兩種生境下野慈姑繁殖差異及其機(jī)制

羅文杰, 金曉芳, 汪正祥, 3, 4, 戴 璨, 3, 4,*

1 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 2 南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所,南昌 330099 3 湖北省生物資源綠色轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430062 4 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430062

植物與物理環(huán)境的互作是生態(tài)學(xué)關(guān)注的一大焦點(diǎn)。一方面,環(huán)境對(duì)植物的生長和繁殖會(huì)帶來極大的直接影響[1- 2]。植物生長不可或缺的光照、溫度、水分、營養(yǎng)在不同的地理尺度上必然存在變化,各個(gè)因素的異同往往會(huì)造成植物生長速率、發(fā)育水平、繁殖方式或生活史某種程度的改變。例如在光照充足的環(huán)境下玄參科的溝酸漿屬植物(Mimulus)會(huì)較遮陰環(huán)境下推遲開花[3],類似的開花物候推遲也出現(xiàn)在高寒草甸植物群落對(duì)光照長度的響應(yīng)中[4]。濕生扁蕾(Gentianopsispaludosa)在草甸生境獲得的光照資源多于灌叢生境,導(dǎo)致其在蕾期的花朵數(shù)量顯著偏高[5]。如果某種環(huán)境壓力是持續(xù)不變的,從長遠(yuǎn)來看,還會(huì)導(dǎo)致植物種群的進(jìn)化,即產(chǎn)生各種性狀的適應(yīng)性改變[6]。例如美洲風(fēng)鈴草(Campanulastrumamericanum)在林蔭環(huán)境下多為兩年生的植物,而光照環(huán)境下多為一年生[7]。斑點(diǎn)老鸛草(Geraniummaculatum)在異質(zhì)性環(huán)境下種群的繁殖系統(tǒng)也存在著差異,干燥環(huán)境下主要是性二態(tài)植株,而濕潤環(huán)境下主要是性單態(tài)植株[8]。

另一方面,物理環(huán)境的差異會(huì)導(dǎo)致生物群落的改變,繼而使得與植物相關(guān)的各種互利共生、寄生、競(jìng)爭、捕食等種間關(guān)系發(fā)生變化。其中,傳粉者對(duì)有花植物的有性繁殖起著至關(guān)重要的作用,如果傳粉者的組成和行為在不同的環(huán)境下發(fā)生改變,勢(shì)必會(huì)給繁殖帶來影響。Herrera對(duì)寬葉薰衣草(Lavandulalatifolia)的6年調(diào)查表明：不同生境下該植物出現(xiàn)了分別以蜂類和蝶類為主要傳粉者的居群,由于不同昆蟲的本身屬性和行為差異,蜂類訪花頻繁但提高了同株異花授粉(geitonogamy),蝶類訪花較少但因飛行距離遠(yuǎn)從而促進(jìn)了異株傳粉[9]。

過去的研究往往強(qiáng)調(diào)不同的環(huán)境因子和植物相應(yīng)的繁殖表現(xiàn),即整個(gè)過程的起點(diǎn)和終點(diǎn),而未細(xì)致拆分每一個(gè)可能發(fā)生變化的階段,也未區(qū)分生物因子和非生物因子或獨(dú)立或協(xié)同的作用[7]。例如,調(diào)查發(fā)現(xiàn)相思樹(Acacialongifolia)在濕潤氣候下果實(shí)敗育數(shù)量要顯著少于干旱氣候的[1]；南北坡向?qū)Π底县惸?Fritillariaunibracteata)的單果種子數(shù)存在顯著影響[10]；川滇薔薇(Rosesoulieana)的果實(shí)重量和種子活力在山區(qū)河谷的不同流域間差異顯著[11]等等。以上研究極易導(dǎo)致某種物理環(huán)境被貼上或“惡劣”或“優(yōu)異”的標(biāo)簽,然而這些植物在座果和結(jié)實(shí)上的變化還可能是受到群落或傳粉的間接影響,如果不進(jìn)行細(xì)致研究,很可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的歸因和建議。

也有少量研究同時(shí)關(guān)注了物理環(huán)境和傳粉者對(duì)植物的影響。例如,美洲風(fēng)鈴草(Campanulastrumamericanum)在林隙和林下兩種生境里的開花物候、昆蟲訪花行為以及花粉限制程度存在顯著差異,導(dǎo)致了前者的果實(shí)數(shù)量更高,進(jìn)一步的分析得出其繁殖差異并不是由某一個(gè)因素獨(dú)立決定,而是多個(gè)直接和間接影響同向疊加的結(jié)果[7],類似的原因也導(dǎo)致了桃葉風(fēng)鈴草(Campanulapersicifolia)的個(gè)體繁殖差異[12]。也有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境對(duì)植物的直接和間接作用方向相反,如不同海拔的兩個(gè)草甸毛茛(Ranunculusacris)居群里,低海拔植株的開花和胚珠數(shù)量均高于高海拔的個(gè)體,但是低海拔的居群存在明顯的花粉限制,導(dǎo)致其繁殖不足[13]。以上實(shí)例表明,環(huán)境介導(dǎo)的傳粉作用不可忽視,這一環(huán)節(jié)的缺失會(huì)影響理解不同生境下植物差異性繁殖的根本原因。

本文通過控制對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究兩種不同生境,特別是光照環(huán)境對(duì)于植物繁殖適合度的影響,強(qiáng)調(diào)同時(shí)關(guān)注環(huán)境的直接作用和傳粉者的間接作用,以期分析環(huán)境導(dǎo)致植物繁殖差異的機(jī)制。以多年生草本植株野慈姑(SagittariatrifoliaL.)作為研究材料擬解決以下問題：(1)不同的光照環(huán)境是否影響野慈姑的開花生理？(2)光照環(huán)境的差異是否影響野慈姑傳粉昆蟲的組成和訪花行為？(3)不同光照環(huán)境下野慈姑繁殖產(chǎn)出如何改變？(4)環(huán)境對(duì)植物的直接與間接作用的方向是否一致？相對(duì)大小如何？

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

野慈姑(SagittariatrifoliaL.)隸屬澤瀉科慈姑屬,是一種生長在池塘、沼澤、溝渠、水田等淺水區(qū)域的多年生單子葉草本植物[14],適應(yīng)能力較強(qiáng),幾乎全國各地均有分布[15],且自然生長于各種光照環(huán)境下。它是一種自交親和、兼有有性繁殖(開花結(jié)實(shí))和無性繁殖(地下球莖)的植物?；ㄆ?—10月左右(湖北地區(qū)的盛花期7—8月),總狀花序,每輪一般三朵花,自下而上順次開放,花序基部為雌花,開放持續(xù)1—2 d,頂部為雄花,開放持續(xù)4—10 d。野慈姑為典型的雌花先熟、雌雄異花同株的植物,且單花開花時(shí)長僅有一天,傳粉者在6：00—14：00間表現(xiàn)活躍[16]。野慈姑的雄雌花的花部結(jié)構(gòu)基本相同,都有三瓣白色花瓣,具花蜜,雌花的中部為心皮,呈球形、綠色,雌花在授粉三周后長為成熟的球形瘦果；雄花的中部為花藥,多雄蕊、呈黃色。野慈姑是蟲媒傳粉的植物,食蚜蠅、小型蜂類等多種昆蟲可以為其傳粉[17]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 質(zhì)區(qū)選取方法

實(shí)驗(yàn)于2015年在中國科學(xué)院武漢植物園開展,在野外選取兩個(gè)不同環(huán)境的實(shí)驗(yàn)區(qū)：一個(gè)區(qū)域上方有高大的池杉和樟樹,周邊大部分區(qū)域?yàn)樘烊粏棠竟嗄救郝?為典型的密閉林下環(huán)境(以下簡稱林蔭區(qū))；另一個(gè)區(qū)域選在一定高度的露天臺(tái)地,周圍沒有任何高大植株或建筑物的遮蔽,在晴朗的天氣太陽可整日連續(xù)照射,為典型的全日照環(huán)境(以下簡稱日照區(qū))。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)均有88盆野慈姑的盆栽植株。所有植株來自于2013年野外采集的球莖克隆分株[18],且兩個(gè)區(qū)域的基因型組成基本相同,以確保環(huán)境是野慈姑后續(xù)開花傳粉和繁殖差異的單一來源。

1.2.2 光照強(qiáng)度測(cè)量

因?yàn)楣庹找蜃邮琴|(zhì)區(qū)選擇的主要考慮,為了量化兩個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度差異,在林蔭區(qū)和日照區(qū)分別放置一個(gè)相同型號(hào)的光量子計(jì)(Apogee MQ～200,美國猶他州),于2015年7月24日開始對(duì)光合有效輻射(PAR,以下簡稱光強(qiáng),μmol m-2s-1)進(jìn)行連續(xù)30 d的測(cè)量。為了全面反映每個(gè)區(qū)域的平均光照強(qiáng)度,光量子計(jì)每天移至區(qū)域內(nèi)一個(gè)新的隨機(jī)位置。記錄從6:00持續(xù)至19:30,每30 min自動(dòng)計(jì)算并存儲(chǔ)該時(shí)間段內(nèi)的平均光照強(qiáng)度,故每天林蔭區(qū)和日照區(qū)分別有28個(gè)數(shù)據(jù)。

1.2.3 野慈姑開花統(tǒng)計(jì)

于2015年7月24日至30日,每天8:00—10:30對(duì)當(dāng)日兩個(gè)區(qū)域內(nèi)開放的野慈姑花朵進(jìn)行統(tǒng)計(jì),包括每個(gè)區(qū)內(nèi)野慈姑的雄花數(shù)量、雌花數(shù)量、總開花數(shù)量和開花植株數(shù)量。同時(shí)對(duì)當(dāng)日開放的雌花用吊牌標(biāo)記,便于收獲和統(tǒng)計(jì)果實(shí)。

1.2.4 昆蟲訪花觀察

在上述開花統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi),選擇晴朗或多云天氣,于每日6:00—14:00間觀察訪花昆蟲對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)野慈姑花朵的訪問。一組實(shí)驗(yàn)以花朵為觀察對(duì)象,記錄固定花朵被昆蟲訪問的情況。對(duì)林蔭區(qū)和日照區(qū)分別選取位置集中的共計(jì)約40朵野慈姑花(雌雄花各半)作為觀察對(duì)象,進(jìn)行連續(xù)15分鐘的觀察,記錄傳粉者訪問雌花和雄花的總次數(shù),傳粉者在花朵上停留時(shí)間超過3秒記錄為成功訪花一次。在6:00—14:00的時(shí)間段內(nèi)每個(gè)小時(shí)每個(gè)區(qū)域完成4個(gè)15分鐘的觀察記錄(共計(jì)32個(gè)),最后計(jì)算昆蟲訪花頻率(昆蟲訪問的總次數(shù)÷觀測(cè)的花朵數(shù),單位：次/(朵×15 min))。

另一組實(shí)驗(yàn)以單個(gè)訪花昆蟲的一個(gè)訪問回合為單位(從昆蟲進(jìn)入到飛離區(qū)域記為一個(gè)完整的訪問回合,Foraging bout),記錄昆蟲類別和詳細(xì)的訪問過程。同時(shí),對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的訪花昆蟲進(jìn)行拍照和取樣,用于物種鑒定。觀測(cè)的指標(biāo)包括每個(gè)訪問回合訪花昆蟲的種類(蜂類、蠅類、蝶類、蚜蠅類和其他五大類),每回合訪花持續(xù)時(shí)間,每回合訪問的花序數(shù)量、雄花數(shù)、雌花數(shù)和總花數(shù),同時(shí)計(jì)算每回合的單花停留時(shí)間(訪花持續(xù)時(shí)間÷總花數(shù))。每個(gè)區(qū)域分別觀察記錄約50個(gè)訪花回合。

1.2.5 繁殖產(chǎn)出

野慈姑的繁殖產(chǎn)出為在開花統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所有開花植株的座果率、單果種子數(shù)量和種子平均面積。在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)野慈姑雌花開放約20 d后,將所有成熟果實(shí)采摘,單個(gè)存放于牛皮紙袋中(6 cm×10 cm),烘干待用(50℃,12 h)。同時(shí),分別統(tǒng)計(jì)林蔭區(qū)和日照區(qū)每個(gè)開花植株的果實(shí)數(shù)量和座果率(果實(shí)數(shù)量÷雌花數(shù)量)。對(duì)每個(gè)植株隨機(jī)挑選3個(gè)果實(shí)進(jìn)行種子計(jì)數(shù)。具體方法為將每一個(gè)果實(shí)的所有種子人工平鋪于一張A3白板紙上,盡量保證種子之間沒有重合,用固定位置和焦距的單反照相機(jī)(尼康D7000)對(duì)其拍照,然后用Image J 軟件對(duì)照片進(jìn)行分析處理,得出單果種子數(shù)量與種子的平均面積。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用SAS數(shù)據(jù)處理軟件利用方差分析(ANOVA, proc glm, proc mixed)對(duì)兩個(gè)區(qū)域的光合有效輻射、開花情況、昆蟲訪花頻率和昆蟲每回合的訪花情況進(jìn)行了比較。在光強(qiáng)的分析中,把“區(qū)域”作為一個(gè)固定因素,“日期”作為一個(gè)隨機(jī)影響因素,“時(shí)間”(記為從1到28的連續(xù)變量)及其二次項(xiàng)和它們分別與區(qū)域的交互效應(yīng)都同時(shí)列入固定的變異來源(且結(jié)果均顯著)。在開花情況的統(tǒng)計(jì)中,區(qū)域?yàn)楣潭ㄒ蛩?日期為隨機(jī)因素。比較兩個(gè)區(qū)域的昆蟲訪花頻率時(shí),把花性別、區(qū)域和時(shí)間(同上)作為固定因素,天氣(晴朗和多云兩類)和觀察者作為隨機(jī)因素(交互作用不顯著)。訪花昆蟲的組成在兩個(gè)區(qū)域的區(qū)別采用卡方分析(Chi-Square, proc freq)。昆蟲每回合訪花的分析中,響應(yīng)變量有訪花持續(xù)時(shí)間、單花停留時(shí)間、訪問雄花數(shù)、訪問雌花數(shù)、訪問總花數(shù)和訪問花序數(shù),每個(gè)模型中,區(qū)域、昆蟲種類(由于其他類昆蟲組成十分多樣、不具有代表性,故只計(jì)入4種類型)和每個(gè)回合對(duì)應(yīng)的時(shí)間(同上)都同時(shí)作為固定因素,日期作為隨機(jī)因素(交互作用不顯著),并采用Tukey進(jìn)行事后兩兩比較。針對(duì)花朵和花序數(shù)量的4個(gè)變量,還在模型中分別加入了總雄花數(shù)、總雌花數(shù)、總花數(shù)和總開花花序數(shù)作為協(xié)變量,以分析昆蟲的每個(gè)訪花回合是否受整個(gè)區(qū)域開花情況的影響。繁殖產(chǎn)出方面,兩個(gè)區(qū)域座果率的比較采用響應(yīng)變量為二元的廣義線性混合模型(proc glimmix, dist=binary)；種子數(shù)量和面積的比較采用了方差分析。兩個(gè)模型中固定因素是“區(qū)域”,隨機(jī)因素是“個(gè)體”。為了滿足方差分析的正態(tài)性和方差同質(zhì)性的前提,對(duì)種子面積進(jìn)行了平方根轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果

2.1 兩種環(huán)境的光強(qiáng)與野慈姑的開花情況

日照區(qū)與林蔭區(qū)的光合有效輻射有顯著差別,日照區(qū)的日平均光照強(qiáng)度為(751.6 ± 21.4) μmol m-2s-1,而林蔭區(qū)的為(248.3 ± 11.7) μmol m-2s-1,日照區(qū)顯著偏高(F1,1890=13.67,P=0.0002)。兩個(gè)區(qū)域內(nèi)野慈姑的開花情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：日照區(qū)每日開放的雌花數(shù)、雄花數(shù)、開花總數(shù)量和開花的植株數(shù)都顯著大于林蔭區(qū)(表1),表明光照充足的生長環(huán)境對(duì)植物的有性繁殖存在正向增益。

2.2 兩種環(huán)境訪花昆蟲的訪花頻率

日照區(qū)昆蟲的訪花頻率要高于林蔭區(qū)(圖1),該差異接近顯著(F1,122=3.53,P=0.06),說明光照強(qiáng)的環(huán)境在一定程度上促進(jìn)了昆蟲對(duì)野慈姑單個(gè)花朵單位時(shí)間的訪問。同時(shí),昆蟲訪花的時(shí)間段也對(duì)訪花頻率有顯著的影響(F1,122=6.58,P=0.01),表現(xiàn)為從上午到下午的遞增趨勢(shì)。訪花頻率在雌雄花之間不存在性別差異(F1,122=0.07,P=0.79)

表1 兩種生境下野慈姑的開花情況

圖1 兩種生境下野慈姑的昆蟲訪花頻率 Fig.1 The pollinator visitation frequency on Sagittaria trifolia under two habitats

2.3 兩種環(huán)境的訪花昆蟲種類

野慈姑的訪花昆蟲可大致分為五類：蚜蠅類、蠅類、蜂類、蝶類以及其他類(表2),其他類的昆蟲從物種構(gòu)成上非常多樣,但每種來訪的次數(shù)均較少。林蔭區(qū)記錄共計(jì)49個(gè)次,其中有蚜蠅類23個(gè)次,以黑帶(細(xì)扁)食蚜蠅為主,兼有少量其他種(拉丁名見表2,下同),常見的還有蠅類(絲光綠蠅)11個(gè)次,蜂類(意大利蜂)5個(gè)次,和蝶類(灰蝶科)5個(gè)次；其他類昆蟲有記錄5個(gè)次(日本弓背蟻、二星蝽屬、小長蝽屬、蟹蛛科等)。日照區(qū)記錄共計(jì)51個(gè)次,其中蜂類13個(gè)次,蚜蠅類(黃斑粗腿管食蚜蠅、棕腿斑眼蚜蠅、黑色斑眼蚜蠅、黃道蚜蠅、裸芒寬盾蚜蠅)9個(gè)次,蠅類(絲光綠蠅、口鼻蠅屬、紋蠅屬)7個(gè)次和蝶類(曲紋稻弄蝶、點(diǎn)玄灰蝶、酢漿灰蝶、粉蝶科)4個(gè)次；其他類包括黑異喙蜾贏、墨胸胡蜂、七星瓢蟲、葉舌蜂屬、隧蜂科、指角蠅科等18個(gè)次。除開其他類,四種不同訪花者類型的占比在兩個(gè)區(qū)域有明顯區(qū)別(χ2=9.3,P=0.026; 圖2),林蔭區(qū)的傳粉昆蟲以蚜蠅為主,而日照區(qū)的為蜂類?？傮w而言,野慈姑的花朵能夠吸引多種昆蟲訪花,并不依靠某單一類群,屬于泛化的訪花系統(tǒng)。

表2 野慈姑訪花昆蟲種類名錄

圖2 兩種生境下野慈姑的訪花昆蟲組成Fig.2 Pollinator compositions of Sagittaria trifolia under two habitats

2.4 兩種環(huán)境下訪花昆蟲每回合訪花情況

日照區(qū)的昆蟲每個(gè)回合訪問的花序數(shù)量高于林蔭區(qū)、且訪問的總花數(shù)和雄花數(shù)也顯著高于林蔭區(qū),但是訪問的雌花數(shù)量相當(dāng)(表3)。值得一提的是,整個(gè)區(qū)域的開花情況對(duì)各個(gè)訪問量均沒有線性影響(開放的總花序數(shù)：F1,64=2.23,P=0.14；總花數(shù)：F1,64=0.24,P=0.63；總雄花數(shù)：F1,64=0.07,P=0.80；總雌花數(shù)：F1,64=0.05,P=0.83)。這表明昆蟲訪花行為上的區(qū)別在很大程度上是直接受環(huán)境影響,而不是由兩個(gè)區(qū)域在開花基礎(chǔ)數(shù)量上的差異所導(dǎo)致。雖然每個(gè)訪花回合的持續(xù)時(shí)間在兩個(gè)區(qū)域之間差異不明顯,但是林蔭區(qū)的單花停留時(shí)間有高于日照區(qū)的趨勢(shì)(表3)。

表3 兩種生境下野慈姑傳粉昆蟲的每回合訪花特征

從昆蟲類型來看,蠅類在每個(gè)訪花回合的持續(xù)時(shí)間上顯著長于蜂類(t= 2.73,P=0.04)；且蠅類訪問的雌花數(shù)顯著高于其他3個(gè)類型(F3,65=5.50,P=0.002)。以上結(jié)果說明蠅類訪花習(xí)性明顯與其他的訪花昆蟲不同,表現(xiàn)出偏雌花的喜好和長時(shí)間的停留(圖3)。

圖3 野慈姑不同類型的傳粉昆蟲每訪花回合的訪問特征Fig.3 Pollinators′ visitation characters per foraging bout on Sagittaria trifolia for different pollinator categories

2.5 兩種環(huán)境下野慈姑的繁殖產(chǎn)出

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),日照區(qū)結(jié)實(shí)總量為322個(gè),而林蔭區(qū)為99個(gè)。日照區(qū)的座果率顯著高于林蔭區(qū)(F1,460=17.1,P<0.0001)。單果水平上,林蔭區(qū)的種子數(shù)量與日照區(qū)的基本一致(F1,164=0.16,P=0.69),暗示兩個(gè)區(qū)域的雌花在胚珠數(shù)量上沒有顯著的不同,即光照環(huán)境未影響植株在胚珠上的繁殖投入。同時(shí),林蔭區(qū)的種子平均面積與日照區(qū)的也無顯著差異(F1,164=2.16,P=0.14),表明兩個(gè)區(qū)域的種子質(zhì)量區(qū)別不明顯(圖4)。

圖4 兩種生境下野慈姑的繁殖產(chǎn)出Fig.4 The reproductive output of Sagittaria trifolia under two habitats***表示P<0.001,ns表示兩者之間區(qū)別不顯著

3 討論

3.1 兩個(gè)生境的光照差異及其對(duì)野慈姑的直接影響

光是植物生長必須的能量來源,本實(shí)驗(yàn)在選取野慈姑的兩個(gè)不同生境時(shí)最主要的考量因子是光照,一為沒有任何遮蓋的日照區(qū),另一為林蔭區(qū),實(shí)驗(yàn)證實(shí)兩個(gè)區(qū)域的光合有效輻射存在顯著差異,且日照區(qū)的日平均光強(qiáng)是林蔭區(qū)的3倍左右。除光照外,由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的直線距離僅約800 m,其天氣、降水等氣象因素應(yīng)該相差無幾。盆栽的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也決定了兩個(gè)區(qū)域中土壤和肥力的一致性。雖然氣溫理應(yīng)相當(dāng),但微環(huán)境的溫度通常會(huì)隨著光強(qiáng)的增大而提升[7]。故本研究的兩個(gè)生境應(yīng)該是在光強(qiáng)和溫度上均有差異,表現(xiàn)為日照區(qū)的光強(qiáng)和溫度都高于林蔭區(qū),均更利于植物的生長和有機(jī)物的積累[19]。

從開花階段的表現(xiàn)來看,日照區(qū)野慈姑的每日平均開放雄花數(shù)、雌花數(shù)、總花數(shù)和開花總花序數(shù)均為林蔭區(qū)的2—3倍。由于兩個(gè)區(qū)域野慈姑的基因型構(gòu)成相同(通過球莖克隆分株種植得來),其在開花數(shù)量上的差異體現(xiàn)出環(huán)境的主導(dǎo)作用,表明日照區(qū)野慈姑的資源總量和有性繁殖投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于林蔭區(qū)。值得強(qiáng)調(diào)的是,此處開花數(shù)量在兩個(gè)區(qū)域之間的差異是物理環(huán)境引起的直接響應(yīng),還未涉及到傳粉和結(jié)實(shí)階段的變化。由于本研究只關(guān)注了花水平的數(shù)量差異,對(duì)于更小層次的胚珠或花粉的變化我們不得而知,不過從單果平均種子量和種子面積在兩個(gè)區(qū)域的無差異性推測(cè),林蔭區(qū)應(yīng)該與日照區(qū)相當(dāng),間接證明了生境差異并未導(dǎo)致胚珠數(shù)量或質(zhì)量上的顯著下降。這方面其他植物也有類似的報(bào)道,例如心葉凹唇姜(Boesenbergialongiflora)的單花胚珠數(shù)在三個(gè)不同的生境里并不存在顯著差異[20],可能與植物開花固有的發(fā)育機(jī)理相關(guān)。

3.2 環(huán)境對(duì)野慈姑的間接影響——傳粉

在兩個(gè)生境中,野慈姑訪花昆蟲的組成、昆蟲類型的相對(duì)重要性及其行為有明顯的變化。日照區(qū)的訪花昆蟲較林蔭區(qū)更為多樣,這可能是受日照區(qū)周邊植物群落的影響,該區(qū)域生長了很多具蜜腺的有花植物,如葫蘆科、莧科和菊科植物(作者觀察),吸引了不少種類和數(shù)量的傳粉昆蟲。相對(duì)而言,林蔭區(qū)的“其他類”昆蟲較少,可能是林蔭生境下的群落組成多為陰生植物,如禾本科、三白草科和部分蕨類植物等(作者觀察),而這樣的群落本身對(duì)傳粉昆蟲需求不大,故群落整體的吸引力不強(qiáng)。需要指出的是,蝶類在訪問野慈姑時(shí)均只在花冠停留用較長的口器采蜜,其攜帶花粉的能力較弱(作者觀察),所以兩個(gè)生境中的傳粉昆蟲應(yīng)只包括蜂、蠅、蚜蠅三類。

林蔭區(qū)野慈姑最主要的傳粉昆蟲是食蚜蠅,而日照區(qū)為蜜蜂,這也許是上述不同植物群落的效應(yīng),還可能跟昆蟲本身的習(xí)性相關(guān),如意大利蜜蜂(本研究的傳粉者)的某些品種對(duì)高溫高熱環(huán)境的抗逆性很強(qiáng)[21]。不同生境里傳粉昆蟲的重要性差異基于野慈姑的泛化傳粉系統(tǒng)(generalist),在同類研究中也有一些特化傳粉的植物(specialist)可以同時(shí)控制光照和傳粉昆蟲類型[7],故其變量相對(duì)單一、解釋也更為明確。本實(shí)驗(yàn)中蜂類的訪花在停留時(shí)間上顯著偏短,表現(xiàn)為“短平快”的訪花習(xí)性,有其他研究指出其相較于蚜蠅類昆蟲有更高效的花粉傳遞[21]；且日照區(qū)的蜂類占比較多,這可能對(duì)該區(qū)域野慈姑的結(jié)實(shí)存在一定積極影響。此外,蠅類的訪問行為較為特殊,它們傾向于訪問更多的雌花且停留更長的時(shí)間,然而,長時(shí)間在單一性別的花上停留會(huì)導(dǎo)致花粉得不到高效的傳遞[22],也可能損害花朵的某些結(jié)構(gòu)[23],對(duì)結(jié)實(shí)造成負(fù)面影響。鑒于蠅類在兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的幾率相當(dāng)(25%和21%),不應(yīng)是區(qū)域間繁殖差異的主要原因。

由環(huán)境介導(dǎo)的野慈姑的傳粉差異還表現(xiàn)在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)傳粉昆蟲的訪花頻率和每回合訪問花朵數(shù)量上的大相徑庭。日照區(qū)的昆蟲訪花頻率高于林蔭區(qū),單位時(shí)間內(nèi)訪花次數(shù)的增加可給花朵帶來足量授粉從而促進(jìn)結(jié)實(shí)。這也許是環(huán)境影響的昆蟲行為和花展示特征共同造成,因?yàn)槿照諈^(qū)的開花數(shù)量更大,對(duì)昆蟲的吸引力更強(qiáng),從而提升了單花的訪花頻率,這一結(jié)果與很多研究吻合[7, 12]。在每個(gè)回合的訪問中,傳粉昆蟲在不同生境訪問的雌花數(shù)量均為2個(gè)左右,而日照區(qū)的昆蟲訪問兩倍于林蔭區(qū)的花序數(shù)和雄花數(shù),暗示昆蟲在攜帶花粉數(shù)量和基因多樣性上的倍增。由此推測(cè),即便同是對(duì)雌花的單次訪問,日照區(qū)的昆蟲可能會(huì)傳遞更多高質(zhì)量的花粉,進(jìn)而提升了單次訪問的效益。結(jié)果中已經(jīng)指出,昆蟲在訪問回合中訪花數(shù)量的差異不依賴于區(qū)域內(nèi)的開花數(shù)量,即不論區(qū)域內(nèi)開花多少,日照環(huán)境比林蔭環(huán)境的昆蟲在每個(gè)訪花回合中傾向于訪問更多的雄花和花序,因此,該影響應(yīng)該是環(huán)境對(duì)昆蟲訪花行為獨(dú)立作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

總體而言,日照區(qū)的野慈姑由于其生境內(nèi)光照的提升,開花數(shù)量更多,傳粉昆蟲對(duì)每朵花在單位時(shí)間內(nèi)的訪問次數(shù)更多,每次訪問攜帶花粉的數(shù)量或多樣性更高,最終導(dǎo)致座果率更高。環(huán)境介導(dǎo)的植株繁殖表現(xiàn)能夠在同一方向上不斷積累增加,對(duì)植物的適合度產(chǎn)生更大的增益,最終使得兩個(gè)生境下基因型組成相同的野慈姑在繁殖總量上達(dá)到了3倍以上的差距。雖然日照區(qū)的野慈姑在繁殖過程中的每一步都領(lǐng)先于林蔭區(qū),但從作用強(qiáng)度上看,環(huán)境因子對(duì)花朵數(shù)量的直接影響占主導(dǎo)地位；而其間接影響,由環(huán)境介導(dǎo)的傳粉昆蟲的組成和行為的作用,對(duì)結(jié)實(shí)差異的貢獻(xiàn)量相對(duì)較小。光照條件更好的環(huán)境下植物的繁殖產(chǎn)出往往更高[7, 24],這幾乎是眾所周知的現(xiàn)象；然而,本文從細(xì)節(jié)出發(fā),量化每個(gè)繁殖階段的表現(xiàn),特別是傳粉昆蟲在不同生境下的響應(yīng),從機(jī)制上闡述了繁殖差異產(chǎn)生的原因。同時(shí),本文也指出此類研究中同時(shí)關(guān)注植物、物理環(huán)境和生物因子三者之間互作的重要性,只有這樣,才能從根本上理解環(huán)境的異質(zhì)性對(duì)于植物生長和繁殖的影響。

致謝：感謝湖北大學(xué)梁熙健、廖明林同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助,苗璐、李樂娜對(duì)寫作的幫助。

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