木芙蓉的繁育系統(tǒng)及傳粉生物學(xué)1)

王連軍 楊慶華 高偉祥 宋昌梅

(上海辰山植物園，上海，201602)

木芙蓉(Hisbiscusmutabilis)是錦葵科木槿屬落葉灌木或小喬木,別名大芙蓉、拒霜花，原產(chǎn)于中國。在湖南、云南、四川、南寧、杭州等地均有分布，木芙蓉花大而艷麗、花期長，觀賞價值極高，因而在園林中的應(yīng)用較廣[1-2]。

近年來，國內(nèi)外對木芙蓉進行了一些研究,主要集中在基本栽培技術(shù)、育苗擴繁、引種馴化[3-6]；也有一些研究集中在芙蓉藥用成分及利用方面[7-10]，鹽脅迫下木芙蓉的抗氧化脅迫也有一些研究[11]，表明木芙蓉有一定的抗鹽堿能力。關(guān)于木芙蓉花期特征和不同時期花的結(jié)構(gòu)也有少量報道[12-14]。

一般認(rèn)為，植物花的特征和它的傳粉和繁育系統(tǒng)是相互適應(yīng)的,比如花的顏色、大小、形狀和對稱性等[15-18]。國內(nèi)外對木槿屬花卉植物的開花特征和繁育系統(tǒng)的研究較少，木槿屬植物中單瓣木槿和野西瓜的繁育系統(tǒng)有報道[19-20],認(rèn)為單瓣木槿屬于兼性異交類型，而野西瓜屬于專性自交類型。

然而國內(nèi)外對木芙蓉開花特性研究較少,繁育系統(tǒng)和傳粉生物學(xué)更是尚未見到報道，本文研究結(jié)果不僅可以為木芙蓉的繁育特征提供參考,而且還可以為木芙蓉的雜交育種和新品種培育提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取的試驗材料為單瓣粉色木芙蓉，試驗地為上海辰山植物園，試驗地平均海拔4.5 m,年最低氣溫-3 ℃，最高氣溫39 ℃，年降水量1 271.9 mm。

1.2 木芙蓉的花期物候及花部特征觀察

花期物候觀察：2017年4月份至2019年11月份,選取5棵地栽木芙蓉，記錄始花日(第一朵花開放的日期)及終花日(最后一朵花開放的日期),記錄下日均氣溫；并對單花花期和整體花期進行觀察和記錄。

木芙蓉的花部特征：隨機選取30朵已經(jīng)完全盛開的花朵，通過直接觀察以及數(shù)碼相機拍攝、游標(biāo)卡尺等工具來記錄測量相關(guān)性狀[21]。

1.3 柱頭的可授性及花粉活力測定

花粉活力的測定,采集當(dāng)天開花的、處于不同時間段的花朵,用0.5%的2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色,置于25 ℃恒溫箱中30 min,在顯微鏡下觀察花粉的染色情況，每個觀察重復(fù)3遍[22]。參照Dafni et al.[23]的方法,采集處于不同時間點的柱頭,將其置于凹面載玻片上,滴加聯(lián)苯胺—過氧化氫(V(體積分?jǐn)?shù)1%聯(lián)苯胺)∶V(體積分?jǐn)?shù)3%過氧化氫)∶V(水)=4∶11∶22)溶液,檢測柱頭可授性,每個花期重復(fù)3遍。若柱頭具可授性,則柱頭周圍的反應(yīng)液呈現(xiàn)藍(lán)色并有大量氣泡出現(xiàn),根據(jù)氣泡數(shù)的多少確定其柱頭可授性的強弱[24]。觀察到的氣泡很少或出現(xiàn)不明顯藍(lán)色，記為+/-;當(dāng)觀察到的氣泡很少或出現(xiàn)不明顯藍(lán)色,記為+；當(dāng)觀察到產(chǎn)生大量氣泡或者藍(lán)色明顯，記為++；當(dāng)觀察到產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)樗{(lán)紫色，記為+++。

1.4 雜交指數(shù)估算

雜交指數(shù)(OC，I)的估算,按照Dafni[25]的標(biāo)準(zhǔn)計算，花朵或花序直徑為1 mm記為0;1 mm

1.5 花粉數(shù)/胚珠數(shù)計算

花開放前隨機選取成熟的花蕾各30個,在室內(nèi)待花藥全部開裂,先制成花粉懸浮液,再用花粉懸浮液制成載玻片標(biāo)本,體視顯微鏡下觀察統(tǒng)計花粉數(shù)。取每朵花的子房在體視顯微鏡下解剖,記錄花中胚珠數(shù),根據(jù)Cruden[26]的方法計算其花粉數(shù)/胚珠數(shù)(P/O),并確定繁育類型。P/O=2.7～5.4時,該植物是閉花受精;P/O=18.1～39.0時，為專性自交;P/O=31.9～396.0時為兼性自交;P/O=244.7～2 588.0時為兼性異交。

1.6 不同授粉方式對木芙蓉結(jié)果率影響的測定

通過各種處理來檢測授粉方式對木芙蓉結(jié)果率的影響。在木芙蓉的盛花期(大量花朵盛開)花朵展開前，對木芙蓉的授粉方式進行處理(表1)。每個處理15朵花，3次重復(fù)(即選擇3個晴朗的早上，做上述試驗),1個月后統(tǒng)計發(fā)育的果實個數(shù)及未發(fā)育的果實個數(shù)，統(tǒng)計其座果率;2個月后待處理的木芙蓉果實成熟,剝出種子,記錄不同授粉方式下的單個果實的種子總數(shù),計算出每個果實的平均種子個數(shù)；種子剝出后,裝入自封袋中,通風(fēng)干燥一段時間后,晾干后春季播種,統(tǒng)計萌發(fā)率。不同授粉方式結(jié)果率=(果實個數(shù)/花的個數(shù))×100%；不同授粉方式平均種子個數(shù)=(不同授粉方式總的種子個數(shù)/發(fā)育的果實個數(shù))×100%；萌發(fā)率=(萌發(fā)種子個數(shù)/播種的種子總數(shù))×100%。

表1 各種授粉處理方式

1.7 昆蟲訪花及傳粉行為檢測

采用固定地點法檢測來訪昆蟲,即選取5棵試驗用地栽木芙蓉,根據(jù)膜翅目、鱗翅目、鞘翅目等昆蟲活動的高峰時間,選取晴天08:00—17:00進行連續(xù)觀察，每棵木芙蓉選擇10朵花,每2 h觀察1次,每天觀察6次,并且記錄下訪花昆蟲的種類以及每次訪花的時間,訪花時間用秒表來計算[27]。

1.8 數(shù)據(jù)處理

花朵的各種參數(shù)、花粉活力、雜交試驗、種子個數(shù)等指標(biāo)，用軟件Sigma Plot 8.0處理數(shù)據(jù)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 木芙蓉開花特征及花期特點

木芙蓉花部特征：如圖1所示,木芙蓉花大而艷麗,有蜜腺，花朵開放于枝端葉腋處，花冠顏色粉紅色，直徑可達(dá)10 cm;花為兩性花,具有雄蕊、雌蕊、花萼、花冠;花冠5瓣，折疊式排列，花內(nèi)側(cè)基部為粉紅色；花萼5片，密被星狀毛；雄蕊是單體雄蕊,連合成管狀的雄蕊柱,花藥多,花粉黃色;花柱5個,聯(lián)合成管狀,柱頭5個分支,子房5個；果實為蒴果，呈扁球形,種子腎形，有長柔毛。

圖1 木芙蓉花

木芙蓉花部參數(shù)：木芙蓉花朵較大,花冠直徑可達(dá)100 mm,花瓣長可達(dá)60 mm、寬可達(dá)50 mm;花萼長25 mm、寬12 mm;花柱長為30 mm;花絲較長,可達(dá)51 mm;而子房長7 mm,花藥長1.95 mm。

木芙蓉花期：如表2所示,2017年,花期為7月10日—11月15日,歷時125 d；2018年,花期為7月20日—11月10日,歷時110 d；2019年,花期為7月15日—11月13日,平均花期可達(dá)115 d以上。溫度對植物的開花日期有很大影響,文中觀察到的木芙蓉第一朵花開的日均溫為(25.0±2.3)℃，最后一朵花開的溫度為(18.5±1.5)℃。

表2 木芙蓉的花期

據(jù)觀察,木芙蓉單花花期較短,歷時1 d左右,第2天開始花瓣開始失水變軟,花冠部內(nèi)外層花被片均向中心緊縮,第3天干枯脫落。但是隨著新梢生長,在新生莖稈不斷形成花苞,不斷有鮮花盛開。

2.2 花粉活力的檢測

如圖2所示,在木芙蓉的開花當(dāng)天,07:00柱頭具有一定的可授性，07:00—13:00,花粉活力隨著時間不斷增高,13:00—19:00花粉活力整體呈現(xiàn)下降趨勢。第二天早上,花粉活力已經(jīng)很低?？v觀開花當(dāng)天,花粉都具有一定的活力，這為木芙蓉的成功授粉提供了先決條件。

圖2 開花當(dāng)天花粉活力的檢測

2.3 柱頭可授性

如表3所示,07:00柱頭具有可授性,10:00柱頭的可授性增強,從10:00—13:00,柱頭可授性逐漸達(dá)到最大值,13:00—19:00逐步減弱,但是柱頭仍然具有可授性;表明從07:00—19:00,木芙蓉的柱頭都有一定程度的可授性。這也為柱頭的成功授粉提供了先決條件。第2天早上柱頭可授性已經(jīng)降到很弱。

表3 木芙蓉的柱頭可授性

2.4 雜交指數(shù)(OC，I)

木芙蓉的花朵直徑為90 mm,大于6 mm,OC，I值記為3;開花時柱頭與花藥在空間位置上是分離的，柱頭位置比花藥高,OC，I值記為1;花藥散粉初期柱頭和花藥都已經(jīng)成熟，OC，I值記為0;三者之和為雜交指數(shù),故木芙蓉雜交指數(shù)(OC，I)為4,依據(jù)Dafni[26]的標(biāo)準(zhǔn),木芙蓉的繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和、需要傳粉者。

2.5 花粉數(shù)/胚珠數(shù)與繁育系統(tǒng)

木芙蓉雄蕊多數(shù),具花藥平均150枚,花粉量較大。試驗結(jié)果表明,木芙蓉的單花平均花粉數(shù)為53 650個,單花胚珠數(shù)平均為148個,花粉數(shù)/胚珠數(shù)為415,依據(jù)Cruden[26]的標(biāo)準(zhǔn),P/O值為244.7～2 588.0,故木芙蓉的繁育系統(tǒng)屬于兼性異交類型。

2.6 不同授粉方式對木芙蓉座果率及種子個數(shù)的影響

如表4所示,自然狀態(tài)下未經(jīng)處理的木芙蓉結(jié)實率高達(dá)74%,說明自然狀態(tài)下授粉的效果很理想,自然授粉率很高。而直接套袋處理(B)后座果率為0,表明木芙蓉的自然自交需要傳粉者;去雄套袋處理(C)的座果率為0,表明木芙蓉不存在孤雌生殖等無融合生殖;人工同株同花授粉(E)座果率為40%,人工同株異花授粉(F)座果率為44%,二者沒有顯著差異(P>0.1)，表明木芙蓉自交部分親和；去雄不套袋自然異花授粉處理(D)后，座果率為67%,表明自然狀態(tài)下異花花粉有較高的親和性;異株異花人工授粉(G)的座果率為71%,結(jié)合直接套袋處理(B)后座果率為0，表明木芙蓉異交(雜交)需要傳粉者,這和木芙蓉的兼性異交類型的繁育系統(tǒng)相吻合。而這些處理組和自然狀態(tài)下(A)相比，座果率都低一些,表明自然條件下的傳粉效果更好。

如表4所示,由于直接套袋(B)和去雄套袋(C)沒有收到種子,故不作比較。自然狀態(tài)下(A)，木芙蓉單個果實的平均種子個數(shù)為148粒,其他各種處理(D、E、F、G)和對照(A)相比,每個果實的平均種子個數(shù)為128～148粒,差別不大,表明這幾個處理不影響果實的結(jié)籽率。

如表4所示,由于直接套袋(B)和去雄套袋(C)沒有收到種子,故不作比較。自然狀態(tài)下(A),種子萌發(fā)率為60%;其他各種處理(D、E、F、G)和對照(A)相比,每個果實的種子萌發(fā)率為47%～60%,差別不大,表明這幾種處理不影響種子的萌發(fā)率。

表4 不同授粉方式下木芙蓉的座果率及種子萌發(fā)率

2.7 木芙蓉的傳粉特征

如圖3所示，在木芙蓉的花期中，觀察到多種傳粉昆蟲，包括膜翅目的蜂類以及小型甲蟲。蜂類包括中華蜜蜂、黑小蜜蜂等。蜂類一般具有飛行距離遠(yuǎn)、訪花速率高、傳粉效率高的特點，蜂類在訪花時，其頭部朝下，足部抓在合蕊柱上以固定身體，大多直接通過振動采集花粉吸食花蜜，偶爾直接仰臥在花盤基部通過振動收集降落花粉；中華蜜蜂和黑小蜜蜂訪花集中在09:00—16:00，一般在單花上停留15～20 s，然后飛向另外一朵花；小型甲蟲訪花集中在09:00—17:00，一般在單花上停留10～30 s，然后飛向另外一朵花，如此，在昆蟲的傳粉下，同株同花、同株異花、異株異花的傳粉都能完成。

1.中華蜜蜂；2.黑小蜜蜂；3.甲蟲。

除了昆蟲傳粉，在木芙蓉的盛花期，花朵非常多，植株各個高度都有大量花朵，據(jù)觀察，在有風(fēng)的天氣，尤其是風(fēng)力大于5級的情況下，成熟的花粉在風(fēng)力的作用下，會落到下層木芙蓉的柱頭上，同樣能完成授粉。

3 結(jié)論與討論

一般認(rèn)為植物花的特征和它的傳粉特征及繁育系統(tǒng)是相互適應(yīng)的,比如花的大小、顏色、形狀等[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，木芙蓉的繁育系統(tǒng)屬于異交類型，即自交部分親和，需要傳粉者，這和木槿屬野西瓜的繁育系統(tǒng)不同，而和木槿屬單瓣白花木槿的繁育系統(tǒng)一致[20]。

從不同授粉方式的結(jié)果率來看，自然條件下(A)和人工自花授粉(E)有一定的座果率。這和木槿屬木槿的自然座果率相似,木槿自然座果率為80%,且同株同花也有一定的座果[20-21]。而且在自然狀態(tài)下的結(jié)果率更高，這可能因為人工去雄等處理會對花的結(jié)構(gòu)造成一定的損傷有關(guān)。另一方面,木芙蓉單花花期較短,從開花到花謝,昆蟲也只有1d的訪問時間,如果受到外界環(huán)境的影響(如降雨、光照等),花朵不能在當(dāng)天開放或者昆蟲不能在開花當(dāng)天訪花,結(jié)實率就可能很低或無果。這也不利于種子的形成。

一般認(rèn)為植物的傳粉系統(tǒng)由3個部分組成，即柱頭、花粉和傳粉媒介[28],木芙蓉的單花花期1 d,在這1 d內(nèi),花藥散粉初期柱頭和花藥都已經(jīng)成熟,花粉活力也沒有問題,而且在木芙蓉的花期中觀察到多種傳粉昆蟲，即中華蜜蜂、黑小蜜蜂等昆蟲。故木芙蓉的傳粉系統(tǒng)是完整的。

文中對木芙蓉的花部特征及花期進行了闡述;并且通過雜交指數(shù)及花粉數(shù)/胚珠數(shù)的研究，揭示了木芙蓉的繁育系統(tǒng)屬于兼性異交類型,即部分自交親和,異交需要傳粉者;同時對不同授粉方式下的結(jié)果率進行了研究，這和其繁育系統(tǒng)相吻合;同時研究表明，傳粉昆蟲主要為蜂類、甲蟲，其中中華蜜蜂、黑小蜜蜂為主要傳粉昆蟲。