總狀鳳仙花的花部特征和繁育系統(tǒng)研究

曹孟會，李文祥，劉 松，李芹梅，賈 顏，李 茜，聞永慧，黃海泉，黃美娟

（西南林業(yè)大學 園林園藝學院/國家林業(yè)和草原局西南風景園林工程技術(shù)研究中心/云南省功能性花卉資源及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心/園林園藝花卉研發(fā)中心，云南 昆明 650224）

【研究意義】早在1753年林奈（Linnaeus）就已經(jīng)建立了鳳仙花屬[1]，其種類已超過1 000種[2]。鳳仙花屬植物的5 個世界初生起源中心已被確認，即熱帶非洲（110 種）、馬達加斯加（170～190 種）、印度南部和斯里蘭卡（150種）、東喜馬拉雅（120種）和東南亞（300種）[3]。中國鳳仙花屬植物在地理上的分布具有明顯的區(qū)域性：絕大多數(shù)為我國西南地區(qū)分布的特有種類；滇黔桂石灰?guī)r地區(qū)的特有性則更為顯著[4]。鳳仙花屬植物通常生活于林下、路旁溝渠、河流沿岸等地。鳳仙花屬植物以花色多樣化和具有兩側(cè)對稱花為主要特征，被認為是“雙子葉的蘭科植物”[5]?？偁铠P仙花（Impatiens racemosa）具有兩側(cè)對稱狀黃色花冠，花色明亮醒目，花香清新淡雅，主要分布于云南省、西藏自治區(qū)、印度、不丹和尼泊爾等地區(qū)[6]，生長在海拔1 700～2 400 m的林下及路旁溝渠。在園林中總狀鳳仙花可用作花壇花鏡的鑲邊植物或室內(nèi)盆栽植物，同時其植株的各個部分皆可入藥，具有很好的開發(fā)和利用價值。【前人研究進展】目前國內(nèi)關(guān)于鳳仙花屬植物花部特征和繁育系統(tǒng)的研究僅有極少數(shù)報道：毛志斌等[7]研究指出側(cè)穗鳳仙花能夠通過特殊的花部器官結(jié)構(gòu)來避免自交；肖樂希等[8-9]探究了華鳳仙、瑤山鳳仙花、湖南鳳仙花、山地鳳仙花等4種鳳仙花的花部特征、傳粉者種類和訪花特性，提出花被片結(jié)構(gòu)在繁殖中的作用與其大小程度和相對位置有關(guān)；田建平[10]首次闡述和探討了匍匐鳳仙花與傳粉昆蟲相互適應(yīng)和協(xié)同進化的問題；李艷紅等[11]則通過研究紅雉鳳仙花結(jié)籽的花粉限制發(fā)現(xiàn)了花粉的一系列特性?！颈狙芯壳腥朦c】然而迄今對總狀鳳仙花的研究主要集中在生存環(huán)境與經(jīng)典形態(tài)分類方面，其繁育研究尚未見相關(guān)報道，野生種質(zhì)資源的相關(guān)開發(fā)利用工作仍處于起步階段?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以總狀鳳仙花為研究對象，對其花部形態(tài)和繁殖生物學進行探究，以期為總狀鳳仙花及其他野生鳳仙花的種質(zhì)資源保護與開發(fā)、引種馴化、花期調(diào)控、雜交育種和新品種培育等工作奠定堅實基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

材料為通過野生總狀鳳仙花種子繁育的植株，種子采集于云南省昆明市轎子雪山（26.084 87°N，102.864 02°E），播種地點位于云南省昆明市西南林業(yè)大學樹木園（25.066 26°N，102.768 24°E），播種時間為2020年5月6日。

1.2 研究方法

1.2.1 花部形態(tài)與發(fā)育動態(tài)觀察 于花芽萌動期從不同植株上選取30 個花芽進行觀察，記載單花發(fā)育進程，包括開花、雄蕊脫落及花瓣整體凋謝的整個過程。在花芽階段每2天統(tǒng)計1次發(fā)育狀況，開花后每隔12 h 觀察1 次，記錄花部形態(tài)變化，直至凋謝。參照鐘云芳等[12]的方法在盛花期使用游標卡尺測量花部大小，同時記錄不同發(fā)育階段的持續(xù)時間?？偁铠P仙花的花部示意圖見圖1。

1.2.2 花粉生活力和柱頭可授性測定 花粉生活力的測定采用TTC染色法[13]，柱頭可授性的測定采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法[14]。

1.2.3 花粉-胚珠比和雜交指數(shù)測定 參照Cruden[15]和Dafni[16]的方法觀察并計錄花粉-胚珠比，并通過雜交指數(shù)來判斷繁育系統(tǒng)類型。

1.2.4 傳粉通道測定 測量翼瓣與唇瓣檐部底端的距離（通道長度）、翼瓣間的距離（通道寬度）及花藥末端與基部裂片的距離（通道高度）（圖1）。

圖1 總狀鳳仙花的花部示意圖及傳粉通道Fig.1 Flower part sketch map and pollination channel in Impatiens racemose

1.2.5 花蜜量和含糖量測定 使用微量進樣器（5 μL）和手持折光儀（0～80%）測定花蜜量和含糖量。

1.2.6 授粉試驗 于盛花期進行6種授粉處理[17]，即自然授粉、自然自交授粉、無融合生殖、自花授粉、同株異花授粉和異株異花授粉（表1）。

表1 總狀鳳仙花的授粉試驗Tab.1 Pollination test of Impatiens racemosa

1.2.7 傳粉昆蟲及訪花行為 持續(xù)7 d采用李帥杰等[18]的方法于09:00—18:00觀察傳粉昆蟲種類及個數(shù)并記錄其訪花時間長度、訪花方式和訪花頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 花部形態(tài)與發(fā)育動態(tài)

總狀鳳仙花為一年生草本植物，花梗纖細，通常5～10朵花簇生于葉腋，呈黃色或淡黃色；旗瓣離生，適合昆蟲的?？?；翼瓣的基部裂片呈圓形，上部裂片呈斧形；作為底部萼片的唇瓣，其檐部呈漏斗狀，口部朝上，基部具距。旗瓣長度為3.31～7.15 mm，寬度為2.47～6.35 mm；翼瓣長度為10.83～15.75 mm，寬度為3.74～7.40 mm；唇瓣長度為18.17～26.06 mm，口部寬度為3.20～6.51 mm，唇瓣囊深度為3.51～9.12 mm。5 枚雄蕊合生圍繞在子房周圍，花絲呈線形，花藥頂端呈鈍狀；雌蕊子房5 室，每子房室中胚珠數(shù)≥1?；ú烤唧w形態(tài)指標如下（表2）。

表2 總狀鳳仙花的花部形態(tài)指標Tab.2 Floral morphological index of Impatiens racemosa

通過對總狀鳳仙花的物候期進行觀察發(fā)現(xiàn)總狀鳳仙花的花期為6—9 月，分為花芽萌動期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期、末花期、結(jié)實期6個時期，共持續(xù)48～50 d。單花期一般持續(xù)8～10 d。在花芽萌動期總狀鳳仙花的花芽不斷分化形成花蕾，一般持續(xù)5～7 d；現(xiàn)蕾期兩枚花萼片張開產(chǎn)生縫隙，花距出現(xiàn)；初花期花藥未裂；盛花期花藥開裂散粉；末花期柱頭出現(xiàn)；結(jié)實期果實開始形成，不斷膨大，最終發(fā)生爆裂，至此花發(fā)育周期完成（表3和圖2）。

圖2 總狀鳳仙花的開放進程Fig.2 Flowering process of Impatiens racemosa

表3 總狀鳳仙花的花發(fā)育動態(tài)時序性變化Tab.3 Dynamic temporal changes of flower development in Impatiens racemosa

2.2 花粉生活力和柱頭可授性

在現(xiàn)蕾期（-1 d）總狀鳳仙花的花粉已有較高生活力；初花期（0 d）花粉生活力最高，超過90%；后續(xù)開放過程中花粉活力隨著時間推移開始下降，末花期（5 d）花粉生活力最低，小于10%（表4）。在現(xiàn)蕾期（-1 d）總狀鳳仙花已經(jīng)出現(xiàn)閉花授粉現(xiàn)象，此時柱頭具備較弱的可授性；初花期（0～1 d）部分花朵柱頭開始進行對開花信號的響應(yīng)，經(jīng)測具有較強可授性；盛花期（2～3 d）柱頭開始進入最強可授期；盛花期（3～4 d）只有部分柱頭具有可授性；末花期（5 d）部分花朵的柱頭已發(fā)育成熟，不再具備可授性（表4）?；ǚ凵盍εc柱頭可授性的結(jié)果均呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢，但兩者的最高值所處于的單花期不同，由此證明總狀鳳仙花是雄蕊先熟植物。

表4 總狀鳳仙花的花粉生活力和柱頭可授性Tab.4 Pollen viability and stigma receptivity of Impatiens racemosa

2.3 花粉-胚珠比和雜交指數(shù)

通過對30 朵總狀鳳仙花進行測定，測得單花花粉量為5 242 粒，單花胚珠數(shù)為9～10 粒，由此可知單花花粉-胚珠比為551.79。根據(jù)Cruden[15]的劃分標準推斷總狀鳳仙花的繁育類型可能為兼性異交?？偁铠P仙花的花冠直徑在11.51～22.90 mm，平均值為18.70 mm，記為3；總狀鳳仙花的柱頭在開花前一天就具有可授性，記為1；花藥合生在子房上部，記為0。綜上可知雜交指數(shù)為4，因此總狀鳳仙花的繁育系統(tǒng)為異交型，特征為部分自交親和、需要傳粉者。

2.4 傳粉通道

總狀鳳仙花是雌雄異熟的兩性花，雌蕊群在發(fā)育初期被花絲包裹，在雄蕊脫落后柱頭顯露出來并呈現(xiàn)出一定程度的下垂。經(jīng)測量，通道長度為（15.73±0.62）mm，通道高度為（5.30±0.17）mm，通道寬度為（7.83±0.40）mm，結(jié)果符合小型昆蟲的傳粉需求。

2.5 花蜜量和含糖量

經(jīng)測量總狀鳳仙花的單花花蜜量為（0.39±0.04）μL，含糖量為19.50%，主要滿足小型傳粉昆蟲的采蜜需求，符合自身的繁育及保護策略。

2.6 授粉試驗

總狀鳳仙花的蒴果為線狀或狹棒狀，頂端有銳尖。由表5 可知，不同授粉處理下總狀鳳仙花的結(jié)實率依次為：73.33%，0.00%，0.00%，87.00%，83.33%，93.33%。異株異花授粉處理的結(jié)實率最高，達93.33%。總狀鳳仙花不存在無融合生殖。同株異花授粉與異株異花授粉的結(jié)實率差別較小表明其自交親和。自然狀態(tài)下套袋與不套袋的處理結(jié)果差距較大，說明自然狀態(tài)下總狀鳳仙花的有性繁殖受到花粉限制和缺乏有效的傳粉媒介，以異交為主。

表5 總狀鳳仙花的授粉試驗結(jié)果Tab.5 Breeding test results of Impatiens racemosa

2.7 傳粉昆蟲及訪花行為

總狀鳳仙花的傳粉昆蟲主要有3 類：膜翅目蜂類、膜翅目蟻類和雙翅目蠅類。訪花昆蟲中蜂類的三條熊蜂（Bombus tri?fasciatus）數(shù)量最多。訪花昆蟲的訪花時間在09:00—17:00 均有分布，18:00 則未見昆蟲進行授粉活動（圖3）。蜂類的三條熊蜂訪花時，會優(yōu)先?？吭诨ㄉ髁恋幕ǘ渖衔』郏哂幸苿铀俣瓤?、訪花頻率高等特點；蟻類則經(jīng)常深入花朵內(nèi)部進行游走；蠅類對總狀鳳仙花的傳粉作用較小，其行為屬于盜蜜。蜂類的三條熊蜂作為總狀鳳仙花最有效的傳粉者一般在單花上停留2～5 s，蟻類停留時間約20～30 s，蠅類則停留不超過10 s。

圖3 昆蟲的訪花情況Fig.3 Flower visiting statistics of insects

3 結(jié)論與討論

3.1 總狀鳳仙花的花部特征對蟲媒的影響

認識植物的花部特征可以從單花的整體花部構(gòu)造和開花式樣（即某段時間內(nèi)開花量、開花類型和排列方式等）等方面著手，兩者同時為蟲媒途徑的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。總狀鳳仙花為總狀花序，花序簇生現(xiàn)象使單花的疊加效應(yīng)更加顯著，優(yōu)化了花部的整體美觀效果，增強了對昆蟲的吸引力。蟲媒花的花冠具有明顯的兩側(cè)對稱性、內(nèi)部包含繁殖器官，同時花色明亮醒目，花香清新淡雅，具有花蜜腺[19]?？偁铒L仙花具有兩側(cè)對稱狀黃色花冠，微香，具蜜腺，符合蟲媒花特征。總狀鳳仙花的有效傳粉昆蟲為蜂類的三條熊蜂。三條熊蜂吸食花蜜時首先會?？吭诼?lián)合翼瓣形成特殊平臺上，通過唇瓣囊部利用口器吸食花距中的花蜜，身體需向花內(nèi)部擠壓，增加了頭部與花藥接觸的機會，同時可以利用特有的傳粉結(jié)構(gòu)（花粉籃和腹毛刷等）使花粉附著到三條熊蜂布滿絨毛的身體上，進行不同花朵間的傳粉。總狀鳳仙花唇瓣花距較長，增大傳粉昆蟲的采蜜難度，延長接觸時間，提高傳粉成功率，形成了花部形態(tài)特征與蟲媒的特殊協(xié)同合作關(guān)系。試驗中還發(fā)現(xiàn)部分總狀鳳仙花的花距遠端部分被蟻類等昆蟲啃食，造成花蜜外流，此現(xiàn)象可能會增加其他傳粉昆蟲在花朵上的停留時間。總狀鳳仙花的花器官結(jié)構(gòu)、花色、花香和花蜜量等特性不斷演化與三條熊蜂的傳粉方式相適應(yīng)，使三條熊蜂對植物花部特征進行更多有目的性的選擇。

3.2 總狀鳳仙花的繁殖生物學

繁育系統(tǒng)使植物的適應(yīng)性、物種形成機制和瀕危植物保護學三者間的聯(lián)系日益加深，對植物的遺傳多樣性和相關(guān)演化趨勢具有重要意義。植物遠緣雜交的成本較高且成活力較低，而近緣雜交會導致育性的衰退[20]，因此有必要進行繁殖生物學的相關(guān)研究?？偁铠P仙花的繁育系統(tǒng)類型主要為異交型。雄蕊先熟是促進異交的重要繁殖機制?？偁铠P仙花在開放之前柱頭已具可授性，而花粉也已有較強的生活力?；ǘ溟_放初期在柱頭具備可授性的同時可以進行有效散粉，從而能夠更好地推進異株異花授粉，增強其后代的育性及環(huán)境適應(yīng)能力，保證了其可以進行長期的成功繁殖和不斷演化。自然狀態(tài)下總狀鳳仙花自交結(jié)實率為73.33%，而同屬的側(cè)穗鳳仙花則通過避免自花授粉的機制[7]，加大昆蟲授粉的幾率，兩者共同說明了自交與異交傳粉機制都是總狀鳳仙花一種長期演化所產(chǎn)生的有效繁殖機制。

3.3 總狀鳳仙花的繁殖補償機制

環(huán)境會影響植物的繁殖過程，反過來處于不穩(wěn)定環(huán)境中的植物則會通過生態(tài)響應(yīng)來保證生長繁殖的成功，這些響應(yīng)常常被稱為繁殖策略的改變[21]?？偁铠P仙花的種群規(guī)模一般較小，能夠吸引到的傳粉者有限，其有性繁殖過程易受到花粉限制和缺乏有效的傳粉媒介。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，生境中的總狀鳳仙花種子較小，且結(jié)實后受到種莢的作用力會發(fā)生迅速爆裂，難以吸引動物等幫助種子進行遠距離傳播，自然狀態(tài)下擴散區(qū)域比較有限。植物往往可以演變出一系列繁殖補償機制[22]來推動繁殖過程的順利進行，總狀鳳仙花也不例外?？偁铠P仙花的植株基部在頂部完成花發(fā)育周期后會重新開始新一輪的發(fā)育，可以作為一種有性繁殖補償機制，除此之外還存在無性繁殖補償機制，保障種群繁殖的能力：脫離母株的整段花序部分在適宜的條件下能夠完成繁殖。這些繁殖補償機制增強了總狀鳳仙花種群繁殖的能力。