唐古特瑞香開花物候及繁育系統(tǒng)研究

何 瑞,閆 芳,,4*,祝睿彥,張春云,王海平,王勤禮,王建東,徐 濤,張春梅,陳 葉

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 2. 河西學(xué)院祖師麻原植物應(yīng)用技術(shù)研究所,甘肅 張掖 734000;3. 甘肅泰康制藥有限責(zé)任公司,甘肅 武威 733000; 4. 甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 張掖 734000)

唐古特瑞香(DaphnetanguticaMaxim)為瑞香科(Thymelaeaceae)瑞香屬(DaphneLinn.)多年生常綠小型灌木,主要分布在我國的溫帶、熱帶地區(qū),如陜西、甘肅、青海、四川、云南、西藏等海拔3 000 m左右的山坡灌叢、林緣、溝谷地帶[1],因此又稱甘青瑞香、甘肅瑞香、陜甘瑞香等。該物種株高0.6～1.0 m左右,分枝多且長勢(shì)不規(guī)則,枝上長有絨毛,單葉互生,呈披針狀,葉緣常外卷,花葉同生,雌雄同花,花期大致在5—6月,花型多以數(shù)朵呈頂生或腋生頭狀花序,花色艷麗,花冠外側(cè)為紫色、淺紫色或白色,內(nèi)側(cè)則以白色常見,花香濃烈,結(jié)果期在6—7月,核果多為紅色,蠶繭型[2]。該物種在臨床醫(yī)學(xué)中應(yīng)用十分廣泛,具有很高的藥用價(jià)值,其干燥的根皮和莖皮為我國傳統(tǒng)中藥材祖師麻的重要基源成分之一[3],藏藥中則以全株入藥,被稱為‘基原省相那瑪’[4],根皮、莖皮具有消腫止痛、祛風(fēng)除濕等功效;其葉、果可治疳積等;其花可治肺癰等[5]。近年來,隨著該物種藥用價(jià)值的深度挖掘,市場需求量不斷增大,藥農(nóng)為追求利益最大化,對(duì)野生唐古特瑞香進(jìn)行連根采挖,加之其自身野生繁殖量小、坐果率低、自然更新能力弱、生長繁殖緩慢等特性制約,導(dǎo)致野生唐古特瑞香資源逐年匱乏,極大限制了該物種的資源可持續(xù)利用。關(guān)于唐古特瑞香的研究主要集中在有效成分含量測定[5]、化學(xué)成分分析[6-7]、藥理作用分析[8]、脅迫生理響應(yīng)[9]、組織培養(yǎng)[2]等領(lǐng)域,但對(duì)該物種開花物候、花器官特征及繁育系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道,僅劉淑娟等[10]對(duì)唐古特瑞香的花部性狀及坐果情況進(jìn)行了初步研究。

繁育系統(tǒng)是植物內(nèi)在遺傳機(jī)制和外部環(huán)境影響相互作用下的生理表達(dá),對(duì)種群的優(yōu)化及動(dòng)態(tài)具有重要意義[11],其亦是直接影響后代遺傳組成的所有有性特征的總和,主要包括開花進(jìn)程,花部形態(tài)特征,花粉活力與柱頭可授性,花粉-胚珠比,雜交指數(shù),訪花者觀察等方面[12-13]。本研究以唐古特瑞香野生種群植株的花器官為試驗(yàn)材料,對(duì)其開花物候、花部特征及繁育系統(tǒng)進(jìn)行觀察和研究,深入了解唐古特瑞香開花進(jìn)程及生殖特性,探究其繁育類型及開花量大坐果率低的限制因素,以期為今后規(guī)模化、優(yōu)質(zhì)化人工繁育唐古特瑞香及祖師麻藥材產(chǎn)量提升提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)所研究的唐古特瑞香野生種群位于甘肅省武威市天祝縣安遠(yuǎn)鎮(zhèn)東直溝村(102°52′18″ E,37°14′53″ N),該地區(qū)地處天祝藏族自治縣北部,烏鞘嶺北麓,屬溫帶大陸性半干旱氣候,海拔2 700 m左右,年平均氣溫-0.2℃,年日照時(shí)數(shù)3 300 h,年平均空氣濕度53%,年降雨量600 mm,無霜期年平均120 d左右。1月平均氣溫-13℃,7月平均溫度16℃。

1.2 開花進(jìn)程及花部形態(tài)特征觀測

參考Defni等[14-15]的方法,于2023年5—6月對(duì)唐古特瑞香進(jìn)行群體、花序及單花等3個(gè)水平的開花進(jìn)程進(jìn)行觀測。于現(xiàn)蕾期隨機(jī)選定10株長勢(shì)基本一致,生長情況良好的植株,記錄單株的始花期(植株中5%的花朵開放期日)、盛花期(植株中50%的花朵開放期日)、末花期(植株中95%的花朵開放結(jié)束期日)以及花期持續(xù)時(shí)間;選定植株中隨機(jī)標(biāo)記10個(gè)花序記錄花期,每日定時(shí)觀察花序形態(tài)及變化情況。于盛花期隨機(jī)采集30朵發(fā)育良好的單花進(jìn)行解剖觀察,用游標(biāo)卡尺(申工牌,精度為0.02 mm)對(duì)花各部位進(jìn)行測量。

1.3 花粉形態(tài)、活力及柱頭可授性測定

將完全盛開單花的花藥置于5 mL的離心管,用攪拌棒將花藥研碎釋放花粉,用磷酸緩沖液漂洗3次,再經(jīng)不同濃度的乙醇(70%,80%,90%,99.5%)逐級(jí)脫水,脫水后再用乙酸異戊酯置換乙醇,放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9123A)進(jìn)行干燥后,利用掃描電子顯微鏡(Quanta 450 FEG)對(duì)花粉粒群體、個(gè)體及其表面紋飾進(jìn)行觀察、測量并拍照,重復(fù)3次。

參考陳宇嬌等[16]的方法,采集各時(shí)期的單花,花粉活力測定采用I2-KI法和TTC染色法,重復(fù)3次。柱頭可授性采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法,將各時(shí)期單花柱頭連同子房浸入聯(lián)苯胺-過氧化氫反應(yīng)液(1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水的體積比4∶11∶22)中,用體視顯微鏡(奧斯微T2-3M180)觀察并拍照。根據(jù)柱頭是否呈藍(lán)色以及柱頭周圍是否有氣泡產(chǎn)生判斷其可授性,柱頭染色越深且氣泡越多表明可授性越強(qiáng)。重復(fù)3次。

1.4 繁育系統(tǒng)類型評(píng)判

1.4.1花粉胚珠比(P/O)測定 采集待開的單花(花藥成熟但未散粉)20朵,將全部花藥移至離心管,放入設(shè)置為28℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9123A)進(jìn)行24 h烘干,干燥完成后用攪拌棒將離心管內(nèi)的花藥研碎釋放花粉。用70%的乙醇稀釋0.01 g果膠酶后,用蒸餾水定容至100 mL。取5 mL果膠酶溶液滴入裝有花粉的離心管后進(jìn)行24 h搖勻,使花粉全部散開。用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)花粉?？倲?shù)(P),重復(fù)3次。依據(jù)Cruden等[17]的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算P/O值并判斷繁育系統(tǒng)類型。閉花受精(P/O為2.70～5.40);專性自交(P/O為18.10～39.0);兼性自交(P/O為31.90～396.90);兼性異交(P/O為244.70～2 558.60);專性異交(P/O為2 108.00～19 525.00)。

1.4.2雜交指數(shù)(OCI)判定 采集盛花期的單花30朵,測量花朵直徑、開花行為以及柱頭與花藥的空間距離。參照Dafni[14]雜交指數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn):(1)花朵直徑<1 mm,記為0;花朵直徑在1～2 mm,記為1;花朵直徑在2～6 mm,記為2;花朵直徑>6 mm,記為3。(2)對(duì)花藥開裂和柱頭有可授性的時(shí)間先后順序進(jìn)行比較,如同時(shí)成熟或者雌蕊先熟記為0;雄蕊先熟則記為1。(3)當(dāng)柱頭與花藥高度空間距離相同時(shí)被記為0;如若兩者間空間分離記為1。以上三者相加之和為OCI值,當(dāng)OCI=0時(shí)為閉花受精;當(dāng)OCI=1時(shí)為專性自交;當(dāng)OCI=2時(shí)為兼性自交,有異交可能;當(dāng)OCI=3時(shí)為兼性異交,有時(shí)需要傳粉者;當(dāng)OCI=4時(shí)為異交,部分自交親和,多數(shù)需要傳粉者。

1.4.3訪花者觀察 參考徐杰[18]的方法,隨機(jī)選擇標(biāo)記已經(jīng)開放的30個(gè)花序連續(xù)觀察3 d,并對(duì)昆蟲訪花行為、頻率、昆蟲種類等進(jìn)行觀察記錄。每天訪花觀察時(shí)間為上午10:00至下午16:00,每次觀察持續(xù)時(shí)間為1 h,每隔1 h觀察一次并記錄觀察數(shù)據(jù),并將訪花昆蟲進(jìn)行拍照鑒定。

1.4.4開花及坐果率統(tǒng)計(jì) 參考劉淑娟等[10]的方法,隨機(jī)選擇標(biāo)記未開放的30個(gè)花序,盛花期統(tǒng)計(jì)單花開花數(shù),末花期后統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)并計(jì)算坐果率。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2021和IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析比較,用Duncan′s法進(jìn)行顯著性差異分析,用Power point 2021,Origin 2021進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 唐古特瑞香開花物候及花部形態(tài)特征

2.1.1開花進(jìn)程 通過對(duì)花期物候觀察,唐古特瑞香花芽在4月下旬開始萌動(dòng),5月中上旬進(jìn)入始花期,5月中下旬為盛花期,6月上旬進(jìn)入末花期(表1),群體開花持續(xù)時(shí)間為17～22 d,單個(gè)花序開花持續(xù)時(shí)間為8～11 d,單花開放持續(xù)時(shí)間7～9 d。

表1 唐古特瑞香開花進(jìn)程Table 1 Flowering process of D.tangutica

根據(jù)對(duì)唐古特瑞香開花物候的觀察,將其頭狀花序的開花進(jìn)程分為8個(gè)時(shí)期(圖1):

圖1 唐古特瑞香花序開花進(jìn)程Fig.1 Flowering process of inflorescence of D.tangutica注:A-B,花芽形成期;C-D,苞片開裂期;E-F,花序著色期;G-H,花序松散期;I-J,初花期;K-L,盛花期;M-N,末花期;O,凋謝期Note:A-B,Flower bud formation period;C-D,Bract dehiscence period;E-F,Inflorescence coloring period;G-H,Inflorescence loosening period;I-J,Flowering period;K-L,Blooming stage;M-N,Final flowering period;O,Withering period

(1)花芽形成期:花芽自4月上旬形成并開始膨大,花序被堅(jiān)硬厚實(shí)且?guī)в薪q毛的苞片包裹,該時(shí)期持續(xù)20～25 d;

(2)苞片開裂期:花芽內(nèi)單花的生長膨大使得苞片開裂,直至整個(gè)花序內(nèi)的數(shù)朵單花完全露出,該時(shí)期持續(xù)3～5 d;

(3)花序著色期:花序內(nèi)單花由外向內(nèi),自上而下的開始由嫩綠色變?yōu)樽仙?位于花序中心位置的單花先抽出,靠近苞片位置的單花后抽出,該時(shí)期持續(xù)3～5 d;

(4)花序松散期:花序內(nèi)單花抽出后不再受苞片的約束,單花之間的空間進(jìn)一步釋放,同時(shí)單花花冠持續(xù)膨大,由紫色變?yōu)闇\紫色,該時(shí)期持續(xù)2～3 d;

(5)初花期:花序內(nèi)單花由邊緣向中心依次開放,花序內(nèi)可見2枝新葉同步抽出,該時(shí)期持續(xù)2～4 d;

(6)盛花期:花冠完全展開,內(nèi)側(cè)為白色,花冠管口可見4粒上輪花藥呈對(duì)角排列,新葉從花序內(nèi)完全抽出,該時(shí)期持續(xù)5～7 d;

(7)末花期:花序內(nèi)單花萎蔫,花冠開始閉合,花冠管口可見上輪花藥已干枯,授粉成功的花冠管基部開始膨大,該時(shí)期持續(xù)2～3 d;

(8)凋謝期:花序整體干枯,呈黃褐色,成功坐果的單花子房持續(xù)膨大,花冠管隨之脫落,該時(shí)期持續(xù)3～5 d。

2.1.2花部形態(tài)特征 唐古特瑞香為頂生或腋生頭狀花序,花序軸短且伴有成對(duì)新葉、新枝同生,花序直徑為30～34 mm,花序高18～29 mm,每個(gè)花序的單花數(shù)量為7～15朵不等(圖2)。單花均由花序邊緣向中心依次開放,花冠呈十字形,輻射狀中心對(duì)稱,花冠直徑為13.98～17.32 mm;花瓣數(shù)4,花瓣外側(cè)呈紫紅或淺紫色,內(nèi)側(cè)為白色,披針形,似絲絨質(zhì)地,長5.85～7.92 mm,寬3.52～5.64 mm;花序軸基部苞片數(shù)8～15,有尖鱗片狀,堅(jiān)硬有韌性,呈黃綠色,外側(cè)帶有細(xì)長絨毛。

圖2 唐古特瑞香花序Fig.2 Inflorescence of D.tangutica

唐古特瑞香單花為兩性花,雄蕊數(shù)8,花絲極短,花藥分上下2輪,上輪花藥位于花冠管口,下輪花藥位于花冠管中部,上、下2輪花藥相距1.02～2.18 mm;雌蕊位于花冠管基部,長3.11～3.96 mm,花柱極短,介于子房和柱頭之間;柱頭呈絨毛狀,帶有可吸附花粉粒的粘液,距上輪花藥3.21～5.51 mm,距下輪花藥1.16～2.09 mm;子房位于花冠管基部,為卵型,呈綠色,直徑為1.34～1.63 mm;子房壁厚實(shí),珠被內(nèi)胚珠數(shù)為1,居中位置(圖3,表2)。

圖3 唐古特瑞香單花形態(tài)及精細(xì)解剖圖Fig.3 Single flower morphology and detailed anatomy of D.tangutica注:A1和A2,花側(cè)視和俯視圖;B,花離析;C,花縱剖;D,子房縱剖;E1和E2,花藥Note:A1 and A2,Flower side view and top view;B,Anatomy of the flower;C,Longitudinal profile of the flower;D,Longitudinal profile of the ovary;E1 and E2,Anthers

表2 唐古特瑞香花器官特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the floral organ features of D.tangutica

2.2 花粉形態(tài)、活力及柱頭可授性

2.2.1花粉形態(tài) 唐古特瑞香花粉粒藏于藥室內(nèi)(圖4A),未發(fā)育完全的花粉粒為半球形,半球橫切面略微凹陷(圖4B);發(fā)育完全的花粉粒呈圓球形,赤道軸長約25.27 μm(圖4C)?；ǚ哿１砻娉蚀虪?不規(guī)則顆粒網(wǎng)狀復(fù)合紋飾,顆粒的不規(guī)則排列形成大小不一的孔隙,刺基部相對(duì)較大,刺較短,頂部漸尖(圖4D)。

圖4 唐古特瑞香花粉形態(tài)Fig.4 Pollen morphology of D.tangutica注:A,群體視野;B和C,赤道面觀;D,外壁紋飾Note:A,Group vision;B and C,Polar view;D,Outer wall decoration

2.2.2柱頭可授性與花粉活力動(dòng)態(tài) 依據(jù)唐古特瑞香單花發(fā)育的形態(tài)特征變化,可將現(xiàn)蕾期至末花期劃分為6個(gè)時(shí)期(圖5A)。P1:單花通體為嫩綠色,花瓣與花冠管結(jié)合部有楞狀凸起;P2:花瓣和花冠管開始伸長、膨大,花瓣頂尖部位開始著色;P3:花瓣和花冠管進(jìn)一步伸長、膨大,花瓣頂部完全著紫色,花冠管由嫩綠色變?yōu)樽仙?P4:4裂花瓣微開,花瓣外側(cè)變?yōu)闇\紫色;P5:4裂花瓣完全展開,花瓣內(nèi)側(cè)呈白色,花冠管口可見上輪4顆黃色花藥,并伴有濃烈香氣;P6:花瓣萎蔫卷曲,顏色由淺紫色變?yōu)辄S綠色至淺褐色,香氣逐漸消失。

圖5 唐古特瑞香單花各發(fā)育時(shí)期(P1-P6)的花形態(tài)(A)和柱頭可授性(B)變化Fig.5 Variation in flower morphology (A) and stigma fertility (B) at various developmental stages (P1-P6) of D.tangutica

柱頭可授性測定結(jié)果顯示(圖5B),唐古特瑞香單花發(fā)育不同時(shí)期的柱頭可授性存在較明顯差異。P1時(shí)期柱頭顏色有變化,但僅有個(gè)別氣泡產(chǎn)生,具有微弱的可授性;P2時(shí)期柱頭著淡藍(lán)色,伴有少量的氣泡產(chǎn)生,具有較弱的可授性;P3時(shí)期柱頭著藍(lán)色,并產(chǎn)生大量綿密氣泡,反應(yīng)強(qiáng)烈,可授性最強(qiáng);P4時(shí)期柱頭著藍(lán)色,伴有一定量的氣泡產(chǎn)生,具有較強(qiáng)的可授性;P5時(shí)期柱頭著淡藍(lán)色,伴有個(gè)別氣泡產(chǎn)生,可授性較弱;P6時(shí)期柱頭顏色有變化,僅有極個(gè)別氣泡產(chǎn)生,表明柱頭仍具有可受性,但活力極低。

花粉活力測定結(jié)果顯示(圖6),唐古特瑞香花粉活力隨單花發(fā)育進(jìn)程呈先升后降的趨勢(shì)。P1-P2時(shí)期花藥為綠色,花粉粒尚未成熟,不具備活力;P3時(shí)期花瓣仍處于閉合狀態(tài),此時(shí)已能透過花藥壁可見花粉團(tuán)粒變黃,且花粉具有一定活力,為32.49%;P4時(shí)期花藥未散粉,通體呈黃色,花粉活力最強(qiáng),為67.60%;P5時(shí)期少部分花藥破裂,散粉量小,花粉活力有一定幅度下降,為41.59%;P6時(shí)期花粉活力顯著降低,為11.66%,之后伴隨花器官凋落,花粉散盡。在對(duì)唐古特瑞香花粉活力測定時(shí),使用I2-KI染色法和TTC染色法進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),TTC染色后的各時(shí)期花粉均未著色,無法判斷花粉活力;而經(jīng)I2-KI染色的各時(shí)期花粉雖活力偏高,但能夠較為容易的區(qū)分花粉著色的強(qiáng)弱差別。

圖6 唐古特瑞香花粉活力變化Fig.6 Changes of pollen vitality of D.tangutica注:不同字母表示不同時(shí)期顯著性差異(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between periods (P<0.05)

2.3 繁育系統(tǒng)類型

2.3.1花粉胚珠比(P/O) 唐古特瑞香單花雄蕊數(shù)為8,單花藥平均花粉數(shù)為(97.5±18.37)粒,單花平均花粉粒數(shù)為(780±146.97)粒,單花胚珠數(shù)為1個(gè),花粉-胚珠比(P/O)為(780±146.97),依據(jù)Cruden[17]標(biāo)準(zhǔn)判定,唐古特瑞香的繁育系統(tǒng)屬于兼性異交(表3)。

表3 唐古特瑞香花粉胚珠比Table 3 Pollen-ovule ratios of D.tangutica

2.3.2雜交指數(shù)(OCI) 唐古特瑞香為兩性花,單花花冠直徑(15.92±0.92)mm,雌蕊先于雄蕊成熟,且柱頭距上、下2輪花藥均處于空間分離。依據(jù)Dafni[14]標(biāo)準(zhǔn)判定,唐古特瑞香雜交指數(shù)(OCI)值為4,該物種的繁育系統(tǒng)為異交,部分自交親和且多數(shù)需要傳粉者(表4)。

表4 唐古特瑞香雜交指數(shù)測定Table 4 Determination for out-crossing index of D.tangutica

2.3.3訪花昆蟲及訪花行為 唐古特瑞香的訪花昆蟲偏好處于晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)的盛花期,通常集中在一天中的10:00—16:00進(jìn)行訪花,訪花的高峰時(shí)段為11:00—14:00,此時(shí)的訪花者數(shù)量、訪花者種類、訪花的頻次最多。下午16:00后由于氣溫的下降,訪花者的訪花行為明顯減少。在陰雨或大風(fēng)天氣條件下,訪花者的數(shù)量、種類及訪花頻次均存在大幅減少的情況。

有效的傳粉介質(zhì)是花朵進(jìn)行有效傳粉的必要前提之一。通過觀察和鑒別,盛花期的唐古特瑞香訪花者共涉及7目7科9種,包括:脈翅目草蛉科的草蛉(Chrysopaperla),鱗翅目螟蛾科的螟蛾(Pyralidae),膜翅目蜜蜂科的中華蜜蜂(Apiscerana)、三條熊蜂(B.trifasciatus)、灰熊蜂(Bombusgrahami),雙翅目麗蠅科的麗蠅(Calliphoridae),半翅目盲蝽科的苜蓿盲蝽(Adelphocorislineolatus),蜘蛛目巨蟹蛛科的高腳蜘蛛(Heteropodavenatoria),纓翅目薊馬科的薊馬(Thripsvulgatissimus)(圖7)。其中:中華蜜蜂、熊蜂等膜翅目的蜂類昆蟲為唐古特瑞香最為有效的傳粉者,其飛行速度快,持續(xù)訪花的時(shí)間長,較長的吻能夠有效的觸及到花冠管中的2輪花藥和柱頭,同時(shí)翅膀的高頻振動(dòng)能將攜帶的花粉粒抖落至花冠管基部的柱頭;纓翅目薊馬科的薊馬也是唐古特瑞香有效傳粉者之一,其體長約為0.5～1.5 mm,能夠輕易進(jìn)入花冠管內(nèi)基部,且其前胸后緣有緣鬃,周緣長有細(xì)長毛,能夠?qū)y帶的花粉粒帶至花冠管基部的柱頭。其余各目、科訪花者由于體型較大、無長吻等自身因素所限,且能夠攜帶的花粉量有限,因此有效傳粉效果不明顯。

圖7 唐古特瑞香訪花昆蟲Fig.7 Flower-visiting insects of D.tangutica注:A,草蛉;B,螟蛾;C,三條熊蜂;D,麗蠅;E,中華蜜蜂;F,灰熊蜂;G,苜蓿盲蝽;H,高腳蜘蛛;I,薊馬Note:A,Chrysopa perla;B,Pyralidae;C,B.trifasciatus;D,Calliphoridae;E,Apis cerana;F,Bombus grahami;G,Adelphocoris lineolatus;H,Heteropoda venatoria;I,Thrips vulgatissimus

2.3.4坐果率統(tǒng)計(jì) 對(duì)唐古特瑞香的開花數(shù)及坐果率統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,隨機(jī)選取的30個(gè)花序的單花開花總數(shù)為346朵,坐果數(shù)為47個(gè),坐果率僅為13.58%。其中:1個(gè)花序坐果率超過30%,7個(gè)花序坐果率在20%～30%之間,10個(gè)花序坐果率在10%～20%之間,7個(gè)花序坐果率在10%以下,5個(gè)花序坐果率為0。由此可見唐古特瑞香的開花量大,但自然坐果率極低,主要集中在20%以下。

3 討論

3.1 唐古特瑞香的開花物候及花部形態(tài)

植物的開花物候不僅是在長期演化過程中形成的遺傳特性[19],更是貫穿植物繁育系統(tǒng)、授粉方式、果實(shí)生產(chǎn)的核心基礎(chǔ)[20]。本研究中的試驗(yàn)對(duì)象位于海拔2 700 m左右的野生唐古特瑞香種群分布區(qū),該地區(qū)冷涼的氣候、充足的光照、較低的平均氣溫等環(huán)境因素促使該物種選擇相對(duì)集中的開花模式,自5月中上旬至6月初,群體花期僅持續(xù)20 d左右,而為保證在有限的花期內(nèi)最大限度的完成授粉,單花序花期長達(dá)8～11 d,單花花期可持續(xù)7～9 d,這種群體花期短而集中、個(gè)體花期持續(xù)時(shí)間較長的開花行為可能是該物種為適應(yīng)氣候環(huán)境采取的生殖策略。

從唐古特瑞香花器官的特征來看,其10 mm左右長的花冠管和1 mm左右寬的花冠管口為典型的管狀花結(jié)構(gòu),是保護(hù)雌、雄蕊在高海拔林緣、溝谷地區(qū)多變氣候的有效機(jī)制;從花器官的結(jié)構(gòu)來看,其花藥為上、下2輪排列,每輪4顆,極短的柱頭使得與子房為一體生于花冠管基部,這種柱頭縮入式雌雄異位[21]的花器官結(jié)構(gòu)既是該物種規(guī)避自花授粉的自主行為,亦通常被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)高海拔氣候條件而避免雌雄器官功能干擾的花部機(jī)制[22],但狹小的花冠管以及雌、雄蕊空間結(jié)構(gòu)的分離限制了訪花行為,使得體型大于花冠管或短吻的訪花者不能進(jìn)行有效傳粉;從花器官的發(fā)育機(jī)理來看,一方面唐古特瑞香柱頭成熟與花藥開裂的時(shí)間存在差異,柱頭成熟在先,花藥開裂在后,這既是避免自花授粉的有效行為,也是延長異花授粉時(shí)間的體現(xiàn)。另一方面通過觀察可知唐古特瑞香的柱頭屬于能夠分泌溢出物的濕型柱頭[23],可有效的黏著花粉,且柱頭從現(xiàn)蕾期至末花期均具有可授性,這也是該物種在高海拔地區(qū)為爭取最大異花傳粉時(shí)間的一種自主繁殖保障措施。有花植物的花粉活力和柱頭可授性的高低決定著授粉的成功率,通過柱頭可授性和花粉活力測定可知,唐古特瑞香在待開期的柱頭可授性最強(qiáng),而在初開期的花粉活力最強(qiáng),具有雌雄異熟的特性,亦符合異花傳粉的機(jī)制。值得注意的是,該物種在待開期的單花4裂花瓣處于閉合狀態(tài),即使傳粉者攜帶大量異花花粉,但也無法接觸到該時(shí)期可受性最強(qiáng)的柱頭,這可能是導(dǎo)致該物種花多果少、坐果率不高的主要原因之一。上述唐古特瑞香花朵性器官的不尋常特征可能也是表明了該物種生殖生物學(xué)的持續(xù)進(jìn)化趨勢(shì),生殖策略的改變往往會(huì)導(dǎo)致果實(shí)產(chǎn)量的減少[24]。在花粉活力測定中,TTC染色法無法判斷花粉活力,這與楊秋雄等[25]對(duì)川白芷(Angelicadahurica)花粉活力測定時(shí)采用的染色方法和結(jié)果相似。TTC染色后花粉未著色可能與花粉壁結(jié)構(gòu)、花粉蛋白質(zhì)含量等因素有關(guān)。

3.2 唐古特瑞香的繁育系統(tǒng)

有花植物在內(nèi)源遺傳機(jī)制和外源環(huán)境因素的共同影響下,為提高自身的適應(yīng)性,持續(xù)對(duì)雌雄資源配置進(jìn)行一些列調(diào)整,最終形成為多種類型的繁育系統(tǒng)[26],這也是大多數(shù)有花植物為保障生殖成功而進(jìn)化的自交或異交的混合授粉模式[27]。根據(jù)花粉胚珠比(P/O)判定標(biāo)準(zhǔn)可知,唐古特瑞香繁育系統(tǒng)為兼性異交;在雜交指數(shù)(OCI)的判定標(biāo)準(zhǔn)下,該物種繁育系統(tǒng)為異交,部分自交親和且多數(shù)需要傳粉者。上述2項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)該物種的繁育系統(tǒng)類型判定基本一致,均是以異花授粉為主,存在自交親和的情況。在花部形態(tài)特征的觀察中,唐古特瑞香艷麗的花瓣顏色,濃烈的花香,以及與花冠管口齊平的4顆上輪花藥,均是吸引訪花者進(jìn)行異花傳粉的基礎(chǔ)[28]。而在訪花者的觀察過程中,也進(jìn)一步證實(shí)了唐古特瑞香狹小的花冠管結(jié)構(gòu)對(duì)傳粉過程的影響,這種花冠管內(nèi)中上部2輪花藥和基部柱頭的空間分布特征,更需要長吻的(如蜜蜂科-中華蜜蜂、熊蜂)或是體型微小的(薊馬科-薊馬)等有效訪花者才能進(jìn)行傳粉。同時(shí),中華蜜蜂、熊蜂等膜翅目昆蟲作為最有效傳粉者可能還與唐古特瑞香開放時(shí)花香的化學(xué)成分有著密切的關(guān)系,正如Borg-Karlson等[29]在花香對(duì)歐亞瑞香(Daphnemezereum)授粉特化作用的研究中揭示了芳樟醇(Linalool)是花香揮發(fā)物中的主要成分,其是在歐亞瑞香開花時(shí)吸引相鄰棲息地雄地的春秀礦蜂(Colletescunicularius)、地花蜂(Andrenacinerea)等膜翅目昆蟲進(jìn)行傳粉的主要原因。同科同屬的唐古特瑞香可能亦是因濃烈花香氣中含有某種芳樟醇吸引了周圍區(qū)域的中華蜜蜂、熊蜂等進(jìn)行訪花。另外,從植株上發(fā)現(xiàn)的蜘蛛網(wǎng)推測,前述訪花者中的蜘蛛目巨蟹蛛科的高腳蜘蛛可能不是以傳粉為目的進(jìn)行訪花,而是作為捕食者對(duì)其他訪花者進(jìn)行獵食,這與范少茹等[30]對(duì)黃菖蒲訪花觀察的結(jié)果相似。這一情況同樣間接的影響了唐古特瑞香的坐果率。

然而,植物為保障繁殖的成功,在不良傳粉環(huán)境下會(huì)以自交親和或高水平的自花授粉作為生殖策略[31-32]。在武威市安遠(yuǎn)鎮(zhèn)氣候多變的高海拔地區(qū),唐古特瑞香進(jìn)入花期后,因連續(xù)陰雨、大風(fēng)、降溫等天氣變化,使得訪花者種類、數(shù)量、訪花頻次的減少,阻礙了異源有效傳粉,而部分自交親和機(jī)制則能夠保障其基本的繁育需求[33]。但在對(duì)訪花行為的進(jìn)一步觀察中發(fā)現(xiàn),如中華蜜蜂、熊蜂等有效訪花昆蟲經(jīng)常會(huì)在同一花序或同一單花進(jìn)行連續(xù)訪花,這就不可避免將訪花者攜帶的異花花粉粒和自花花粉粒同時(shí)落至同一柱頭,使得之后的訪花者能夠攜帶的異花花粉量減少,形成花粉貼現(xiàn)[34],這種情況極可能導(dǎo)致異花花粉在花粉競爭中處于劣勢(shì),加之柱頭處有著2輪花藥的天然生殖屏障,進(jìn)而降低了異花授粉的發(fā)生[24],喪失了萌發(fā)機(jī)會(huì);同時(shí)在以異交為主,部分自交親和的機(jī)制下降低了雌性適合度,亦影響自花花粉的萌發(fā)率,最終導(dǎo)致無法坐果。本研究在花粉活力和花粉胚珠比試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),處于盛花期的花藥開裂情況不佳,用軟毛刷收集花粉粒的難度較大,需將花藥放置離心管后用攪拌棒將花藥研碎釋放花粉,與同屬的金邊瑞香(Daphneodoravar.marginata)花粉在盛花期較難自然散出的情況一致[35]。此研究結(jié)果表明盛花期的唐古特瑞香散粉量不高可能也是導(dǎo)致該物種開花量大坐果率低的原因之一。

4 結(jié)論

綜上,造成唐古特瑞香坐果率低的限制因素并非為單一性或偶然性,與其柱頭可授性和花粉活力的最強(qiáng)時(shí)期不遇、細(xì)長的花冠管需要有效傳粉者、盛花期散粉量不高、異交競爭力弱、自交親和度低,以及有效訪花昆蟲的數(shù)量和種類少等因素均有密切相關(guān)性。相比于在野外大規(guī)模開展繁復(fù)且低效的人工授粉工作,尋求馴化并養(yǎng)殖如膜翅目的中華蜜蜂、熊蜂等有效傳粉者可能是提高唐古特瑞香坐果率行之有效的措施。同時(shí),對(duì)于該物種在盛花期散粉量不高的原因,以及可否適當(dāng)降低海拔高度的人工種植來提高坐果率還需進(jìn)一步研究。