某些植物的春化作用与光周期效应有时可以相互替代或影响，如甜菜是长日植物，但若将其春化时间延长，则可在短日条件下开花；冬性禾谷类的某些植物用短日照处理，可以部分或全部代替低温春化，这种现象称为短日春化现象（short day vernalization）。
春化作用的时期因植物的种类而异，一般植物在种子萌发期到植物营养体生长的苗期都可感受低温而通过春化。某些植物如冬小麦、冬黑麦等在种子吸胀后即可感受低温诱导进行春化，也可在苗期进行春化，其中以三叶期为最快。而另一些二年生和多年生植物只有当幼苗生长到一定大小后才能感受低温，而不能在种子萌发状态下进行春化,如洋葱进行春化的最佳期是绿苗期，甘蓝幼苗在茎粗超过0.6cm、叶宽5cm以上时才能接受春化，月见草6～7片真叶时才能接受低温通过春化。
春化作用感受低温的部位是茎尖端的生长点。如栽培于温室中的芹菜，由于得不到花诱导所需要的低温而不能开花结实。但若用橡胶管把芹菜茎顶端缠绕起来，管内不断通过冷水流，使茎尖生长点获得局部低温处理，就能通过春化而在长日下开花结实；反之将整株芹菜置于低温条件下，而在缠绕芹菜茎顶端的橡胶管内不断通过温水流（水温250C左右），使茎尖生长点获得局部高温处理，植株即使在长日条件下也不能开花结实。后来，人们用甜菜进行试验，也得到了同样的结果。以上实验表明，植物感受低温春化的有效部位是茎尖端的生长点。
研究发现，冬性禾谷类作物如冬小麦等，正在母体中发育的幼胚亦能有效地感受低温，芹菜茎尖端生长点周围的幼叶也能被春化，椴花（Lunariarediviva）正在展开的幼叶也能感受低温完成春化，而成熟组织则无此反应。说明植物在春化作用中感受低温的部位是分生组织和能进行细胞分裂的组织。
9．2．4春化作用刺激的传导
实验证明，春化作用的刺激在有些植物体内可以进行传导。如将春化过的二年生植物天仙子枝条或叶片嫁接到没有春化的同种植物的砧木上，可导致没有春化的植株开花。在烟草、甜菜、胡萝卜等作物中也观察到类似的结果。说明通过低温春化的植株产生了某种物质，这种物质可在植株间传导并引起没有春化的植株开花。德国学者梅尔彻斯（Melchers）把这种特殊的能够刺激植物开花的物质称为春化素（vernalin），但这种物质至今没有从植物体中被分离出来。然而，也有一些植物的春化素是不能传导的，如将未春化的萝卜植株的顶芽嫁接到已春化的萝卜植株上，该顶芽长出的枝梢不能开花；将一株菊花部分枝条的顶端给予局部低温处理可开花，但另一部分未被低温处理的枝条则仍保持营养生长而不能开花，春化过的植株通过嫁接也不能引起没有春化的植株开花。
9．2．5春化作用的生理生化变化
植物在春化作用过程中，虽然形态上并无明显的差异，但体内的生理过程却发生了各种各样且相互关联的变化。一般表现为蒸腾作用增强，水分代谢加快，叶绿素含量增多，光合、呼吸速率加快，核酸、蛋白质含量及酶、激素水平等的显著变化。
春化作用使冬小麦的呼吸速率增高，许多酶活力加强，可见春化作用需要氧气和糖供应的必要性。用氧化磷酸化解偶联剂2,4—二硝基苯酚（DNP）处理，发现DNP在抑制氧化磷酸化的同时，也抑制春化的过程，且抑制的效果在春化处理前期最明显。这说明氧化磷酸化过程对春化作用有重要影响，可能与ATP的形成有关。同时，冬性禾谷类作物在春化过程中其呼吸途径以EMP占优势，在春化2～5周HMP途径活跃进行，由HMP途径产生的NADPH+H+,可能与新的脂肪酸合成有关。春化过程中[m1]的末端氧化酶也表现出多样性，在春化前期以细胞色素氧化酶起主导作用，伴随着低温处理时间的延长（15～20天后），细胞色素氧化酶活性降低，而抗坏血酸氧化酶和多酚氧化酶的活力显著增高。
春化作用使核酸含量增加，且RNA性质发生变化。试验表明，冬小麦胚经50天低温诱导后，RNA含量增加1.8倍，DNA含量则无显著变化。Sarhan（1975）发现经低温处理的冬小麦幼苗中可溶性RNA及rRNA含量增高。从经过60天低温处理的冬小麦苗中提取出来的染色体，主要合成沉降系数大于20S的mRNA，而常温处理的冬小麦苗中的染色体，主要合成9～20S的mRNA。这种低温诱导合成大分子的mRNA的现象，表明春化处理的一个极重要的作用是促使冬小麦幼苗内某些特异基因的表达，这可能对冬小麦以后的成花起重要作用。
春化作用是低温诱导植物体内某些与开花有关的基因特异表达的过程。早在20世纪40年代初期就观察到，经低温处理的冬小麦种子中可溶性蛋白质和游离氨基酸含量增加。蛋白质合成抑制剂环己亚胺、氯霉素等对春化过程均有显著抑制作用。电泳分析表明，冬小麦和冬黑麦经春化后，有特异的新蛋白质的出现，而未经春化处理的则没有这些蛋白质的出现，表明这些蛋白质是由低温诱导产生的；若将已进行春化的冬小麦置高温下进行脱春化处理，则低温诱导产生的特异蛋白质消失。在春化过程中，低温诱导新的蛋白质组分的合成是一个缓慢过程，出现在春化的中后期。
春化作用引起植物激素发生变化。许多植物，如冬小麦、油菜、燕麦等经低温处理后，
图9-1低温后外施赤霉素对长日照下生长的胡萝卜开花的影响（引自Lang 1975）
A. 对照；B.未低温处理，每天施用0.01㎎GA；C.低温处理8周
体内赤霉素的含量明显增加，用赤霉素合成抑制剂处理冬小麦会抑制春化作用；一些需春化的一、二年生长日植物如油菜、天仙子、白菜、胡萝卜等不经低温处理则呈莲座状，不能抽薹开花，如外施赤霉素后却能开花（图9—1）。这些都说明赤霉素与春化作用有关，甚至有人认为赤霉素就是春化过程中形成的春化素。但研究结果表明，并不是所有需春化的植物在低温处理后体内的赤霉素含量都明显增加，赤霉素处理能使需春化的植物不经低温即可开花的现象也只发生在某些需春化的植物中，如短日植物对赤霉素就不发生反应；另外，植物对赤霉素的反应也不同于春化反应，经春化处理的植物花芽的形成与茎的伸长几乎同时发生，而赤霉素对开花的诱导反应是茎先伸长，之后花芽才出现，即先抽薹后开花。孟繁静等（1988）发现冬性植物在春化期间体内产生玉米赤霉烯酮（zearaienone），用玉米赤霉烯酮处理植物萌动的种子或幼苗可部分代替低温，有促进开花的作用。赤霉素和玉米赤霉烯酮与春化之间的关系，还有待于进一步研究。
9．2．6春化作用的机理
春化作用尽管已被研究了几十年，但对春化作用的机理还了解甚少。关于春化作用的机理已提出了多个假说。这里重点介绍梅尔彻斯（Melchers）和兰（Lang）（1965）提出的假说。他们根据二年生天仙子的嫁接试验和高温解除春化的试验认为，春化作用至少由两个阶段组成：第一阶段是春化作用的前体物在低温下转变成不稳定的中间产物；第二阶段是不稳定的中间产物再在低温下转变为热稳定物质，即能诱导植物开花的春化作用的最终产物，从而促进春化植物的开花。不稳定的中间产物如果遇到高温则可被破坏或钝化，不能生成最终产物，也就不能促进春化植物的开花。所以，若在春化过程中遇到高温则不能完成春化或出现去春化现象。
长期以来，已有不少研究者试图寻找春化过程中产生的特异性物质。Burn等（1993；1996）认为，DNA的甲基化程度与春化作用有密切关系。他们用去甲基化试剂5-氮胞苷（5-azacytidine）处理冬小麦、拟南芥（Arabidopsis thaliana）晚花型突变体及十字花科植物遏蓝菜(Thlaspi anvense)萌发的种子，均可诱导这些植物在非春化处理条件下比对照开花明显提前，而对春化不敏感的春小麦对5-氮胞苷无反应。同时发现，低温处理或5-氮胞苷处理后，都使其DNA链上的5-甲基化胞嘧啶水平大大降低，使营养生长向生殖生长转变。近年来利用分子生物学技术已得到Ver17、Verc69和Ver203等与春化相关的cDNA克隆。由此可见，DNA的甲基化阻止了某些与春化相关基因的表达，春化作用通过去甲基化使这些特异的基因活化、转录和翻译，从而导致一系列生理生化代谢过程的改变，最终进入花芽分化和开花结实。
9.3光 周 期
9．3．1光周期现象的发现
一昼夜中白天和黑夜的相对长度称为光周期（photoperiod）。地球不同纬度的光周期具有季节性变化。光周期对花诱导有着极为重要的影响。对大多数植物来说，当同一品种植物种植在同一地区时，即使播种时间不同，但每年开花的日子却相差不大。某些需春化的植物在完成低温诱导后，也要在适宜的季节才能进行花芽的分化和开花。季节变化的明显特征主要是温度和日照长短的变化，而日长的变化是季节变化最可靠的信号，不同纬度地区日照长度的季节性变化不同。我国地处北半球，其不同纬度地区日照长度的季节性变化如图9-2。日照在夏至（22/6）最长，在冬至（22/12）最短，在春分（21/3）和秋分（23/9）各为12小时。
图9-2北半球不同纬度地区昼夜长度的季节性变化
北纬20°：海口；31°：上海；40°：北京；50°：黑河
早在1914年法国的Tournois就发现大麻和蛇麻草的开花受到日照长度的控制。真正对植物开花光周期现象的发现做出杰出贡献的是美国园艺学家加纳尔（W.W. Garner）和阿拉尔德(H.A. Allard)。在1920年，他们观察到烟草的一个变种（Nicotiana tabacum cv Maryland Mammoth）在夏季生长旺盛，株高能达3～5 m但不开花，而在冬季温室中栽培时，株高不到1 m即可开花，如果在冬季温室中人工延长光照时间，则烟草保持营养状态不开花，在夏季人为缩短日照时间，则烟草开花（图9-3）。他们由这些实验证明并提出了日照长度控制着植物的成花诱导。此后，又观察到不同植物的开花对日照长度有不同的反应。加纳尔和阿拉尔德杰出的工作，为植物成花的光周期现象的深入研究奠定了良好的基础。此外，植物的休眠、落叶及鳞茎、块茎、球茎等地下贮藏器官的形成等，也受到日照长度的调节。植物对白天和黑夜的相对长度的反应，称为光周期现象（photoperiodism）。
图9-3日照长短对美州烟草诱导开花试验
A.长日照条件下的植株 B.短日照条件下的植株
9．3．2光周期的反应类型
1．长日植物长日植物（long-dayplant，LDP）是指在昼夜周期中，日照长度长于某一临界值时才能开花的植物（图9-4，上）。如果延长日照缩短黑暗可促进其提早开花，相反，延长黑暗则延迟开花或不开花。常见的长日照植物有小麦、大麦、黑麦、燕麦、油菜、甜菜、菠菜、洋葱、甘蓝、芹菜、胡萝卜、萝卜、白菜、杜鹃、天仙子等。
2．短日植物短日植物（short-dayplant，SDP）是指在昼夜周期中，日照长度短于某一临界值时才能开花的植物（图9-4，中）。如果适当缩短日照延长黑暗可促进其提早开花，相反，如果延长日照则延迟开花或不开花。常见的短日植物有美洲烟草、大豆、菊花、苍耳、晚稻、腊梅、大麻、紫苏、高粱、日本牵牛等。
3．日中性植物日中性植物（day-neutralplant，DNP）是指在任何日照长度条件下都能开花的植物（图9-4，下）。这类植物的开花对日照长度的要求范围很广，只要温度合适，一年四季均能开花。常见的日中性植图9-4三种主要的光周期反应类型物有番茄、茄子、黄瓜、辣椒、四季豆、蒲公英、月季花等。
除了上述三类典型的光周期反应类型外，有些植物花诱导和花器官形成的两个过程是 明显分开的，且要求不同的日照长度。因此，这类植物被称为双重日长类型或双重日长植物（dual day lengthplant）。如大叶落地生根（Bryophyllum daigremontianum）、芦荟等植物，在长日照下完成花诱导作用，但在诱导完成后若继续给以长日照，则不能形成花器官，只有进行短日照处理才能成花。这类植物称为长-短日植物（long-short dayplant，LSDP）。而风铃草、白三叶草、瓦松等植物则相反，其花诱导须在短日照条件下完成，花器官的形成则需要长日照，这类植物称为短-长日植物（short-long day plant，SLDP）。还有一类植物，只有在某一特定的日照长度下才能开花，如甘蔗只有在11.5～12.5小时的日照长度下才能开花，若延长或缩短这一日照长度都抑制其开花。这类植物称为中日性植物（intermediate-day plant，IDP）。
Garner等人当时假定每天在短于12小时的日照下才能开花的植物为短日植物，每天在长于12小时的日照下才能开花的植物为长日植物，而在任何日照下都能开花的植物为日中性植物。试验表明，以12小时为短日植物和长日植物是否开花的临界日长（critical day length）的假定是不正确的。例如，短日植物苍耳的临界日长是15.5小时，长日植物菠菜的临界日长是13小时，如果将短日植物苍耳和长日植物菠菜同时放置在14小时的日照长度下，因14小时短于苍耳的临界日长和长于菠菜的临界日长，所以二者都能开花。因此，长日植物开花所需的日照长度并不一定长于短日植物所需要的日照长度。判断一种植物是长日植物还是短日植物，不是看植物开花所要求的具体日照时间的长短，而是依据该植物在超过或短于某一临界日长时的开花反应。临界日长是指昼夜周期中诱导植物开花的极限日照长度，即诱导短日植物开花所必需的最长日照长度或诱导长日植物开花所必需的最短日照长度。不同植物开花时所需的临界日长不同（表9-2）。对长日植物来说，当日照长度大于临界日长时即可诱导开花，且日照越长开花越早，在24小时连续光照下开花最早。而对短日植物来说，日照长度必须小于其临界日长时才能开花，适当缩短每天的照光时间可提早开花。但日长过短也不能开花，可能因光照不足，植物缺乏供给开花的营养物质。
表9-2部分植物的临界日长
植物名称 临界日长（h） | 植物名称 临界日长（h） | |||
短日植物 菊花 15 苍耳 15.5 美洲烟草 14 晚稻 12 牵牛 15 一品红 12.5 大豆曼德临（早熟种） 17 北京（中熟种） 15 比洛克西（晚熟种） 13～14 | 长日植物 天仙子 11.5 木槿 12 拟南芥 13 大麦 10～14 小麦 12以上 菠菜 13 红叶三叶草 12 白芥 约14 燕麦 9 | |||
在自然条件下，昼夜总是在24小时的周期内交替出现的，与临界日长相对应的还有临界暗期（critical dark period）。所谓临界暗期是指在昼夜周期中短日植物开花所必需的最短暗期长度或长日植物开花所必需的最长暗期长度。植物的开花究竟取决于日长还是暗长？哈姆纳（Hamner）以短日植物大豆为材料进行试验，将日长分别固定为16小时和4小时，暗期时间在4～20小时之间改变，发现暗期在10小时以下无花芽分化，只有当暗期长于10小时以上才能开花。又如长日植物天仙子，在12小时日长和12小时暗期交替的环境下不开花，但以6小时日长和6小时暗期交替处理则开花。这些结果表明，临界暗期比临界日长对植物的开花更为重要。因此，短日植物应称为长夜植物(long-night plant)，长日应称为短夜植物(short-night plant)。
9．3．3光周期刺激的感受和传导
光周期敏感植物受到适宜的光周期诱导后，其成花反应都表现在茎尖生长点的花芽分化。然而实验证明，植物感受光周期的部位并不是茎尖的生长点，而是叶片。Knott（1934）首先在长日植物菠菜中观察到这种情况，随后在其它具有光周期反应的植物中也得到证实。柴拉轩（1937）将短日植物菊花作如图9-5所示的四种处理，结果表明，只有对叶片进行适宜的光周期处理，才能诱导植物开花；若只对茎尖进行合适光周期处理，而叶片暴露在不适宜的光周期下，植物就不开花。因此，感受光周期的部位应是叶片。叶片感受合适的光周期刺激后将其影响传导到生长点去，引起成花反应。一般植株要生长到一定时期后，叶片才有感受光周期诱导的能力。不同植物开始对光周期表现敏感的年龄不同，大豆是在子叶伸展期，水稻是在七叶期左右，红麻则在六叶期。一般植株通过光周期诱导的时间随着年龄的增大而缩短。
图9-5叶片和顶芽以不同的光周期处理对菊花开花的影响
（引自Chailakhyan1937）
感受光周期刺激的器官是叶片，而诱导开花的部位是茎尖端的生长点。叶和茎尖生长点之间隔着叶柄和一段茎，因此设想在合适的光周期诱导下叶片可能产生某种化学物质运输到茎尖生长点。20世纪30年代，柴拉轩（Chailakhyan）用嫁接试验证明了这种设想。他将5株短日植物苍耳互相嫁接在一起，只把其中一株上的一片叶放在合适的光周期（短日照）下进行诱导，结果所有的植株都能开花（图9-6）。在短日植物紫苏中，也有与苍耳类似的报道。这就充分证明了经过合适光周期诱导的叶片能向未经诱导的植株运输某种成花物质。柴拉轩把这种能刺激植物开花的物质称为成花素（florigen）。更有趣的是，经过短日处理的短日植物可以通过嫁接引起长日植物开花；经过长日处理的长日植物也可以通过嫁接引起短日植物开花。如长日植物蝎子掌嫁接到短日植物高凉菜上并置于短日照条件下，结果蝎子掌可开花。反之，若把短日植物高凉菜嫁接到长日植物大叶落地生根上并置于长日照条件下，高凉菜也可大量开花。将长日植物天仙子和短日植物烟草嫁接后，无论是在长日照还是在短日照条件下两者都能开花。这些现象都说明了两种不同光周期反应类型的植物所产生的开花刺激物可能具有相同的性质。
图9-6苍耳开花刺激物的嫁接传递
利用蒸汽杀伤、局部冷却、环割和麻醉剂等处理叶柄或茎，以阻止韧皮部物质的运输，可抑制叶片在适宜光周期下产生的开花刺激物对茎尖成花的诱导作用，说明开花刺激物的运输途径是韧皮部。
多年以来，人们企图阐明开花刺激物的化学结构，但未能成功。因此有人提出的另一种看法，认为处于合适诱导光周期条件下，叶片中产生的信息至少有两种可能，第一种可能是产生促进开花并被称之为成花素的物质；另一种可能是在合适诱导光周期条件下，改变了叶片的代谢，从而使叶片运出的营养流中各种物质的比例发生改变，导致与开花相关的基因表达加强和与营养生长相关的基因表达被减弱或受抑制。当然，上述看法尚缺实验证据的支持。
对光周期敏感的植物必须经适宜的光周期条件诱导才能开花，但引起植物开花的适宜的光周期处理，并不需要一直持续到植物花芽的分化为止。达到一定生理年龄的植株，只需要一定时间的适宜的光周期处理，以后即使处在不适宜的光周期条件下，仍然可以长期保持光周期刺激的效果而诱导植物开花，这种现象称为光周期诱导（photoperiodic induction）。因此，适宜的光周期处理只是对植物的成花反应起诱导作用，花芽的分化并不出现在光周期诱导的当时，而是
大多出现在光周期诱导之后的一定时期。不同植物诱导成花所需的光周期处理天数不同，一般植物光周期诱导的天数为一至十几天。例如，短日植物水稻、苍耳、浮萍、日本牵牛等只要1天，大豆2～3天，大麻 4天，苎麻7天，菊花、红叶紫苏、高凉菜约12天；长日植物菠菜、油菜、毒麦等也只需1天，天仙子2～3天，拟南芥4天，胡萝卜、甜菜约15～20天等。植物通过光周期诱导所需的时间，与植株的年龄及环境条件特别是温度、光强、光照长度等的变化有关。增加适宜光周期诱导的天数，可加速花原基的发育，增加花的数目。例如，大豆经三个以上适宜的光周期诱导即可开花，但开花节数随诱导天数的增加而增加（图9-7）。
图9-7 诱导天数对大豆开花节数的影响
9．3．5光对暗期的中断效应
植物开花与否主要取决于光周期中暗期的长度。试验证明，将短日和长日植物同置于人工光照室内，只要暗期超过短日植物的临界夜长，不管光期有多长，短日植物都能开花，而长日植物在该条件下不开花。假如在足以引起短日植物开花的暗期中间，用一个短暂的、足够强度的闪光所中断，短日植物就不能开花，而置于同室内的长日植物却开花（图9-8）。
图9-8暗期闪光中断对长日植物和短日植物开花的作用
相反，在短于短日植物临界暗期的长光期条件下，用一个简短的黑暗来中断光期，既不会阻止长日植物开花，也不会诱导短日植物开花。这些结果证明，光周期中的暗期长度对植物开花起决定性的作用。试验表明，中断暗期的闪光强度很低（日光的10-5倍或月光的3~10倍）。但是，光照强度低所需时间长，反之则短（数分钟至几十分钟）。暗期中间一般在接近暗期中间时进行效果最好，在暗期刚开始不久和即将结束时则不能产生中断效应。
用不同波长的光来间断暗期的试验证明：无论是抑制短日植物开花，还是诱导长日植物开花，最有效的光都是红光，其最大效应在600～660nm区域内，蓝光效果很差，绿光几乎无效。若在红光照过之后，立即照以远红光，就不能发生暗期间断的作用，即红光的暗期间断效应可以被远红光所抵消，且这个反应可以逆转多次，植物最终开花与否取决于最后一次照射的是红光还是远红光。如在短日条件下用红光中断长夜，其结果阻止短日植物开花，促使长日植物开花；但如果红光照射后再立即照射远红光，则短日植物开花而长日植物不开花（图9-9）。这些结果表明光敏色素参与了光周期对开花诱导的过程。
图9-9暗期中断时红光（R）和远红光（FR）对长日
植物和短日植物开花的可逆控制
9．3．6光敏色素与开花诱导
一般认为，光敏色素在植物成花过程中的作用，不是取决于植物体内光敏色素Pr或Pfr绝对含量的高低，而是取决于Pfr/Pr或光稳定平衡值（Φ=[Pfr]/[Ptot]）的大小。短日植物开花要求低的Pfr/Pr值，而长日植物开花要求较高的Pfr/Pr值。对短日植物来说，当光期结束时其体内积累的Pfr水平较高，即Pfr/Pr值高，从而阻止开花刺激物的合成，进入暗期后，随着Pfr转变为Pr或Pfr因降解而减少，使Pfr/Pr值逐渐降低，当Pfr/Pr降低到一定的阈值时即可诱发开花刺激物的形成而促进开花。如果在暗期中用红光或白光中断，则可使Pfr/Pr值升高并超过阈值，开花刺激物的合成受阻，从而抑制短日植物开花。对长日植物而言则相反，长日植物诱导开花刺激物的形成需要较高的Pfr/Pr值，长日条件或短日条件下进行暗期中断，均可使Pfr/Pr值升高，从而促进长日植物开花。
然而近年来的研究表明，对许多短日植物来说，若在暗期的初期就照以远红光，使Pfr转变为Pr，Pfr/Pr值降低，则反而使其开花受到抑制；只有在暗诱导的前期使短日植物体内保持较高的Pfr的水平，后期Pfr的水平下降，Pfr/Pr值降低才可诱导开花。所以，短日植物的开花诱导要求的是暗期的前期“高Pfr反应”，后期的“低Pfr反应”。当长日植物处在短日条件下时，在暗期刚刚开始不久就照以红光，对成花的促进作用并不明显，若先加入照射几小时的远红光使Pfr水平降低，然后再照红光提高Pfr的水平，能有效促进开花。可见，长日植物开花要求在暗期前期是“低Pfr反应”，后期是“高Pfr反应
光周期信号由光敏色素系统素感受，最终可能导致叶片特异基因的表达，产生开花刺激物诱导开花。拟南芥有5个光敏素基因（PHYA到PHYE），每个基因编码特异的光敏素蛋白质，其中PHYA到PHYB参与开花调节。但是，光敏素并不直接作用于基因，因此在信号感受和基因表达之间必定存在着信号转导过程。光敏素控制植物开花过程可能是通过第二信使CaM，进而影响细胞的代谢过程。已有证据表明，Ca2+参与成花的信号转导。Friedman等（1989）用Ca2+螯合剂和CaM拮抗剂施于诱导前的裂叶牵牛子叶。对其开花表现出抑制作用，但施于诱导后的子叶，则对其开花无明显的抑制作用。曹宗巽等（1990）也证明Ca2+-CaM在日本青萍的光周期诱导中起重要作用。Ca2+在参与植物成花的信号转导过程中可能有两方面的作用：一是Ca2+介导激活蛋白激酶或其他的调节过程，从而导致开花刺激物的产生；二是Ca2+介导基因表达的改变。
9.4光周期诱导开花的假说
大量研究证明，在适宜的温度、光周期和其它综合条件的诱导下，植物体内发生了一系列生理和生化变化，如开花刺激物、蛋白质和核酸的合成，最后完成花的诱导过程，从而由营养生长转变为生殖生长。但是，有关诱导开花的机理目前尚不甚清楚。这里主要介绍几种经典的诱导开花的假说。
早在1937年柴拉轩（Chailakhyan）就提出，植物在适宜的光周期诱导下，叶片可产生一种类似激素性质的物质叫“成花素（florigen）”，它传递至茎尖端的分生组织，从而引起开花反应。1958年柴拉轩提出了成花素假说。他假定成花素是由形成茎所必需的赤霉素和形成花所必需的开花素（anthesin）两种具有活力的物质组成。一株植物必须先形成茎，然后才能开花，所以，植物体内同时存在赤霉素和开花素时才能开花。日中性植物本身具有赤霉素和开花素，所以，不论在长日或短日条件下均能开花；长日植物在长日条件下和短日植物在短日条件下，都具有赤霉素和开花素，因此也都能开花；长日植物在短日条件下缺乏赤霉素，而短日植物在长日条件下缺乏开花素，所以都不能开花；冬性长日植物在长日条件下虽具有开花素，但若无低温条件，即无赤霉素的形成，所以仍不能开花。赤霉素是长日植物开花的限制因子，而开花素则是短日植物开花的限制因子。但目前尚未分离出成花素。
照成花素假说，只要长日植物以一定浓度的赤霉素处理即可在非诱导的短日条件下开花；冬性长日植物在长日条件下以赤霉素处理即可在无低温诱导的条件下开花。然而，大量的实验证据表明，上述现象只发生于部分长日植物和冬性长日植物，而不具有普遍的代表性。例如，长日植物倒挂金钟、多花山柳菊等，在非诱导的短日条件下，赤霉素处理不能使其开花；很多情况下，施用赤霉素也不能诱导需春化的植物在非低温的条件下开花。因此，植物实际的开花过程要比该假说复杂的多。尽管如此，成花素假说所提出的开花复合物质以及不同类型的植物中存在着不同的限制开花因子的概念，对进一步研究和认识开花这个复杂的过程，具有重要的启示。
有些研究者认为，植物的叶片在非光周期诱导条件下，可产生开花抑制物质，从而使植物不能开花；植物在合适的光周期诱导条件下，阻止了这些开花抑制物的产生，或者使开花抑制物降解，从而使花的发育过程得以顺利进行。所以，当植物体内的开花抑制物在诱导条件下降低到某一阈值时，植物才能开花。如下的试验结果可以证明开花抑制物的确存在：长日植物天仙子和短日植物藜处于严格的非诱导条件下，连续去掉植株所有叶片并供给糖分时，植物就能开花。将短日植物紫苏于长日条件下，只对其中一片叶子以遮光的方式进行短日照处理，结果并不能诱导植株开花；但如果摘除其他叶片，仅留一片叶子进行短日照处理，就能诱导植株开花。表明叶片中产生了开花抑制物质，去叶后在长日下不能再产生开花抑制物质，从而诱导植株开花。又如，将长日植物天仙子嫁接到日中性植物的一个侧枝上，然后置于长日照下，二者都能开花；但在短日照条件下，无论接穗或砧木的开花都受到抑制。表明长日植物在短日条件下产生了开花抑制物，并通过嫁接运输到日中性植物，从而抑制了日中性植物开花。但有关开花抑制物的性质仍未明确。
拟南芥phyB突变体表现为提早开花，而phyA突变体表现为推迟开花。表明PHYB基因产物有抑制开花的作用，而PHYA基因产物有促进开花的作用。另一方面，光敏色素能活化和调节植物某些特定的与开花有关的基因（或基因组），促进新的蛋白质或酶合成。已有实验表明，光敏色素能通过蛋白激酶、蛋白磷酸酯酶等影响蛋白质的磷酸化和去磷酸化作用，从而影响蛋白质和DNA的结合能力，最终影响到基因的活化。光敏色素还能使膜蛋白的结构发生改变，导致膜透性的变化，从而引起一系列生理生化变化。有人认为，光敏色素可能通过第二信使—钙调素（CaM）而对细胞的代谢过程产生影响。
9．4 .4碳氮比理论
20世纪初期，克勒布斯（G. Klebs）等经过大量的试验和观察，提出了开花的碳氮比（C/N）理论。他们认为，当植物体地上部分的糖类含量高于含氮化合物（即C/N值高）时，植物开花，反之植物进行营养生长而不开花。此后，有人用番茄作试验材料，用控制不同光强的方法来调节植物体内的含糖量，通过施以不同量的氮肥来调节植物体内的含氮量，最后得出同样的结论：即决定番茄开花的是植物体地上部分含糖量和含氮量间的比例，C/N值高时促进开花；反之，则延迟开花或不开花。
碳氮比理论在农业生产实践中有着较为广泛的应用。例如，在果树栽培上，利用砍伤树皮、绞缢树皮或局部剥去树皮等方法，可以阻止一部分光合产物的下运，提高上部枝条的C/N值，促使糖分更多的向花和果实集中而使其优质高产。又如，在作物栽培上，若在生育的中后期施用大量氮肥，会使植物地上部分的C/N值降低，引起营养生长过旺，甚至导致徒长，造成贪青晚熟现象等。但是，碳氮比理论对植物开花的解释是全面的，因为克勒布斯进行研究时所用的植物都是长日植物或日中性植物，而短日植物的开花并不与C/N比的增加相一致。长日照无一例外会提高植物的C/N比，但却抑制短日植物开花。此外，在缩短光照时间的情况下，提高光照强度，也能提高植物体内的C/N比，但却不能使长日植物开花。
虽然碳氮比理论不能很好地解释植物成花诱导的全部原因，但是植物开花过程的确需要一定的营养物质作为基础。因此，碳氮比理论在植物的整个成花过程中仍具有一定的理论和实践意义。
9.5春化和光周期理论在生产实践中的应用
人为的低温处理使植物完成春化作用的措施称为春化处理。春季补种冬小麦因为没有通过冬天的低温春化，将只会长苗而不开花结实。我国北方农民很早就知道利用罐埋法（闷麦法）、七九小麦等方法，将冬小麦吸水萌动后进行低温处理使之完成春化作用，春播后即可在当年的夏初抽穗开花。经春化处理后，可加速植物花诱导的过程，使其提早开花、成熟，因此可避开干热风对子粒发育的不利影响；在育种工作中，利用春化处理的方法，可加速冬性作物的育种过程。
在花卉生产中，利用低温处理还可使某些秋播的一、二年生草本花卉改为春播，在当年开花。例如，用0～5℃的低温处理石竹可促进其花芽的分化。
在生产实践中，往往需要从外地引进优良的作物品种，以获得优质高产。但应该注意的是，首先必须了解该作物原产地与引进地之间生长季节日照条件和温度条件的差异。因为，在一个地区种植能够优质高产的优良品种不一定在另一个地区也能获得同样的结果。应注意尽量避免因盲目引种给生产造成的损失。我国北方地区的纬度高、温度低、日照长，而南方地区纬度低、温度高、日照短。需要低温春化和长日照才能开花的植物，在有些南方地区种植有可能无法满足它们对低温和日照长度的要求，从而只进行营养生长而不能开花结实。过去曾经将河南省的小麦引到广东省栽培，结果只进行营养生长而不开花结实，造成了无法弥补的损失，这是一个严重的历史教训。
自然界的光周期决定了植物的地理分布与生长季节，植物对光周期反应的类型是植物对自然的光周期长期适应的结果。低纬度地区的生长季节是短日条件，因此多分布短日植物；高纬度地区的生长季节是长日条件，因此多分布长日植物；中纬度地区则长短日植物共存。但由于自然选择和人工培育，同一种植物可以在不同纬度和地区分布。从一个地区引种某一植物到不同纬度的地区时，首先要了解被引种品种的光周期特性，同时还要了解作物原产地与引种地生长季节的日照条件的差异。如在我国将短日植物从北方引种到南方，会提前开花，如果所引作物是以生殖器官为收获对象，则应选择晚熟品种；从南方引种到北方，会推迟开花，则应选择早熟品种。对长日植物而言，从北方引种到南方，会延迟开花，宜选择早熟品种；而从南方引种到北方，会提早开花，则应选择晚熟品种。一些对日照条件要求较为严格的作物品种，若原产地与引进地区光周期条件差异太大，会造成过早或过晚开花，而引起减产或颗粒无收，在生产中要加以注意。例如，将南方大豆引到北京种植时，因短日条件来得较晚而使开花推迟，生育期延长，由于开花时天气已变冷，造成结实不多，产量不高。东北大豆引种到北京时，生育期大大缩短，植株很小时就开了花，产量也不高。
麻类是短日植物，将我国南方地区的麻类作物引到北方地区栽培，可使其营养生长期延长，开花期推迟，从而使麻类作物的营养体生长旺盛，增加植株的高度，提高纤维的产量和质量。
在花卉栽培中，已经广泛采用人为控制光周期的办法来提早或推迟植物花期。例如，菊花是短日植物，在自然条件下秋季开花，但为了某种特殊的观赏需要，可用人工控制光照时间的办法使其在一年内的任何时期开花。若使菊花提早开花，应对其进行遮光成短日照的处理；若使菊花推迟开花，则应在其开花所需要的短日照到来之前，对其进行延长光照或暗期闪光中断处理。一些长日植物花卉，如杜鹃、山茶花等，进行人工延长光照或暗期光中断处理，能够使开花时期提早。
在育种工作中，可利用人为延长或缩短光照时间的方法控制植物花期，使两亲本植物同时开花，便于杂交授粉，以解决杂交育种工作中花期不遇的问题。如早稻和晚稻杂交时，可对处于4～7叶期的晚稻秧苗进行遮光处理，使其开花提前到与早稻同期。
对以营养体为收获对象的作物，可通过控制光周期或温度等方法抑制开花。如短日植物烟草、红麻等，可提早播种或向北移栽，利用长日照延长营养生长时期，以增加产量。但如果引种地区与原产地相距过远，则应考虑留种问题。如将广东、广西等地的红麻引种到北方，9月下旬才能现蕾，种子不能正常成熟，可在留种地采用苗期短日处理的方法，解决留种的问题。此外，某些甘蔗的品种为短日植物，当自然的短日照来临时，利用暗期光中断处理使其继续进行营养生长而不开花，从而提高产量。
对于冬性植物，可利用去春化作用的方法来抑制开花以达到增加营养体收获的目的。如二年生药用植物当归，当年收获的块根质量及药效不佳，不宜入药，往往需要进行第二年栽培，但第二年又易抽薹开花而影响块根的产量和品质。为此，生产上常采取第一年将其块根挖出，贮藏在较高的温度下使之不能完成春化作用，以大量减少次年的抽薹开花率，从而提高块根的产量、质量和药用价值。
9．6花器官形成及性别分化生理
植物达到花熟状态后，经适宜环境条件（春化作用和光周期）的诱导，茎尖生长点的分生组织在形态上发生显著变化，由叶原基转而形成花原基，即从营养生长锥变成生殖生长锥，然后经花芽分化过程而逐步形成花器官。
9．6．1花器官形成的形态和生理变化
大多数植物发生成花反应最明显的标志是茎尖分生组织在形态上发生显著的变化。如小麦、水稻、玉米和高粱等禾本科植物和棉花、苹果等双子叶植物的花分化过程，都是从茎的生长锥的伸长开始的。但胡萝卜等伞形科植物在花芽分化开始时，生长锥不是伸长而是变为扁平状。无论上述哪种情况，都使生长锥的表面积增大。由于生长锥表面和内部的细胞分裂速率不均匀，从而使生长锥的表面出现皱折，使在原来分化形成叶原基的地方形成花原基，再由花原基逐步分化产生花器官各部分的原基，进而形成花或花序。如小麦在春化作用结束之后，当进入光周期诱导时，生长锥开始伸长，其表面的一层或数层细胞分裂加速，形成的细胞小、细胞质浓稠，而内部的一些细胞分裂较慢并逐渐停止，细胞变大，原生质变稀薄，有的细胞出现液泡，这样由外向内逐渐分化形成若干轮突起，在原来形成叶原基的部位逐步分化出花器官的各个部分。短日植物苍耳在经过合适的光周期诱导后，生长锥由营养生长状态转变为生殖生长状态的形态变化首先是生长锥的膨大，然后自生长锥基部周围形成球状突起并逐步向上部推移。Salisbury将此过程分为8个阶段，并称之为成花阶段（图9-10）。
在生长锥分化成花芽的过程中，其内部也发生了一系列的生理生化变化。花芽开始分化时，生长锥中可溶性糖含量增加，细胞的代谢水平明显升高。例如水稻幼穗分化时，葡萄糖、果糖和蔗糖的含量均增加，其中蔗糖含量在花器官分化后一直继续上升。在花芽分化前，生长锥中的多糖（如淀粉等）积累增多，开始分化时逐渐减少，但分化后的幼穗里的多糖又再次增加。
短日植物苍耳经光周期诱导后，茎顶中心区和边缘细胞中RNA合成加速，有丝分裂明显加快，蛋白质含量也增多。利用RNA合成抑制剂5—氟尿嘧啶（5-FU）处理在诱导暗期初始8 h的苍耳芽部，可抑制其开花。可见核酸的合成对花芽的分化具有关键性的作用。实验证实，与花芽分化有关的特异mRNA的转录发生在茎尖分生组织区域。
在花器官分化时，氨基酸和蛋白质的含量均增加。前者不仅含量增加，而且种类也增多。日本牵牛在花芽分化时，其分生组织中的内质网和核糖体增多，这可能是为了适应分化时蛋白质合成的需要。这也表明某些基因的有序表达参与了花器官的分化和形成。
图9-10苍耳经短日照诱导后生长锥的变化过程（引自Salisbury 1955）
9．6．2花器官发育的基因控制和ABC模型
在雌雄同花植物的花发育早期，茎尖花分生组织分为4个同心圆的花轮，不同的轮发育成不同的花器官，第一轮为花萼，第二轮为花瓣，第三轮为雄蕊和第四轮为雌蕊或心皮。近年来，以拟南芥和金鱼草的突变体为试验材料，根据对花器官发育的特异性基因研究发现，这些基因改变花器官特征而不改变花的发端，这类基因称为同源异型基因（homeotic gene）。同源异型基因的突变导致花的某一重要器官位置发生了被花的另一类器官所替代的现象，如花瓣的部位被雄蕊替代等，这类个体叫同源异型突变体（homeotic mutant）。拟南芥的两性花由外到内的四轮排列为：花萼、花瓣、雄蕊和心皮,分别用1、2、3和4表示（图9-11）。参与控制花结构的基因按功能分三类：A组基因控制第1、2轮花器官的发育；B组基因控制第2、3轮花器官的发育；C组基因控制第3、4轮花器官的发育，其中A组和C组基因可相互抑制。据此，E. Coen和E. Meyerowitz等（1991）提出的花器官形态发生基因控制的ABC模型，以阐明同源异型基因控制花形态发生的机理。根据这个模型，正常花的四轮结构的形成是由花原基三个重叠区（A区B区和C区）里的三组基因共同作用而完成的。即花的四轮结构花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊分别由A，AB，BC和C组基因决定。由A组基因单独作用调控花萼发育，A和B组基因共同调控花瓣的发育，B和C组基因共同调控雄蕊的发育，C组基因单独作用调控心皮的发育（图9-11）。在拟南芥中，对应于A、B、C组基因分别有AP1（Apetala1）/AP2（Apetala2）、AP3（Apetala 3）/PI（Pistillata）和AG（Agamous）5种同源异形基因控制花器官的形成。每一轮花器官特征的决定分别依赖于A、B、C三组基因中的一组或两组基因的正常表达，若其中任何一组或更多的基因发生突变而丧失功能，则花的形态发生即出现异常，结果使花出现某一重要器官的位置由另一类器官所替代的突变现象。由于A组和C组基因可相互抑制，因此若A组基因发生突变而丧失功能，C组基因的功能即扩大到整个花的分生组织；相反，若C组基因发生突变而丧失功能则导致A组基因的功能扩大到整个花的分生组织（见表9-3）。许多单、双甚至三突变体中某一基因的器官特异性表达，均在不同程度上支持了这个模型。ABC模型在一定程度上揭示了花器官形成的分子基础。
表9-3 拟南芥同源异型基因发生突变对花器官形成的影响
突变基因组 突变体表型 |
A组（AP1/ AP2） 第1轮萼片变为心皮，第2轮花瓣变为雄蕊 B组（AP3/ PI） 第2轮花瓣变为萼片，第3轮雄蕊变成心皮 C组（AG） 第3轮雄蕊变成花瓣，第4轮心皮变成萼片 B和C组（AP3/PI和AG）第1轮至第4轮全部发育成萼片 |
图9-11拟南芥花分生组织同源异型基因的ABC模型
左：同源异型基因作用的四个花轮（1～4）和三个区（A～C）；右：花形期的花分生组织
（依据Coen and Meyerowitz 1993；Buchannan等2000修改）
9．6．3影响花器官形成的外界条件
9．6．3．1光照光对花器官的形成影响最大。一般植物在完成光周期诱导之后，光照时间越长，光照强度越大，有机物合成越多，对成花越有利；反之，则花芽分化受阻。例如，生产中栽培密度过大时，因相互遮阴严重、群体受光不足而造成花芽分化减少，引起减产。农业生产上对果树进行整形修剪、棉花整枝打杈等，都是为了改善光照条件，以利于花芽的分化。不同植物开花所需要的最低光强不同，如阴地植物开花要求的最低光强低于阳地植物。雄蕊发育对光强比较敏感，如在小麦花粉母细胞形成前期，遮光72 h，会使花粉全部败育。此外，光周期还影响植物的育性，如石明松在1973年发现的湖北光敏感核不育水稻（HPGMR），在短日（每天14 h以下光照）下花粉正常可育，在长日（每天14 h以上光照）下花粉败育。这种水稻育性随光照长度的变化而发生改变的现象称为育性转换（fertility change），目前已在两系法杂交水稻生产中得到应用。
9．6．3．2温度温度是影响花器官分化的另一重要因素。一般情况下，在一定范围内，植物花芽分化随温度升高而加快。温度主要通过影响光合作用、呼吸作用、有机物质的转化和运输等过程，从而间接影响花芽的分化。低温延缓花器官的分化，甚至使其中途停止。如水稻减数分裂期间，若遇到170C以下的低温就使花粉母细胞损坏，进行异常分裂，同时绒毡层细胞肿胀肥大，不能为花粉输送足够的养料，导致形成不育花粉，造成严重减产。低于100C时，苹果的花芽分化则处于停滞状态。温度过高也不利于花器官的分化，因为在高温下，花器官分化过快，由于得不到充足的营养，不能保证花的质量。
9．6．3．3水分水分对花的形成十分重要，不同植物的花芽分化对水分的需求不同。在雌雄蕊分化期和花粉母细胞减数分裂期对缺水特别敏感。如稻、麦等作物孕穗期若水分供应不足会使幼穗形成延迟，并导致颖花退化。而夏季适度干旱可提高果树的C/N比，有利于花芽的分化。
9．6．3．4矿质营养土壤中氮肥过少不能形成花芽，氮肥过多造成枝叶旺长，消耗过多的养料，也使花芽的分化受阻；增施磷肥，可增加花数，缺磷时则抑制花芽分化。因此，在施肥过程中应注意合理搭配施用氮、磷、钾肥，才能促进花芽分化，增加花的数目。此外，若能适当补充微量元素锰、硼、钼等，对花芽的分化则更为有利。
9．6．3．5植物生长物质花芽分化受植物内源激素的调控。外施植物生长物质也同样影响花芽的分化和花器官的形成。细胞分裂素、脱落酸和乙烯可促进果树花芽的分化。赤霉素则可抑制多种果树的花芽分化。生长素的作用较复杂，低浓度的生长素对花芽的分化起促进作用，而高浓度则起抑制作用。
9．6．4植物性别分化
9．6．4．1植物性别分化的特点及意义植物的性别特征主要表现是花器官构造上的差异，所以在花芽的分化过程中，伴随着性别分化（sex differentiation）。高等植物的性别主要分为雌雄同株和雌雄异株两大类。在雌雄同株的植物中又主要分为雌雄同株同花和雌雄同株异花。多数高等植物在花芽分化中逐渐在同一朵花内形成雌蕊和雄蕊，即两性花，这类植物叫做雌雄同株同花植物（hermaphroditic plant），如小麦、水稻、番茄、大豆、油菜、棉花等；另有一些植物，在同一植株上有两种花，即单性雄花和单性雌花，这类植物叫做雌雄同株异花植物（monoecious plant），如玉米、西葫芦、黄瓜、西瓜、蓖麻、马尾松等；还有一类植物，在单个植株上，要么只有雌性花，要么只有雄性花，即同一植株上只有单性花，这类植物叫做雌雄异株植物（dioecious plant），如大麻、银杏、杜仲、千年桐、番木瓜、芦笋、菠菜等。此外，经过长期的人工选择，还得到了一些其他性别特征的植物，如雌花、两性花同株植物（gynomonoecious plant），即在同一植物体上既有雌花又有两性花，如金盏菊等；雄花、两性花同株植物（andromonoecious plant），即在同一植物体上既有雄花又有两性花，如槭树等；雌花、两性花异株植物（gynodioecious plant），即雌花和两性花分别在不同的植物体上，如小蓟等；雄花、两性花异株植物（androdioecious plant），即雄花和两性花分别在不同的植物体上，如柿树等。
高等动物在受精的刹那即决定了其性别，而且性别表现明显，不易逆转。而植物的性别表现一方面取决于自身的决定机制，即对某些植物来说，其性别在受精时便由雌雄配子上含有的物质所决定。另一方面则与性别分化密切相关，也就是说在受精时没有性别决定的问题，雌雄花的分化完全取决于性别分化。植物的性别分化受环境的变化影响很大，从而使植物的性别存在易变性和多样性的特点。
必须注意的是性别分化只是一种表型表现，并不改变植物的基因型。例如黄瓜、南瓜等植物，同一植株上的任何节位其基因型都是相同的，但一些节发育为雄花，一些节则发育成雌花，而此时的基因型并未因此而改变。
植物花器官性别的分化在实践中具有重要意义。在许多雌雄异株植物中，其雄株和雌株的经济价值不同。以收获果实、种子为栽培目的的作物（如番木瓜、银杏、千年桐以及留种用的大麻、菠菜等）需留一定数量的雄株外，主要是需要保留大量的雌株；而以收获纤维为目的植物（如大麻等），其雄株纤维长且拉力强、品质优，因此应多保留雄株。栽培雌雄同株异花植物（如黄瓜、南瓜、西瓜等），就需大大增加雌花数，以便多结实提高产量。
9．6．4．2影响植物性别分化的环境因素
1、光周期适宜的光周期不但能诱导植物开花，而且也影响雌雄花的比例。一般植物在合适的光周期诱导之后继续处于合适的光周期条件下，可促进其雌花的形成；如果处于不合适的光周期条件下，则促进雄花的形成。即短日照促进短日植物多开雌花，长日植物多开雄花；而长日照则促进长日植物多开雌花，短日植物多开雄花。如长日植物菠菜在经过长日诱导后，给以短日照处理，在雌株上可以形成雄花；短日植物玉米在光周期诱导后，继续处于短日条件下，可在雄花序上形成一个发育良好的小雌穗。
2、植物生长物质植物生长物质对性别分化同样有显著作用。生长素和乙烯对很多瓜类植物雌花的分化起促进作用，赤霉素则促进其雄花的分化。实验表明，对雌雄异株的大麻施用赤霉素后，可使其雄株由50%增加到80%；抗生长素类物质三碘苯甲酸等抑制黄瓜雌花的分化，抗赤霉素类物质矮壮素等则抑制雄花的分化。生产中用烟熏可促进开雌花，是因为烟中有乙烯和一氧化碳等气体，一氧化碳的作用是抑制吲哚乙酸氧化酶的活力，减少吲哚乙酸的破坏，保持较高的生长素水平，所以促进雌花的分化。但值得注意的是，植物生长物质对花性别的控制作用往往因植物的种类不同而结果不同，同一种植物生长物质在不同的植物上可能会出现完全相反的结果。例如，赤霉素对玉米可促进雌花的分化，而对黄瓜则可促进雄花的分化。
3、其它因素长期以来，人们对环境条件对植物性别分化的影响作了大量的观察和对比试验，发现营养条件、温度、光质、光照强度、水分供应、空气成分等因子对植物性别分化均有一定的影响。一般来说丰富的氮素营养、充足的水分供应、较低的夜温与较大的昼夜温差、蓝光照、CO处理、播种前种子的冷处理等都有利于雌花的分化；而丰富的钾肥，土壤干旱、较高的夜温、红光照等因子则促进雄花的分化。
此外，机械损伤也影响植株的性别分化。如番木瓜的雄株伤根或折伤地上部分，新产生的全是雌株；黄瓜茎被折断后，长出的新枝条全开雌花，这可能与植物受伤后产生较多的乙烯有关。
20世纪90年代以来，以拟南芥和金鱼草为材料，对植物花发育的分子生物学研究取得了突破性的进展，并提供了进一步研究性别决定的新思路。植物花器官的每一部分的发端与控制花发育的同源异型基因有关，控制花器官属性的B类和C类基因突变会引起花性别的改变。目前已从玉米中分离到多个与拟南芥转录因子同源的cDNA，并研究了它们在花器官中的表达模式（Miller et al.,1995）。自Delong等（1993）从玉米中克隆到性别决定基因Ts2以来，一些学者在其它植物的分子机理研究方面也取得了较大进展。Grant等（1994）通过突变体筛选，结合染色体显微解剖和DNA克隆技术分析了控制白剪秋罗性别表达的染色体区段，发现大量的重复序列。Janousek等（1996）则发现女娄菜抑制雄花中心皮的发育与DNA的甲基化有关。随着科学技术的发展和研究的不断深入，高等植物开花的生理机制和性别决定机制终将为人们所揭示。
9．7授粉和受精生理
植物在开花之后，经过授粉、花粉在柱头上的萌发、花粉管进入胚囊和配子融合等一系列过程才能完成受精作用（fertilization）。所以被子植物的受精作用是一个较长而复杂的过程，包含一系列的代谢和形态变化。大多数农作物的产量就是其受精后发育成的种子或果实，因此受精与否及受精的质量直接影响着农作物的经济产量。如水稻的空秕粒、玉米的“秃顶”、棉花的落蕾、大豆和果树的落花等，多是由于未完成受精而造成的。受精的好坏，还影响作物的品质。所以，了解和掌握花粉、柱头和受精的生理规律，采取有效措施，才能保证受精作用顺利进行，获得稳产、优质和高产。
9．7．1花粉的生理生化特点
花粉是花粉粒的总称，花粉粒是由花粉母细胞经减数分裂而形成的，最初形成的花粉粒是一个单核细胞称小孢子，小孢子继续分裂为二，各为一团细胞质所包围，但没有细胞壁隔开，较大的一个叫营养细胞，较小的一个叫生殖细胞。生殖细胞包围在营养细胞内，所以实际上，花粉是“细胞中细胞”。成熟的花粉细胞又叫雄配子体。被子植物成熟的花粉一般有两类，一类是上述的二核花粉，如木兰科、百合科等较原始的属于此类；另一类是三核花粉，即生殖细胞再分裂一次，产生两个精子。三核花粉多见于进化类型，如十字花科、菊科、禾本科等。经分析证明，花粉虽小，但化学组成极为复杂，含有糖类、油脂、蛋白质、各类矿质元素和维生素、激素等。
1、花粉壁 成熟的花粉具有两层细胞壁。外壁较厚，主要由纤维素、孢粉素（pollenin）和蛋白质等构成，其中孢粉素是花粉特有的，含量较高，是纤维素的2~3倍。孢粉素为类胡萝卜素的氧化聚合物，其性质稳定，具有很强的抗酸碱、耐高温高压和抗微生物分解的能力，对保护花粉和保持花粉一定的形态起重要作用。孢粉素吸水性强有利于花粉的吸水，但在开花时若遇雨水过多易导致花粉过度吸水而膨胀破裂，影响正常的授粉和受精。花粉的内壁较薄，主要由果胶物质、纤维素和蛋白质等组成。由此可知，无论花粉的外壁还是内壁均含有活性蛋白质，外壁的蛋白质为糖蛋白具有种的特异性，与授粉后花粉和柱头的相互识别有关；内壁的蛋白质主要是酶蛋白，与花粉管萌发及进入花柱有关。
2、糖和脂类不同植物的花粉中，糖的含量及糖的种类是不同的。松科花粉中游离糖的93%以上是蔗糖，而被子植物的花粉中蔗糖占游离糖的20%～25%。正常的小麦花粉中含有葡萄糖、果糖和蔗糖，而不育花粉中只有葡萄糖和果糖，缺乏蔗糖。花粉中含有少量脂肪，松科花粉的总脂肪酸占花粉干重的0.79%～1.33%左右，矮牵牛花粉则高达4%以上。一般风媒花的花粉含淀粉较多，属淀粉型花粉；而虫媒花的花粉脂肪和糖较多，属脂肪型花粉。在淀粉型花粉中，淀粉的有无或多少可作为判断花粉发育程度的指标。例如，甘蔗、高粱、水稻等植物的花粉，凡呈球形遇碘变蓝色的，为正常的花粉；凡呈三角形遇碘不变兰色的，为未发育的花粉。
3、蛋白质和氨基酸除壁具有蛋白质以外，花粉内部也含有丰富的蛋白质、酶和游离氨基酸。其中蛋白质含量约为7%～30%。花粉中含有组成蛋白质的全部种类的氨基酸，其中游离精氨酸和丙氨酸相对较少，而游离的脯氨酸含量特别高。脯氨酸的含量与花粉的育性密切相关，如正常硬粒小麦花粉中含较多的脯氨酸，而不育的小麦花粉中则几乎不含脯氨酸。花粉中进行着活跃的代谢反应，因而含有丰富的酶类，在各类植物花粉中已先后被鉴定出来的酶有上百种。花粉中淀粉酶、蔗糖酶、果胶酶、脂肪酶、蛋白酶等水解酶的含量特别高，当pH偏酸性时，水解酶具有活性，而花粉本身的pH通常呈中性或偏碱性，其水解酶不具活性。柱头的pH却偏酸性，在授粉后花粉的水解酶被激活，从而加速花粉的代谢活动。总之，花粉中酶的特点是有利于花粉粒的萌发、花粉管的伸长及受精等过程的。
4、矿质元素花粉与其它植物组织一样，含有各种各样的矿质元素，其中主要元素有P、Ca、K、Mg、S等。花粉中还有许多微量元素，如Mn、Cu、Fe、Zn、Cl、Co、Na、Ni、Si等。
5、植物激素花粉中含有生长素、赤霉素、细胞分裂素和乙烯等内源激素。其中生长素的含量较高。十字花科等植物的花粉中还含有油菜素内酯。这些激素对花粉管的萌发、花粉管的伸长以及受精、结实等过程均起着重要的调节作用。在自然状态下，往往不授粉的柱头，其子房就不会生长，这与花粉中的激素作用于子房有关。
6、维生素类维生素作为酶的辅基，在花粉中广泛分布，花粉中含有丰富的维生素B、E、C等，其中维生素E对生殖过程有重要的作用。肌醇在玉米和禾本科植物中特别多，而抗坏血酸在松科和椰科植物中含量较多。由于花粉中含有各种维生素及营养物质，近年来花粉制品发展为前景可观的营养补品。
7、色素成熟的花粉具有颜色，尤其是虫媒花的花粉含有丰富的色素，主要包括类胡萝卜素和花色素苷等，色素分布于花粉外壁的表面。这些色素的存在一方面可吸引昆虫，有利于传粉；另一方面可防止紫外光对花粉的破坏作用。因此，高原植物花粉中的色素含量较高。另外，花粉中的色素可能还与某些植物的自花授粉不亲和性有关。例如，连翘的花粉中含槲皮苷（quercitrin）和芸香苷（rutin）两种色素，均能抑制自身花粉的萌发，有效地防止自花授粉。
植物花粉生活力的大小直接影响作物的受精效率和种子和果实产量。在杂交育种和人工辅助授粉过程中，若亲本花期不遇或异地植物间进行人工授粉，则需要采集花粉，贮藏备用。因此，如何贮存花粉，延长花粉寿命，在理论和实践中都具有重要的意义。
植物的花粉一般较小，贮藏的营养物质有限，而花粉的呼吸作用又比较强烈，花粉的生活力的降低主要是由于高强度的呼吸导致花粉的养分消耗过度所致。因此，凡是能降低呼吸作用的条件，如干燥、低温、空气中CO2量的增多和O2的减少等都有利于花粉的贮存。
1、温度适当的低温可使花粉降低呼吸速率，减少贮藏物质的消耗，从而延长其生活力。试验证明，一般花粉贮藏的最适温度是1～50C。例如，小麦花粉在00C时可贮存两昼夜，而在200C时只能生活15 min左右。玉米花粉在200C时只能生活25 h，在50C时可生活56 h，在20C时则可生活120h。某些果树（如苹果、梨）和蔬菜（如番茄）的花粉，在零下低温保存效果更好。例如苹果花粉在-150C下贮存9个月时还有95%可以萌发。
2、湿度研究表明，一般相对湿度在10%～40%的范围内，花粉的代谢减弱，能较长时间保持其生活力。相对湿度过高或过低，对保持花粉的生活力都不利。如苹果花粉在30C、相对湿度为10%～25%以下的条件下，保存350天时萌发率仍在60%以上；烟草花粉在-50C和50%相对湿度条件下贮藏1年，萌发率仍与新鲜花粉相差无几。但禾本科植物的花粉不耐干燥，要求40%以上的相对湿度。
3、空气中CO2和O2的含量增加空气中CO2的含量，降低O2的含量，减少氧分压，可使花粉保持生活力的时间延长。例如在干冰（固态的CO2）上贮存花粉，可明显延长花粉的寿命。近年来，采用超低温、真空及充N2等技术贮存花粉，使花粉的寿命大为延长。如苜蓿花粉在–210C下真空保存，经11年后尚有一定的生活力。其他如豌豆、番茄、柑橘、桃、和马铃薯等植物的花粉，也都有曾在低温真空下保存1～3年的历史。
4、光线光对花粉的贮存也有影响，一般应将花粉贮存在遮荫或黑暗处。例如苹果花粉在黑暗处贮存萌发率是33.4%，在散光下贮藏萌发率是30.7%，而将花粉置于日光直射下则萌发率仅为1.2%。
此外，近年来还发现，在某些有机溶剂中保存花粉效果很好。如梨、苹果、杏、桃、银杏、山茶花、百合等的花粉在丙酮、乙醚、苯、甲苯、三氯甲烷、乙醇等有机溶剂中保存，可保持其生活力达数月之久。具体方法是：将花粉浸泡在有机溶剂中，在0～50C下保存，在人工授粉之前用漏斗滤去有机溶剂，把盛有花粉的滤纸在450C以下的温箱中放置10～15min，或在干燥器内抽气减压，使有机溶剂挥发。
无论采取上述何种方法保存花粉，在人工授粉之前都要对其进行生活力的检测，以确保受精的成功。一般常用检测花粉生活力的方法主要有人工培养法和氯化三苯四氮唑（TTC）显色法等。淀粉型种子还可以其遇碘是否变蓝色来判断种子的生活力。
9．7．2柱头的生理特点
受精的第一步是花粉落在柱头上并萌发。花粉粒之所以能附着在柱头上，一方面因为柱头上有许多乳突细胞，可以容纳花粉粒；另一方面是因为柱头表皮细胞分泌出粘性很大的油脂类物质、可溶性糖和硼酸等混合组成的粘液，可以粘着花粉粒并可促进花粉的萌发和花粉管的生长。柱头分泌物在角质层的外面形成一层膜，具有一定的渗透势，能调节花粉粒对水分的吸收。在植物开花时雨水过多，柱头的粘液易被雨水冲洗，使花粉粒周围的水势升高，加上花粉粒的透水性很强，因此会引起花粉过量吸水而膨胀破裂，失去萌发力，影响受精。
雌蕊柱头的生活力与花粉管的萌发、生长以及受精的成败密切相关。柱头的生活力一般都能保持一定的时间，比花粉的生活力要长，具体时间的长短因植物种类不同而异。在一般情况下，水稻柱头的生活力可持续6～7天，但其受精能力却日渐下降，在开花当日进行授粉，其花粉的萌发率和结实率均最高。小麦柱头在麦穗从叶鞘抽出2/3时就开始有受精能力，麦穗完全抽出后第3天结实率最高，到第6天则结实能力下降，但通常可维持到第9天。玉米雌穗基部的花柱（即花丝）长度达穗长的一半时，柱头开始有受精能力，在花丝抽齐后1～5天柱头的受精能力最强，6～7天后开始下降，到第9天急剧下降。一个雌穗上柱头丧失生活力的顺序和花丝在穗轴上发生的先后顺序是一致的，即穗中下部先丧失，顶端后丧失。
在杂交育种和农业生产实践中，要准确把握柱头的生活力，即什么时间开始有受精能力？什么时间受精能力最佳以及什么时间丧失受精能力？从而为杂交育种工作和农业生产提供科学的依据，以便提高作物产量和制种、育种工作的质量。
9．7．3花粉和柱头的相互识别
9．7．3．1花粉和柱头的“识别反应”在自然条件下柱头可能接受多种植物的花粉，但不是所有落到柱头上的花粉都能正常萌发。花粉落在雌蕊柱头上能否正常萌发并导致受精，决定于双方的亲和性，即取决于花粉和柱头之间的“认可”或“拒绝”的“识别”（recognition）反应。这个识别反应决定于花粉外壁蛋白质和柱头乳突细胞表面的蛋白质薄膜（pellicle）之间的相互关系。当种内花粉落到柱头表面后，花粉很快释放出外壁识别蛋白，扩散进入柱头表面，与柱头的表面感受器—蛋白质薄膜中所含的识别糖蛋白相互作用。如果双方是亲和的，花粉管尖端（内壁）产生能溶解柱头薄膜下角质层的酶（角质酶，cutinase），使花粉管穿过花柱而生长，直至受精。若花粉释放的外壁识别蛋白与柱头表面的识别蛋白是不亲和的，柱头的乳突细胞立即产生胼胝质（callose，化学成分是β-1,3-葡聚糖），阻碍花粉管进入柱头，且花粉管尖端也被胼胝质所封闭，花粉管无法继续生长，使受精失败。
在自然界中有许多植物都表现出自交不亲和性，而远缘杂交中出现不亲和性的现象更为普遍。因此，花粉和柱头的识别反应，可防止遗传差异过大或过小的个体间进行交配，保证物种的稳定与繁荣，这是植物在长期进化过程中所形成的保持物种相对稳定和增强对环境适应能力的一种表现。
也有人认为，花粉和柱头的不亲和性，是花粉和柱头中抑制生长的物质含量高，阻碍了花粉的萌发和伸长生长；花粉和柱头亲和时，二者所含生长素不断增多，生长抑制物迅速下降，造成向着有利于花粉萌发伸长的激素平衡状态发展。
20世纪80年代以来，已从多种植物中分离出许多有关自交不亲和的基因，并认为在多数情况下，自交不亲和过程是由S基因控制的。当花粉落到与其有相同S基因的雌蕊上时，识别反应导致要么花粉不能萌发出花粉管，要么萌发后花粉管生长受阻不能到达胚珠。
生物化学分析表明，柱头乳突细胞表面以及花柱介质中存在的S-基因所编码的蛋白质具有核酸酶的活性，因此也称S-核酸酶（S-RNase）。关于S-核酸酶所参与的花粉识别机制目前有两种假说，即“受体假说”和“抑制剂假说”。这两种假说都认为S-核酸酶通过与花粉S基因的产物相互作用，来实现自交不亲和反应。花粉S基因的产物可能是一种“受体”或“胞内核酸酶抑制剂”。按照 “受体假说”：花粉S基因产生功能正常的受体时，受体特异性地摄入S-核酸酶，S-核酸酶将花粉管内的RNA降解，故抑制花粉管生长并有可能导致花粉死亡，使自交不亲和。这一受体可能分布于花粉管细胞膜上或胞内。若花粉受体的功能不正常，则可导致自交不亲和性的丧失。
“抑制剂假说”认为：花粉S基因编码一种特异的胞内核酸酶抑制剂，这种抑制剂可抑制S-核酸酶的活性。因此，花粉管内的RNA不会被S-核酸酶降解，花粉管能够完成正常的生长，从而导致自交不亲和性的丧失。
9．7．3．2克服不亲和的途径在育种制种工作中，远缘杂交或自交的不亲和性影响到工作的开展，特别是会给远缘杂交育种工作带来困难。人们在实践中创造出了多种克服花粉和雌蕊组织之间不亲和性的方法，从而达到远缘杂交育种的目的。
1、花粉蒙导法在授不亲和性花粉的同时，混合一些杀死的亲和性花粉，由于亲和花粉的存在可使柱头不能很好地识别不亲和的花粉，这些已丧失生活力的亲和性花粉起蒙导作用，蒙骗柱头，克服杂交的不亲和性，实现受精。因此，有人将这些已丧失生活力的亲和性花粉称为蒙导花粉（mentor pollen）。一般可用甲醇处理、反复冷冻解冻、黑暗中饥饿或以g-射线处理等方法杀死蒙导花粉，但一定要保持花粉识别蛋白的活力，否则无效。例如三角杨和银白杨进行种间杂交时，本是不亲和的，但在银白杨花粉中混入用g-射线杀死的三角杨花粉后再给三角杨授粉，便能克服种间杂交的不亲和性，获得15%的结实率。用这种方法也在波斯菊等植物中得到种间或属间杂交种
2、蕾期授粉法在蕾期雌蕊组织尚未成熟、不亲和因子尚未定型或不亲和因素尚处在比较弱的情况下进行授粉，以克服不亲和性。利用这种剥蕾授粉法，已在芸苔属、矮牵牛属和烟草属等植物中获得了自交系的种子
3、染色体加倍法 有些双子叶植物如甜樱桃、矮牵牛和梨属等植物，往往二倍体植株的自交不亲和。但是，若将二倍体植株进行人工加倍成四倍体，就会表现出自交的亲和性。
4、 物理化学处理法采用变温、辐射、植物生长物质处理雌蕊组织等方法可打破不亲和性。例如，梨、樱桃、月见草、百合、三叶草、黑麦、番茄等自交不亲和的植物，可采用高温处理柱头的措施，即以32～60OC的热水浸烫柱头或将植株置于32～60OC高温下，由于识别蛋白的热变性，因此打破了其不亲和性；用某些生长物质如生长素等处理花器官，可抑制植物的落花，这样生长慢的不亲和花粉管能在落花前到达子房而受精；用放线菌素D处理能抑制花柱中DNA的转录过程，阻止识别蛋白的合成，亦可部分抑制其不亲和性。此外，还可利用X-射线处理法（2000伦琴X-射线处理牵牛花柱可克服50%不亲和性）、电助授粉法（90～100V的电压刺激柱头）、CO2处理法（3.6%～5.9%的CO2处理雌蕊组织5 h）和盐水处理法（5%～8%的NaCl溶液处理雌蕊）等方法，都可在一定程度上克服自交不亲和性。
5、离体培养法利用胚珠、子房的离体培养以及进行试管受精或杂交幼胚培养等方法，可克服原来自交不亲和植物及种间或属间杂交的不亲和性。例如，在试管中授给胚珠花粉使之受精的试管受精法，已使烟草、矮牵牛等植物的胚珠再生出了植株。
此外，利用细胞杂交、原生质体融合或转基因技术等手段，也可克服种间、属间杂交的不亲和性，达到远缘杂交育种的目的。
9．7．4花粉的萌发和花粉管的伸长
植物开花以后，成熟的花粉借助于地心引力、风、昆虫、鸟类、其它动物以及人等各种媒介，传播到雌蕊的柱头上，这一过程称为授粉。具有生活力的花粉在雌蕊的柱头分泌物的刺激下，便从柱头吸水，花粉内壁通过外壁的萌发孔向外突出，形成细长的花粉管，此过程称为花粉的萌发。从授粉至长出花粉管所需的时间因植物而异。水稻、高粱和甘蔗等几乎是在传粉后立即萌发，玉米也只需5 min左右，甜菜约需2 h，棉花1～4 h，甘蓝2～4 h。
花粉萌发时，呼吸速率剧增，蛋白质合成也加快，花粉中磷酸化酶、淀粉酶、转化酶等活性剧烈增强，这对花粉取得食物和使花粉管生长有重要的作用。在花粉管的生长过程中，一方面利用花粉粒本身贮藏的物质，另一方面也从花柱组织中吸收营养物质，以供花粉管的生长和新壁的合成。
花粉萌发和花粉管的伸长有“群体效应”（population effect）。在花粉落到柱头上和人工培养花粉时，花粉的密度越大萌发的比例就越高，花粉管的生长也越快。这可能是因为花粉中产生促进生长的物质，花粉的密度越大时该物质就越多，使花粉管的萌发和生长也就越好。因此，在生产中大量授粉比限量授粉更有利于受精。如对玉米进行人工辅助授粉以增加柱头上的花粉密度，能明显提高其结实率，增加产量。
花粉管沿着花柱生长，最后进入胚囊，发生受精作用。花粉管向着胚囊的定向生长可能是由于花粉管的向化性所引起的。雌蕊组织中分布的向化性物质浓度呈梯度变化，引起花粉管尖端向着向化性物质浓度递增的方向（胚珠）而定向延伸。一些学者认为，向化性物质是Ca2+。如有人在金鱼草中观察到，Ca2+的分布从柱头到胎座是递增的，这可能是引导花粉管生长的基本因素；Ca2+还可能起着信号作用，因为花粉管在生长过程中，顶端分泌Ca2+，这些Ca2+有指引花粉管生长方向的作用。但在其它植物中，未能证实Ca2+的这种作用。
硼对花粉的萌发和伸长也有显著的促进作用，如玉米花粉在体外培养很难萌发，但当培养基中加入一定量的硼和钙时（0.01%硼酸，0.03%硝酸钙），能使花粉管萌发率高且生长好。还有人认为花粉管的定向生长可能与生长素的梯度分布有关，这说明花粉管的向化性生长可能是多种物质共同作用的结果。
9．7．5受精前后雌蕊的生理生化变化
当花粉管进入胚囊后，花粉管的先端破裂，这可能是由于胚囊分泌酶的作用，或是受胚囊的刺激而产生自溶作用的结果。破裂后的花粉管在胚囊中释放出两个精子，一个含质体较多的精子和卵细胞结合，形成具有2 n的合子，随后发育成胚；另一个含线粒体较多的精子与中央细胞融合，形成具有3 n的胚乳核，随后发育成胚乳。两个精细胞分别与卵细胞和中央细胞相融合的现象，称为双受精（double fertilization）。
不同植物从授粉到受精整个过程所需要的时间不同，多在几个或几十个小时之间，如小麦为1～24 h，棉花是36 h，烟草约40 h；有些植物例外，如橡胶草仅10 min左右，兰科植物约需几个月时间才能完成受精，而栎属则需1年以上。
授粉后，从花粉萌发到花粉管的生长直至受精作用的完成，花粉和花粉管与雌蕊的柱头和花柱之间不断进行着物质和信息的交换，互相产生深刻的影响，这个影响不仅仅局限于彼此直接接触的部位，而是广泛地影响着整个花柱、子房乃至整株植物。在花粉萌发和花粉管生长的过程中不断向花柱组织吸取糖类等物质，同时也向柱头和花柱分泌各种酶，使雌蕊组织中的糖类和蛋白质的代谢加强，呼吸速率剧增。如棉花受精时雌蕊组织的呼吸速率增加两倍；兰科植物授粉几十小时后,合蕊柱的呼吸速率和过氧化氢酶的活力增加约1倍，花被的呼吸速率也迅速增加2倍多。百合花在受精后，子房呼吸速率出现两次明显升高，一次是在精子和卵细胞接触时，另一次是在胚乳游离核的旺盛分裂时期。此时雌蕊组织呼吸的升高为其受精后的生长发育提供了能量。
授粉和受精后，雌蕊组织吸收水分和矿物质的能力增强。如兰科植物授粉后，合蕊柱吸水增加1/3，N、P含量明显增多，而花被的N、P含量则下降，蒸腾作用急剧加强，造成花被枯萎。玉米在授粉后，大量的32P由植株其它部位流入雌蕊，使雌蕊中磷的含量增加约0.7倍。
授粉和受精后的另一个显著变化是雌蕊组织的生长素含量大大增加。如烟草授粉后20小时，花柱中的生长素含量增加3倍多。研究发现，雌蕊中生长素含量增加的主要原因不是花粉带去的生长素在雌蕊组织中扩散的结果，而是由于花粉中含有合成生长素（由色氨酸转变成吲哚乙酸）的酶系，在花粉管生长的过程中分泌到雌蕊组织中引起大量生长素合成。从柱头到子房中生长素的合成能力逐渐加强，使柱头到子房的生长素含量依次递增。此外，也有人发现授粉和受精后，雌蕊组织中细胞分裂素等一些促进生长的激素类物质含量增加。
受精后雌蕊中生长素等促进生长的物质含量增加，是引起子房代谢剧烈变化的重要原因之一。大量生长素等物质的存在使子房成为一个“引力”很强的代谢库，吸引营养物质从营养器官大量运输到生殖器官，使其迅速生长膨大。在生产中，用生长素类（2,4–D、NAA等）、赤霉素类（GA3等）、细胞分裂素类（6–BA、KT等）处理未受精的番茄、黄瓜等雌蕊，可促进子房膨大并得到无籽果实。而在自然界中，香蕉、柑橘和葡萄等植物的一些品种存在单性结实现象，就是由于其未受精的子房中含有高浓度的生长素等物质所致。我国北方冬季温室栽培的番茄，常因温度过高使花粉败育，造成严重落花。用10～15mg/L的2,4–D蘸花处理，就可使其座果并形成无子果实。再如，成熟的草莓在膨大的肉质花托上生长着许多瘦果，这些瘦果能供给花托膨大过程中所需的生长素，如果在草莓果实发育的早期将瘦果去掉，由于断绝了花托膨大所需的生长素来源，花托就不能膨大。但如果去掉瘦果后，在花托上涂抹生长素，花托又可正常膨大。
关键词
幼年期(juvenile phase)花熟状态(ripeness to flower state)春化作用(vernalization)短日春化现象(short day vernalization)春化素(vernalin)去春化作用(devernalization)再春化作用(revernalization)光周期(photoperiod)光周期现象(photoperiodism)光周期诱导(phtoperiodic induction)短日植物(short-day plant，SDP)长日植物(long-day plant，LDP)日中性植物(day-neutral plant，DNP)长-短日植物long-short day plant，LSDP)短-长日植物(short-long day plant，SLDP)中日性植物(intermediate-day plant，IDP)临界日长(critical day length)临界暗期(critical dark period)长夜植物(long-night plant)短夜植物(short-night plant)成花素(florigen)开花素(anthesin)光敏色素(phytochrome)同源异型基因(homeotic gene)育性转换(fertility change)性别分化(sex differentiation)雌雄同株同花植物(hermaphroditic plant)雌雄同株异花植物(monoecious plant)雌雄异株植物(diecious plant)雌花、两性花同株植物(gynomonoecious plant)雄花、两性花同株植物(andromonoecious plant)雌花、两性花异株植物(gynodioecious plant)雄花、两性花异株植物(androdioecious plant)受精作用(fertilization)识别反应(recognition)蒙导花粉(mentor pollen)群体效应(population effect)双受精(double fertilization)
思考题
1.举例说明植物的主要光周期反应类型。
2.设计实验证明植物感受春化低温的部位和感受光周期的部位及开花刺激物的传导。
3.简述光敏色素参与了植物的成花诱导理由，光敏色素与植物成花之间的关系如何？
4.举例说明春化作用、光周期理论和C/N理论在生产实践中的应用。
5.试述柴拉轩（Chailahyan）成花素假说的要点。
6.简述花器官形态发生ABC模型的主要内容。
7.试述花粉与柱头相互识别的物质基础、过程及意义。
8.授粉和受精后，雌蕊组织发生了哪些生理生化变化？
9.设计实验证明A植物的光周期反应类型。
10.光在植物花器官诱导和形成过程中是如何起作用的.
11.为什么说暗期长度比光照长度对某些植物成花更重要?
主要参考文献
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