狹域物種廣西秋海棠傳粉生物學(xué)研究

梁瓊月 劉長秋 陸奇豐 鄧 濤 蔡 博*

（1.廣西師范大學(xué)珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，桂林 541001；2.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，桂林 541006）

大多數(shù)被子植物的有性繁殖過程都需要?jiǎng)游镌L花者進(jìn)行花粉的傳播，然而目前傳粉者數(shù)量和種類下降已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)普遍顯現(xiàn)的生態(tài)問題［1］。這可能直接影響野生或栽培植物的繁殖和種群維持。傳粉不足或缺失也被認(rèn)為是威脅珍稀瀕危、狹域分布植物的生存和種群更新的一個(gè)可能因素［2］。對(duì)于遷地保護(hù)的植物來說，在引種地如果缺乏原生境的傳粉動(dòng)物，則可能導(dǎo)致自然傳粉失敗，有性途徑繁殖新個(gè)體則需要及時(shí)進(jìn)行人工授粉［3］。理論上，具有比較特化的花特征的植物可能在原生境發(fā)生變化或移栽到新生境時(shí)更容易遇到傳粉不足的問題，而具有相對(duì)泛化的花特征和傳粉系統(tǒng)的植物可能不易遭遇傳粉不足［4］。

秋海棠屬（Begonia）植物物種極為豐富，多為狹域分布物種［5］，其中廣西秋海棠（B.guangxiensis）為多年生草本植物，廣西特有種，主要分布于中國廣西都安與靖西，生長范圍狹窄，數(shù)量稀少。種群分布于海拔200～300 m的陰濕石壁、林下和山洞中，花期1—3 月，果期3—5 月。廣西秋海棠的花朵粉紅鮮艷（圖1），葉片獨(dú)特多姿，株型端莊挺拔，有著很高的觀賞價(jià)值與園林應(yīng)用潛力，其莖葉也有良好的藥用和食用價(jià)值［6］。

圖1 廣西秋海棠的花朵與訪花昆蟲A.蜜蜂；B.食蚜蠅Fig.1 Flowers and visiting insects of B.guangxiensisA.Honeybee；B.Hoverfly

廣西秋海棠是吳征鎰等［7］于1997 年發(fā)表于植物分類學(xué)報(bào)的新種，其性系統(tǒng)為單性同株，這與大多數(shù)具有單性花的秋海棠屬植物類似，因此不能進(jìn)行自動(dòng)自花傳粉，交配系統(tǒng)為自交親和或不親和。這種性系統(tǒng)在整個(gè)被子植物中出現(xiàn)的頻率只有5%左右，且大多數(shù)以大型風(fēng)媒植物為主，動(dòng)物傳粉的種類較少［8］。秋海棠屬的傳粉生物學(xué)只在少數(shù)熱帶美洲與非洲產(chǎn)的物種有報(bào)道［9-12］。而國內(nèi)關(guān)于秋海棠屬植物的報(bào)道和研究主要集中在資源狀況調(diào)查、觀賞特性評(píng)價(jià)等方面［6，13-15］，在傳粉生物學(xué)方面還幾乎沒有研究，僅田代科等［16］報(bào)道過上海辰山植物園引種的某些本屬植物的訪花昆蟲，但沒有座果等繁殖成功度的指標(biāo)。交配系統(tǒng)方面，僅見有B.integerrima和B.itatinensis［17］被報(bào)道為自交不親和。由于廣西秋海棠分布范圍狹窄，原始生境受到開荒、修路和割飼草等人為活動(dòng)的威脅，近年來研究人員從自然原生地陸續(xù)引種一定數(shù)量的野生植株，栽培于各類人工植物園中。

秋海棠屬植物花結(jié)構(gòu)開放，花被片一般為白色至深淺不同的粉色或紅色，無明顯管狀構(gòu)造，雄蕊數(shù)量多而聚合成一個(gè)團(tuán)，呈鮮黃色，可以歸入“花粉花”這一綜合征［18］。這類植物的傳粉者可能是采集花粉的各種蜂類或蠅類，即傳粉方式較泛化；也可能因?yàn)樘厥獾男螒B(tài)而僅適應(yīng)特殊種類的花粉采集者進(jìn)行傳粉，即傳粉方式較特化［19］。

本研究的目的是檢驗(yàn)狹域分布植物廣西秋海棠的交配系統(tǒng)、傳粉者類型以及在自然生境和人工生境中的繁殖成功度。通過調(diào)查研究自然和人工生境中廣西秋海棠居群，比較不同環(huán)境中該物種生長性狀和傳粉昆蟲，回答以下3個(gè)問題：（1）廣西秋海棠的自然有性繁殖能力在自然和人工居群是否有顯著不同？（2）廣西秋海棠的傳粉是否必需自然生境的特殊傳粉昆蟲？（3）廣西秋海棠是否自交親和？本研究有助于豐富本屬植物傳粉生態(tài)學(xué)的認(rèn)知，揭示傳粉需求是否是導(dǎo)致該物種狹域分布的潛在因素，為該物種的保育工作提供指導(dǎo)性建議。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

人工生境研究地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市中國科學(xué)院廣西植物研究所，地處25°1′N，110°17′E。海拔180～300 m，氣候溫和，雨量充沛，年平均降雨量為1 900 mm，年平均日照1 550 h 以上，年平均氣溫18.8 °C，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。

自然生境研究地點(diǎn)位于廣西河池市都安縣東廟鄉(xiāng)弄工村弄校屯，地處23°93′N，108°10′E，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，同時(shí)受境內(nèi)巖溶山區(qū)地貌影響，季風(fēng)明顯，四季分明。年平均氣溫21.4 ℃，年平均降雨量約為1 700 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 開花生物學(xué)特征

對(duì)廣西秋海棠的單花花期進(jìn)行觀察和記錄。在人工生境中選取10 株個(gè)體，每個(gè)植株選取雌雄單花各1 朵，在花朵打開前使用吊牌進(jìn)行標(biāo)記，每天同一時(shí)間進(jìn)行一次觀察并記錄花朵生長情況直至凋謝。

在自然生境和人工生境依據(jù)廣西秋海棠種群數(shù)量的實(shí)際情況選取一定數(shù)量的植株（20～30株），進(jìn)行花部形態(tài)特征的測定，每個(gè)個(gè)體測量1朵雌花和1朵雄花。統(tǒng)計(jì)每株植物的雌雄花比例，測量植物的花朵直徑、花藥長、花藥直徑、花柱長和柱頭直徑并記錄花冠顏色。

1.2.2 繁育系統(tǒng)測定

繁育系統(tǒng)是指代表所有影響后代遺傳組成的有性特征的總和，主要包括花形態(tài)特征、花的開放式樣、花各部位的壽命、傳粉者種類和頻率、自交親和程度和交配系統(tǒng)，其中交配系統(tǒng)是核心［20］。通過對(duì)廣西秋海棠進(jìn)行雜交指數(shù)的估算，并開展授粉試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)座果率，以探討其繁育特性和繁殖機(jī)制。

1.2.2.1 雜交指數(shù)估算

根據(jù)Dafni［21］提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雜交指數(shù)outcrossing index（OCI）估算。（1）花朵的直徑（d）：d＜1 mm、1 mm≤d≤2 mm、2 mm＜d≤6 mm、d＞6 mm，分別記為0、1、2、3；（2）柱頭可授期與雄蕊同時(shí)成熟或雌蕊先成熟記為0，雄蕊先成熟記為1；（3）柱頭與花藥的位置在同一高度記為0，兩者空間分離不在同一高度記為1。以上三者之和為OCI值。OCI=0時(shí)，植物的繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI=1為專性自交；OCI=2為兼性自交；OCI=3為自交親和，有時(shí)需要傳粉者；OCI≥4 為部分自交親和、異交，需要傳粉者［22-23］。

1.2.2.2 授粉試驗(yàn)

根據(jù)廣西秋海棠單性同株的性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開展3 組授粉處理用以檢驗(yàn)交配系統(tǒng)和自然傳粉的效果。（1）對(duì)照：只進(jìn)行掛牌操作。（2）異交：取其他植株的花粉對(duì)目標(biāo)雌花進(jìn)行授粉。（3）自交：取同株植物的花粉進(jìn)行授粉。在開花前使用尺寸為5 cm×5 cm、孔徑為0.3 mm 的尼龍網(wǎng)袋對(duì)目標(biāo)雌花進(jìn)行套袋處理，并使用吊牌標(biāo)記，待花朵打開后取下網(wǎng)袋授粉，授粉完成再把花序重新套住。以上處理中，對(duì)照在兩地生境均有開展，其余兩處理在人工生境進(jìn)行。待植物進(jìn)入果期時(shí)統(tǒng)計(jì)各處理的座果率，座果率=果實(shí)數(shù)量/花數(shù)量×100%。

1.2.3 訪花昆蟲觀察

訪花者觀察選在廣西秋海棠的盛花期進(jìn)行，其中人工生境訪花昆蟲觀察開始于2021 年2 月末和2022 年3 月初，而自然生境于2022 年2 月末開展，訪花觀察時(shí)間均為7～10 d。在進(jìn)行訪花昆蟲觀察時(shí)，均以0.5 h為一個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段結(jié)束后換另一組花（50～100 朵）進(jìn)行觀察，每天平均觀察3～6 h。2021 年人工生境廣西秋海棠累計(jì)觀察30.5 h，2022年人工生境為26.0 h，自然生境47.0 h。觀察期間詳細(xì)記錄訪花者的種類和訪問次數(shù)。所有觀察活動(dòng)均在沒有降雨時(shí)進(jìn)行。

1.2.4 種子的萌發(fā)測定

以授粉試驗(yàn)得到的自交與異交的種子作為萌發(fā)試驗(yàn)的材料，其中異交果實(shí)6 個(gè)，自交果實(shí)12個(gè)，每個(gè)果實(shí)隨機(jī)挑選出100 粒種子，分別置于墊有2 層濾紙、直徑為100 mm 的一次性塑料培養(yǎng)皿中。每日定時(shí)澆1次純凈水，澆水量以澆透濾紙為準(zhǔn)。整個(gè)試驗(yàn)過程在培養(yǎng)條件為20 ℃無光照11 h、27 ℃光照13 h 的光/暗周期交替的智能型光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行。

種子萌發(fā)以出現(xiàn)露白為標(biāo)記，每日同一時(shí)間記錄培養(yǎng)皿中種子發(fā)芽的數(shù)量，直至所有種子連續(xù)3 d 無新萌發(fā)［24］。發(fā)芽試驗(yàn)一共進(jìn)行40 d。發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)量/供試種子數(shù)量×100%。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS Office 與IBM SPSS Statistics 25對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析方對(duì)座果率與發(fā)芽率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（α=0.05，下同）；不同處理間的座果率差異使用LSD最小顯著性差異法進(jìn)行字母標(biāo)記；對(duì)訪花昆蟲比例進(jìn)行交叉表卡方檢驗(yàn)；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)廣西秋海棠雌花和雄花的單花持續(xù)時(shí)間與除雌花直徑外的花朵表型性狀進(jìn)行分析，其中雌雄花數(shù)量比的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為算數(shù)平方根后進(jìn)行分析。兩地生境雌花直徑的比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)進(jìn)行分析。廣西秋海棠雌花和雄花的單花持續(xù)時(shí)間與花朵表型性狀大小及發(fā)芽率的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。作圖使用Origin 2018與Microsoft Excel 2010。

2 結(jié)果

2.1 廣西秋海棠的開花生物學(xué)特征

廣西秋海棠的花期集中在2 月中旬至3 月下旬，自然生境的花期開始時(shí)間比人工生境早7～10 d。人工生境中廣西秋海棠的單花持續(xù)時(shí)間普遍在8 d以上，其中雌花平均單花持續(xù)時(shí)間（11.35±0.75）d顯著長于雄花（9.20±0.42）d（P＝0.022）。

在廣西秋海棠花朵的表型性狀（表1）中，廣西秋海棠兩地生境的花冠顏色均為粉白色；自然生境的雌雄花數(shù)量比、雌花直徑和柱頭直徑顯著大于人工生境，而人工生境的雄花直徑則顯著大于自然生境；其余花朵表型性狀在兩個(gè)生境中無明顯差異。

表1 廣西秋海棠花朵表型性狀Table 1 Phenotypic traits in flowers of B.guangxiensis

2.2 廣西秋海棠的繁育系統(tǒng)測定

2.2.1 雜交指數(shù)估算

廣西秋海棠的雌花與雄花的花朵直徑均大于6 mm（表1），記為3；雄蕊先熟，記為1；柱頭與花藥空間分離，記為1，相加得到OCI值≥4，因此廣西秋海棠的繁育系統(tǒng)為部分自交親和、異交、需要傳粉者。

2.2.2 授粉試驗(yàn)

人工生境中對(duì)照分別與自交和異交的座果率之間存在顯著差異（P=0.019），對(duì)照1 的座果率顯著低于自交（P=0.043）與異交（P=0.009）處理。自交與異交（P=0.562）、對(duì)照2（P=0.518）之間座果率均無顯著差異（圖2）。

圖2 廣西秋海棠不同授粉處理的座果率對(duì)照1 為人工生境；對(duì)照2 為自然生境；不同小寫字母代表各處理間差異顯著（P＜0.05）Fig.2 Proportion fruit set in different pollination treatments of B.guangxiensisControl 1 is the artificial habitat’s control；Control 2 is the natural habitat’s control；Different lowercase letters represent significant differences among treatment（sP＜0.05）

2.3 廣西秋海棠的訪花昆蟲觀察

2021年人工生境訪花觀察中發(fā)現(xiàn)了2類訪花昆蟲，分別為蜂類（中華蜜蜂（Apis cerana）與萃熊蜂（Bombus eximius））和食蚜蠅（黑帶食蚜蠅（Episyrphus balteatus）與刺腿食蚜蠅（Ischiodon scutellaris）），2類昆蟲均訪問雌花與雄花，用腿或身體的腹面接觸雄蕊，在訪問雌花時(shí)也用這些部位接觸柱頭。2022年人工生境和自然生境觀察到的訪花昆蟲均為蜜蜂和食蚜蠅（圖1）。2021—2022 年廣西秋海棠兩地生境訪花昆蟲比例之間具有極顯著差異（P＜0.001）（圖3）。2022 年廣西秋海棠訪花昆蟲訪問雌花的比例較低，人工生境中蜜蜂沒有訪問雌花，可能是由于訪問次數(shù)過少導(dǎo)致的偶然現(xiàn)象（圖4）。2021年在人工生境沒有統(tǒng)計(jì)訪花昆蟲訪問雌花的次數(shù)，但也明顯觀察到熊蜂存在訪問雌花的現(xiàn)象。由于熊蜂訪問單花的時(shí)間很短，故沒有拍攝到訪花照片。

圖3 2021—2022年廣西秋海棠訪花昆蟲比例括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表總訪問次數(shù)Fig.3 Proportion of visiting insects in B.guangxiensis from 2021-2022The numbers in parentheses indicates total visits

圖4 2022年廣西秋海棠訪花昆蟲訪問雌花與雄花的比例Fig.4 Ratio of female to male flowers visited by insects of B.guangxiensis in 2022

2.4 廣西秋海棠的種子萌發(fā)測定

在自交的12 個(gè)培養(yǎng)皿中，只有1 個(gè)無種子發(fā)芽，其余培養(yǎng)皿均有發(fā)芽種子，發(fā)芽率最高為57%；異交的6 個(gè)培養(yǎng)皿全部發(fā)芽，發(fā)芽率最高為37%，最低為7%。通過對(duì)比得出自交（33.25±4.96）%與異交（21.67±5.00）%發(fā)芽率水平?jīng)]有顯著差異（P=0.162）。

3 討論

廣西秋海棠早春開花，具有較長的單花花期，兩生境中花冠大小表現(xiàn)出一定差異。物種自交授粉后座果良好，且自交得到的種子發(fā)芽能力不弱于異交。在自然生境和人工生境中訪花昆蟲比例有明顯的差異，但均為采集花粉的昆蟲。該物種在兩生境中均能實(shí)現(xiàn)順利的自然繁殖，盡管自然座果率略低于人工補(bǔ)充授粉。

廣西秋海棠早春開花的特點(diǎn)在國產(chǎn)秋海棠屬中并不常見。在氣溫較低的季節(jié)，開花的植物常面臨傳粉昆蟲稀少的問題［25］，這一點(diǎn)與本文觀測到訪花次數(shù)無論在哪種生境都比較低的事實(shí)相符。與此相對(duì)應(yīng)的是該植物具有較長的單花花期，這與之前學(xué)者提出的“單花花期與訪問頻率呈反比”的設(shè)想相符，即延長單花花期可以在傳粉者稀少時(shí)增加傳粉成功的概率［26-27］。雌花花期更長也符合之前在被子植物里觀察到的趨勢［28］。我們注意到本研究是我們了解的秋海棠屬單花花期的第一次報(bào)道，將來有必要在更多本屬物種中研究單花花期的長度和訪問頻率以及繁殖成功的關(guān)系。

廣西秋海棠具有明顯適應(yīng)采集花粉的昆蟲的花綜合征，這與秋海棠屬植物屬于“花粉花”這一傳粉綜合征［18］保持一致。廣西秋海棠花朵報(bào)酬沒有花蜜，吸引傳粉者的只有花粉，其雄花具有花粉獎(jiǎng)勵(lì)，雌花則不產(chǎn)生任何傳粉者獎(jiǎng)勵(lì)，且雌雄花比例差距較大（自然生境約為2∶5，人工生境3∶10），這些特點(diǎn)均與之前報(bào)道的秋海棠屬植物［29］類似。在熱帶美洲和非洲報(bào)道過的秋海棠傳粉昆蟲主要是蜂類［9-12］，而在本研究以及田代科等［16］的觀察中，食蚜蠅也是常見的訪花者，并且能夠訪問雌花。蜂類與食蚜蠅的傳粉效率需要進(jìn)一步定量評(píng)估，但這至少說明亞洲秋海棠屬的傳粉系統(tǒng)可能與美洲有差異。這種差異是否在更廣尺度上存在以及它可能對(duì)秋海棠屬花進(jìn)化產(chǎn)生的影響都需要更多的研究工作。

野生植物在引種到新的環(huán)境中，有時(shí)會(huì)因?yàn)槿狈线m的傳粉者而遭遇繁殖困難，這與花特征過分特化有關(guān)［30-31］。但另一方面引種后可以成功進(jìn)行自然有性繁殖的例子也很常見［32］。盡管廣西秋海棠在不同生境不同年份的訪花昆蟲比例有所差異，花冠大小在不同生境也表現(xiàn)出一定差異，但人工生境與自然生境自然對(duì)照的座果率無顯著差異，表明兩地廣西秋海棠的自然有性繁殖能力無差別，無論在自然生境還是人工生境，廣西秋海棠植株都能正常地進(jìn)行授粉、繁殖后代。同時(shí)考慮到不同類型的花粉采集昆蟲均有訪問雌花、接觸柱頭的行為，可以得出廣西秋海棠的傳粉并不依賴自然生境中的特殊傳粉昆蟲的結(jié)論，即它是一種較為泛化的傳粉方式，能被各種不同的花粉采集昆蟲傳粉。本研究的結(jié)果表明至少對(duì)于這個(gè)物種來說，傳粉需求在自然生境是能夠得到充分滿足，且其傳粉昆蟲屬于常見而廣布的類型，因此傳粉不足不是導(dǎo)致該物種狹域分布的原因（圖2）。秋海棠屬植物花特征種間變化很小，因此推測這種相對(duì)泛化的傳粉方式可能至少在亞洲秋海棠屬植物中廣泛存在，引種后可能普遍很容易進(jìn)行自然的有性繁殖。

根據(jù)Dafni［21］提出的標(biāo)準(zhǔn)，廣西秋海棠的雜交指數(shù)OCI≥4，其繁育系統(tǒng)部分自交親和、異交、需要傳粉者。同時(shí)授粉試驗(yàn)結(jié)果也表明自交與異交之間座果率無顯著差異，兩處理下種子的發(fā)芽率也無顯著差異，說明廣西秋海棠植株自交親和，當(dāng)種群植株數(shù)量較少時(shí)也能順利繁殖，但仍需授粉媒介來完成授粉。自交親和性在其他多種秋海棠中均有報(bào)道［29］，但B.integerrima和B.itatinensis［17］等物種也記錄了自交不親和現(xiàn)象。然而交配系統(tǒng)在這個(gè)屬中的種間分布格局和進(jìn)化路徑仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)缺乏了解。