大花紫薇花部綜合特征和繁育特性1)

孫陽 袁娟

(廣西大學(xué)，南寧，530000) (廣西壯族自治區(qū)桂林市龍勝各族自治縣偉江鄉(xiāng)人民政府)

郭萍 朱栗瓊 招禮軍

(廣西國有欽廉林場) (廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)) (廣西大學(xué))

In order to understand the flowering and reproductive traits of Lagerstroemia speciosa, and to promote the process of hybrid breedingand improve its ornamental value, we conducted a series of experimental studies. The floral syndrome of L. speciosaand pollinators were observed and recorded, and the pollen vitality, stigma receptivity and artificial pollination test were investigated. The major flowering stage of L. speciosawas from May to August, with a single flowering period of 2 to 8 d. Flowers generally opened in the early morning. The single flowering process can be divided into four stages: namely, the calyx dehiscenting stage, petals expanding stage, anther shedding pollen stage, and flower withering stage. The pollen-ovule ratioof L. speciosawas 5 445.45, and the hybridization index was 4. The stigma had highest receptivity when pollen viability peaked. The seed setting rate of L. speciosa in nature was 72%, while the seed setting rates of artificial self-pollination, artificial cross-pollination of the same plant, and artificial cross-pollination of different plants were 68%, 74% and 90%, respectively. From above results, it is concluded that the breeding system of L. speciosawas based on a mixed mating system with mainly outcrossing and partial self-compatibility, and it required pollinators to finish the pollination process. The main pollinators were bees, fliesand butterflies, such as bumblebee and Chinese bee.

繁殖是保持種群延續(xù)的基本途徑，是進(jìn)化過程的核心部分，也是研究生物進(jìn)化問題的關(guān)鍵。植物的繁育系統(tǒng)一般指直接影響后代遺傳組成的所有有性特征[1]，包括花部綜合特征、花開放式樣和交配系統(tǒng)等。這些有性特征在外界環(huán)境因素的影響下，與傳粉者共同影響植物生殖成功率，進(jìn)而影響種群的進(jìn)化[2-4]。此外，植物花部特征和傳粉者之間的相互適應(yīng)被認(rèn)為是花進(jìn)化的重要推動(dòng)力[5]，具體體現(xiàn)在：不同物種因花部特征差異而吸引不同類群的傳粉者，傳粉者在傳粉過程中又會(huì)促進(jìn)物種花部特征的演化[6]。

大花紫薇(Lagerstroemiaspeciosa)為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(Lagerstroemia)落葉喬木，其樹形優(yōu)美，開花時(shí)花大色艷，花期較長，極具觀賞價(jià)值，是我國南方地區(qū)重要的園林綠化樹種。因花色單一、有著較強(qiáng)的抗逆性和大花徑性狀，大花紫薇常被用于與同屬的紫薇(Lagerstroemiaindica)進(jìn)行雜交，以獲得花大色艷的新品種[7]。大花紫薇結(jié)實(shí)率高，但開裂的朔果經(jīng)久不落，影響第二年的觀賞效果，且其自然狀態(tài)下種子極易老化[8]，幼樹幼苗缺乏，限制了林下自然更新。除雜交育種外，目前關(guān)于大花紫薇的研究還涉及栽培、生理生化、化學(xué)成分、藥理作用等[9-11]，但傳粉和繁育特性方面的研究鮮有報(bào)道，僅有任翔翔等[12]對大花紫薇開花和花粉特性做了研究。本文通過開花動(dòng)態(tài)觀察、花部特征分析、雜交指數(shù)估算以及人工授粉等方法，對大花紫薇繁育系統(tǒng)展開研究，深入了解大花紫薇開花規(guī)律及生殖特性，探究影響繁育過程的限制因素，旨在為該物種種群更新、生殖生物學(xué)研究以及新品種的選育提供參考，并進(jìn)一步提高觀賞價(jià)值。

1 研究方法

試驗(yàn)地在南寧市廣西大學(xué)校園內(nèi)，地處東經(jīng)108°17′，北緯22°50′，年平均氣溫為21.6 ℃，年平均降雨量1 304.2 mm。

試驗(yàn)材料：觀察和試驗(yàn)所用的材料為大花紫薇，平均樹齡15 a，長勢良好。

花器官特征和開花物候及動(dòng)態(tài)觀察：2016年4月至9月，在校園內(nèi)3個(gè)環(huán)境基本相同的觀測地中隨機(jī)選取30株大花紫薇進(jìn)行標(biāo)記。在盛花期隨機(jī)選取剛開放的單花30朵，分別測量花器官各部分尺寸。將收集的花粉樣品和柱頭樣品用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的戊二醛固定24 h以上，用磷酸緩沖液漂洗3次，再用不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對其進(jìn)行脫水，脫水后用乙酸異戊酯置換乙醇，放入HCP-2型臨界點(diǎn)干燥儀內(nèi)進(jìn)行干燥后，置于掃描電鏡下觀察。

將第一朵花開放的日期記為始花期，花朵開放數(shù)量超過50%的時(shí)期記為開花高峰期，最后一朵花開放的日期記為終花期。

在盛花期內(nèi)選取60個(gè)花蕾進(jìn)行標(biāo)記，每天觀測1次，在花朵初綻放至完全開放期間每天觀測2次，直至凋謝。觀察萼片開裂、花瓣展開方式、花藥散粉順序以及柱頭分泌粘液等情況，記錄并拍照。

花粉活力及柱頭可授性檢測：采集開花后不同時(shí)間的花朵，將花粉均勻撒在培養(yǎng)基上，培養(yǎng)基配方為蔗糖150 g/L、硼酸20 mg/L、CaCl210 mg/L、瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%，pH為6.0，室溫培養(yǎng)4 h后在顯微鏡下觀察。以花粉管長度為花粉粒直徑的2倍作為花粉萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。

用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定柱頭可授性，反應(yīng)液的配比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聯(lián)苯胺、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫、水體積比4∶11∶22。分別選取花蕾期、開放后不同時(shí)間的柱頭各10個(gè)。將柱頭放入凹面載玻片中，滴入適量反應(yīng)液，在顯微鏡下進(jìn)行觀察。

花粉數(shù)-胚珠數(shù)比(P/O)測定：隨機(jī)選擇10個(gè)花藥還未開裂的花蕾浸泡在福爾馬林-乙酸-乙醇(FAA)固定液中，用濃度為8.0 mol/L的NaOH溶液使其花藥壁軟化，讓花粉全部散出，制成2 mL的花粉粒懸浮液。用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)花粉量，重復(fù)3次，計(jì)算單花的花粉?？倲?shù)(P)。取10個(gè)花蕾的子房浸于濃度為1.0 mol/L的NaOH溶液中直到子房壁變黑，置于載玻片上壓碎，在顯微鏡下統(tǒng)計(jì)單花的胚珠數(shù)，取平均值(O)，計(jì)算P/O值，并按Cruden的標(biāo)準(zhǔn)判斷繁育系統(tǒng)類型。

雜交指數(shù)(OCI)估算：按Dafni[13]的標(biāo)準(zhǔn)，在盛花期測量花朵的花冠直徑，觀察開花行為并對繁育系統(tǒng)進(jìn)行評判。

人工授粉試驗(yàn)：參照Dafni的方法設(shè)置8種傳粉方式：自然傳粉(對照)、去雄套袋、不去雄套袋、去雄不套袋、去雄套網(wǎng)袋、人工異株異花授粉、人工同株異花授粉、人工自花授粉。每種方式各處理50朵單花，開花6 d后去袋，比較不同處理下的結(jié)實(shí)率。

結(jié)實(shí)率=(結(jié)實(shí)數(shù)/花朵數(shù))×100%。

傳粉昆蟲訪花行為觀察：在大花紫薇盛花期(晴朗天氣)連續(xù)3 d觀察昆蟲的訪花活動(dòng)，觀察時(shí)間為06:00—18:00。記錄昆蟲的類型、訪花行為和頻率、花間運(yùn)動(dòng)式樣以及訪問單花的時(shí)間長度，并不定時(shí)用網(wǎng)兜捕捉訪花昆蟲，帶回實(shí)驗(yàn)室用體視顯微鏡檢查攜粉情況。

數(shù)據(jù)處理：運(yùn)用SPSS和Excel軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、表格繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 花器官形態(tài)特征

大花紫薇圓錐花序頂生，長度14.86～25.32 cm，單個(gè)花序平均開花數(shù)量為(80.87±35.42)朵。單花為完全花，無蜜腺。花梗長12 mm左右，花萼有棱12～14條，6～7裂，裂片為三角形，反曲，內(nèi)面無毛；花軸、花梗及花萼表面均被黃褐色糠秕狀細(xì)絨毛?；▋尚裕x瓣花冠淡紅色或紫紅色，花瓣6～7片，卷皺狀，矩圓形或倒卵形；雄蕊168～320，花藥黃色，丁字著藥，花絲紫紅色；雌蕊1，花柱紫紅色圓柱形，柱頭深綠色，成熟時(shí)表面有分泌物以吸附花粉，柱頭位置比花藥高8 mm左右；子房半下位，球形，6～7室。

表1 大花紫薇各花器官參數(shù)

掃描電鏡結(jié)果顯示(圖2)，大花紫薇花粉粒整體觀為長球形，大小約38.76 μm×24.58 μm。其赤道面觀為長橢圓形，極面觀為鈍三角形，具3條長條狀孔溝，兩端鈍圓，溝膜具模糊的顆粒狀突起。外壁表面紋飾以具細(xì)皺狀紋飾及顆粒狀紋飾為主。大花紫薇柱頭表面由大量較長的圓柱形乳突細(xì)胞組成，在柱頭成熟具可授性后表面分泌黏液，這樣的結(jié)構(gòu)有利于花粉的捕捉、固定與嵌入，提高授粉效率。

A為花瓣；B為柱頭及花柱；C為花藥及花絲；D為萼片；E為柱頭；F為花柱；G為花藥；H為花絲。

A為花粉極面觀；B、C為花粉赤道面觀；D為花粉表面紋飾局部觀；E為柱頭微觀形態(tài)；F為花粉粒嵌在柱頭上。

2.2 開花動(dòng)態(tài)觀察

大花紫薇花期集中在5—8月，5月末進(jìn)入盛花期，整體開花模式表現(xiàn)為集中大量開花。群體平均花期約94 d，單株植株平均花期68 d，單個(gè)花序花期25～37 d，單花開花持續(xù)時(shí)間為2～8 d。

表2 大花紫薇個(gè)體和種群水平的開花物候觀察

大花紫薇一般于凌晨開放，從花苞開裂至花冠完全展開需要2～4 h，如遇到陰雨天氣，開花時(shí)間則會(huì)延遲，開花數(shù)量也隨之減少。大花紫薇單花開花過程可分為4個(gè)階段(圖3)：(1)花萼開裂期——花萼逐漸開裂，露出相互緊密疊繞的紫色花瓣；(2)花瓣外展期——花瓣松動(dòng)并逐漸向外展開，露出雌雄蕊；(3)花藥散粉期——雄蕊群完全露出，花藥開始散粉，柱頭開始分泌粘液；(4)枯萎凋落期——花瓣顏色逐漸變淺，花藥以及花柱開始褐化，并逐漸萎蔫、凋落。

大花紫薇的花萼一般于凌晨02:00開始開裂，約1 h后花萼完全開裂，約03:30時(shí)柱頭從花瓣中緩慢伸直，04:00—06:00花瓣逐漸伸展且顏色加深，雄蕊群伸展，06:00左右黃色花藥開始散粉，此時(shí)柱頭為透明綠色，有分泌物，12:00散粉量減少，花藥開始掉落，柱頭呈墨綠色，有黏液。開花后1～2 d，花柱無明顯變化，花絲萎蔫并彎曲縮短，花藥逐漸變?yōu)楹稚?，開始干癟掉落；開花3 d時(shí)花柱與花絲干枯凋謝，花瓣邊緣開始萎蔫；開花4 d時(shí)花瓣全部開始萎蔫，逐漸變?yōu)榘咨?；開花5 d時(shí)全部花瓣掉落，子房坐果并逐漸膨大。

A-E為花萼開裂期;F-J為花瓣外展期；K-O為花藥散粉期；P-T為枯萎凋落期。

2.3 花粉活力與柱頭可授性

大花紫薇的花藥暴露在外界10～20 min后便開裂，且散粉后花粉就已具備活力。試驗(yàn)結(jié)果顯示(表3)散粉之后2 h內(nèi)，花粉活力不斷升高并達(dá)到峰值(70%左右)；之后花粉活力開始逐漸下降，到傍晚時(shí)花藥已出現(xiàn)干癟，但仍存在少數(shù)有活力的花粉。到第二天時(shí)花藥大量掉落，花粉已經(jīng)基本不具備活力。柱頭開花前1～3 d就具有一定可授性，開花后10～20 min，花藥開始散粉，柱頭的可授性增強(qiáng)，開始分泌粘液；開花后2 h可授性達(dá)到最強(qiáng)，此階段花粉活力也最高；開花后4～12 h，柱頭粘液分泌逐漸減少，可授性仍然較強(qiáng)，但已經(jīng)有所下降。柱頭可授性在開花12 h～2 d期間一直呈下降趨勢，開花2～3 d時(shí)，部分柱頭已不具有可授性，且基本不分泌粘液，4 d時(shí)所有柱頭均已不具可授性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷大花紫薇為雌雄同熟，開花后2～4 h為人工授粉的最佳時(shí)機(jī)。

表3 大花紫薇的花粉活力與柱頭可授性

2.4 花粉數(shù)-胚珠數(shù)比(P/O)的估算

大花紫薇雄蕊多枚，花粉量較大。單花花藥數(shù)量為(244±76)個(gè)，花粉數(shù)量為(783 055.55±150 071.15)粒，胚珠數(shù)量(144±17)個(gè)，花粉數(shù)-胚珠數(shù)比為5 445.45；依據(jù)Cruden的標(biāo)準(zhǔn)，判斷大花紫薇的繁育系統(tǒng)屬于專性異交類型。

2.5 雜交指數(shù)(OCI)的估算

根據(jù)Dafni異交指數(shù)的計(jì)算規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，大花紫薇單花直徑(70.73±4.23)mm，記為3；花粉和柱頭基本在同一個(gè)時(shí)間段成熟，記為0；雄蕊展開前柱頭就已經(jīng)伸出，待雄蕊完全展開后，柱頭比花藥高，雌雄蕊空間位置分離，記為1。因此大花紫薇的OCI值為4，繁育系統(tǒng)以異交為主，部分自交親和，需要傳粉者。

2.6 人工授粉試驗(yàn)

根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)結(jié)實(shí)情況可以看出，自然狀態(tài)下大花紫薇的結(jié)實(shí)率為72%，低于人工異花授粉結(jié)實(shí)率，說明自然狀態(tài)下存在一定花粉限制。在自然授粉狀態(tài)下大花紫薇去雄套袋、不去雄套袋、去雄不套袋以及去雄套網(wǎng)袋4種處理方式的結(jié)實(shí)率均為0，表明大花紫薇不存在自花傳粉且無融合生殖現(xiàn)象，也不存在風(fēng)媒傳粉。在人工授粉的試驗(yàn)中，人工自花授粉與人工同株異花授粉的結(jié)實(shí)率接近，分別為68%和74%，體現(xiàn)出一定的自交親和性；同時(shí)，人工異株異花授粉結(jié)實(shí)率高達(dá)90%，與人工同株異花授粉、人工自花授粉處理的結(jié)實(shí)率有明顯差距，表明該樹種具有較強(qiáng)的異交傾向。由此可以判斷大花紫薇繁育系統(tǒng)類型為自交和異交混合(不存在原始自花傳粉)，且需要傳粉者才能成功授粉。

表4 不同授粉處理下大花紫薇的果實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率

2.7 傳粉昆蟲及訪花行為

大花紫薇的訪花昆蟲偏好處于開放初期的花，一般集中在07:30—12:00進(jìn)行訪花，訪花高峰期在08:00—10:00期間，此時(shí)昆蟲的種類、數(shù)量最多，12:00后幾乎不再有昆蟲進(jìn)行訪花。如遇陰雨和大風(fēng)天氣，訪花昆蟲的種類和數(shù)量會(huì)大幅減少。

經(jīng)過觀察及鑒定，大花紫薇訪花昆蟲共9科17種(表5)，包括鱗翅目、膜翅目、雙翅目、半翅目以及蜘蛛目5個(gè)目，其中傳粉昆蟲有7科15種，主要分為蝶類、蜂類以及蠅類。膜翅目的蜂類昆蟲如熊蜂和中華蜜蜂，是大花紫薇最有效的傳粉昆蟲，它們飛行速度快，訪花時(shí)間長，采用連續(xù)訪花的模式，一般直接降落于雄蕊群中，其頭部、背部、腹部、身體兩側(cè)及足部均能接觸到花藥，并通過翅膀和身體的高頻振動(dòng)將花藥上的花粉抖落，鏡檢下攜帶的花粉量也相對較多。鱗翅目的蝶類昆蟲一般體型較大，在訪花時(shí)腹部及翅膀容易觸碰花藥而沾上花粉，但攜帶的花粉量相對較少，能有效傳粉但效果不明顯。雙翅目的蠅類訪花昆蟲為體型較小的黑尾黑麻蠅和夏廁蠅，訪花速率高，但其身體不進(jìn)入雄蕊群中，不易攜帶花粉，幾乎無傳粉作用。

表5 大花紫薇主要訪花昆蟲

A、B為熊蜂；C、D為中華蜜蜂；E為胡蜂科昆蟲；F為蝶類昆蟲。

3 結(jié)論與討論

3.1 大花紫薇花部特征與傳粉的適應(yīng)性

完整的傳粉系統(tǒng)為植物生殖成功的前提[14]。大花紫薇花藥與柱頭幾乎同時(shí)成熟，花粉有一定活力，且存在多種訪花昆蟲，這些條件構(gòu)成其完整的傳粉系統(tǒng)。為了適應(yīng)自身的傳粉系統(tǒng)，保證繁殖成功，植物體特別是花器官往往會(huì)表現(xiàn)出高度的適應(yīng)特征[15]，以吸引不同傳粉者進(jìn)行訪花。研究表明，蜂類昆蟲傳粉者在訪花時(shí)優(yōu)先考慮花展示大小[16-17]，故花量多且花序大、單花直徑大的大花紫薇有效傳粉昆蟲是以蜂類為主，表面具有顆粒狀突起的花粉粒則有利于附在傳粉者身上而實(shí)現(xiàn)有效傳遞。對稱式的花冠和大面積的鮮黃色雄蕊群是其傳粉者重要的視覺引導(dǎo)信號(hào)，授粉試驗(yàn)結(jié)果表明若去除雄蕊，則難以進(jìn)行授粉，坐果率為0。平展的花瓣為小型傳粉者著陸平臺(tái)，完全裸露的雄蕊群則便于傳粉者深入雄蕊群中獲取更多花粉，延長訪花時(shí)間。雌雄異位與雌雄異熟能有效降低雌雄功能之間的相互干擾[18-19]，避免自交。大花紫薇柱頭垂直高于花藥，這種探出式的雌雄異位能夠使柱頭遠(yuǎn)離傳粉者通道[20]，但雌雄幾乎同熟，又為自花授粉提供了條件。

植物為適應(yīng)生境演化出不同的開花模式，主要分為“大量、集中式”開放和“穩(wěn)定、持續(xù)式”開放[21]。大花紫薇花期集中在5—8月，個(gè)體開花量大，屬于第一種開花模式，有利于吸引更多傳粉者訪花，保障了花粉的有效傳遞[22]?；ǘ溟_放時(shí)間與傳粉者訪花習(xí)性也存在一定適應(yīng)性[23]。大花紫薇凌晨開放，萼片開裂后最先將花柱伸出并保持直立，約2.5 h后自花雄蕊才開始散粉，這使柱頭有一定的時(shí)間接受異花花粉，增加異花傳粉的幾率。開花后2～4 h花粉活力與柱頭可授性最強(qiáng)，是進(jìn)行授粉的最佳時(shí)機(jī)，且該時(shí)間段處于訪花昆蟲對花的偏好階段，與訪花高峰期基本一致。大花紫薇柱頭具可授性的時(shí)間可持續(xù)2～3 d，能在一定程度上提高結(jié)實(shí)率；而在柱頭和花藥萎蔫后，花瓣能夠保持2 d左右較新鮮的狀態(tài)，能夠讓植株在增加花展示的同時(shí)，又不會(huì)提高同株異花授粉的幾率。

上述多種特征保證了大花紫薇生殖過程的順利進(jìn)行，提高傳粉者的花粉傳遞效率，為受精成功提供一定保障。花部特征的進(jìn)化雖然在一定程度上由不同傳粉者的偏好所驅(qū)動(dòng)[24]，但結(jié)果表明大花紫薇通過一組廣泛的昆蟲進(jìn)行傳粉，加上環(huán)境等因素產(chǎn)生的選擇壓力，其花部特征難以向著某一特定的表征進(jìn)化，形成?；瘋鞣巯到y(tǒng)，與此同時(shí)增加了雄性資源的投入，需要大量花粉報(bào)酬來吸引各類昆蟲。

3.2 大花紫薇的繁育系統(tǒng)類型

根據(jù)P/O值評判標(biāo)準(zhǔn)，大花紫薇繁育系統(tǒng)為專性異交，而按照OCI的評判標(biāo)準(zhǔn)，繁育系統(tǒng)以異交為主，部分自交親和，需要傳粉者，二者結(jié)果不一致。人工授粉試驗(yàn)結(jié)果顯示其無融合生殖，為異花傳粉，需要傳粉者完成授粉過程，具強(qiáng)烈異交傾向，并存在一定自交親和性，與雜交指數(shù)檢測結(jié)果一致。

有花植物進(jìn)化過程中為提高自身的適應(yīng)性，通過不斷調(diào)整雌雄資源配置，在內(nèi)部遺傳機(jī)制和外部環(huán)境條件的共同影響下形成了多種類型的繁育系統(tǒng)[25]，但自然界中大多數(shù)植物類群都屬于二者兼有的混合交配模式[26]，它的維持是在異交和自交的選擇壓力下為保持多樣的生殖成功不斷進(jìn)化的結(jié)果[27-28]。據(jù)觀察，大花紫薇通過豐富的大花序提高異交花粉輸出量，而傳粉者往往會(huì)在同一植株上進(jìn)行連續(xù)訪花，所以不可避免地產(chǎn)生高水平的同株異花授粉[29]，導(dǎo)致花粉貼現(xiàn)和胚珠貼現(xiàn)。因此，當(dāng)柱頭上同株異花花粉或自花花粉的落置量增加并造成堵塞時(shí)，異交花粉在花粉競爭中處于劣勢，失去萌發(fā)機(jī)會(huì)，此時(shí)自交親和機(jī)制發(fā)揮保障生殖成功的作用，但自交又會(huì)降低雌性適合度，影響種子產(chǎn)率和發(fā)芽率。人工授粉試驗(yàn)結(jié)果顯示，大花紫薇異株異花授粉結(jié)實(shí)率高達(dá)90%，但自然授粉結(jié)實(shí)率與同株異花授粉、自花授粉的結(jié)實(shí)率更接近(均在70%左右)，證明自然狀態(tài)下存在花粉限制，同株異花授粉和自花授粉在傳粉過程中占主導(dǎo)地位。綜上所述，判斷大花紫薇繁育系統(tǒng)為主動(dòng)異交和被動(dòng)自交混合的交配系統(tǒng)，繁育系統(tǒng)類型與同屬的紫薇(Lagerstroemiaindica)[30]及毛萼紫薇(Lagerstroemiabalansae)[31]相同。