第二章、前人研究 一、豇豆植物特性與溫度影響
豇豆 (Vigna unguiculata L.Walp.) 為豆科 (Fabaceae)、蝶形花亞科 (Faboideae) 之一年生作物。早期因亞洲、非洲的豇豆都有很大的形態變異，認為亞洲、非洲 都是豇豆的起源中心，近年來許多證據顯示豇豆應起源自非洲 (Sarutayophat, 2008;
Timko and Singh, 2008)。分類上豇豆有 3 個栽培群，分別為普通豇豆 (unguiculata group, cowpea)、角豆 (catjang group, catjang) 以及長豇豆 (sesquipedalis group, yard-long bean) (Fery, 2002)。長豇豆 (V. unguiculata ssp. sesquipedalis (L.) Verdc) 又 稱筷豆、豆角，閩南語則稱菜豆，故易與國語稱菜豆的四季豆 (Phaseolus vulgaris L.) 混淆。長豇豆係在亞洲選出，很少出現於非洲 (Timko and Singh, 2008)。民國 97 年，長豇豆在臺灣種植面積達 1,342 ha，產量為 14,909 t (農業統計年報，2008)。
長豇豆廣泛栽培於東南亞、中國南方與非洲中西部等熱帶與亞熱帶地區，採 未成熟嫩莢作為蔬菜食用。豆莢品質依莢色與長度為評定標準。各地區所偏好的 不同，例如泰國及香港喜歡長而淺綠色的豆莢，汶萊喜歡深綠但短的豆莢，而歐 洲與加拿大市場則以深綠色、莢長適中的品種為主 (Sarutayophat, 2008)。長豇豆 性喜溫暖且日照充足的氣候，耐熱性強，耐寒性弱，生育適溫為 20 – 30 oC。生殖 生長期易因陰雨造成落花、落莢數增加，而導致減產。其根部相當耐濕亦耐旱，
對土壤適應性廣，從砂質壤土、壤土至粘土皆可生長良好，但土壤 pH 值以 6.2 - 7.0 最佳，pH 5.0 以下的強酸性土壤會使根部發育不良，根瘤菌活動也不旺盛 (郭，
2005)。
豇豆營養價值極高，國際熱帶農業研究所 (IITA) 與美國 Bill & Melinda Gates 基金會分別進行及贊助普通豇豆 (cowpea) 育種，選育品質及抗逆境更好的品種，
且已有相當大的進展 (Timko and Singh, 2008)。分析豇豆蛋白質和微量元素含量，
約含有 21% - 30.7% 蛋白質、545 - 1300 ppm 鈣、48 - 79 ppm 鐵、23 - 48 ppm 鋅 以及 12,750 - 16,150 ppm 鉀，整體而言其營養價值較其他作物為高。在已開發國 家，消費者期待更多低脂肪及高纖維的食物，而豇豆被認為是可替代大豆且符合 低脂高纖條件的作物。豇豆種子脂肪含量介於 1.4% 至 2.7%，纖維含量約 6%。自 豇豆分離出來的蛋白質具有良好的溶解性、乳化和發泡力等特性，可做為對大豆
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蛋白過敏者的替代食物 (尤其是嬰兒) (Timko and Singh, 2008)。
豇豆為高度自交作物，自然雜交率 < 1% (Pasquet, 1998)。特殊之蝶形花構造 將雌蕊及雄蕊包覆在龍骨瓣中，柱頭於花藥開裂前約 12 小時即成熟可以授粉 (Ehlers and Hall, 1997)。花藥於花開前數小時開裂並釋出花粉，故於花朵開放前即 已完成授粉 (Hall et al., 1997; Timko and Singh, 2008)。普通豇豆‘K2809’以栽培於 27/19 oC 環境下有最佳種子產量，其他栽培在 33/19、33/24、27/24 oC 下花朵敗育 及落花率較高 (Stewart and Summerfield, 1978)。花苞發育早期若遇過高之溫度與長 日照，其發育受抑制而敗育々在花苞發育後期給以夜間高溫 (30 oC) 處理導致雄不 稔而無法結莢。其雄不稔乃因花粉活力低或花藥無法正常開裂所致 (Ahmed et al., 1992; El-Madina and Hall, 1986; Warraga and Hall, 1984a; Warraga and Hall, 1984b)。
適當之栽培環境才能確保植株正常生長發育，以獲得最佳產量及品質，或符合生 產目的。
植物進入生殖生長的時間，除了受內在因子如植物的年齡影響，也受外在生 長環境調控。當植物感應外在環境而於適合其生長的溫度、光照與溼度等條件下，
發生花芽創始，進行花苞發育、開花及種子的成熟 (El-Madina and Hall, 1986)。一 般植物生殖發育階段對外在環境之變化較營養生長期敏感，如普通豇豆在開花後 自 27/19 oC 移至 33/19 oC 或自 33/24 oC 移至 33/19 oC 都會造成 90% 花朵異常，花 瓣收縮、柱頭突出龍骨瓣，而包覆於龍骨瓣內之花藥倒彎，無法自花授粉而多數 落花 (Stewart and Summerfield, 1978)。
豆類作物如大豆 (Glycine max (L.) Merrill)、豇豆、綠豆 (Vigna radiata (L.) Wilczek) 及紅豆 (Vigna angularis (Willd) Ohwi & Ohashi) 等暖季作物大部分屬短 日植物 (short day plants, SDP)。延長日照或降低溫度會延遲大豆、綠豆、豇豆及四 季豆 (Phaseolus vulgaris L.) 之始花時間。但對日中性 (day-neutral plant, DNP) 的 品種而言，其開花生理對光週期並不敏感，花芽創始與開花主要取決於溫度 (Aggarwal and Poehlman, 1977; Lawn and Byth, 1973; Wallace et al., 1991)。在生育適 溫範圍內，提高溫度會增加綠豆及四季豆營養生長速率而使植株較快進入生殖生 長，提早始花期々然而溫度過高或過低則會延遲其開花，甚至無花產生 (Aggarwal and Poehlman, 1977; Wallace et al., 1991)。此外，高夜溫 (27 oC) 造成四季豆側芽萌
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發，分枝數多而營養生長旺盛，與花、莢相互競爭養分，或因內生荷爾蒙帄衡改 變，造成更多落花落莢 (Konsens et al., 1991)。
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二、花藥開裂與花粉釋出
在高等植物的有性繁殖過程中，雄配子以花粉粒的型式存在於花藥中，待花 藥開裂釋出而傳達到柱頭，萌發出花粉管進而與雌配子結合而完成受精作用。一 般花藥開裂受環境因子影響甚大，關係到果實及種子的生產 (李，1992; Keijzer and Cresti., 1987; Stanley and Linskens, 1974)。
(一) 花藥開裂之機制
除了少數蟲媒花、閉合花及花藥結構特殊的蘭科植物外，植物花藥開裂分成 兩種方式。以孔裂 (poricidal dehiscence) 方式有野牡丹科 (Melastomaceae) 、杜鵑 花科 (Ericaceae) 及冷地木科 (Epacridaceae) 植物。其他植物則以縱裂 (longitude -nal dehiscence) 方式開裂 (Stanley and Linskens, 1974)。
花藥從成熟後期至開裂釋出花粉間之變化有一定的規則與順序，大致可分為 下列數個階段〆1. 表皮細胞 (epidermal cell) 及內壁細胞 (endothecium) 之擴大，
及內壁細胞壁的增厚。2. 相鄰藥室 (locules) 間的隔膜組織 (septum) 分解使藥室 相連通。3. 藥室周圍絨氈層細胞 (tapetum) 退化。4. 相鄰藥室之間裂孔 (stomium) 打開。5. 花藥壁向外彎曲使花藥開裂釋出花粉，花開時雄蕊老化 (senescence) (Keijzer and Cresti., 1987)。
裂孔為二相鄰藥室之花藥壁相接之處，裂孔打開係因此部位的內壁細胞通常 顯得較小而無加厚的細胞壁，甚至僅存有表皮細胞而無內壁細胞。早期研究認為 內壁細胞因失水乾燥產生向外彎曲的力量而使花藥壁於相接處分開形成裂孔。然 而 Keijzer (1987) 指出，花藥往往於花朵未開放時裂孔部分即已打開，而認為表皮 細胞及內壁細胞擴展時，由於內壁細胞進行輻射方向的大幅伸長，使花藥壁產生 內向彎曲的力量，導致裂孔打開。並且此一內向的彎曲亦可以防止花粉粒於花朵 未開放時即散出。
花藥壁的向外彎曲為花藥開裂的最後階段，亦是肉眼可以直接觀察到的過程。
花藥壁因乾燥而向外彎曲，使花粉粒曝露而可藉由風、蟲等媒介散布。在花藥因 乾燥失水而開裂的同時，花器其他部位通常仍保持膨潤狀態，所以造成此種差異 有不同的說法。早期研究認為花藥中的水分經由花絲運移至花朵的其他部位，特
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別是蜜腺等分泌細胞，但目前已少有人認同此說法 (Schmid, 1976)。從花藥形態及 結構觀察，許多植物花藥表面具有無功能而永久保持開放狀態的氣孔々加上表皮 細胞之表面角質層呈波浪狀突起的不均勻分布 (Keijzer, 1987; Schmid, 1976;
Shaanker and Ganeshaiah, 1984; Westwood and Challice, 1978)，使花藥組織快速失水，
故多數報告指出花藥乾燥的主要途徑是經由快速的蒸散作用所致 (Keijzer, 1983;
Keijzer and Cresti., 1987)。但有研究認為開花過程中，許多植物的花藥開裂常伴隨 花絲伸長，造成其內的導管組織遭受破壞，導致水分無法傳送至花藥 (Schmid and Alpert, 1977; Vasil, 1933)。Keijzer (1983) 觀察百合、洋蔥 (Allium cepa L.) 及白星 龍 (Gasteria verrucosa) 三種植物，它們的花絲在開花及花藥開裂過程中各有不同 的表現，因此花絲對花藥開裂的影響不一定同樣存在各植物中。以上關於花藥開 裂過程中花藥壁脫水的方式以上三種說法皆有人支持或反對，真正開裂的機制仍 待研究。這些觀察研究的結果似乎說明各種植物可能利用不同的途徑使花藥在適 當的時機失水乾燥，使花藥開裂並達到傳播花粉的目的。
(二) 授粉型態
開花植物依其授粉時花朵開放與否可分為開花授粉 (chasmogamous) 及閉花 授粉 (cleistogamous) 兩類。多數物種屬開花授粉，花藥開裂與花冠綻放同步或較 晚，雌蕊與雄蕊顯露於外，可藉由風、昆蟲及動物等媒介傳播花粉，多為異交作 物々反之，花藥開裂、釋出花粉時，花朵並未開放的自花授粉植物則屬閉花授粉，
多數豆科植物如豌豆、四季豆及豇豆等即屬之，其雌、雄蕊包覆在龍骨瓣內，而 龍骨瓣並未隨花開而開張，屬於高度自交之作物 (Lord, 1981)。與開花授粉植物相 比，閉花授粉植物之花冠一般較小、色彩較不鮮艷且花粉數少 (Ram and Rao, 1984)。
(三) 影響花藥開裂之環境因子
花藥開裂的最後階段是一種失水乾燥的生理過程，花藥壁的快速脫水與蒸散 作用有關，影響蒸散作用之環境因子對花藥開裂的影響廣被探討。其中大氣溫度 及相對濕度被認為對花藥開裂有直接影響 (Foster and Gifford, 1974; Stanley and Linskens, 1974)。除去百合未開花朵的花被或加熱花藥可促進其花藥開裂，而在高 相對濕度下則花藥無法打開 (Keijzer, 1987)々在水稻 (Oryza sativa L.) (Satake and
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Yoshida, 1978; Suzuki, 1978) 及酪梨 (Persea americana Mill.) (Sedgley, 1977)，研究 結果均支持溫度影響花藥的開裂。但閉花授粉植物之花藥在開裂前後均處於被花 瓣保護的空間內，未與外界環境直接接觸，這類植物之花藥開裂較不受環境變化 之影響，如澳洲胡桃花藥於花朵開放前即已開裂，不受外界環境影響 (Sedgley et al., 1985)。另有些植物，如小豇豆 (Vigna minima) 具有開花授粉與閉花授粉兩種型態，
當環境變化較大或較不適其開花授粉時，花朵有趨於分化成閉花授粉之現象 (Ram and Rao, 1984)。從以上研究及自然界中各種植物花藥開裂時間的差異性，環境中 溫度、濕度甚至光線等因子或可影響花藥開裂，還要看花藥花粉的發育階段是否 在敏感時期，且各種植物花藥對環境之感受性與反應可能不同。
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三、花粉活力
進行育種時不論自交或雜交授粉，花粉活力是影響受精作用與結實率的重要 關鍵，影響育種的效率。而花粉的活力受到許多因素影響，大致可分為內在因素 像是物種、花粉細胞學型態、花齡 (Rosell et al., 2006)々外在環境因素有溫度 (Issarakraisila and Considine, 1994; Rong-Yan and Niimi, 2008)、溼度 (Lansac et al., 1994; Shivanna et al., 1991) 等。
（一）影響花粉活力之因素 1. 內在因素
(1) 物種特性
各物種花粉自花粉囊釋放後，維持活力的時間有很大的差異。根據花粉 壽命長短及植物科別分為長壽花粉 (Long-lived pollen)、中壽花粉 (Medium- lived pollen) 及短壽花粉 (Short-lived pollen) 三大類 (Barnabas and Kovacs, 1997)〆長壽花粉─花粉壽命 6 個月至 1 年，如棕櫚科 (Palmae, Arecaceae) 、 銀杏科 (Ginkgoaceae)、虎尾草科 (Saxifragaceae)、松科 (Pinaceae)、薔薇科 (Rosaceae)、豆科 (Leguminosae, Fabaceae)、漆樹科 (Anacardiaceae)、葡萄科 (Vitaceae) 及報春花科 (Primulaceae) 等。中壽花粉 (Medium-lived pollen) ─ 花粉壽命約 1 - 3 個月，有百合科 (Liliaceae)、石蒜科 (Amaryllidaceae)、楊 柳科 (Salicaceae)、毛茛科 (Ranunculaceae)、芸香科 (Rutaceae)、十字花科 (Cruciferae, Brassicaceae)、玄参科 (Scrophulariaceae) 及茄科 (Solanaceae) 等。
短壽花粉 (Short-lived pollen) ─花粉活力只能維持幾分鐘至數天，有澤瀉科 (Alismataceae)、禾本科 (Gramineae, Poaceae)、莎草科 (Cyperaceae)、鴨跖草 科 (Commelinaceae) 及燈心草科 (Juncaceae) 等。造成物種間花粉壽命的差
短壽花粉 (Short-lived pollen) ─花粉活力只能維持幾分鐘至數天，有澤瀉科 (Alismataceae)、禾本科 (Gramineae, Poaceae)、莎草科 (Cyperaceae)、鴨跖草 科 (Commelinaceae) 及燈心草科 (Juncaceae) 等。造成物種間花粉壽命的差