野生觀賞植物黃金鳳的繁殖生物學(xué)研究

曹孟會，邵琳亞，張穎，劉婕，左鵬飛，汪瓊，黃海泉，黃美娟

(西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院/國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)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/西南林業(yè)大學(xué)園林園藝花卉研發(fā)中心，云南 昆明 650224)

野生觀賞植物是處于野生或半野生狀態(tài)、未在園林中普遍應(yīng)用的一類具有觀賞價(jià)值的植物，作為自然寶庫中的精華，其潛在的種質(zhì)資源利用價(jià)值難以估量。 生境多樣化的野生觀賞植物作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是能夠反映區(qū)域環(huán)境演變和生物多樣性層次的重要群體[1]。 我國是世界觀賞植物原產(chǎn)地8 大起源分布中心，在世界生物多樣性領(lǐng)域擁有突出的話語權(quán)，其中野生觀賞植物約有113 科523 屬，因此被親切地贊譽(yù)為“世界園林之母”[2]。 野生觀賞植物不斷被利用于綠化和園林領(lǐng)域，在經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)和文化等多方面產(chǎn)生了綜合效益。 隨著對野生觀賞植物重要性的認(rèn)知逐漸加強(qiáng)，人們對其相關(guān)研究也在不斷深入。

鳳仙花屬(Impatiens)和水角屬(Hydrocera)共同構(gòu)成了鳳仙花科。 1753年建立的鳳仙花屬作為被子植物中少數(shù)幾個(gè)物種量超過1000 的世界性大屬[3]，主要分布于歐亞大陸、非洲的熱帶與亞熱帶高海拔(＞500 m)高原及山地地區(qū)，少數(shù)生活于歐洲、北美和東亞的溫帶地區(qū)。 中國是世界鳳仙花5 大起源分布中心之一，約有280 種鳳仙花屬植物，除I. balsamina、I. walleriana、I. usambarensis外均為野生種[4]；其鳳仙花屬植物主體分布于第一階梯的青藏高原，而位于第三階梯的廣大平原地區(qū)種類相對較少。 因此，中國鳳仙花屬植物在地理上的分布具有明顯的區(qū)域性，即各個(gè)省、直轄市、自治區(qū)均有分布，但大多數(shù)是西南狹域分布的特有種，其中云南省的種類最多；石灰?guī)r地區(qū)的特有性則更為突出，堪稱“一山一種、一洞一種、一弄一種”[5]。 中國特有野生觀賞植物黃金鳳(Impatiens siculifer)又被稱為廣西水指甲，具有兩側(cè)對稱狀黃色花冠，花形奇特、花色明亮、花香淡雅，廣泛分布于云南、廣西、貴州等省、自治區(qū)，主要生長在海拔800 ～2500 m 的草叢、山谷及潮濕密林中[6]，具有良好的開發(fā)和利用價(jià)值。

植物繁殖生物學(xué)是以植物生殖這一生命過程為核心，將生態(tài)系統(tǒng)中植物和環(huán)境之間的相互作用與相互適應(yīng)關(guān)系有機(jī)地結(jié)合在一起[7]，深刻揭示了生態(tài)系統(tǒng)中能量、基因的信息傳遞規(guī)律，是一門研究植物繁殖行為特征和過程以及探索自然規(guī)律與植物相互關(guān)系的學(xué)科，其中，開花物候?qū)W、繁育系統(tǒng)、傳粉生物學(xué)、植物孢粉學(xué)、傳粉策略5 個(gè)方面[8]從不同角度解釋了繁殖生物學(xué)的具體內(nèi)涵意義。 近年來關(guān)于鳳仙花屬植物繁育系統(tǒng)、傳粉策略等相關(guān)繁殖生物學(xué)的研究逐漸增加。 田建平[9]于2004年首次提出花蜜搶竊者的作用:可能與植物居群花期的提早結(jié)束有關(guān)；首次探究匍匐鳳仙花與傳粉昆蟲相互適應(yīng)和協(xié)同進(jìn)化問題；同時(shí)認(rèn)為對特殊生存環(huán)境的選擇、種子萌發(fā)率低及生態(tài)位缺失等因素導(dǎo)致了匍匐鳳仙花只在一定區(qū)域存在。 2009年肖樂希[10]研究了華鳳仙、瑤山鳳仙花、山地鳳仙花和湖南鳳仙花的花部特征與繁育系統(tǒng)的關(guān)系，證實(shí)花部結(jié)構(gòu)在繁殖中與其長短和相對位置有關(guān)，對繁殖成功的影響存在區(qū)別，肯定了翼瓣對于繁殖成功的重要性。 2011年毛志斌等[11]研究指出側(cè)穗鳳仙花能通過特別的花部器官結(jié)構(gòu)來避免自交。 2014年鐘云芳[12]提出人工授粉能明顯提高結(jié)實(shí)率，自然結(jié)實(shí)率在高海拔地區(qū)相對較低，存在較強(qiáng)的生殖限制；同年，還通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)海南鳳仙花的授粉昆蟲主要為黃黑無墊蜂和綠條無墊蜂[13]。 2014年李艷紅等[14]研究發(fā)現(xiàn)盛花期紅雉鳳仙花大量自交導(dǎo)致的花粉質(zhì)量限制而不是數(shù)量限制可能是其結(jié)籽率低的主要原因之一。 2021年鐘楠蝶等[15]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)異色紗網(wǎng)袋套蜜距的花朵被傳粉者訪問的頻率差異顯著，紗網(wǎng)袋顏色對傳粉者的停留時(shí)間無顯著影響，觀測時(shí)間段對目標(biāo)花朵被訪問頻率和單花停留時(shí)間的影響均顯著，為隔離盜蜜者以及研究盜蜜對植物與傳粉者互利共生關(guān)系的影響提供了重要的方法參考。

2004年14 種鳳仙花屬植物作為珍惜瀕危植物被列入IUCN 世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄，2020年鳳仙花屬植物被新增選為第七批中華人民共和國植物新品種保護(hù)名錄(林草部分)，鳳仙花屬植物的種質(zhì)資源保護(hù)工作越來越受到人們的關(guān)注。 開展黃金鳳的繁殖生物學(xué)研究，對于探究其有性繁殖過程和系統(tǒng)進(jìn)化的演化趨勢具有積極意義，同時(shí)可為鳳仙花屬野生觀賞種黃金鳳種質(zhì)資源的育種擴(kuò)繁、花期調(diào)控、引種馴化等保護(hù)與開發(fā)工作提供理論指導(dǎo)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和地點(diǎn)

試驗(yàn)材料為野外采集的黃金鳳種子栽培養(yǎng)護(hù)后形成的成年植株，播種時(shí)間為2020年6月21日，種子采集地為云南省紅河州屏邊縣大圍山(103°41′47″E，22°56′37″N)。 觀測地點(diǎn)位于昆明市西南林業(yè)大學(xué)樹木園(102°46′5″E，25°3′58″N)。

1.2 研究方法

1.2.1 開花物候?qū)W 于花芽萌動期從不同黃金鳳植株上選取30 朵花芽進(jìn)行標(biāo)記，每0.50 d 統(tǒng)計(jì)1 次發(fā)育狀況，記錄不同發(fā)育階段的持續(xù)時(shí)間和單花發(fā)育進(jìn)程。

1.2.2 植物孢粉學(xué) (1)花粉生活力和柱頭可授性:采用TTC 染色法[16]測定花粉生活力。 采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法[17]測定柱頭可授性。

(2)花蜜量和含糖量:使用微量進(jìn)樣器(10 μL)深入花距中(圖1)抽取花蜜，記錄花蜜量。將花蜜注入1.50 mL EP 管中，使用手持折光儀(0～80%)[18]測量含糖量。

1.2.3 繁育系統(tǒng) (1)花粉-胚珠比和雜交指數(shù):在室內(nèi)用鑷子夾取花藥，置于1.50 mL 離心管中，用50%酒精制成花粉懸浮液；用滴管吸打混勻后，利用血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)花粉粒數(shù)目。 解剖子房統(tǒng)計(jì)胚珠數(shù)，計(jì)算單花花粉數(shù)與胚珠數(shù)之比，即為P/O 值。 按照Cruden[19]和Dafni 等[20]的方法測定雜交指數(shù)，即為OCI。

(2)繁育類型:共分為5 種[19，20]，分別為閉花受精型(P/O ＝2.70 ～5.40，OCI ＝0)、專性自交型(P/O＝18.10 ～39.00，OCI ＝1)、兼性自交型(P/O ＝31.90～396.00，OCI ＝2)、兼性異交型(P/O ＝244.70～588.70，OCI ＝3)、專性異交型(P/O ＝608.00～19525.00，OCI≥4)。

1.2.4 傳粉生物學(xué) (1)授粉試驗(yàn):在花芽萌動期標(biāo)定30 朵花芽，于現(xiàn)蕾期對其進(jìn)行6 種授粉處理[20]，統(tǒng)計(jì)結(jié)實(shí)率。

(2)傳粉通道:使用游標(biāo)卡尺(mm)分別測量雄蕊到翼瓣凸起的距離(通道長度)、2 朵翼瓣中段直線距離(通道寬度)以及翼瓣到唇瓣檐部與距部接壤處的距離(通道高度)，見圖1。

圖1 黃金鳳的花部示意圖和傳粉通道

1.2.5 傳粉策略 在盛花期標(biāo)定30 朵花冠，于9—18 時(shí)(單位時(shí)間為1 h)觀察并統(tǒng)計(jì)傳粉蟲媒種類及數(shù)量，記錄其訪花時(shí)間、訪花方式與訪花頻率，持續(xù)進(jìn)行7 d。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 22 軟件采用單因素方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花物候?qū)W

通過對黃金鳳物候期的觀察發(fā)現(xiàn)，其花期在7—9月，開花進(jìn)程分為花芽萌發(fā)期、花蕾期、初花期、盛花期、末花期、結(jié)實(shí)期6 個(gè)時(shí)段，共持續(xù)37.00～55.00 d；單花期持續(xù)5.00～10.50 d(表1 和圖2)，規(guī)定開花進(jìn)程各時(shí)段的發(fā)育程度為0.25 ～10.00。在花芽萌發(fā)期，黃金鳳的花芽由原來的近似三角形逐漸膨大、彎曲并最終演變?yōu)榛ɡ?；花蕾期花蕾繼續(xù)膨大，花萼微張，花距彎曲程度加劇；初花期花藥未發(fā)生開裂；盛花期花藥開裂并向外散播花粉；末花期雄蕊群脫落，柱頭開始出現(xiàn)；結(jié)實(shí)期果實(shí)形成，體積逐漸膨大，最終爆裂散播種子。

表1 黃金鳳的開花物候?qū)W

圖2 黃金鳳的開花進(jìn)程

2.2 植物孢粉學(xué)

2.2.1 花粉生活力和柱頭可授性 花蕾期黃金鳳的花粉已具備較高生活力，柱頭具備較弱可授性；初花期花粉生活力最高(＞90%)，柱頭具備較強(qiáng)可授性，部分花朵的柱頭已經(jīng)開始響應(yīng)成花誘導(dǎo)信號，在后續(xù)開放過程中花粉生活力隨花期推進(jìn)遞減；盛花期柱頭進(jìn)入最強(qiáng)可授期；末花期花粉生活力最低(＜5%)，柱頭失去可授性(表2)。 花粉生活力與柱頭可授性的結(jié)果總體均呈現(xiàn)倒“U”型態(tài)勢，但最高值所處時(shí)期不同，可據(jù)此推斷黃金鳳屬于雄蕊先熟植物。

表2 黃金鳳的花粉生活力和柱頭可授性

2.2.2 花蜜量和含糖量 黃金鳳的單花花蜜量為(0.52±0.08) μL，花蜜含糖量為33.50%。 其唇瓣囊部深度相比其他種類鳳仙花較長，在符合自身繁殖策略的同時(shí)可滿足昆蟲的傳粉動機(jī)。

2.3 繁育系統(tǒng)

2.3.1 花粉-胚珠比和雜交指數(shù) 于盛花期對30朵黃金鳳進(jìn)行測定，測得單花花粉量為5189.60粒，單花胚珠數(shù)為7.50，由此可知單花花粉-胚珠比為691.95。

2.3.2 繁育類型 黃金鳳花朵直徑平均值為25.17 mm，記為3；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。 綜上可知黃金鳳的P/O 為691.95、OCI 為4，表明其為專性異交型，特征為部分自交親和，需要傳粉者。

2.4 傳粉生物學(xué)

2.4.1 授粉試驗(yàn) 黃金鳳的蒴果為條形，頂端鈍。 自然狀態(tài)下的結(jié)實(shí)率小于人工授粉的結(jié)實(shí)率，且授粉方式不同其結(jié)實(shí)率差異較大(表3)，表明黃金鳳在自然狀態(tài)下的有性繁殖可能受到花粉限制以及缺乏有效的傳粉蟲媒，其繁育系統(tǒng)以異交型為主，不存在無融合生殖。

表3 黃金鳳人工授粉試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 傳粉通道 黃金鳳作為雌雄異熟的兩性花，雄蕊脫落后柱頭才會外顯，其通道長度為(13.10±0.12) mm、寬度為(6.82±0.25) mm、高度為(4.88±0.36) mm，適宜中小體型昆蟲順利通行。

2.5 傳粉策略

黃金鳳的傳粉蟲媒主要有6 類:膜翅目蜂類、膜翅目蟻類、鱗翅目蝶類、鱗翅目蛾類、雙翅目蠅類、鞘翅目甲蟲類，其中，黃熊蜂(Bombus flavescens)訪花次數(shù)最多，三條熊蜂(Bombus trifasciatus)次之，訪花時(shí)間主要分布在9—18 時(shí)(圖3)。膜翅目蜂類訪花時(shí)?？吭谄彀晟希缓笊斐隹谄鱽砦』?，具有訪花速度快、訪花頻率高等特性，停留時(shí)間為2～6 s，使用手持放大鏡可看到其腹部的絨毛均勻分布著黃金鳳的花粉。 膜翅目蟻類、鱗翅目蝶類和蛾類經(jīng)常在不同種類花朵間游走，停留時(shí)間約10 ～20 s。 雙翅目蠅類借助長吻深入唇瓣內(nèi)部吸食花蜜，對黃金鳳的傳粉作用較小，停留不超過8 s。 體型較大的鞘翅目甲蟲類同樣通過游走來推動傳粉，一般停留5～7 s。

圖3 傳粉昆蟲的訪花情況

3 討論與結(jié)論

3.1 花部構(gòu)造對傳粉策略的影響

植物憑借整體花器官構(gòu)造和開放式樣吸引蟲媒[21]進(jìn)行花粉擴(kuò)散來主導(dǎo)生殖場景，為蟲媒傳粉途徑的產(chǎn)生創(chuàng)造了有力條件。 黃金鳳為總狀花序，整體美化效果優(yōu)，增強(qiáng)了對傳粉蟲媒的吸引力。 蟲媒花的花冠通常呈左右對稱狀、花色明亮[22]。 黃金鳳具有左右對稱狀黃色花，符合蟲媒花標(biāo)準(zhǔn)，其傳粉通道長度為(13.10±0.12) mm、寬度為(6.82±0.25) mm、高度為(4.88±0.36) mm，適宜中小體型昆蟲順利通行。 黃金鳳的有效傳粉昆蟲為膜翅目蜂類的黃熊蜂和三條熊蜂，其在進(jìn)入花朵內(nèi)部后擠壓內(nèi)壁所產(chǎn)生的反作用力增強(qiáng)了與花藥接觸的成功率，有利于進(jìn)行異花傳粉。 黃金鳳的花距較長，可能會增大蟲媒獲取花蜜的困難程度，從而形成一種特殊協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，推動黃金鳳的花部構(gòu)造不斷演化，以與蟲媒的傳粉方式相協(xié)調(diào)。

3.2 黃金鳳的繁殖策略

黃金鳳的花果期在7 ～9月，分為花芽萌發(fā)期、花蕾期、初花期、盛花期、末花期、結(jié)實(shí)期6 個(gè)時(shí)期，初花期花粉生活力最高(92.21%)，盛花期柱頭進(jìn)入最強(qiáng)可授期，為持續(xù)開花式樣，同時(shí)其單花花蜜量為(0.52±0.08) μL，含糖量為33.50%，符合自身繁殖策略，滿足昆蟲的傳粉動機(jī)。 雄蕊先熟是促進(jìn)異交的重要繁殖機(jī)制。 黃金鳳作為雄蕊先熟植物，自然授粉途徑為異花授粉，兩者結(jié)合共同增強(qiáng)其子代育性及種群的傳播范圍，提高了繁育成功率，有利于系統(tǒng)演化的不斷發(fā)展。 人工授粉試驗(yàn)中黃金鳳沒有產(chǎn)生無融合生殖現(xiàn)象，其繁育系統(tǒng)特征為部分自交親和，需要傳粉者；而同屬植物側(cè)穗鳳仙花則通過避免自花授粉的機(jī)制加大蟲媒授粉的概率[9]，水金鳳繁育類型則為兼性異交[23]。 說明自交與異交都是鳳仙花屬植物的有效繁殖機(jī)制。

實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)黃金鳳的野外種群規(guī)模較小，推測可能由以下幾種因素所導(dǎo)致:易受到花粉限制；缺乏有效的傳粉媒介；種子較小，種莢在受到外部作用力時(shí)會迅速爆炸裂開，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播比較困難。 因此，黃金鳳的保護(hù)與開發(fā)工作要著重加強(qiáng)對傳粉者的保護(hù)，解除傳粉者限制，探明生殖發(fā)育規(guī)律，并將分株、扦插、組織培養(yǎng)等無性繁殖方式作為有性繁殖的補(bǔ)償機(jī)制，制定出一套繁殖對策以更好地促進(jìn)黃金鳳遺傳多樣性與有效種群面積的擴(kuò)展。