潘麗琴, 郝 建, 徐建民, 陳建全, 盧立華, 劉志龍
(1.中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)實驗中心,廣西 憑祥532600;2.中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)研究所,廣東 廣州 510520;3.西南林業(yè)大學,云南 昆明 650204;4.廣西友誼關森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,廣西 憑祥 532600)
植物的開花方式和生殖同步性是影響植物繁殖適合度的重要因子,也是決定植物生殖成功的重要因素[1]。對大部分植物來說,開花通常是一次性綻放,之后通過花的閉合或花瓣的凋謝來終止開花進程,而有些植物的開花過程,開放和閉合是交替進行[2],稱之為 “二次開合”。多種木蘭科Magnoliaceae植物存在此種開花方式, 如廣玉蘭Magnolia grandiflora[3], 白玉花M.denudata[4], 厚葉木蓮Manglietia pachyphylla[5], 大果木蓮 M.grandis[6]和中緬木蓮 M.hookeri[6]等。 該種開花方式受到諸如氣溫、 濕度和光照等氣候因子的影響,其中氣溫條件在控制開花中起主導作用[7-8]?;夷旧廙anglietia glanca原產越南及印度尼西亞,為木蘭科木蓮屬Manglietia植物,具干形通直、抗逆性強、生長快、木材紋理細致及易加工的特性[9],是一種極具有發(fā)展?jié)摿Φ乃偕貌募皥@林綠化樹種。自1960年以來,灰木蓮在中國西南和華南地區(qū)進行引種并規(guī)?;N植[10]。目前,有關灰木蓮的研究主要集中于栽培繁育技術[11]、早期生長適應性[12]、材性[13]以及生態(tài)效應等方面。在引種地灰木蓮開花后自然結實率極低[11,14],而針對該現(xiàn)象的研究報道較少[14-15]。為了探究灰木蓮開花及雌雄異熟特征對其生殖成功的影響,筆者著重研究灰木蓮的花部結構、不同花期的二次開合開花進程、花粉活力和柱頭可授性,以探究灰木蓮二次開合開花及雌雄異熟特征對其生殖的影響,也為深入了解木蓮屬的系統(tǒng)進化或演化過程提供資料。
試驗點設在中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心,位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市,屬南亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫為21.5℃,≥10℃積溫7 500℃,年降水量為1 220~1 400 mm,降水集中期為4月中旬至8月末,年均日照約為1 260 h。以伏波實驗場、白云實驗場和中心樹木園栽培的灰木蓮人工林為研究對象,各林分造林苗木均為1.5年生的實生苗,種源來自越南尚河,無病蟲侵害,健康狀況良好,基本情況見表1。觀測區(qū)域花期內氣溫因子基本情況見表2。
表1 觀測林分基本情況Table 1 General information of the observation stands
2014-2016年連續(xù)3 a對灰木蓮林分進行定點、定時觀察并記錄其開花物候。林分水平1%~10%的個體開花時視為始花期,10%~50%的個體開花時為過渡期,50%~95%的個體達到開花高峰時為盛花期,95%植株開花結束時為終花期。
表2 觀測區(qū)域環(huán)境氣溫基本情況Table 2 General information of the atmosphere temperature in observation region
在伏波實驗場、白云實驗場和中心樹木園內試驗點各選3株標準株,從青蕾期開始觀察其開花動態(tài),各個開花階段分別標記10朵花,觀察開花進程中的花部、柱頭和花粉的形態(tài)變化特征,用佳能(Cannon)數(shù)碼相機拍照,花部解剖結構在奧林帕斯(Olympus)體視顯微鏡成像系統(tǒng)下觀察并拍照。
在標準株上的上中下3個冠層各選取3個標準枝,各個標準枝于青蕾期選取15個花蕾。于始花期、過渡期和盛花期,分別選取3朵未散粉的花朵帶回室內,人工挑出雄蕊,收集花粉,用于測定不同花期階段花粉活力;于始花期、過渡期和盛花期,分別標記5朵青蕾,于露白(T1),初次展花(T2),閉合(T3),完全展花(T4)和衰敗期(T5)等5個階段分別采集花粉用于測定單花不同開花階段花粉活力,同時取柱頭樣品用于柱頭可授性檢測。
2.3.1 花粉活力檢測 根據(jù)正交設計的花粉離體萌發(fā)試驗結果,采用最佳萌發(fā)效果的培養(yǎng)液對各開花階段花粉進行離體萌發(fā)培養(yǎng)。萌發(fā)條件為:質量濃度為60.00 g·L-1蔗糖+0.50 g·L-1硼酸+0.08 g·L-1氯化鈣,pH值為6,溫度25℃?;ǚ勖劝l(fā)6 h后,把培養(yǎng)皿放置在倒置顯微鏡觀察并拍照,選擇5個視野統(tǒng)計花粉的萌發(fā)率。
2.3.2 對柱頭可授性檢測 采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法[16]檢測,聯(lián)苯胺-過氧化氫反應液為V(1%聯(lián)苯胺溶液)∶V(3%過氧化氫溶液)∶V(水)=4∶11∶22的混合液。分別采各開花階段花朵9朵,切除花被片,將雌蕊群浸入含有聯(lián)苯胺-過氧化氫反應液的10 mL透明樣品瓶中。若柱頭具有可授性,則反應液呈現(xiàn)藍色,并伴有大量氣泡,反之則無。根據(jù)雌蕊群柱頭所冒出氣泡數(shù)量和染為藍色的柱頭數(shù)量判斷其可授性。將柱頭可授性分為5個等級[17]: “-”為不具有可授性,氣泡出現(xiàn)慢且少,顏色無變化; “+/-”極少部分柱頭有可授性, “+”為具有較弱的可授性,表示少部分柱頭有可授性,大部分沒有,氣泡出現(xiàn)慢且少,著色慢、顏色淺; “++”為具有較強的可授性,氣泡出現(xiàn)快且多,著色快、顏色淺; “+++”為具有很強的可授性,氣泡出現(xiàn)快且多,著色快、顏色深。
在標準株的上中下3個冠層各選取5個標準枝,在青蕾期每個標準枝選取30個花蕾。在始花期、過渡期和盛花期,分別標記10朵花,在初次展花階段進行自花、同株異花和異株異花授粉;于盛花期按各單花露白階段、初次展花階段、(長)閉合階段和完全展花階段進行異株異花授粉,各個標準枝各階段分別授粉6朵花。授粉后2個月統(tǒng)計結實率。單個果實明顯膨大,子房數(shù)量占其果實總子房數(shù)量50%以上為授粉成功。
灰木蓮為兩性單花,展花直徑15~25 cm,花被片乳白色,厚肉質,湯勺形,長6~10 cm,寬5~7 cm,共6~8片;多心皮的雌蕊群在上,雄蕊群聚合于雌蕊群下方基部的花托上。雌蕊群由45~85枚單生心皮組成,心皮綠色,短紡錘形,長0.4~0.6 cm,緊密組合呈錐形,每心皮內含雙排胚珠8~12顆,成熟柱頭向外微卷曲;雄蕊群著生于雌蕊群的下部,高度僅達到雌蕊群的下緣,單個雄蕊長0.7~1.1 cm,寬0.8~1.5 mm,乳白色,2對細長的花粉囊平行分布于花藥的2側。
在中心樹木園(海拔為240 m),灰木蓮花期主要從3月上旬持續(xù)至5月上旬,少數(shù)從1月下旬開始,僅個別單株出現(xiàn)1 a中2次花期,第2次花期從10月中旬持續(xù)到12月上旬,花量極少;第1次花期3月上、中旬為始花期,3月下旬到4月中旬為盛花期,4月下旬到5月上旬為終花期?;夷旧徳诟吆0危?00 m左右)比低海拔(240 m)的花期推遲15~20 d。在花期內,環(huán)境溫度分別為始花期的10~20℃,過渡期18~25℃和盛花期的21~30℃,不同氣溫下灰木蓮表現(xiàn)出不同的開花方式。
灰木蓮開花過程存在二次開合的開花現(xiàn)象(圖1)。先后經歷:①露白(T1):內部白色花被片開始松動,綠色外苞片露出花被片,形成白綠相間的花蕾。②初次展花(T2):花被片初次展開,外苞片和內層花被片同時展開30°~50°。③閉合階段(T3):最外層花苞片沿花柄向下展開180°,白色花瓣向相反方向收攏至完全閉合,多發(fā)生于18:00-24:00,根據(jù)氣溫高低存在2種閉合方式,高溫時閉合時間約為10~12 h,氣溫較低時閉合時間約為48~72 h。④完全展花(T4):花被片再次展開約90°,不再閉合,雄蕊群松散脫落,花粉散出,多發(fā)生于長閉合形成白蕾后第2天17:00-20:00;在盛花期,完全展花前會出現(xiàn)一次短閉合階段。⑤衰敗階段(T5):完全展花的第2天,花被片逐漸褐化、萎蔫、凋落,至完全凋落需3~7 d?;夷旧徳诓煌ㄆ陔A段的開花方式特征見表3。
圖1 盛花期灰木蓮二次開合開花動態(tài)Figure 1 Floral dynamic of Manglietia glanca at full-bloom stage
由表4可知:灰木蓮花粉活力隨時間推移而下降,盛花期時花粉活力最高,平均活力為72.13%,其次為過渡期63.15%,始花期最低僅為43.28%。盛花期時,因環(huán)境溫度最高(21~30℃),散粉后花粉活力急劇下降,散粉后18 h時,花粉已完全失活。而在環(huán)境溫度較低的過渡期(18~25℃)及始花期(10~20℃),散粉后花粉活力維持時間相對較長,分別達到24 h,36 h。
灰木蓮在始花期的完全展花、過渡期的初次展花及盛花期的白蕾期柱頭黏液分泌量最多;單花完全展花時,始花期與過渡期的柱頭均有少量的黏液,而盛花期的柱頭黏液已變干。經過聯(lián)苯胺-過氧化氫檢測,柱頭黏液分泌量較多時,柱頭顏色多呈乳白色和淡黃色,柱頭可授性較強,柱頭在純白色和褐(黑)色時,黏液較少,可授性均較弱(表5)。柱頭在過渡期時的初次開花和完全展花時、盛花期時的白蕾期及初次展花時、始花期時的完全展花時,均具有較強的可授性,其余時期柱頭可授性較弱或基本失活。
表3 灰木蓮不同氣溫單花二次開合開花時序特征Table 3 The flowering temporal characteristics of Manglietia glanca
表4 灰木蓮不同花期階段的花粉活力Table 4 Pollen viability of Manglietia glanca at different stages
表5 灰木蓮不同花期階段的柱頭可授性Table 5 Stigma receptivity of Manglietia glanca at different stages
灰木蓮雌性先于雄性表達的特征穩(wěn)定,交配類型為雌先型。不同氣溫條件下,雌雄性成熟的間隔時間有所差異,氣溫越高雌性表達發(fā)生時間越早,雌雄異熟的間隔時間越短;雄性表達在初次展花時均已表達,至完全展花時,花粉活力最強。盛花期露白階段時柱頭可授性最高,雌性表達在青蕾階段就已開始,而雄性特征還未表達;當完全展花花粉完全散開成熟時,雌性特征最弱,雌雄異熟間隔時間約為2 d。過渡期初次展花時柱頭可授性最強,但花粉未完全成熟,完全展花時花粉活力最高,柱頭仍具可授性,雌雄異熟的間隔時間為24~36 h。始花期閉合階段時柱頭可授性最強,但花粉活力較弱,完全展花時花粉活力和柱頭可授性均較高,雌雄異熟的間隔時間為2~3 d。
根據(jù)圖2:灰木蓮在盛花期開花時,前一輪花完全展花的散粉期和后一輪花初次展花的可授期重疊。在這個重疊期里,前一輪完全展花,花粉自然散開,花粉活力也較強,第2輪花初次展時柱頭可授性較強,但花粉未散開,為異花授粉提供極好的機會;完全展花花粉散出時,同一花朵柱頭可授性極低,發(fā)生自花授粉的機率極低;在過渡期開花時,異花和同花授粉均可能發(fā)生,前一輪花完全展花的散粉期和后一輪花初次展花的散粉期重疊期花粉活力和柱頭可授性均較強,為異花授粉提供可能;此時同一花朵花粉活性和柱頭可授性均較強,自花授粉也可發(fā)生;始花期開花時,第1輪完全展花的散粉期與第2輪初次展花的可授期沒有重疊期,與第3輪初次展花時可授期重疊,可能發(fā)生異花授粉;而第1輪完全展花時同一花朵柱頭可授性與花粉活力均很強,有利于自花授粉的發(fā)生。
圖2 灰木蓮每輪開花在不同時間的柱頭可授性與花粉活力Figure 2 Stigma receptivity and pollen viability of each round flowering of Manglietia glaucaat different times
圖3顯示:灰木蓮在初次展花階段進行自花、同株異花和異株異花方式均能成功授粉,異株異花授粉成功率明顯高于自花和同株異花授粉,異株異花在不同花期人工授粉平均成功率為57.67%,同株異花授粉平均成功率為45.00%,自花授粉的平均成功率為5.67%,表明灰木蓮的繁育習性是以異交為主,但存在自交親和的現(xiàn)象。始花期、過渡期和盛花期人工授粉平均成功率分別為26.00%,39.33%和43.00%,表明氣溫對授粉成功率有所影響,相對于過渡期(18~25℃)與盛花期(21~30℃),在始花期(10~20℃)時授粉率最低,說明低溫不利于灰木蓮的受精及胚胎發(fā)育?;夷旧徳陂_花過程中的可授性是不斷變化的,在初次展花前1~2 d,即露白期柱頭已具有可授性,完全展花后,柱頭可授性急劇下降,約1~6 h后完全失活。在不同開花階段通過異株異花方式進行人工授粉的授粉成功率如圖4所示,閉合階段與完全展花階段的平均授粉成功率最高,分別為52.33%,49.67%,初次展花次之,為48.00%,露白階段的平均授粉成功率最低,為21.33%,與上述各階段柱頭可授性檢測結果基本一致。
灰木蓮的開花特征與多種木蘭科樹種相似[4,18]。在花期不同階段,灰木蓮的開花方式受溫度影響而產生開合交替不同的開花模式,存在二次開合現(xiàn)象。有關開花過程中的閉合現(xiàn)象有幾個解釋:①保護花朵不被昆蟲吃食[19];②給傳粉昆蟲提供庇護場所,特別是對于一些直立閉合的花朵,能增加攜帶著花粉的甲蟲類的傳粉機率[20];③對于在白天發(fā)生閉合的花朵,則是為了保護花粉不被散落或使花粉保持一定的濕度以維持更好的活力[21]。這種開花方式還可以保護花粉不易被風吹走,利于昆蟲傳粉[6],利于花內形成小溫室促進散落在柱頭的發(fā)粉萌發(fā)[3]。
灰木蓮在單花內表現(xiàn)為雌雄異熟,雌蕊先熟,雌蕊位于雄蕊上部,在時間和空間上均不利于自花傳粉。單花水平上,花朵在初次展花時雌雄性征均已表達,但花粉仍未釋放,待完全展花,花粉釋放時,雌性征減弱或完全失活,避免了自花傳粉發(fā)生的可能;在植株水平上,灰木蓮表現(xiàn)為異步雌雄異熟且同步集中式開花,各輪花二次開合交替出現(xiàn),前一輪花的完全展花也即雄性表達時,正好為下一輪花初次展花也即雌性表達時,此時2輪開花雌雄性征均較強,雌雄表達重疊可達1~6 h。這種重疊和集中式開花可使植株開花時有較多的花粉資源進行同株異花和異株異花授粉,保證其在有限的可授期內授粉成功。這種開花方式下,傳粉者的數(shù)量是否充足、環(huán)境條件是否允許傳粉者在花期內進行有效的傳粉活動成為灰木蓮在引種地生殖成功的關鍵因素。
圖3 不同授粉方式對灰木蓮授粉成功率影響Figure 3 Pollination success rate of Manglietia glauca withdifferent pollination ways
圖4 不同授粉階段對灰木蓮授粉成功率的影響Figure 4 Pollination success rate of M.glauca in different stages
花被片展開的動力是由于花部內外溫度差異導致花被片兩面細胞擴張程度不均產生的[2]。木蘭屬植物在開花進程中存在開花生熱效應,使花器官內部溫度明顯高于環(huán)境溫度而促使開花[4]。木蘭屬存在雌雄異熟的特征,在雌蕊成熟時促使其初次展花,之后花朵閉合,雄蕊成熟時促使第2次完全展花[3]。氣溫較高時,灰木蓮雌蕊成熟較快,短時間花內聚集較多的熱量,當花內積溫高于外部溫度,發(fā)生第1次展花,之后花內溫度迅速下降,外部溫度高于花內溫度,花瓣內部細胞發(fā)生可逆性收縮,花瓣閉合。閉合后雄蕊經過一段時間成熟,在花內部再次生熱積溫,花瓣完全展開,花瓣內面細胞拉升到最大限度,花瓣內部細胞不再發(fā)生可逆性收縮而使花朵閉合。氣溫較低時,第1次展花發(fā)生的時間較晚,2次展花間隔期也更長。
植物的開花時間與生殖同步性可以在多方面影響其生殖成功與否[1]?;夷旧徳趶V西憑祥地區(qū)的花期主要集中在3月上旬至5月下旬,個別單株1月下旬出現(xiàn)開花,偶爾出現(xiàn) 1 a中2次花期。第2次花期從10月中旬持續(xù)到12月上旬?;夷旧彶煌ㄆ诮洑v的氣溫不同,表現(xiàn)出不同的二次開合開花特征,不同開花階段發(fā)生和持續(xù)的時間差異較大。在溫度較高的過渡期和始花期,單花雌雄表達間隔期較短,單株上各輪花雌雄表達重疊時間也相應縮短,但開花量較多,傳粉者數(shù)量增加,傳粉效率更高。而在溫度最低的始花期,開花量和傳粉者均較少,但各開花階段持續(xù)時間較長,各輪開花的雌雄性表達重疊的時間較長。這可能是為較少傳粉者提供較長傳粉時間的生殖適應性策略。
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