黃連(Coptis chinensis) 花形態(tài)特征與傳粉昆蟲的適應(yīng)性

田 陌，

( 1 陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西西安710119;2 陜西學(xué)前師范學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，陜西西安710100)

被子植物的花具有多種多樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，這些特征被認(rèn)為是植物與其主要傳粉者相適應(yīng)的結(jié)果[1-3]。根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，植物的花可以大致分為管狀花和開放式花[4]。研究顯示，管狀花具有特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)特定的傳粉昆蟲，因此形成特化的傳粉系統(tǒng)[5-6]；而開放式花多數(shù)沒(méi)有這些特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)傳粉者接觸回報(bào)物沒(méi)有特定限制，可以適應(yīng)更多傳粉者，進(jìn)而形成了泛化的傳粉系統(tǒng)[7-8]。值得注意的是，某些具有開放式花的植物，如毛茛科的一些類群，其花瓣或蜜腺也具有多樣化的形態(tài)特征[9-10]。前期研究發(fā)現(xiàn)在廣義毛茛屬(Ranunculuss.l.)中，開放式花局部細(xì)微結(jié)構(gòu)的不同同樣可以對(duì)傳粉者產(chǎn)生選擇[9]，但多數(shù)情況下，這些形態(tài)特征對(duì)傳粉昆蟲適應(yīng)性是否有意義尚待闡明。

毛茛科(Ranunculaceae)是一個(gè)世界性分布的大科，有59個(gè)屬，約2 500多個(gè)種[11]。該科植物具有非常多樣的花部形態(tài)結(jié)構(gòu)和傳粉系統(tǒng)[11-12]。已知毛茛科一些缺少花瓣的植物(如唐松草屬(Thalictrum)的一些種)為風(fēng)媒傳粉[13]，鐵線蓮屬(Clematis)和銀蓮花屬(Anemone)的某些類群為混合傳粉(既適應(yīng)風(fēng)媒傳粉又適應(yīng)蟲媒傳粉)[10-11]。除此以外，毛茛科絕大多數(shù)類群都具有花瓣蜜腺[10]，以動(dòng)物為傳粉媒介，一些具有兩側(cè)對(duì)稱型花或者具有距的類群甚至可以很好地適應(yīng)熊蜂、蜂鳥和天蛾等特殊傳粉者[1,3,14]。毛茛科絕大多數(shù)類群植物具有開放式花部形態(tài)結(jié)構(gòu)(如黃連)，而此前對(duì)毛茛科植物的研究多集中于花器官發(fā)育、生活史特性、繁育系統(tǒng)等方面[3,15-19]，針對(duì)該科具有開放式花結(jié)構(gòu)類群的傳粉系統(tǒng)研究尚不多見(jiàn)，而研究這些植物花部形態(tài)特征與傳粉昆蟲的相關(guān)性對(duì)于全面了解該科植物傳粉系統(tǒng)具有重要意義。

黃連屬(Coptis)為毛茛科多年生草本植物，約有16個(gè)種，其中中國(guó)發(fā)現(xiàn)有6個(gè)種，主要分布在四川、貴州、湖南、湖北和陜西南部。黃連屬植物的花部形態(tài)結(jié)構(gòu)與毛茛科絕大多數(shù)植物類似，其萼片均瓣片化，花瓣發(fā)育為具有分泌蜜汁功能的蜜腺葉，花萼、花瓣的形狀和顏色在屬內(nèi)不同種之間變異很大[20]。前期對(duì)黃連屬植物的傳粉研究主要集中在傳粉學(xué)特征和繁育系統(tǒng)方面，包括對(duì)云南黃連、峨眉黃連和三角葉黃連等種的研究，但對(duì)黃連屬植物具體的傳粉昆蟲種類、傳粉效率及其與花瓣形態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚缺乏研究[18-20]。

本文擬通過(guò)對(duì)黃連花部形態(tài)結(jié)構(gòu)及其傳粉昆蟲種類、訪花頻率、訪花行為、結(jié)籽貢獻(xiàn)率等的觀察與分析，探索黃連花部形態(tài)特征，尤其是花瓣形態(tài)特征，與傳粉昆蟲之間的適應(yīng)關(guān)系，為深入了解毛茛科植物的花瓣形態(tài)變異及傳粉系統(tǒng)適應(yīng)性奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料黃連(Coptischinensis)采自陜西省南鄭縣湘水鎮(zhèn) (32°56′46.26″N, 107°04′23.21″E，海拔579 m)。野外實(shí)驗(yàn)于2018年1月19日—2月20日和2019年1月29日—3月8日進(jìn)行。黃連憑證標(biāo)本保存于陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物標(biāo)本室(SANU)，憑證標(biāo)本號(hào)：辜天琪SN001。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 花器官形態(tài)結(jié)構(gòu)研究

在野外采樣地隨機(jī)選取30朵完全開放的黃連花，立即用游標(biāo)卡尺測(cè)量其花萼、花瓣的長(zhǎng)度和寬度。隨機(jī)選取另外30朵完全開放的黃連花，使用標(biāo)準(zhǔn)固定液(FAA：5 mL 38%甲醛+5 mL 冰醋酸+90 mL 70%酒精)固定；帶回實(shí)驗(yàn)室后，先用乙酸異戊酯脫水，再采用CO2臨界點(diǎn)干燥法干燥，最后真空噴金鍍膜。采用S-3400N 掃描電子顯微鏡觀察、拍照，所拍攝照片用數(shù)字影像測(cè)量軟件Digimizer測(cè)量花瓣蜜腺的長(zhǎng)度和寬度。

1.2.2 訪花昆蟲觀察及鑒定

訪花昆蟲觀察始于每年的開花初期，止于花期結(jié)束。在實(shí)驗(yàn)樣地隨機(jī)選取50朵即將開放的黃連花，做好標(biāo)記，選取天氣晴好的日子進(jìn)行連續(xù)觀察。由于前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)黃連既無(wú)夜間開花情況也無(wú)夜間訪花者，所以黃連花觀察時(shí)段為每天8:00～17:00，觀察時(shí)間為20 min/h，主要觀察內(nèi)容包括訪花昆蟲的種類、訪花頻率和訪花行為。訪花昆蟲接觸到花藥或柱頭1次即認(rèn)為訪花1次，訪花頻率為20 min內(nèi)每朵花被訪花昆蟲訪問(wèn)的次數(shù)[21]。訪花行為觀察主要包括訪花昆蟲在花上的運(yùn)動(dòng)方式、取食花蜜方式、取食過(guò)程中身體接觸花藥和柱頭的方式等。采集所觀察到的訪花昆蟲標(biāo)本，每種昆蟲采集標(biāo)本10只，昆蟲標(biāo)本采用自然干燥法干燥保存，并經(jīng)專業(yè)人員鑒定。

1.2.3 傳粉昆蟲的傳粉效率和結(jié)籽貢獻(xiàn)率測(cè)定

以單次訪花結(jié)籽率表示昆蟲的傳粉效率[22]。為了測(cè)量單次訪花結(jié)籽率，在黃連居群中隨機(jī)選取50朵即將開放的花蕾做套袋處理并標(biāo)記，待花開放后移去套袋，允許傳粉昆蟲訪問(wèn)。當(dāng)有1種傳粉昆蟲完成1次訪花后，立即將花去雄并重新套袋，以阻止花發(fā)生自交或被其他傳粉昆蟲訪問(wèn)，并做好標(biāo)記。15～20 d后將上述花用FAA固定并帶回實(shí)驗(yàn)室，選取花的雌蕊置于載玻片上，解剖鏡下用解剖針將胚珠從子房中剝出，統(tǒng)計(jì)已經(jīng)發(fā)育和未發(fā)育的胚珠數(shù)量，并計(jì)算每種訪花昆蟲的單次訪花結(jié)籽率。理論結(jié)籽數(shù)=每種傳粉昆蟲的單次訪花結(jié)籽率×昆蟲單位時(shí)間內(nèi)(20 min)的訪花次數(shù)；某種昆蟲的結(jié)籽貢獻(xiàn)率=該種昆蟲的理論結(jié)籽數(shù)/所有傳粉昆蟲的理論結(jié)籽數(shù)之和[23]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用R軟件(version 3.5.1)。以ANOVA模型對(duì)訪花頻率進(jìn)行方差分析，分析變量包括傳粉昆蟲的種類和年份。由于訪花頻率不符合正態(tài)分布，所以采用Box-Cox 方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。黃連的花部形態(tài)結(jié)構(gòu)、訪花昆蟲的訪花頻率、訪花昆蟲的單次訪花結(jié)籽率等數(shù)據(jù)采用非參秩和檢驗(yàn)方法(Wilcoxon rank-sum test)進(jìn)行對(duì)比。

2結(jié)果與分析

2.1 黃連的花部形態(tài)特征

黃連為兩性花，具有開放式花結(jié)構(gòu)(圖1a)。花萼瓣片化、黃綠色、寬披針形，花瓣黃綠色，花瓣的長(zhǎng)度(3.77±0.27 mm)和寬度(0.52±0.08 mm)分別小于花萼的長(zhǎng)度(7.83±0.89 mm)和寬度(1.11±0.15 mm)，P<0.000 1。黃連花瓣中部有1個(gè)極淺的蜜腺槽，長(zhǎng)為1.11±0.07 mm，寬為0.12±0.02 mm，可分泌少量蜜汁(圖1b)。雄蕊多數(shù)，心皮多數(shù)，分離。

圖1 黃連花形態(tài)及花瓣、蜜腺形態(tài)Fig.1 The flower, petal and nectar morphology of Coptis chinensis注：箭頭所示為花瓣蜜腺組織。網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

2.2 訪花昆蟲鑒定及分析

2.2.1 訪花昆蟲及訪花頻率

訪花昆蟲觀察結(jié)果顯示，黃連的主要訪花昆蟲為雙翅目蠅類的麻蠅(Sarcophagidae sp.)和黑帶食蚜蠅(Episyrphusbalteatus)2種(圖2)。偶見(jiàn)中華蜂訪花2次，但每次停留時(shí)間不到2 s。除此之外，未見(jiàn)其他有效訪花昆蟲。

圖2 黃連的主要訪花昆蟲Fig.2 The main visitation insects for Coptis chinensis注：網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

訪花昆蟲的訪花頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖3)，同一年份中2種訪花昆蟲的訪花頻率并不相同，2018年和2019年麻蠅的平均訪花頻率均顯著高于黑帶食蚜蠅(P<0.001)；不同年份中同一種訪花昆蟲的訪花頻率也不相同，2018年麻蠅和黑帶食蚜蠅的平均訪花頻率均顯著高于2019年(P<0.000 1)。對(duì)2種訪花昆蟲的訪花頻率進(jìn)行方差分析(表1)，發(fā)現(xiàn)訪花頻率與訪花昆蟲的種類和年份顯著相關(guān)，但與訪花昆蟲種類和年份的交互作用無(wú)關(guān)聯(lián)，這可能與黃連早春開花期間氣溫波動(dòng)較大、傳粉媒介不穩(wěn)定有關(guān)。

圖3 主要訪花昆蟲的訪花頻率Fig.3 Visitation rates of the main visitation insects

表1 訪花昆蟲的訪花頻率方差分析Tab.1 Variance analysis for the visitation frequencies of visitation insects

2.2.2 訪花行為和傳粉效率

通過(guò)訪花行為觀察，發(fā)現(xiàn)麻蠅和黑帶食蚜蠅2種訪花昆蟲在訪花過(guò)程中均表現(xiàn)出既采食花粉又舔食花蜜的行為特征，說(shuō)明昆蟲的訪花活動(dòng)與花瓣蜜腺有關(guān)。訪花過(guò)程中，2種訪花昆蟲的腿部和胸腹部均觸碰到黃連花的雌蕊和雄蕊，表明二者均為有效傳粉昆蟲。另外，體型較小的麻蠅單次訪花結(jié)籽數(shù)(18.22±3.21)大于體型較大的黑帶食蚜蠅單次訪花結(jié)籽數(shù)(11.51±1.87)，表明麻蠅的傳粉效率高于黑帶食蚜蠅。

2.2.3 結(jié)籽貢獻(xiàn)率

如表2所示，在黃連的2種主要訪花昆蟲中，麻蠅的訪花次數(shù)和單次訪花結(jié)籽率均明顯高于黑帶食蚜蠅。此外，訪花昆蟲的結(jié)籽貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果顯示，麻蠅具有更高的相對(duì)結(jié)籽貢獻(xiàn)率，占相對(duì)總結(jié)籽率的74.37%，而黑帶食蚜蠅的相對(duì)結(jié)籽貢獻(xiàn)率較低，只占相對(duì)總結(jié)籽率的25.63%。

表2 黃連2種傳粉昆蟲的結(jié)籽貢獻(xiàn)率Tab.2 Contribution rates of seed setting of the two pollination insects for Coptis chinensis

3 討論

前人研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，管狀花因?yàn)樾纬捎幸幌盗刑厥獾幕ú拷Y(jié)構(gòu)而具有特化的傳粉系統(tǒng)[5-6]，而開放式花因?yàn)槿鄙兕愃频幕ú拷Y(jié)構(gòu)，往往具有泛化的傳粉系統(tǒng)[7]。但本研究結(jié)果顯示，某些具有開放式花的植物也有可能形成某種特化的傳粉系統(tǒng)。黃連為開放式花結(jié)構(gòu)，花瓣較小，只在其長(zhǎng)條形花瓣片的中部形成有1個(gè)呈長(zhǎng)條狀非常淺的小凹槽，可以分泌蜜汁。這樣的花部形態(tài)似乎應(yīng)該適應(yīng)的是泛化的傳粉系統(tǒng)，但其花瓣蜜腺的形態(tài)結(jié)構(gòu)及花蜜分泌量的特殊性，同樣對(duì)傳粉昆蟲構(gòu)成了一定的選擇性。

根據(jù)本研究結(jié)果，推測(cè)黃連簡(jiǎn)單的蜜腺結(jié)構(gòu)和泌蜜量少等特性及其與傳粉昆蟲之間的相互作用可能是其特化傳粉系統(tǒng)得以形成的主要?jiǎng)恿?。文中如下結(jié)果支持了上述結(jié)論：(1)黃連花瓣小，具有簡(jiǎn)單的淺槽狀蜜腺結(jié)構(gòu)，花蜜泌蜜量少，說(shuō)明黃連對(duì)傳粉昆蟲回報(bào)物的投入不大，難以吸引到需要花蜜量較多的傳粉昆蟲。(2)黃連常見(jiàn)的訪花昆蟲為麻蠅和黑帶食蚜蠅，偶見(jiàn)中華蜂，未見(jiàn)蛾類、蝶類和甲蟲類等昆蟲，說(shuō)明黃連的訪花昆蟲種類比較單一。該研究結(jié)果與產(chǎn)于美洲、花瓣結(jié)構(gòu)與黃連類似的另外1種黃根木屬(Xanthorhiza)植物的研究結(jié)果相似，它們的主要傳粉昆蟲也是蠅類[24]。(3)麻蠅和黑帶食蚜蠅為舐吸式口器，在訪花過(guò)程中有舔食花蜜行為，顯示黃連的花瓣蜜腺有吸引昆蟲傳粉的作用，而其淺槽狀蜜腺結(jié)構(gòu)似乎更適合具有舐吸式口器的麻蠅和黑帶食蚜蠅舔食花蜜，但并不太適合具有其他口器類型的傳粉昆蟲吸食花蜜，例如具有嚼吸式口器的蜂類或者具有虹吸式口器的蛾蝶類等。(4)在訪花過(guò)程中，麻蠅和黑帶食蚜蠅的腿部、胸腹部均接觸雌蕊和雄蕊，且二者的訪花行為均能夠成功導(dǎo)致胚珠發(fā)育，顯示2種昆蟲均為有效傳粉昆蟲。

4 結(jié)論

毛茛科植物的花具有非常多樣的傳粉系統(tǒng)，但針對(duì)該科具有開放式花結(jié)構(gòu)類群的傳粉系統(tǒng)研究尚不多見(jiàn)。本研究結(jié)果顯示，具有開放式花的黃連以具有舐吸式口器的麻蠅和黑帶食蚜蠅為傳粉媒介，形成有較為穩(wěn)定的傳粉系統(tǒng)。這一新型黃連-蠅類昆蟲傳粉系統(tǒng)的形成是黃連花瓣淺槽型蜜腺結(jié)構(gòu)、花蜜量少等特點(diǎn)與蠅類昆蟲舐吸式口器、花蜜消耗量小等特性相互作用的結(jié)果。黃連的開花季節(jié)在早春，氣溫較低，昆蟲較少且不穩(wěn)定，黃連在自交親和的基礎(chǔ)上，利用少量的花蜜分泌換取蠅類和食蚜蠅類傳粉昆蟲的傳粉，達(dá)成了其異交傳粉的目的。上述結(jié)果對(duì)深度認(rèn)知毛茛科具有開放式花類群植物的傳粉系統(tǒng)具有重要意義。