白花野牡丹的繁育系統(tǒng)研究

金 紅，焦根林，陳 剛

(1.深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園，廣東 深圳 518004； 2.肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

白花野牡丹的繁育系統(tǒng)研究

金 紅1，焦根林1，陳 剛2

(1.深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園，廣東 深圳 518004； 2.肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

白花野牡丹兼具觀賞性和藥用價(jià)值，極具開發(fā)潛力。為更好地保護(hù)和利用該物種，對(duì)白花野牡丹的開花進(jìn)程、花部形態(tài)特征及訪花昆蟲進(jìn)行觀察，運(yùn)用花粉萌發(fā)、雜交指數(shù)、花粉-胚珠比及人工授粉試驗(yàn)等方法測定其繁育系統(tǒng)。結(jié)果顯示：白花野牡丹的單花花期約為12 h；白花野牡丹為雌雄異熟，柱頭先花藥成熟；雄蕊異型，2類雄蕊產(chǎn)生的花粉粒極軸長有差別，萌發(fā)率也不同；領(lǐng)木蜂、東亞無墊蜂、藍(lán)彩帶蜂、彩帶蜂是白花野牡丹的主要傳粉者；雜交指數(shù)(OCI)為4，花粉-胚珠比(P/O)約為417.6～1035.2；在自然條件下白花野牡丹不能自花授粉，繁殖需要傳粉者參與，沒有無融合生殖，自交親和與異交親和；白花野牡丹的繁育系統(tǒng)為自交親和的異花授粉植物，需要傳粉者。繁育系統(tǒng)為兼性異交。

白花野牡丹；繁育系統(tǒng)；雜交指數(shù)

植物繁育系統(tǒng)是植物有性生殖過程中的所有特征和行為體系，通常是指代表所有影響后代遺傳組成的有性特征的總和，主要包括花綜合特征、花各性器官的壽命、花開放式樣、自交親和程度和交配系統(tǒng)，與傳粉者和傳粉行為共同構(gòu)成影響生殖后代遺傳組成和適合度的主要因素[1]。研究植物繁殖系統(tǒng)對(duì)深入了解植物生殖特性、物種繁衍以及種群動(dòng)態(tài)、植物資源開發(fā)與利用具有重要意義。白花野牡丹(MelastomacandidumD.Don formaalbiflorumJ.C.Ou)為野牡丹科(Melastomataceae)野牡丹屬(MelastomaL.)常綠灌木，分布于我國南方、臺(tái)灣及琉球群島。常見于低海拔山坡松林下或開闊的灌草叢中，數(shù)量稀少較少見[2-3]。其味甘、酸、澀、性平，有清熱利濕、止血、消腫止痛之效，作為藥用植物在臺(tái)灣宜蘭員山有栽培[4]。白花野牡丹花瓣純白色，全年均可開花結(jié)果，觀賞價(jià)值高，極具園林應(yīng)用前景[5]。Chou C J等[6]對(duì)白花野牡丹的植物化學(xué)和藥理作用進(jìn)行了研究。一些學(xué)者對(duì)與白花野牡丹同屬的野牡丹(Melastomamalabathricum)[7-9]、多花野牡丹(Melastomaaffine)[10-12]、地菍(Melastomadodecandrum)[13]、毛菍(Melastomasanguineum)[14]的傳粉生物學(xué)及繁育系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Gross CL等[15]對(duì)多花野牡丹，F(xiàn)ritz Müller[16]、羅中萊等[13]、路國輝等[7]對(duì)野牡丹的異型雄蕊的功能分化問題進(jìn)行了研究。本研究對(duì)栽培于深圳仙湖植物園的白花野牡丹的開花進(jìn)程和花部形態(tài)特征進(jìn)行觀察，并用花粉萌發(fā)、雜交指數(shù)、花粉-胚珠比及人工授粉試驗(yàn)等方法測定其繁育系統(tǒng)。為該種植物的物種保護(hù)、繁殖及可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為深圳市中科院仙湖植物園引種栽培的10株生長健康的白花野牡丹。仙湖植物園位于東經(jīng)114°10′、北緯22°35′，海拔122 m，屬亞熱帶海洋性氣候，四季溫和，雨量充沛，太陽輻射量豐富，年均氣溫22.3 ℃，土壤類型以赤紅壤為主，質(zhì)地為礫質(zhì)砂壤土[17-18]。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2011—2012年的晴天進(jìn)行。

1.2.1 單花的花部特征和開花進(jìn)程觀察 分別在10株植株的分枝頂端標(biāo)記2朵即將開放的花蕾，共標(biāo)記20朵，從7∶00—19∶00每隔0.5 h觀察記錄1次標(biāo)記花朵的開放狀態(tài)，每次標(biāo)記的花朵連續(xù)觀察5 d，重復(fù)3次。對(duì)已開放花朵的各花部結(jié)構(gòu)用千分尺測量并記錄結(jié)果。

1.2.2 訪花昆蟲的觀察 于6—7月盛花期的7∶00—17∶00對(duì)隨機(jī)標(biāo)記的10朵花的訪花昆蟲的種類及訪花行為進(jìn)行觀察，用白網(wǎng)捕捉不同種訪花昆蟲制作憑證標(biāo)本，標(biāo)本存放于深圳中科院仙湖植物園植保室。

1.2.3 柱頭的形態(tài)觀察、花粉粒大小測量及花粉萌發(fā)率統(tǒng)計(jì) 采集正在開放的新鮮花朵，切下雄蕊和柱頭，在NIKON SMZ 18解剖鏡下進(jìn)行觀察。用王國榮[19]的方法，ZEISS IMAGE-2顯微鏡觀察統(tǒng)計(jì)花粉萌發(fā)率。分別選取2類雄蕊的50個(gè)花粉粒，對(duì)其極軸進(jìn)行測量。

1.2.4 花蜜分泌監(jiān)測 參考彭東輝等[14]的方法檢測花蜜，開花前1 d用細(xì)眼紗網(wǎng)將分別來自10株植物分枝頂端共30朵花的花蕾套紗網(wǎng)，從7∶00—17∶00，每隔2 h用10 μL微吸管檢測花蜜。每次檢測后，繼續(xù)將檢測花朵套紗網(wǎng)，以觀察白花野牡丹花蜜的分泌情況。

1.2.5 雜交指數(shù)(OCI，Out crossing index)的估算 雜交指數(shù)OCI的估算按照Dafni[20]的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：①花朵或花序直徑<1 mm記為0；1～2 mm記為1；2～6 mm記為2；>6 mm記為3；②雄蕊成熟與柱頭具可授性的時(shí)間間隔：同時(shí)或雌蕊先熟記為0；雄蕊先熟記為l；③柱頭與花藥處于同一高度記為0；空間分離記為1。三者累計(jì)得OCI值。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：OCI=0時(shí)，繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI=1時(shí)，繁育系統(tǒng)為專性自交；OCI=2時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性自交；OCI=3時(shí)，繁育系統(tǒng)為自交親和，有時(shí)需要傳粉者；OCI=4時(shí)，繁育系統(tǒng)為部分自交親和，異交，需要傳粉者。

1.2.6 花粉-胚珠比(P/O，Pollen/Ovule)的測定 花粉/胚珠比(P/O)=單花花粉總數(shù)/單花胚珠總數(shù)。按彭東輝等[14]的方法對(duì)花粉和胚珠進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算得出P/O值。按Cruden R W[21]的標(biāo)準(zhǔn)確定繁育系統(tǒng)的類型：P/O為2.7～5.4時(shí)，其繁育系統(tǒng)為閉花受精；P/O為18.1～39.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為專性自交；P/O為31.9～396.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性自交；P/O為244.7～2588.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性異交；P/O為2108.0～195525.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為專性異交。隨著P/O值由低到高的變化，遠(yuǎn)交程度逐漸上升，這反映出親本投入的不斷增大。

1.2.7 授粉方式對(duì)結(jié)實(shí)的影響 對(duì)白花野牡丹種群設(shè)立8個(gè)處理進(jìn)行人工授粉試驗(yàn)：①自然授粉，不作任何處理；② 開花前無處理套袋；③即將開之花，去雄，套袋；④即將開之花，去花瓣，不套袋；⑤采用內(nèi)輪短雄蕊進(jìn)行自花授粉；⑥采用外輪長雄蕊進(jìn)行自花授粉；⑦采用內(nèi)輪短雄蕊進(jìn)行異花授粉；⑧采用外輪長雄蕊進(jìn)行異花授粉。每種授粉方式選取20～30朵花為樣本。人工授粉均在開花當(dāng)日早晨7∶00—9∶00授粉1次，套網(wǎng)袋。

2 結(jié)果與分析

2.1 單花花部特征

白花野牡丹單花(圖1)，花5～6數(shù)，萼筒長約1 cm，裂片長三角形，兩面均被毛；花瓣白色，倒卵形，先端圓形，密被緣毛；花冠直徑(5.62±0.39) cm。雌蕊1枚，長(3.04±0.12) cm?；ㄖ鶠榈G色，呈弧形彎曲，柱頭點(diǎn)尖、綠色，高于雄蕊。雄蕊2輪(5+5，6+6)、異型。外輪雄蕊5～6枚，花絲淡黃綠色、較長，藥隔基部伸長成彎曲的白色藥隔附屬物，末端具2深裂。外輪雄蕊向花瓣一側(cè)彎曲，使白色的花粉囊遠(yuǎn)離花的中心；內(nèi)輪雄蕊5～6枚，花絲為淡黃綠色、較短，花粉囊為黃色，聚集在花的中央，藥隔不延伸，花藥基部具一對(duì)小瘤。外輪雄蕊的花絲長(1.18±0.16) cm，花粉囊長(0.96±0.06) cm。內(nèi)輪雄蕊的花絲長(1.01±0.08) cm，花粉囊長(0.84±0.05) cm?；蹤z測結(jié)果顯示，白花野牡丹不分泌花蜜。

2.2 單花開花動(dòng)態(tài)

白花野牡丹的單花花期約為12 h。在開花當(dāng)日7∶00柱頭已伸出即將開放的花蕾，約7∶30花瓣部分松開，約8∶00花半開，8∶30左右花瓣完全平展，花完全開放。直到16∶00左右花瓣邊緣稍微往上翹，花瓣開始閉合，至19∶00左右花瓣完全閉合。第2天，閉合的花瓣不再打開，隨后花瓣萎蔫。此后萎蔫花朵的花瓣、雄蕊和花柱繼續(xù)脫落，脫落順序一般是花瓣最先脫落，然后雄蕊脫落，最后花柱脫落。第4天7∶00，所有標(biāo)記花朵的花瓣、雄蕊和花柱已全部脫落。約60 d后，蒴果成熟，頂端環(huán)裂或不規(guī)則開裂，露出胎座，種子鑲于肉質(zhì)胎座上。

2.3 訪花昆蟲

試驗(yàn)期間，共發(fā)現(xiàn)訪花昆蟲13種，其中領(lǐng)木蜂(XylocopacollarisLepeletier)(圖2a)、東亞無墊蜂(Amegilla(Zonamegilla)parhypateLieftinck) (圖2b)、藍(lán)彩帶蜂(Nomia(Acunomia)chalybeataSmith) (圖2c)、彩帶蜂(Nomiasp.)(圖2d)為主要傳粉蜂。

2.4 柱頭的形態(tài)觀察和花粉粒大小、活力

解剖鏡下觀察，柱頭在伸出花蕾之前呈圓形棒狀，柱頭伸出花蕾且不再繼續(xù)伸長時(shí)測量，白花野牡丹花柱長(3.04±0.12) cm，此時(shí)柱頭端部呈深綠色，表面已開裂，邊緣鋸齒形，直徑約1 mm，表面粘液狀。白花野牡丹為雄蕊異型，由外輪長雄蕊和內(nèi)輪短雄蕊構(gòu)成，花開放后，雄蕊開裂。顯微鏡觀察到2類雄蕊花粉的赤道面觀均為紡錘形，表面有溝，測量外輪長雄蕊花粉粒極軸長為(31.69±0.69) μm，內(nèi)輪短雄蕊花粉粒極軸長(30.03±1.42) μm。取新鮮開放花朵的2種雄蕊花粉在顯微鏡下觀察，花粉粒形狀均為紡錘形，外壁表面光滑，有縱棱。長雄蕊花粉萌發(fā)率為(23.25±11.23)%，短雄蕊花粉萌發(fā)率為(68.49±29.76)%。

2.5 雜交指數(shù)(OCI，Out crossing index)與花粉-胚珠比(P/O)

白花野牡丹雜交指數(shù)(OCI)的估算結(jié)果見表1，從表1可以看出，白花野牡丹雜交指數(shù)(OIC)為4。根據(jù) Dafni A[20]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，雜交指數(shù)= 4 時(shí)，雖然部分親和，但繁育系統(tǒng)應(yīng)為異交，需要傳粉者才能完成傳粉活動(dòng)。

白花野牡丹的P/O約為417.6～1035.2，依據(jù)Cruden R W[21]的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)P/O在244.7～2588.0之間時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性異交。

2.6 授粉方式對(duì)結(jié)實(shí)的影響

不同授粉處理對(duì)白花野牡丹的結(jié)實(shí)率影響結(jié)果見表2。無處理套袋結(jié)實(shí)率為0，說明在自然條件下白花野牡丹的繁殖需要傳粉者參與且不能自花授粉。去雄套袋結(jié)實(shí)率為0，未觀察到有無融合生殖。去花瓣不套袋與自然授粉結(jié)實(shí)率接近，說明花瓣不是招引昆蟲的主要原因。人工自花授粉和異花授粉的結(jié)果說明白花野牡丹自交親和和異交親和。相對(duì)外輪長雄蕊，內(nèi)輪短雄蕊對(duì)繁殖成功率的貢獻(xiàn)大。不同授粉方式的結(jié)實(shí)率都低于自然授粉的結(jié)實(shí)率，推測可能與訪花昆蟲多次訪花增加傳粉幾率有關(guān)。

表1 白花野牡丹雜交指數(shù)(OCI)的觀測結(jié)果

表2 白花野牡丹不同授粉處理下對(duì)結(jié)實(shí)率的影響

3 討論

3.1 白花野牡丹繁育系統(tǒng)的探討

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，白花野牡丹的雜交指數(shù)等于4，根據(jù) Dafni A[20]的標(biāo)準(zhǔn)判斷其繁育系統(tǒng)為異交，自交親和，需要傳粉者。花粉胚珠比約為417.6～1035.2，按照 Cruden R W[21]提出的標(biāo)準(zhǔn)劃分，其繁育系統(tǒng)屬于兼性異交類型。人工授粉試驗(yàn)結(jié)果說明不存在無融合生殖，需要傳粉昆蟲，人工自交親和。綜合結(jié)果說明白花野牡丹為異花授粉植物，需要傳粉者。與已報(bào)道的同屬多花野牡丹[11-12]、毛菍[14]和細(xì)葉野牡丹[22]的繁育系統(tǒng)一致。對(duì)白花野牡丹花開放的過程觀察顯示，同一朵花中，雌蕊先于雄蕊伸出花蕾，柱頭濕潤，為授粉做好準(zhǔn)備。這種雌蕊先于雄蕊成熟的開花方式，也有效地促進(jìn)了異交的成功率。由于單花開放僅12 h，雌蕊先伸出花蕾也延長了授粉時(shí)間。

3.2 白花野牡丹異型雄蕊的分工

本研究結(jié)果表明，白花野牡丹不分泌花蜜。與白花野牡丹同屬的多花野牡丹[11-12]、毛菍[14]、野牡丹[7]、地稔[13]也不分泌花蜜，花粉作為訪花昆蟲的唯一報(bào)酬。一些野牡丹科植物具有形態(tài)、大小和顏色顯著不同的2種異型雄蕊，關(guān)于其異型雄蕊是否在昆蟲傳粉方面存在給食型雄蕊與傳粉型雄蕊的功能分化還一直存在爭論。GrossC L[10，15]和Fritz Müller[16]都推測野牡丹科植物中2種雄蕊存在給食型雄蕊與傳粉型雄蕊的分工，但沒有找到具體證據(jù)。羅中萊等[13]對(duì)野牡丹異型雄蕊的花粉數(shù)量、花粉活力、花粉形態(tài)、花粉組織化學(xué)以及在傳粉過程中的作用進(jìn)行定量及定性分析，證明野牡丹的異型雄蕊在傳粉中的確存在明顯的功能分化。路國輝等[7]以野牡丹為試驗(yàn)材料，比較2種異型雄蕊在昆蟲傳粉過程中的作用。觀察到木蜂(Xylocopasp.)訪花總是直奔花中央的短雄蕊，通過對(duì)花粉量和人工控制試驗(yàn)條件下的結(jié)籽數(shù)的統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為，外輪紫色雄蕊中的花粉為后代提供雄配子，而內(nèi)輪黃色雄蕊中的花粉則為傳粉昆蟲提供食物。本研究中，木蜂對(duì)野牡丹的訪花行為與領(lǐng)木蜂訪問白花野牡丹的行為是一致的，但白花野牡丹的其它傳粉蜂對(duì)花的2種雄蕊均有訪問，沒有明顯選擇性。劉思謙等[23]對(duì)野牡丹的授粉試驗(yàn)表明，來自大型雄蕊和小型雄蕊的花粉對(duì)結(jié)實(shí)并無顯著影響，推測兩者的花粉萌發(fā)能力對(duì)種子的生成可能會(huì)造成差異，但還需進(jìn)一步證實(shí)。劉雪凝等[24]利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)5種野牡丹屬植物花粉形態(tài)進(jìn)行研究，觀察到野牡丹、多花野牡丹、地稔和細(xì)葉野牡丹的2類雄蕊產(chǎn)生的花粉粒除大小不同，其他特征無明顯差異。本研究中顯微觀察顯示白花野牡丹2類雄蕊產(chǎn)生的花粉粒形態(tài)相似，大小上稍有差異，且內(nèi)輪短雄蕊產(chǎn)生的花粉粒萌發(fā)率遠(yuǎn)高于外輪長雄蕊產(chǎn)生的花粉粒的萌發(fā)率。本研究中的人工授粉試驗(yàn)結(jié)果顯示，白花野牡丹的2類雄蕊并沒有嚴(yán)格的功能劃分，它們都對(duì)后代提供雄配子，只是2類雄蕊的貢獻(xiàn)存在差異。至于是否也都為傳粉昆蟲提供食物，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，白花野牡丹的繁育系統(tǒng)為自交親和的異花授粉植物，需要傳粉者，領(lǐng)木蜂、東亞無墊蜂、藍(lán)彩帶蜂、彩帶蜂是白花野牡丹的主要傳粉者。繁育系統(tǒng)為兼性異交，沒有無融合生殖。

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Study on Breeding System ofMelastomacandidumD.Don formaalbiflorumJ.C.Ou

JIN Hong1，JIAO Gen-lin1，CHEN Gang2

(1.FairyLakeBotanicalGarden，ShenzhenandCAS，Shenzhen518004，Guangdong，China；2.ZhaoqingUniversity，CollegeofLifeScience，Zhaoqing526061，Guangdong，China)

The purpose of the study was to provide theoretical bases for protection and sustainable use of the plant，and accumulate data for the study of reproductive biology of theMelastomagenus.Field observation was applied in determining flower dynamics，morphology，visiting insects，out-crossing index，and pollen-ovule ratio；Pollen germination and artificial pollination experiments were conducted to determine pollen germination rate and fruit setting rate.The opening of a single flower lasted for around 12 h.The flower was dichogamous，protogynous，and heteranthery.Pollen from different stamen types had different sizes and germination rates.Major pollinators were bees ofXylocopacollarisLepeletier，Amegilla(Zonamegilla)parhypateLieftinck，Nomia(Acunomia)chalybeataSmith，andNomiasp.Outcrossing index was 4，and pollen-ovule ratio 417.6～1035.2.Artificial pollination experiments showed that the plant was not self-pollinated，and was selfing and outcrossing compatible，not of apomixes.Pollinator is essential.Flower of the plant is self-compatible，cross-pollinated and required pollinators.The breeding system is mainly outcrossing but selfing possible.

MelastomacandidumD.Don formaalbiflorumJ.C.Ou；breeding system；out crossing index

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.02.032

2015-06-08；

2015-07-10

深圳市城市管理局項(xiàng)目(201318)

金紅(1974—)，女，遼寧本溪人，深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園高級(jí)工程師，博士，從事植物多樣性保護(hù)研究。E-mail：601711582@qq.com。

S685.11；Q945.6

A

1002-7351(2016)02-0166-05