云南草寇花序內(nèi)不同部位的性分配

摘要： 兩性花植物花序內(nèi)的性分配常存在差異，資源競爭、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、交配環(huán)境（雌雄異熟、傳粉者定向訪花行為等）或授粉不均勻等幾種假說可以解釋這種現(xiàn)象。為驗(yàn)證上述假說，該研究以云南草寇兩種表型（雄先熟型和雌先熟型）為材料，分析了其花序內(nèi)不同部位（基部、中部和頂部）的每花花粉數(shù)、胚珠數(shù)、花粉/胚珠比、結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率，花序內(nèi)傳粉者的定向訪花行為，以及人工輔助授粉和去花處理對結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率的影響。結(jié)果表明：兩種表型花序內(nèi)每花花粉數(shù)不隨部位而變化，每花胚珠數(shù)、結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率由基部到頂部依次降低，每花花粉/胚珠比由基部到頂部依次增加，表明頂部花存在偏雄的性分配。人工輔助授粉后，結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率仍由基部到頂部依次降低，表明授粉不均勻假說不能解釋云南草寇花序內(nèi)不同部位結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率的差異。去除基部和中部花后，頂部花人工輔助授粉條件下的結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率與基部花人工輔助授粉條件下的結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率無差異，表明云南草寇花序內(nèi)不同部位結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率的差異主要由資源競爭引起。雌先熟表型每花花粉數(shù)、花粉/胚珠比高于雄先熟表型，表明兩種表型存在性分配差異。傳粉者主要先訪問云南草寇基部的花，然后向頂部移動。云南草寇花序內(nèi)頂部偏雄的性分配可能是由資源競爭和傳粉者定向訪花造成的。

關(guān)鍵詞： 云南草寇， 部位， 性分配， 花粉數(shù)， 胚珠數(shù)， 異型異熟

中圖分類號： Q948.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號： 10003142（2017）03033507

Abstract： Intrainflorescence variation in floral sex allocation is commom in hermaphroditic plants， and several nonexclusive hypotheses， including resource competition， architectural effect， the mating environment or nonuniform pollination， have been formulated to explain this phenomenon. To test the above hypotheses， we investigated floral sex allocation within racemes of two morphs in heterodichogamous Alpinia blepharocalyx. Flowers on each raceme were sampled and assigned to one of three relative positions： basal， middle and distal， variations in pollen number， ovule number， the pollen/ovule （P/O） ratio， and fruit and seed production among positions within racemes were quantified. Ecological causes for fruit and seed production were evaluated by flower removal and supplemental pollination， directional movements of pollinators within racemes were also observed. Pollen number per flower did not change with relative positions， ovule number per flower declined from basal to distal postions， and the P/O ratio per flower increased from basal to distal positions in both morphs， thus distal flowers performed malebiased function. Under natural pollination condition， fruit and seed set declined distally in both morphs， therefore， female reproductive success at the relative postions showed the same pattern as that of sex allocation at flowering stage. After handsupplemental pollination， both fruit and seed set decreased from basal to distal positions in each morph， thus， lower female reproductive success at distal postions could not be attributed to pollen limitation. After the removal of basal and middle flowers， the fruit and seed set of distal flowers did not differ from those of basal flowers when extra pollen was added， indicating that the low fruit and seed set of distal flowers was simply attributed to resource competition rather than architectural effect. Pollen number and the P/O ratio was higher for protogynous than protandrous morph， but fruit and seed set did not differ between morphs， indicating that sexual specialization occurred at flowering stage. Pollinators tended to visit basal flowers first and then moved upwards within an inflorescence， which would result in directional pollen flow from basal to distal flowers. Both interflower resource competition and directional pollinator movement may be responsible for intrainflorescence variation in floral sex allocation of A. blepharocalyx.

Key words： Alpinia blepharocalyx， positions， sex allocation， pollen number， ovule number， heterodichogamous

近二三十年來，花序內(nèi)不同部位的性分配（資源在兩性之間的相對投入）引起了學(xué)者的關(guān)注（Thomson，1989；趙志剛等，2005）。兩性花植物花序內(nèi)每花胚珠數(shù)、結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率由花序基部到頂部依次降低，而每花花粉數(shù)不變或略有下降（Cao et al，2015）?；ㄐ騼?nèi)不同部位之間的這種性分配格局可能與資源競爭有關(guān)。資源競爭假說認(rèn)為，位于花序內(nèi)基部（通常也是先開放）的花?？拷Y源供應(yīng)器官的近端（葉、根等），在資源獲取上有空間（或時間）上的優(yōu)勢，因此具有偏雌的性分配（Mazer Dawson，2001）。一些實(shí)驗(yàn)去除基部的花后，發(fā)現(xiàn)頂部每花資源的投入顯著增加了，與資源競爭假說的解釋相一致（Diggle，1995）。花序內(nèi)不同部位的性分配格局也可能是花序自身的結(jié)構(gòu)效應(yīng)（Architectural effect）決定的，結(jié)構(gòu)效應(yīng)表現(xiàn)在去除花序基部的花后，花序內(nèi)不同部位每花資源投入的差異仍然存在（Diggle，1995；Ashman Hitchens，2000；Cao et al，2011；Liu Huang，2012）。花序不同部位的性分配格局也可能是由交配環(huán)境引起的（the mating environment hypothsesis，Brunet Charlesworth，1995；Ishii Sakai，2002）。交配環(huán)境假說認(rèn)為，花序內(nèi)不同部位的花其花粉輸出和/或接收的機(jī)會存在差異，因此有不同的性分配?；ㄐ騼?nèi)不同部位的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率也可能是由于授粉不均勻引起的（Ashman Hitchens，2000）。授粉不均假說，可以通過人工輔助授粉來驗(yàn)證。

姜科山姜屬（Alpinia）植物有獨(dú)特的型二態(tài)現(xiàn)象（Li et al，2001），每種植物包括兩種表型的個體：雄先熟型（下垂型）和雌先熟型（上舉型）。本研究以山姜屬的云南草蔻（Alpinia blepharocalyx）為材料，分析了其兩型個體花序內(nèi)不同部位的性分配格局，主要回答了如下問題：（1）云南草蔻兩種表型花序內(nèi)不同部位的花粉/胚珠比變化格局；（2）云南草蔻兩種表型花序內(nèi)不同部位的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率變化格局，及這種變化可以用結(jié)構(gòu)效應(yīng)、授粉不均勻或資源競爭解釋嗎？

1材料與方法

1.1 研究材料

云南草蔻（Alpinia blepharocalyx）是姜科（Zingiberaceae）山姜屬（Alpinia）山姜亞屬（subgen. Catimbium）植物，株高1～3 m?？偁罨ㄐ蛳麓梗苫肯蝽敳恳来伍_放，雄先熟平均每花序花數(shù)為33.1±1.0（SE）（變化范圍為18～58），雌先熟平均每花序花數(shù)為31.2±1.0（變化范圍為13～58），每花序每天開放花數(shù)2～10朵不等，單花壽命1 d，花期4-6月，果期7-12月。傳粉者主要是熊蜂屬的萃熊蜂（Bombus eximius）和瑞熊蜂（B. richardis）（孫杉等，2010）。

1.2 研究地點(diǎn)

云南省普洱市菜陽河自然保護(hù)區(qū)（22°30′ N，101°22′ E，1 200 m）。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)收集

1.3.1.1 花序內(nèi)不同部位的花粉和胚珠在3月，云南草蔻逐漸開花時，先確認(rèn)一些正在開花的花序是雄先熟還是雌先熟個體；然后標(biāo)記屬于同一個無性系的處于蕾期的花序，共標(biāo)記34個雄先熟花序和37個雌先熟花序。在野外，同一個體無性系的植株由于共有一個地下莖聯(lián)接，常常成叢生狀，不同無性系之間比較容易區(qū)別。對標(biāo)記的花序于花蕾開放前的1～2 d將其取下（已開放的花除外），去除唇瓣、花藥和雌蕊分別置于1.5 mL離心管中，并加入70%乙醇，同時計(jì)數(shù)每一花序花蕾數(shù)（含已開放的花），將每一花序上的花蕾分為3個部位（即基部、中部和上部）。采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在解剖鏡下計(jì)數(shù)每一花蕾的胚珠數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室將花藥從裝有70%乙醇的離心管中取出，用鑷子將花藥完全碾碎，用5 mL懸浮液（冰醋酸∶甘油=3∶1）沖洗轉(zhuǎn)置于10 mL離心管中，在混合攪拌器上攪拌至均勻后，用移液槍取20 μm到血球計(jì)數(shù)板上計(jì)數(shù)所有花粉數(shù)，8次重復(fù)，取平均值乘以250倍，即為每朵花的花粉數(shù)。計(jì)算每花序每部位（基部、中部和頂部）平均每朵花的花粉數(shù)、胚珠數(shù)以及花粉/胚珠比。

1.3.1.2 花序內(nèi)不同部位的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率于盛花期，分別標(biāo)記100個雄先熟和雌先熟花序，其中50個雄先熟和雌先熟花序未經(jīng)任何處理（即自然授粉），另50個雄先熟和雌先熟花序用于人工輔助授粉實(shí)驗(yàn)，人工授粉過程如下：當(dāng)花序上第一朵花開始開放時，于上午10-11點(diǎn)間采集雄先熟個體的花粉對雌先熟個體正在開放的每朵花進(jìn)行人工輔助授粉，在下午3-4點(diǎn)采集雌先熟個體的花粉對雄先熟個體正在開放的每朵花進(jìn)行人工輔助授粉，人工輔助授粉從3月下旬開始到4月中下旬每天進(jìn)行，至所標(biāo)記的花序所有花開完為止。7月底果實(shí)成熟時，收獲所有標(biāo)記的花序，計(jì)數(shù)每果序成熟果實(shí)數(shù)及敗育花梗數(shù)，成熟的果實(shí)數(shù)及敗育的花梗數(shù)分為3個部位（基部、中部和上部），計(jì)數(shù)每果成熟種子數(shù)和敗育胚珠數(shù)。由于蟲害等原因，自然授粉處理只收獲了27個雄先熟花序和27個雌先熟花序，人工授粉處理只收獲了31個雄先熟花序和29個雌先熟花序。計(jì)算每花序不同部位結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率。

為驗(yàn)證花序內(nèi)每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率是受資源限制還是結(jié)構(gòu)效應(yīng)決定的，于3月另隨機(jī)分別標(biāo)記30個雄先熟和30個雌先熟花序，計(jì)數(shù)每花序的花數(shù)，將花序分為3個部位，去除基部和中部的花，只留每花序頂部的花，對每朵花進(jìn)行人工輔助授粉。7月底成熟時，收獲所有標(biāo)記的花序，計(jì)數(shù)每花序成熟的果實(shí)數(shù)、每果成熟種子數(shù)和敗育胚珠數(shù)，計(jì)算了每個花序頂部結(jié)實(shí)率和每花結(jié)籽率。共收獲19個雄先熟和20個雌先熟花序。

1.3.1.3 花序內(nèi)傳粉者訪花行為盛花期，于3個正常天氣日，每日分別隨機(jī)標(biāo)記兩型花序各10株，觀測記錄熊蜂在花序內(nèi)的訪問行為，共觀測約20 h。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析花序內(nèi)不同部位每花花粉數(shù)、胚珠數(shù)和花粉/胚珠比，以及自然授粉和人工輔助授粉條件下花序內(nèi)不同部位的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率，采用雙因素方差分析，不同部位（基部、中部和頂部），表型（雄先熟和雌先熟）及部位和表型間的交互作用為固定變量。上述分析的殘差經(jīng)ShapiroWilk檢驗(yàn)符合正態(tài)分布。每種表型去花處理頂部每花結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率和人工輔助授粉處理基部或頂部結(jié)實(shí)率、每花結(jié)籽率間的比較采用非參數(shù)MannWhitney檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1 花序內(nèi)不同部位每花花粉數(shù)、胚珠數(shù)和花粉/胚珠比

云南草蔻每花花粉數(shù)與部位無關(guān)，在兩種表型間存在差異：雌先熟表型各部位每花花粉數(shù)均顯著高于雄先熟（表1和圖1：A）。每花胚珠數(shù)與部位有關(guān)，不受表型影響：兩種表型每花胚珠數(shù)均由基部到頂部依次降低（表1和圖1：B）。每花花粉/胚珠比與部位和表型均有關(guān)（表1）：雌先熟表型每花花粉/胚珠比高于雄先熟表型，兩種表型每花花粉/胚珠比均由基部到頂部依次增加（圖1：C）。上述表明雌先熟表型具有偏雄的性分配。

2.2 花序內(nèi)不同部位每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率

2.2.1 自然授粉處理自然授粉條件下，云南草蔻結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率均顯著受部位影響，但均與表型無關(guān)（表2）：兩種表型結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率均由基部到頂部依次降低（圖2：A，B）。

2.2.2 人工輔助授粉處理人工輔助授粉條件下，云南草蔻每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率均顯著受部位影響，但均與表型無關(guān)（表3）：兩種表型每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率均由基部到頂部依次降低（圖3：A，B）。

2.2.3 去花處理去除基部和中部花后，頂部人工輔助授粉條件下結(jié)實(shí)率雄先熟表型為0.71±0.05（SE），與人工輔助授粉未去花處理雄先熟表型基部結(jié)實(shí)率無顯著差異（Z = -0.676，P = 0.499）；雌先熟表型為0.77±0.04，與人工輔助授粉未去花處理雌先熟表型基部結(jié)實(shí)率無顯著差異（Z = -0.095，P = 0.924）；兩種表型數(shù)據(jù)合并后頂部結(jié)實(shí)率0.74±0.03，也與人工輔助授粉未去花處理兩種表型合并后的基部結(jié)實(shí)率無顯著差異（Z = -0.610，P = 0.542）。

去除基部和中部花后，頂部人工輔助授粉條件下每花結(jié)籽率雄先熟表型為0.63±0.04，與人工輔助授粉未去花處理雄先熟表型基部每花結(jié)籽率無顯著差異（Z = -0.135，P = 0.893）；雌先熟表型為0.62±0.03，與人工輔助授粉未去花處理雌先熟表型基部每花結(jié)籽率無顯著差異（Z = -0.685，P = 0.493）；兩種表型數(shù)據(jù)合并后頂部每花結(jié)籽率0.62±0.03，也與人工輔助授粉未去花處理兩種表型合并后的基部每花結(jié)籽率無顯著差異（Z = -0.279，P = 0.780）。

2.3 花序內(nèi)傳粉者訪問行為

在3 d 20 h的熊蜂訪問行為觀測中，訪問雄先熟表型的有197次，其中由花序基部向頂部訪問的有138次，占總訪問的70%，由頂部向基部訪問的有41次，占總訪問的21%，只訪問1朵花的有18次，占總訪問的9%；訪問雌先熟表型的有185次，其中，由花序基部向頂部訪問的有125次，占總訪問的69%，由頂部向基部訪問的有30次，占總訪問的16%，只訪問1朵花的有30次，占總訪問的15%。因此，云南草蔻存在由基部到頂部的定向訪花行為。

3討論

3.1 云南草寇花序內(nèi)不同部位的花粉/胚珠比變化

和大多數(shù)研究一樣（Kudo et al， 2001； Ishii sakai，2002；Cao et al，2007；樊寶麗等，2008；馬曉麗等，2011），云南草寇花序內(nèi)的每花花粉數(shù)不依賴于部位，而每花胚珠數(shù)由基部到頂部依次降低，因此每花花粉/胚珠比由基部到頂部依次增加。云南草寇花序內(nèi)的性分配格局可能不是由結(jié)構(gòu)效應(yīng)決定的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)效應(yīng)應(yīng)該導(dǎo)致每花花粉數(shù)和胚珠數(shù)都由基部到頂部下降（Huang et al，2004）。云南草寇花序內(nèi)每花胚珠數(shù)由基部到頂部依次降低，人工輔助授粉后每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率也由基部到頂部依次降低，表明資源由基部向頂部下降，因此資源競爭假說可以解釋云南草寇花序內(nèi)的性分配格局（Mazer Dawson，2001）。熊蜂先訪問云南草寇花序內(nèi)基部的花，然后向頂部移動，因此基部可以接收更多的異交花粉而頂部可以輸出更多的花粉，定向訪花行為也可以解釋云南草寇花序內(nèi)的性分配格局（Brunet Charlesworth，1995；Kudo et al，2001）。Brunet Charlesworth（1995）預(yù)測，雌先熟植物早開的花每花花粉/胚珠比應(yīng)比晚開的高，她們的預(yù)測曾在兩種雌先熟植物得到了驗(yàn)證（Huang et al，2004；Guitián，2006），但云南草寇雌先熟表型沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能和其花壽命只有1 d有關(guān)。

3.2 花序內(nèi)不同部位每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率

與大多數(shù)研究一樣（Diggle，1995；Ashman Hitchens，2000；Medrano et al，2000；Kudo et al，2001；Ishii sakai，2002；樊寶麗等，2008；Cao et al，2011；馬曉麗等，2011），云南草寇花序內(nèi)每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率也由基部到頂部依次降低，頂部較低的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率不是由授粉不均引起的，因?yàn)樵谌斯ぽo助授粉后頂部每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率仍然低于基部。去除基部和頂部的花并人工添加花粉后，云南草寇花序內(nèi)頂部每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率與其人工輔助授粉處理基部的每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率沒有差異，表明頂部較低的結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率是由資源競爭引起的，而不能用結(jié)構(gòu)效應(yīng)來解釋（Diggle，1995）。在前人的研究中，授粉不均勻、資源競爭或結(jié)構(gòu)效應(yīng)所導(dǎo)致的頂部較低的結(jié)實(shí)率或結(jié)籽率常因物種而異（Diggle，1995；Medrano et al，2000）。

3.3 兩種表型的性分配

云南草寇雌先熟表型每花花粉數(shù)和花粉/胚珠比均高于雄先熟表型，表明了其兩種表型出現(xiàn)了某種程度的性別特化。Wang et al（2004）研究了姜科37種異型雌雄異熟植物兩種表型的花粉/胚珠比，也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)植物的兩種表型有某種程度的性別特化，他們認(rèn)為異型雌雄異熟植物處于從雌雄同體到雌雄異株進(jìn)化的中間狀態(tài)。云南草寇兩種表型每花結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率沒有差異，因此其性別特化主要發(fā)生在花期。

4結(jié)論

在兩性花植物中，每朵花的適合度來自于雄性適合度和雌性適合度兩個部分。云南草寇花序內(nèi)基部較高的雌性投入可能反映了果實(shí)和種子比花粉生產(chǎn)更耗費(fèi)資源，同時由于傳粉者從基部向頂部定向訪問，頂部相對較高的雄性投入有利于更多的花粉輸出，因此，云南草寇花序內(nèi)每花花粉/胚珠比由基部到頂部增加的性分配格局可能是一種適應(yīng)策略。

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