樟科植物花部蜜腺與性系統(tǒng)的系統(tǒng)發(fā)育分布規(guī)律初探

金曉芳，肖昌龍，侯杰希，張北紅，李春江，李 鳳，金志農(nóng)

(1.南昌工程學(xué)院 江西省樟樹(shù)繁育與開(kāi)發(fā)利用工程研究中心，江西 南昌 330099；2.武漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

很多開(kāi)花植物通過(guò)蜜腺組織分泌蜜液作為報(bào)酬物來(lái)吸引動(dòng)物為其傳粉[1]。Delpino根據(jù)蜜腺的功能和位置將其分為花外蜜腺和花內(nèi)蜜腺。花內(nèi)蜜腺的來(lái)源多為未分化的花被、退化雄蕊、雄蕊以及心皮，其中退化雄蕊是最常見(jiàn)的形式[2]。

樟科作為核心被子植物基部類(lèi)群木蘭類(lèi)中物種數(shù)量最多的一個(gè)科，目前全世界有約65屬，3000多種[3-4]。中國(guó)有約24屬，446種[5]。在中國(guó)，該科植物主要分布在熱帶亞熱帶地區(qū)，少數(shù)種屬延伸到溫帶地區(qū)[6]。樟科的花部蜜腺在不同屬、種之間呈現(xiàn)出多樣性。樟科植物存在兩種類(lèi)型的花內(nèi)蜜腺：退化雄蕊蜜腺(staminodial nectary)和可育雄蕊基部的蜜腺(staminal nectary)。這兩種蜜腺在樟科植物雌性先熟兩性花的開(kāi)花過(guò)程中“分工合作”，分期吸引傳粉者：當(dāng)進(jìn)入雌性功能期(花藥散粉前)，第1～3輪雄蕊會(huì)展平，暴露出第4輪的退化雄蕊蜜腺，此時(shí)退化雄蕊蜜腺會(huì)分泌花蜜，如圖1(a)中黃絨潤(rùn)楠(MachilusgrijsiiHance)退化雄蕊蜜腺正在分泌花蜜(圖1中，S1～S3分別代表第1～3輪可育雄蕊，SDN為退化雄蕊蜜腺，SN為可育雄蕊蜜腺，PI為雌蕊)；當(dāng)進(jìn)入雄性功能期時(shí)(花藥散粉后)，位于第3輪雄蕊基部的可育雄蕊蜜腺分泌花蜜[7]，以花粉和花蜜共同作為報(bào)酬物吸引傳粉者[8-9]，此時(shí)第3輪雄蕊會(huì)立起來(lái)，將退化雄蕊藏在最內(nèi)輪，如圖1(b)中黃絨潤(rùn)楠可育雄蕊蜜腺正在分泌花蜜。這種雌性先熟的開(kāi)花方式在樟科植物兩性花中廣泛存在[7，10-13]。 樟科植物除了兩性花，還存在由于敗育而成的單性花，單性花又包括雌雄同株或雌雄異株[14]。兩性花植物存在兩種類(lèi)型的蜜腺，而單性花植物一般丟失了退化雄蕊蜜腺。

圖1 黃絨潤(rùn)楠(Machilus grijsii Hance)不同開(kāi)花階段花蜜分泌情況

到目前為止，關(guān)于樟科植物兩種花部蜜腺的系統(tǒng)發(fā)育分布鮮有報(bào)道[15-17]。本文統(tǒng)計(jì)了兩種蜜腺在樟科植物中的系統(tǒng)發(fā)育分布，并對(duì)其與性系統(tǒng)的關(guān)系和生態(tài)學(xué)意義進(jìn)行討論。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)樹(shù)構(gòu)建

從NCBI下載已有的樟科植物完整葉綠體基因組序列，共獲得24屬，65種。選取臘梅科(Calycanthusfloridusvarglaucus)作為外類(lèi)群(表1)。采用最大擬然法(maximum likelihood，ML)和貝葉斯法(Bayesian Inference，BI)建立系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。用phylosuite軟件[18]處理序列。用 MrBayes3.2.6[19]構(gòu)建貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，選擇partition模型(2 parallel runs，運(yùn)行長(zhǎng)度107次)，burnin值為0.25。最大似然法在PhyloSuite平臺(tái)的IQTree進(jìn)行[20]。并通過(guò)中國(guó)植物志等網(wǎng)站收集第1～4輪四蜜腺數(shù)和性系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

表1 本研究所用樟科植物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)植物GenBank號(hào)

續(xù)表1

1.2 兩種花部蜜腺蜜量與含糖量調(diào)查

為了驗(yàn)證兩種類(lèi)型蜜腺的花蜜分泌功能是否存在差異，選擇武漢植物園內(nèi)種植的3種樟科兩性花植物(包括樟屬的陰香，楠屬的紫楠和浙江楠)，分別檢測(cè)其花蜜量及糖濃度進(jìn)行對(duì)比分析。于盛花期提前一天將花苞標(biāo)記并套袋處理。第2～3d分別選取雌性功能期(退化雄蕊蜜腺分泌花蜜)和雄性功能期(可育雄蕊蜜腺分泌花蜜)的花，用內(nèi)徑0.1mm毛細(xì)管吸取6朵花測(cè)蜜量，10～20朵花測(cè)含糖量(折光儀型號(hào)為Eclipse 45-81)。根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)[11]，選取雌雄功能期時(shí)間段內(nèi)各選2～3個(gè)時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)蜜量和含糖量(見(jiàn)表2)。

表2 樟科3種兩性花植物蜜量及糖度測(cè)量

2 結(jié)果與分析

2.1 樟科系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

樟科系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中將樟科分為7個(gè)分支，分別是：楠屬—厚殼桂屬分支Belischmiedia-Cryptocarya clade(S02，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，無(wú)根藤分支Cassytha clade(S03，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，檬果樟屬分支Caryodaphnosis clade(S04，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，新樟屬分支Neocinnamomum clade(S05，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，潤(rùn)楠—鱷梨屬分支Machilus-Persea clade(S06，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，樟屬分支Cinnamomum clade(S07，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，月桂—新木姜子屬分支Laurus-Neolitsea clade(S08，ML-BS=100，BI-PP=1.00)(圖 2)。第1類(lèi)群較為原始，包含瓊楠屬(Beilschmiedia)、厚殼桂屬(Cryptocarya)、土楠屬(Endiandra)、鐵樟屬(Eusideroxylon)、油果樟屬(Syndiclis)(S02，ML-BS=100，BI-PP=1.00)；第2類(lèi)群更為進(jìn)化，包含無(wú)根藤屬(Cassytha)(S03，ML-BS=100，BI-PP=1.00)；第3個(gè)類(lèi)群包括檬果樟屬(Caryodaphnopsis)(S04)；第4個(gè)類(lèi)群包括新樟屬(Neocinnamomum)(S05)。在樟科的核心類(lèi)群中，又分為3個(gè)分支，其中第一個(gè)分支包括第5個(gè)類(lèi)群的油丹屬(Alseodaphne)、潤(rùn)楠屬(Machilus)、鱷梨屬(Persea)以及楠屬(Phoebe)(S06)；第6個(gè)類(lèi)群包括樟屬(Cinnamomum)、柑樟屬(Nectandra)、檫木屬(Sassafras)(S07)；第7個(gè)類(lèi)群包括木姜子屬(Litsea)、新木姜子屬(Neolitsea)、擬檫木屬(Parasassafras)、山胡椒屬(Lindera)、月桂屬(Laurus)、黃肉楠屬(Actinodaphne)(S08)。

蜜腺和性系統(tǒng)標(biāo)記在系統(tǒng)樹(shù)上(圖2)。圖2中的發(fā)育樹(shù)包括65個(gè)樟科植物，采用最大擬然法和貝葉斯法構(gòu)建，分支上的數(shù)字為貝葉斯后驗(yàn)概率/最大擬然法自展值。三列花部性狀分別為性系統(tǒng)、第4輪退化雄蕊蜜腺存在與否、第3輪可育雄蕊蜜腺存在與否(星號(hào)為性狀無(wú)法確定，空心圖標(biāo)表示雙性花和沒(méi)有蜜腺)。右側(cè)分別為：大葉新木姜子(A)，山橿(B)，毛桂(C)，黃絨潤(rùn)楠(D)，無(wú)根藤(E)。圖2中顯示兩性花出現(xiàn)在進(jìn)化樹(shù)的基部，是一種比較原始的性狀。單性花最早出現(xiàn)在蜜樟屬(Nectandra)及檫木屬，在山胡椒屬、木姜子屬及新木姜子屬開(kāi)始大量出現(xiàn)。

圖2 樟科系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

2.2 兩種花部蜜腺蜜量與含糖量調(diào)查

陰香、紫楠和浙江楠花蜜分泌均雌性功能期顯著高于雄性功能期(F1，34=6.028，P=0.019)，(F1，34=12.187，P=0.009)，(F1，22=4.545，P=0.044)。

3 討論

本文利用樟科植物葉綠體基因組來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，再結(jié)合其花部性狀特征進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果顯示，樟科植物兩性花和單性花有著很明顯的分化界限；退化雄蕊蜜腺似乎也隨著單性花的出現(xiàn)而在雄花中消失(如新木姜子屬某些種類(lèi)雄花無(wú)退化雄蕊蜜腺)，而可育雄蕊蜜腺依舊保留在雄花的可育雄蕊基部，這與前期研究結(jié)果一致[3]。但是，在比較原始的土楠屬中，退化雄蕊蜜腺消失，第1～2輪花藥也經(jīng)常退化或消失，推測(cè)其可育雄蕊基部的腺體可能同時(shí)承擔(dān)了雌性階段和雄性階段的分泌花蜜的功能。在單性花山胡椒屬、木姜子屬、新木姜子屬中，也有部分單性花的雄花依然存在退化雄蕊蜜腺，而這些物種并不位于在單性花出現(xiàn)與退化雄蕊蜜腺開(kāi)始消失的系統(tǒng)樹(shù)位置，有些甚至位于在進(jìn)化樹(shù)上較高的位置，因此推測(cè)這些植物的蜜腺功能很可能是在散粉期協(xié)助其他花藥基部的腺體分泌花蜜。丟失退化雄蕊的類(lèi)群如月桂屬，往往保留可育雄蕊基部蜜腺分泌花蜜[21]。

兩種蜜腺蜜量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在陰香、紫楠和浙江楠中，退化雄蕊蜜腺蜜量顯著多于可育雄蕊蜜量，可能是退化雄蕊蜜腺是雌性功能階段的唯一吸引傳粉者的報(bào)酬，而可育雄蕊分泌花蜜是作為花粉報(bào)酬的補(bǔ)充。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著樟科植物由兩性花向單性花演化，雄花的退化雄蕊蜜腺也逐漸消失，故推測(cè)由于退化雄蕊蜜腺在兩性花中的主要功能是在未散粉階段作為報(bào)酬物吸引傳粉者，而雄花已無(wú)需經(jīng)歷此階段，因此退化雄蕊蜜腺也逐漸丟失花蜜分泌功能。