3種瑞香花部性狀的對比研究及對坐果的影響

劉淑娟 周華 楊愛紅

摘要：通過3種瑞香屬植物甘青瑞香、橙花瑞香和金邊瑞香的花部性狀調(diào)查、傳粉昆蟲觀察，以及花粉胚珠比（P/O）和坐果率的統(tǒng)計分析，探究瑞香屬植物柱頭縮入式雌雄異位和花部性狀的進化及適應(yīng)意義。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種瑞香均為管狀花結(jié)構(gòu)，花藥2輪，屬柱頭縮入式雌雄異位，需要特化的傳粉者為其傳粉;據(jù)P/O推測，橙花瑞香和金邊瑞香的繁育系統(tǒng)為專性異交，而甘青瑞香為兼性異交;訪花觀察發(fā)現(xiàn)，3種瑞香的傳粉者均較稀少;坐果率統(tǒng)計結(jié)果表明，特殊的花部結(jié)構(gòu)、異交為主的繁育系統(tǒng)結(jié)合傳粉者的不足直接導(dǎo)致3種瑞香的低坐果率。

關(guān)鍵詞：瑞香;花部性狀;傳粉;繁育系統(tǒng);坐果率

花部性狀影響植物的傳粉和交配格局，其適應(yīng)意義一直是植物生殖生態(tài)學(xué)和進化生物學(xué)研究的熱點之一[1]?；ú啃誀羁煞譃榛ㄔO(shè)計（floral design）和花展示（floral display）2個層次[2]?；ㄔO(shè)計包括花的顏色[3]、形狀[4]、大小[5]、對稱性[6]、花粉數(shù)量[7]、花粉胚珠比[8]、雌雄異位[9-10]和雌雄異熟[1，11]等;花展示包括花在某一時刻開放的數(shù)量和花在花序上的排列方式[1，12-13]。兩性花植物的花在形態(tài)學(xué)上具有多樣化的適應(yīng)方式，其主要目的是通過降低兩性器官間干擾以及減少雄配子浪費而提高植物的雄性生育力[13]。其中雌雄異位（herkogamy）是一種重要的花部適應(yīng)機制，即通過花藥和柱頭在位置上的空間分離，是可顯著降低同株異花授粉水平，從而影響植物交配格局的一種花部機制[2]。3種被普遍認知的雌雄異位方式是柱頭探出式雌雄異位、柱頭縮入式雌雄異位和互補式雌雄異位。在柱頭探出式雌雄異位中，同一花中柱頭的高度在花藥的上方，這種異位方式在自然界中普遍存在[2]，幾乎出現(xiàn)在所有科的開花植物中?；パa式雌雄異位是柱頭和花藥在高度上互補異位，主要出現(xiàn)在一些特化的科屬中，如報春花科（Primulaceae）報春花屬（Primula）、紫草科（Boraginaceae）紫草屬（Lithospermum）。在柱頭縮入式雌雄異位中，柱頭的高度位于花藥的下方，這種方式不及柱頭探出式雌雄異位普遍，但在瑞香科（Thymelaeaceae）、鴨跖草科（Commelinaceae）、百合科（Liliaceae）等較進化的科中都有出現(xiàn)。雌雄異位在動物傳粉的植物中非常普遍，尤其是互補式雌雄異位和柱頭探出式雌雄異位，在自然界中存在較多，對其進化及適應(yīng)意義的研究也相當深入，但柱頭縮入式雌雄異位在自然界中相對較少存在，對其適應(yīng)意義的研究也少之又少。

瑞香科（Thymelaeaceae）瑞香屬（Daphne Linn.）植物具有重要的觀賞和利用價值，其開花量大，樹形美觀，花香濃郁，深受人們的喜愛，如甘青瑞香被作為綠化樹種開發(fā)利用[14]，金邊瑞香作為名貴的盆栽花卉進入千家萬戶[15]。前期觀察發(fā)現(xiàn)，瑞香屬植物多為灌木，開花量大但坐果率低，其花具有典型的柱頭縮入式雌雄異位的特點，管狀小花，花藥2輪分別位于花冠管的管口和中部，柱頭位于花冠管的基部，但對此花部特征的存在及適應(yīng)意義卻尚不清楚，也無人研究。本研究對甘青瑞香、橙花瑞香和金邊瑞香3種瑞香屬植物的花部性狀、繁育系統(tǒng)、傳粉系統(tǒng)及其坐果率等進行調(diào)查研究，旨在為進一步了解瑞香屬植物的生殖生物學(xué)特性及闡明柱頭縮入式雌雄異位和相關(guān)花部性狀的進化意義提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所選材料為3種瑞香屬植物，分別是金邊瑞香（D. odora var. marginata，圖1-A），是瑞香的變種，常綠小灌木，葉片邊緣淡黃色，中部綠色，是中國傳統(tǒng)名花，世界名花。葉互生，紙質(zhì)，長圓形或倒卵狀橢圓形，花開早期外面淡紫紅色，內(nèi)面肉紅色，花開后期變?yōu)榘咨?，?shù)朵至十幾朵組成頂生頭狀花序，花香濃郁，全國各大城市均有栽培。橙花瑞香（D. aurantiaca Diels，圖1-B），別名云南瑞香、黃花瑞香、萬年青，矮小灌木，高0.6～1.2 m，多分枝，枝短，幼時紅褐色或褐色，老時棕褐色或褐色。生長于海拔2 600～3 500 m的石灰?guī)r陰坡雜木林中或灌叢中。葉小，對生或近對生，密集簇生于枝頂，紙質(zhì)或近革質(zhì)。花橙黃色，管狀小花，芳香，2～5朵簇生于枝頂或部分腋生。產(chǎn)自四川西南部（鄉(xiāng)城、會東）、云南西北部麗江-香格里拉一帶。甘青瑞香（D. tangutica Maxim，圖1-D至圖1-F），又名唐古特瑞香、陜甘瑞香，產(chǎn)自山西、陜西、甘肅、青海、四川、貴州、云南、西藏。生于海拔1 000～3 800 m 的潤濕林中。常綠灌木，高0.5～2.5 m，不規(guī)則多分枝;枝肉質(zhì)，較粗壯，幼枝灰黃色，分枝短，較密，老枝淡灰色或灰黃色，微具光澤，葉跡較小，葉互生，革質(zhì)，多集中在花序之下，條狀披針形或長圓狀橢圓形?；ㄩ_早期為外面紫色或紫紅色，內(nèi)面白色，花開后期變?yōu)榘咨?，香味持久，頭狀花序生于小枝頂端。本研究對于橙花瑞香和甘青瑞香的野外試驗部分是2015—2016年在云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣高山植物園（27°54′50″N，99°38′17″E，海拔3 300 m）及其周邊山上開展的，對于金邊瑞香的研究是在江西省南昌市江西省科學(xué)院（115°59′32″E、28°41′57″N，海拔20 m）的花卉種植基地完成的。

1.2 方法

1.2.1 花部特征測量 為了調(diào)查3種瑞香的花部結(jié)構(gòu)，在各自盛花期分別隨機選取50株個體，每株選取正在開放的單花1朵，用數(shù)顯游標卡尺測其特征值，測量指標包括花寬、開口大小、花冠長、柱頭高、上輪花藥高、上輪花藥長、下輪花藥高、下輪花藥長，并計算出上輪花藥距柱頭的距離和下輪花藥距柱頭的距離，所測得的平均值作為該花性狀的表型值（圖2）。

1.2.2 花粉產(chǎn)量及大小、胚珠產(chǎn)量的測定 野外收集來自不同植株的花藥未開裂的花20～30朵，分別盛放于70%乙醇的 2 mL 離心管中保存，帶回試驗室。在試驗室中農(nóng)將每朵花的8個花藥取出，放在小研缽中充分研碎，在容量瓶中稀釋至 5 mL，混勻，用移液器隨機吸取5滴（每滴50 μL）放于載玻片上，在100×顯微鏡下數(shù)花粉的數(shù)量，將5滴的平均值乘以稀釋倍數(shù)100，即為該花的花粉產(chǎn)量[16]。之后將子房放在體視顯微鏡下解剖，并將胚珠均勻散開，統(tǒng)計胚珠數(shù)量。

對于花粉粒大小的測量，筆者先在顯微鏡下給花粉拍照，每個種選擇70粒花粉，并在同一放大倍數(shù)下拍下參考標尺的照片，然后在IP 5.0軟件下先測量參考標尺的長度，并計算出測量長度與實際長度的換算比例，然后測量花粉的長度，并用換算比例計算出花粉的實際大小，因花粉基本為圓形，用花粉直徑作為衡量花粉粒大小的指標。

1.2.3 訪花觀察 在各自盛花期隨機選取橙花瑞香、甘青瑞香、金邊瑞香各1株，統(tǒng)計正在開放的花數(shù)，以30 min為1個時間段，從09：00至17：00記錄來訪昆蟲的種類、訪花數(shù)量、

訪花行為以及訪問單花的時間。當訪花蟲體接觸到花藥即為1次有效的訪問。晚上訪花觀察從19：00至21：00，用紅色的布罩著手電筒以減少光線對蛾類訪花的干擾[17]，同白天觀察方法一樣，記錄夜間訪花者的種類和行為。訪花觀察每種均在60個時間段，30 h以上。

1.2.4 開花及坐果率統(tǒng)計 開花期隨機標記3種瑞香各20株，盛花期統(tǒng)計其開花數(shù)，待種子成熟時再統(tǒng)計其結(jié)果數(shù)，計算其坐果率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、作圖均采用 SPSS 19.0軟件，用 One-Way ANOVA（單因素方差分析）進行物種間的方差分析與比較，統(tǒng)計數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 花部特征測量

3種瑞香的花均為管狀結(jié)構(gòu)，花冠管的長度分別為橙花瑞香（6.76±0.93） mm，甘青瑞香（8.05±0.75） mm，金邊瑞香（13.73±1.29） mm;開口都比較小，大小分別為橙花瑞香（1.27±0.21） mm，甘青瑞香（1.54±0.29） mm，金邊瑞香（2.01±0.44） mm;柱頭位于花冠管的下部，花藥2輪位于柱頭的上方，下輪著生于花管筒的中部，上輪著生于花管筒的喉部稍下位置（圖1-C）。單因素方差分析（One Way ANOVA）結(jié)果表明，3種瑞香的開口大小、花寬、花冠長、上輪花藥高、上輪花藥長、下輪花藥高、柱頭高均存在極顯著差異（P<0.01），下輪花藥長在3個種間不存在顯著差異（F=0.372，P=0.69），上、下輪花藥與柱頭的距離在3個種間均不存在顯著差異（表1）。

2.2 花粉、胚珠產(chǎn)量

3種瑞香的單花花粉產(chǎn)量存在較大差異，分別為橙花瑞香8 059粒，甘青瑞香488粒，金邊瑞香14 369粒，而其胚珠數(shù)都只有1個，因此P/O分別為橙花瑞香8 059，甘青瑞香488，金邊瑞香14 369，也存在較大差異（表2）。根據(jù)Cruden的標準[18]，P/O為2.7～5.4時，其繁育系統(tǒng)為閉花受精; P/O為18.1～39.0時，繁育系統(tǒng)為專性自交;P/O為31.9～396.0時，繁育系統(tǒng)為兼性自交;P/O為244.7～258 8.0 時，繁育系統(tǒng)為兼性異交;P/O為2 108.0～195 525.0 時，繁育系統(tǒng)為專性異交。據(jù)此標準判斷，橙花瑞香和金邊瑞香的繁育系統(tǒng)為專性異交，而甘青瑞香為兼性異交?；ǚ郛a(chǎn)量在3個種間也存在顯著差異，且表現(xiàn)出花粉產(chǎn)量越大，花粉越小的趨勢。

2.3 訪花觀察

3種瑞香的訪花者均較少，橙花瑞香偶爾有食蚜蠅和蠅類訪問，而夜間訪花的蛾類雖然訪問頻率也比較低，觀察期間僅看到2頭或1頭訪問3朵花，另1頭訪問2朵花[19];甘青瑞香偶爾也有甲蟲和蠅類的到訪（圖1-D、E），整個訪花觀察僅看到1頭紅腹熊蜂（圖1-F）訪問甘青瑞香，而且在同一株上連續(xù)訪花10朵以上;金邊瑞香因開花時期為一年中最冷的冬天，傳粉昆蟲稀少，整個訪花觀察中沒有看到任何訪花者。食蚜蠅和蠅類雖然訪花，但在花上駐留的時間短，且它們的喙部也較短，而瑞香屬花的花管均比較長（橙花瑞香長 6.76 mm，甘青瑞香長8.05 mm，金邊瑞香長13.73 mm）且柱頭位于花管基部，所以食蚜蠅和蠅類不能為瑞香屬花傳粉，為無效的傳粉者。蛾類及熊蜂因其口器較長，可以同時接觸到花藥和柱頭，并為其傳粉，被視為有效的傳粉者，但蛾類及熊蜂一般都在同一株植物上訪問數(shù)朵花，這也容易造成自花花粉在柱頭的落置，導(dǎo)致花粉浪費。

2.4 坐果率統(tǒng)計

對每種瑞香20株個體的開花及坐果率統(tǒng)計結(jié)果顯示，甘青瑞香的單株開花數(shù)均在100朵以上，而其平均自然結(jié)果數(shù)只有每株2個，其平均自然坐果率不到2.1%，而橙花瑞香的單株開花量更大，在幾百甚至上千朵，而其平均自然結(jié)果數(shù)只有9個，其坐果率不到1.1%，金邊瑞香沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)果，因此其坐果率為0。

3 結(jié)論與討論

花部特征分析表明，3種瑞香結(jié)構(gòu)相似，為典型的管狀花，花的開口較小，只有1～2 mm，這種結(jié)構(gòu)限制了訪花者的行為，使一些短吻的訪花者類型如蠅類和食蚜蠅類均不能有效地進行傳粉。短吻的傳粉者不能訪問管狀花，因為短吻無法伸進管狀花中吸取花的報酬（指基部的花蜜）; 而長吻的熊蜂則能從各種形態(tài)的花中取食花蜜，因而在許多傳粉網(wǎng)絡(luò)中成為泛化傳粉者[20]。從植物的角度看，具有特殊結(jié)構(gòu)（特化）的花往往被特定的傳粉者訪問，而泛化的花則會吸引多種傳粉者[21]。不可否認，植物花部構(gòu)造對傳粉者的適應(yīng)施加了選擇壓力，特化的花是植物從花部結(jié)構(gòu)上過濾掉一些訪花者的繁殖策略。而花藥2輪排列，且柱頭位于最基部，同一花內(nèi)上輪花藥、下輪花藥和柱頭高之間沒有重疊，單個物種在3個特征間也表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象（圖3），屬于柱頭縮入式雌雄異位。柱頭、花藥在空間結(jié)構(gòu)上的分離，對其適應(yīng)意義的理解應(yīng)該是避免雌雄功能的干擾[22-24]，而不是僅僅作為一種避免自交的機制[2，24]。

花粉胚珠比為判斷植物繁育系統(tǒng)類型提供了重要依據(jù)[18，25]，可用于確定植物繁殖系統(tǒng)和定量評定其形態(tài)學(xué)特征。3種瑞香花粉產(chǎn)量大，尤其是橙花瑞香和金邊瑞香，而胚珠只有1個，具有明顯的異交物種特征，按照Cruden的花粉胚珠比的觀點，3種瑞香的P/O結(jié)果均顯示了較高的自交不親和性，橙花瑞香和金邊瑞香為專性異交，而甘青瑞香為兼性異交，橙花瑞香的結(jié)論與人工授粉的結(jié)果相一致[18]，這進一步降低了利用自身花粉受精的可能。也進一步證實了雌雄異位的主要功能是避免雌雄功能的干擾，而不是僅僅作為一種避免自交的機制[2，24]。雌雄異位和自交不親和性的同時存在被認為是避免自交和提高物種適合度的重要保障[24，26-27]，這在異型花柱植物中表現(xiàn)的尤為突出，如報春花屬植物[28]。

3個瑞香物種坐果率統(tǒng)計結(jié)果表明，坐果率都相當?shù)?，甘青瑞香的不?.1%，橙花瑞香的不到1.1%，金邊瑞香的基本為0。這與3種瑞香的訪花觀察結(jié)果相一致，甘青瑞香偶爾有熊蜂訪問，但訪問頻率很低，觀察30 h僅看到1頭，訪花10朵以上;橙花瑞香觀察到了夜間訪花的蛾類，但訪問頻率更低，觀察30 h，一共只訪問了5朵花， 而金邊瑞香整個訪花

觀察期間沒有看到有效傳粉者。這與另外2種瑞香屬植物D. rodriguezii和D. gnidium的訪花及坐果率統(tǒng)計結(jié)果相似，坐果率也都在5%以下[29]。可見瑞香屬中花部結(jié)構(gòu)的特殊性、自身繁育系統(tǒng)的限制（自交不親和）結(jié)合有效傳粉者的不足是該屬植物坐果率低的主要原因。

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