白花桔梗與紫花桔梗傳粉生物學特性比較研究

于營，郭靖，王志清，韓月喬，歐陽艷飛

(中國農業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，長春130112)

傳粉是種子植物受精的必經(jīng)階段，個體的基因流以及群體的交配方式在很大程度上受花粉運動的影響[1]，從而影響后代的遺傳組成和適合度。傳粉生物學對生殖生物學、遺傳學、生態(tài)學和系統(tǒng)與進化等研究具有重要意義[2]。

桔梗[Platycodongrandiflorum(Jacq.)A.DC]為桔?？平酃俣嗄晟荼局参铩Ｒ愿稍锔胨?，具有開宣肺氣、祛痰排膿之功效[3]。目前，對白花桔梗和紫花桔梗比較方面的研究主要集中于種子、根部和地上部分性狀的比較以及藥理作用、氨基酸含量和總皂苷含量差異比較[4～9]，而對于傳粉生物學方面的比較研究還處于空白。本試驗通過對白花桔梗和紫花桔梗傳粉生物學的比較研究，旨在揭示其傳粉生物學方面的差異，以期為桔梗新品種選育和桔梗資源保護及開發(fā)利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

研究地點位于吉林省吉林市昌邑區(qū)農業(yè)部長白山野生生物資源觀測站，地理坐標為N44°04′13.63″、E126°04′34.39″，海拔302.74m；實驗材料為觀測站里桔梗實驗基地人工栽培的3年生白花桔梗和紫花桔梗。

1.2 花部形態(tài)特征參數(shù)的測量

在白花桔梗、紫花桔梗試驗地，隨機選取20朵花，用游標卡尺和直尺測量花冠長度、花冠寬、雄蕊長、花柱長度和子房長等與傳粉生物學相關的特征值。

1.3 花粉量和花粉/胚珠比值的測定

參考胡適宜[10]的方法，隨機選取即將開放的白花桔梗、紫花桔梗各10朵，每朵花取下全部花藥，置于含有0.5%亞甲基藍染液和去垢劑的乙醇溶液中，定容至4mL。搖勻后，取1μL懸浮液放在載玻片上，在顯微鏡下記錄花粉粒數(shù)，重復記數(shù)3次；用手術刀橫切子房并記錄胚珠數(shù)目。統(tǒng)計各花的單花花粉量、胚珠數(shù)，最后計算花粉/胚珠(P/O)比值。

參照Cruden[11](1977)P/O比值劃分繁育系統(tǒng)類型，P/O比值位于區(qū)間2.7～5.4時繁育系統(tǒng)為閉花授粉；18.1～39.0時為專性自交；31.9～396.0時為兼性自交；244.7～2 588.0時為兼性異交；2 108.0～195 525.0時為專性異交。即P/O比值降低意味著近交程度升高，P/O比值升高伴隨著遠交程度上升。

1.4 花粉活力與柱頭可受性的檢測

1.4.1花粉活力測定用TTC(2，3，5-氯化三苯基四氮唑)法測定花粉活力[12]。隨機取不同發(fā)育時間段的白花桔?；ā⒆匣ń酃；ǜ?0朵，將花粉撒在載玻片上，滴加2滴～3滴0.5% TTC溶液，再滴加2滴磷酸緩沖液，蓋上蓋玻片，將載玻片置于內有濕濾紙的培養(yǎng)皿中，37℃暗培養(yǎng)1h，顯微鏡下觀察載玻片中的10個視野。有活力的花粉粒被染成紅色，無活力的花粉粒為其自身的顏色，統(tǒng)計紅色花粉粒所占比例，計算平均值。

1.4.2柱頭可受性的檢測柱頭可受性測定方法采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法[12]。取不同發(fā)育時間段(時間設置與花粉活力規(guī)定的相同)的柱頭浸入含有聯(lián)苯胺-過氧化氫反應液(1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水=4∶11∶22，體積比)的凹面載玻片的凹陷處。若柱頭具有可受性，則柱頭周圍呈藍色并有大量氣泡出現(xiàn)，反之亦然。根據(jù)氣泡多少和顏色的深淺來判斷柱頭可受性的強弱。

1.5 傳粉檢測

1.5.1風媒傳粉檢測用重力玻片法檢測花粉散布的可能性及數(shù)量。于盛花期，在晴朗有風的天氣隨機選取相鄰的植株2株～3株，在花粉上涂有0.5%亞甲基藍，在順風方向距離中心株0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m處分別布置涂有凡士林的載玻片，凡士林的涂抹面積為75mm×25mm，當日8∶30時放置，16∶30時取回，顯微鏡下檢測載玻片上染色花粉的數(shù)量。

1.5.2蟲媒傳粉檢測在盛花期，于8∶00時隨機選擇相近的3株～5株白花桔梗、紫花桔梗定為中心株，將其花粉用1%番紅分別進行染色，連續(xù)觀察3d，每天15∶30時對中心株旁邊的植株進行觀察，若附近植株的柱頭落有染成粉紅色的花粉，即測量這個植株與中心株的距離。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用SAS 9.1.3統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理，檢驗相關變量間是否存在顯著性差異，用Excel 2010進行作圖。

2 結果與分析

2.1 花部綜合特征

桔梗為總狀花序，單生或數(shù)朵疏生，兩性花；花冠闊鐘形，花萼鐘狀，前端5裂，花瓣具清晰的脈紋，紫花桔梗尤為明顯；雄蕊5枚，極少數(shù)為6枚，與花冠裂片互生；柱頭棒狀，周圍被白色柔毛包圍；花絲淡黃白色；子房中下位，5室；花部數(shù)量性狀特征參數(shù)見表1。SAS方差分析結果表明，在α=0.05水平下，花冠寬有顯著性差異(F=5.13，P<0.05)；白花桔梗與紫花桔梗間花冠長、子房寬、裂片長、裂片寬、裂深、雄蕊長和雌蕊長均無顯著性差異。

表1白花桔梗和紫花桔梗花部形態(tài)特征的平均值

Table 1 Mean value of floral parameters of white flower P.grandiflorum and purple flower P.grandiflorum

注：表中不同字母表示差異顯著，P<0.01。Note:Different lowercase letters mean significant differenceP<0.01.

2.2 花粉/胚珠比值

實驗結果見表2。白花桔梗、紫花桔梗單花平均花粉數(shù)分別為5.86×105個和5.05×105個，胚珠分別為256.67和230.00，P/O比值分別為2 282.3和2 195.1，按照Cruden(1977)的標準，該物種的繁育系統(tǒng)屬于兼性異交類型。方差分析表明，這2個種群單花P/O比值不存在顯著性差異(F=0.03，P>0.05)。

表2白花桔梗與紫花桔梗P/O比值的相關數(shù)值

Table2Therelatedtopollen-ovuleratiovalues(P/O)ofwhiteflowerP.grandiflorumandpurpleflowerP.grandiflorum

觀測項目Observationcontent單花花粉數(shù)(個)Averagepollennumber胚珠數(shù)(個)OvulenumberP/O平均值P/Ovalues繁育系統(tǒng)類型Typeofbreedingsystem白花桔梗(X)WhiteflowerP.grandiflorumaverages5.86×105256.672282.3兼性異交Facultativexenogamy紫花桔梗(X)PurpleflowerP.grandiflorumaverages5.05×105230.002195.1兼性異交Facultativexenogamy

2.3 花粉活力與柱頭可受性

桔梗在7月10日開始開花，從圖1可以看出，白花桔梗的花粉活力比紫花桔梗稍強，但無顯著差異；桔梗在開花前1h花粉已經(jīng)具有活力，白花桔梗、紫花桔梗花粉活力分別達到35.21%和38.33%左右，此時花藥為淡藍色；開花后，隨著花粉散出，花粉活力也逐漸上升；開花后6h已經(jīng)大量散粉，2種花粉活力均達到94%以上，花藥變?yōu)樯钏{色；開花后12h，白花桔?；ǚ刍盍σ恢北３衷?1.47%以上，而紫花桔梗比白花桔梗弱，花粉活力為76.59%；之后，花粉活力開始逐漸下降；開花36h之后，花藥逐漸萎蔫，花粉活力迅速下降，到開花后60h，花藥散粉殆盡，白花桔梗、紫花桔?；ǚ刍盍σ逊謩e降至3.12%和4.6%；72h以后幾乎采集不到花粉。白花桔梗和紫花桔梗都是在開放當天花粉活力達到最大值，約為94%。

圖1 桔梗開花后不同時間花粉活力

桔梗柱頭可受性測定結果見表3。桔梗在開花前1h，白花桔梗、紫花桔梗柱頭都不具有可受性?；▌傞_放時，柱頭呈淡藍色，柱頭可受性較弱；花后4h，柱頭可受性迅速增強；花后8h～36h，柱頭呈深藍色，周圍有大量氣泡產(chǎn)生；其中，花后36h柱頭可受性最強；48h后柱頭變?yōu)榈{色，可受性減弱；72h花被片即將脫落，柱頭變?yōu)辄S褐色，此時柱頭不變色，完全檢測不到活性。從表3可以看出，白花桔梗與紫花桔梗柱頭可受性在開花后第2天均達到最強，第3天迅速下降，兩者無明顯差異。

表3白花桔梗與紫花桔梗的柱頭可受性

Table 3 Stigma receptivity of white flower P. grandiflorum and purple flower P. grandiflorum

注：-.柱頭不具可受性；+/-.部分柱頭具可受性；+.柱頭具可受性

Note:-.stigma have no receptivity;+/-.some stigma have receptivity;+.stigma have receptivit

2.4 傳粉檢測結果

2.4.1風媒傳粉檢測結果白花桔梗、紫花桔梗花朵開放都屬于集中、密集型，檢測結果如表4。白花桔梗和紫花桔梗傳播花粉的有效距離分別為1.5m和0.8m，而且桔?；ㄐ虻母叨炔灰粯?，花序上的花開得參差不齊，這將有利于花粉通過風傳落到自花柱頭和它花柱頭上。自然條件下，桔梗植株的間距很近，約為3cm～5cm，遠小于風媒傳播花粉的有效距離，所以，桔梗可以借助風媒作用完成近距離的異花授粉。因此，從風媒效果來看，無論是白花桔梗還是紫花桔梗都可以借助風散播花粉來進行同花授粉和異花授粉。

表4白花桔梗與紫花桔梗風傳花粉數(shù)量

Table 4 The pollen number of white flower P.grandiflorum and purple flower P.grandiflorum by wind

2.4.2蟲媒傳粉檢測結果(圖2) 白花桔梗、紫花桔梗蟲媒傳粉最遠距離分別為9.8m和6.5m，白花桔梗比紫花桔梗的傳播距離遠，無論是白花桔梗還是紫花桔梗，被檢測的花粉大多數(shù)在4m以內，由此可以看出，昆蟲采蜜一般以就近原則趨近的趨勢。

圖2 白花桔梗、紫花桔梗蟲媒傳播距離百分比

3 討論

傳粉生物學是研究與傳粉事件有關的物種生物學特性及其規(guī)律的一門學科[1]。花部特征、花粉/胚珠比、花粉活力和柱頭可受性以及花粉傳播距離都是傳粉生物學研究的重點[13]。植物花進化的主要動力來源于植物本身與傳粉者的相互作用。

花部特征主要影響訪花者的行為和花粉傳遞機制，花部誘物和報酬與訪花者的覓食有重要關系，例如花色素的化學成分、花的氣味和花粉的營養(yǎng)成分對訪花昆蟲的視覺反應、訪花行為、訪花者的覓食偏好等都有一定的影響[14]，因此，研究白花桔梗與紫花桔梗花部特征對桔梗傳粉生物學具有重要意義。

花粉胚珠在傳粉生物學中也是比較重要的，可以根據(jù)Cruden(1977)P/O比值來劃分繁育系統(tǒng)類型。從白花桔梗、紫花桔梗的P/O比值(2 282.3和2 195.1)和其它特征可以看出，兩者均屬于兼性異交繁育系統(tǒng)，都是以異交為主，少部分自交親和。

植物完成受精的前提必須是有活力的花粉到達具有可受性的柱頭。研究有活力花粉的供體時間對增強植物總的適合度是非常重要的，有活力花粉的供體時間與對后代貢獻的多少成正比，同時與雄性適合度也成正比；本研究表明，白花桔梗和紫花桔梗開花當天活力最強，然后逐漸減弱，有活力花粉持續(xù)時間較長，這有利于桔梗植物間的相互傳粉；研究植物柱頭可受期也在很大程度上影響傳粉的成功率[13]。如果有活力的花粉落到不具有可受性的柱頭上，那么也不會完成受精。白花桔梗與紫花桔梗柱頭可受性極其相似，先是開花后逐漸上升，第2天柱頭開裂后活性達到最強，之后隨著柱頭脫落活力逐漸消失，兩者無明顯差異。因桔梗開花后花粉達到最高活力時間與柱頭達到可受性最強時間不統(tǒng)一，這是阻礙桔梗自花傳粉的主要因素之一；而且桔梗因開花次序不同，花開放時間不一，這為桔梗個體之間相互傳粉提供充足的原料和保障，同時驗證了桔梗是以異交為主，少部分自交。

傳粉生物學中按傳粉媒介不同可分為生物傳粉和非生物傳粉，而蟲媒和風媒是桔梗傳粉里的主要傳粉媒介。風媒傳粉過程中能夠對花粉起到過濾作用，排除不適合的花粉和塵埃，從而提高傳粉效率，風速的大小和環(huán)境因素影響風媒傳粉距離。白花桔梗的花粉傳播距離比紫花桔梗遠，分別為1.5m和0.8m；蟲媒傳粉者能夠直接將花粉帶到柱頭上，作為桔梗的主要傳粉者，研究蟲媒在桔梗的傳粉距離能夠直觀地了解桔?；蚱鞯木嚯x，白花桔梗、紫花桔梗蟲媒傳播距離分別為9.2m和6.5m。

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