火把花的繁殖生物學(xué)研究

黃妹英 ,段云博 ,梁瓊月 ,黃仕訓(xùn) ,陳 哲 ,劉長秋*

(1 廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,廣西桂林 541001;2 中國科學(xué)院 廣西植物研究所,廣西桂林 541006;3 中國科學(xué)院 昆明植物研究所,昆明 650201)

大多數(shù)被子植物的有性繁殖依賴動物傳粉,其中鳥類傳粉現(xiàn)象在熱帶和亞熱帶相對常見和廣布[1]。鳥媒植物常為艷麗的紅色或橘色、無氣味、花蜜豐富而稀薄并具有明顯的管狀構(gòu)造,即“鳥媒綜合征”[2]。中國鳥媒研究相對滯后,有關(guān)鳥類訪花或傳粉的報道在2010年后才陸續(xù)出現(xiàn),主要涉及杜鵑花屬(Rhododendron)、紅花荷屬(Rhodoleia)、山茶屬(Camellia)、櫻屬(Cerasus)、米團花屬(Leucosceptrum)和枇杷屬(Eriobotrya)等類群[3-9],還有很多疑似鳥媒的物種待發(fā)現(xiàn)。深入了解中國植物與鳥類傳粉者的互作將促進人們對鳥類和植物的生態(tài)功能的認知,也為自然科普活動和觀鳥游等提供背景知識。另外,鳥媒植物常因其艷麗的花色而成為頗受青睞的園林植物。國外引進的植物可能帶來潛在的生態(tài)威脅,因此園林植物運用“本土化”是一個趨勢[10]。因此,選取本土鳥媒植物進行園林應(yīng)用必然是更好的選擇,這就需要對本土植物與訪花鳥類的互作有基本的了解。火把花(Colquhounia coccinea)為唇形科(Lamiaceae)火把花屬(Colquhounia)灌木,其花特征符合鳥媒綜合征的描述,且一些具有吸蜜習(xí)性的雀形目鳥類常出現(xiàn)在火把花植株上,因此推測該植物能夠吸引鳥類取食花蜜并可能由訪花的鳥類進行花粉傳播。同時,火把花具有顏色艷麗、花展示大和花期長等特點,且通常為1～2 m 高的灌木,為兼具觀賞價值和引鳥作用的優(yōu)良園林植物。目前,有關(guān)火把花屬植物的研究很少,除前人對幾種火把花屬植物腺毛的次生代謝產(chǎn)物的研究[11-13]外,鮮見有關(guān)該屬植物繁殖生物學(xué)方面的研究。因此有必要對火把花的繁殖生物學(xué)進行初步摸索,為將來利用提供背景知識。本研究為弄清火把花的訪花動物物種及比例并檢驗其傳粉作用,尤其是在自然生境和人工生境中是否有引鳥作用,對火把花的開花生物學(xué)特征進行定量分析,檢驗火把花的交配系統(tǒng),包括自交親和程度和自動自花傳粉的能力,檢測不同授粉處理種子的發(fā)芽能力。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地點位于云南省大理白族自治州鶴慶縣西邑鎮(zhèn)和中國科學(xué)院昆明植物研究所。位于鶴慶縣西邑鎮(zhèn)的研究地為自然生境,地處100°9′E、26°13′N,海拔2 407 m,該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.5℃,年平均降水量918.7 mm。位于昆明植物研究所的研究地為人工生境,地處102°44′E、25°08′N,海拔1 966 m,該地區(qū)也屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫14.9℃,年平均降水量約為1 000.5 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 開花物候及花部綜合特征觀測

在2021年9—11月和2022年9—11月對火把花進行群體花期觀察。隨機選取10株火把花個體,每個體選取3朵未開放的花蕾,在花朵打開前使用吊牌進行標記,每天同一時間觀察其開花狀態(tài)并記錄花朵開放及凋謝的時間。

使用游標卡尺測量花冠筒長度和花冠筒開口直徑,樣本量分別來自不同植株的45,60朵花?；鄣捏w積和濃度分別使用直徑為1 mm 的玻璃微毛細管、手持式測糖儀(Bellingham&Stanley,0～50%)進行測量,樣本量為40,每個樣本來自不同植株上隨機的3朵花。將采集到的花蜜保存在75%酒精中,儲存于1.5 m L 離心管,使用高效液相色譜儀(HPLC)對花蜜糖組成[蔗糖/(葡萄糖+果糖)]進行分析,樣本量為19。

1.2.2 訪花動物觀察

訪花動物觀察選在火把花的盛花期且天氣晴朗時進行,其中自然生境的訪花動物觀察開始于2021年10月中旬和2022年10月初,累計觀察時長分別是52 h、40 h。而人工生境的訪花動物觀察開始于2022年10月中旬,累計觀察時長20 h。在進行訪花動物觀察時,均以每1 h為1個觀察時間段,每個時間段隨機選取1個植株上一定數(shù)量(30～60朵)開放的花朵作為觀察對象,每個時間段結(jié)束后換另一組花繼續(xù)觀察,觀察期間詳細記錄訪花者的種類、行為和訪花次數(shù)。

1.2.3 授粉試驗

隨機選取20個火把花植株,在每個植株上開展5組授粉處理(每組處理10朵花),用以檢驗火把花的交配系統(tǒng)以及鳥類和昆蟲在傳粉上的作用。(1)對照:只進行掛牌操作。(2)自動自花授粉:使用細網(wǎng)紗袋(孔徑為0.3 mm×0.3 mm,下同)套住花蕾,用以排除所有訪花者,后續(xù)不進行任何授粉處理。(3)異交:取其他植株的花粉進行授粉操作。(4)自交:取同株植物的花粉進行授粉操作。在開花前使用細網(wǎng)紗袋對花蕾進行套袋處理,待花朵打開后取下網(wǎng)袋進行授粉,授粉完成后再把花序重新套住。(5)排除鳥類:在開花前使用網(wǎng)材(孔徑為30 mm×30 mm)將花蕾套住直到花朵凋謝,隔離鳥但允許昆蟲的訪問。對所有的授粉處理進行掛牌、標記,待花朵凋謝后將網(wǎng)袋和網(wǎng)材取下。于果實成熟期統(tǒng)計各處理的座果率(果實數(shù)/花朵數(shù)×100%)。

1.2.4 種子萌發(fā)試驗

將每組授粉處理的火把花種子作為萌發(fā)試驗材料,以檢驗不同授粉處理對種子發(fā)芽率的影響。其中對照種子231粒,異交種子235粒,自交種子196粒,排除鳥類種子235粒。將各組授粉處理的種子分別置于裝有1%瓊脂、直徑為100 mm 的一次性塑料培養(yǎng)皿中,并放到培養(yǎng)條件為光13 h(25℃)/暗11 h(15℃)交替的智能型光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。每天定時澆1次純凈水,每個培養(yǎng)皿2～3滴。種子萌發(fā)以出現(xiàn)露白為標記,每日同一時間記錄培養(yǎng)皿中種子發(fā)芽個數(shù),直至所有種子連續(xù)3 d無新發(fā)芽種子。發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.2.5 統(tǒng)計分析

利用WPS Office和R 3.5.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。采用具有二項分布的廣義線性混合模型[14]對不同授粉處理的座果率和種子發(fā)芽率進行統(tǒng)計分析,以個體作為隨機效應(yīng),按花數(shù)加權(quán)座果數(shù)、種子數(shù)加權(quán)發(fā)芽數(shù)(P<0.05)?；鸢鸦ǖ膯位ɑㄆ?、花結(jié)構(gòu)性狀和花蜜特征、座果率及發(fā)芽率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)用平均值±標準誤表示。用Origin 2021和WPS Office軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花動態(tài)

火把花的花期為9月初至11月底,10月1日左右達到盛花期,單花持續(xù)時間(9.6±0.6)d。單花開花過程表現(xiàn)為:花蕾期花蕾先逐漸膨大,接著花蕾慢慢變蓬松,花瓣打開;花朵打開后花藥開裂而暴露出花粉,大約1 d后柱頭開始從花冠筒底部伸出且柱頭裂片張開,隨后達到可授性,花朵達到盛開狀態(tài);花朵在盛開狀態(tài)后逐漸枯萎,接著整個花冠枯萎直至掉落,花萼宿存。花冠顏色從花冠伸出到盛花期無明顯變化,花冠枯萎后為暗紅色。在花冠枯萎的過程中,柱頭和花藥的距離也明顯增加(圖1,A)。

A.不同時期花部形態(tài)的變化(從上到下:雄花期、柱頭伸出、花朵枯萎);B.花朵解剖圖。圖1 火把花的花部特征A.Morphological changes of flowers in different periods(Top to bottom,the male stage of flowering.the stigma extended.the flowers withered).B.The anatomical drawing of flower.Fig.1 Floral traits of C.coccinea

2.2 花部綜合特征

火把花花序為輪傘花序,6～20 朵花;花冠唇形,橘紅色,花朵無氣味;花冠筒向外彎曲,從上到下明顯收縮,花筒底部稍微膨脹,用于貯藏花蜜;雄蕊4,前對較長,為二強雄蕊;花柱略與雄蕊等長,柱頭尖端淺裂(圖1,A、B)?；鸢鸦ɑü谕查L度較短,為(19.1±0.3)mm,開口較狹窄,能分泌較豐富和稀薄的花蜜,且花蜜中蔗糖含量所占比例為(19.5±0.0)%(表1),因此,火把花的花蜜中己糖占主導(dǎo)。

表1 火把花的花結(jié)構(gòu)性狀和花蜜特征Table 1 Floral structure traits and nectar characteristics of C.coccinea

2.3 訪花動物的種類、比例及訪花行為

2021年自然生境訪花觀察發(fā)現(xiàn)5種訪花動物,分別是灰腹繡眼鳥(Zosterops palpebrosus)、中華蜜蜂(Apis cerana)、棕肛鳳鹛(Yuhina occipitalis)、藍喉太陽鳥(Aethopyga gouldiae)和黑帶食蚜蠅(Episyrphus balteatus)。2022年自然生境觀察到訪花動物與2021年相似,分別是灰腹繡眼鳥、中華蜜蜂、藍喉太陽鳥、黑帶食蚜蠅和黑胸太陽鳥(Aethopyga saturata)。從2021—2022 年火把花自然生境的訪花動物比例可以看出,訪花比例最高的是灰腹繡眼鳥,其次是中華蜜蜂,這兩者的訪花比例都高于其他訪花動物(圖2)。2022年人工生境觀察到的訪花動物有灰腹繡眼鳥和中華蜜蜂,灰腹繡眼鳥的訪花比例高于中華蜜蜂(圖2)。訪花動物訪問火把花的照片如圖3所示,由于黑胸太陽鳥和黑帶食蚜蠅訪問單花的時間很短,故沒有拍攝到它們的訪花照片。鳥類在訪問火把花時將喙插入花冠筒中取食花蜜,在取蜜過程中通過前額羽毛與花藥和柱頭接觸。中華蜜蜂在訪花時頭部鉆進花冠筒內(nèi)部,其胸部背板上會攜帶一些花粉,在隨后連續(xù)訪問附近的花朵時,胸部背板位置剛好可以觸碰到柱頭。黑帶食蚜蠅的訪問頻率很低,且只取食花粉,很少或幾乎不能與柱頭接觸。

括號內(nèi)數(shù)字代表總訪問次數(shù)。圖2 2021—2022年火把花訪花動物比例The numbers in parentheses indicate total visits.Fig.2 Proportion of visitors in C.coccinea from 2021-2022

A.灰腹繡眼鳥;B.棕肛鳳鹛;C.藍喉太陽鳥;D.中華蜜蜂。圖3 火把花的主要訪花動物A.Zosterops palpebrosus.B.Yuhina occipitalis.C.Aethopyga gouldiae.D.Apis cerana.Fig.3 The main visitors of C.coccinea

2.4 繁育系統(tǒng)

該試驗進行的5種火把花授粉處理中,自動自花授粉處理的座果為0,另外4種授粉處理都能座果,且座果率均達到50%以上。其中,座果率最高的是對照[(70.00±8.26)%],其次是異交[(58.06±7.64)%]和排除鳥[(57.50±6.98)%],最低的是自交[(55.28±7.36)%](圖4),但上述4種授粉處理間的座果率均無顯著差異。

圖4 火把花不同授粉處理的座果率Fig.4 Proportion fruit set in different pollination treatments of C.coccinea

2.5 種子萌發(fā)特性

火把花4種授粉處理的種子進行萌發(fā)時均有發(fā)芽種子,其中,發(fā)芽率最高的是排除鳥[(34.57±9.19)%],其次是自交[(33.55±10.25)%],對照的發(fā)芽率較低[(21.42±7.65)%],最低的是異交[(20.38±6.47)%](圖5),但上述4種授粉處理間種子的發(fā)芽率均無顯著差異。

圖5 火把花不同授粉處理種子的發(fā)芽率Fig.5 Seed germination rate in different pollination treatments of C.coccinea

3 討論

火把花的花朵不但表現(xiàn)出顏色橘紅、無氣味和管狀等特點,而且花蜜較豐富且稀薄,尤其還具有較短的花冠筒和己糖為主的花蜜糖組成,這些花特征構(gòu)成典型的涉及泛化鳥媒傳粉[15]的鳥媒花綜合征。泛化鳥類訪花現(xiàn)象廣泛存在于亞洲和非洲,在中國已報道的被泛化鳥類訪問的鳥媒植物涉及杜鵑花科、薔薇科和金縷梅科[3,5,7]等多個科的物種,泛化鳥類包括繡眼鳥科、鵯科和畫眉科等取食行為較泛化的類群。本研究觀察發(fā)現(xiàn),火把花在自然生境和人工生境下都能夠吸引鳥類對其進行訪問,這些鳥類也以短喙的泛化鳥類為主(圖2),且火把花與泛化鳥類訪問的其他植物的花一樣具有較短、不足2 cm 的花冠筒(表1),因此這與預(yù)測一致。此外,火把花花蜜的低蔗糖特點(表1)也與此前學(xué)者總結(jié)的“泛化鳥類傳粉的植物的花蜜蔗糖含量較低”的規(guī)律[2]相符。該研究結(jié)果增添了1個鳥類訪問的本土植物新屬,可以促進人們對本土植物與鳥類互作的進一步了解。同時,這也說明火把花確實具備作為引鳥植物材料的潛力。值得注意的是,本研究僅涉及兩個研究地點,記錄到的訪花鳥類有限?？紤]到泛化訪花鳥類物種的多樣性和取食的隨機性,火把花很可能在不同地理區(qū)域會吸引諸多其他種類的鳥類。

具有鳥類傳粉綜合征的植物也往往多少能夠受到昆蟲的訪問,這一點在很多類群中有報道[16-17]。在物種中進行套袋排除鳥類訪花者的結(jié)果一般會導(dǎo)致繁殖成功率顯著下降[7,18-19],但這在火把花的試驗中并沒有體現(xiàn)?？紤]到昆蟲訪花時的行為,這個結(jié)果也就并不意外,即蜜蜂訪問時很容易接觸有效部位并成功傳粉(圖3,D),而昆蟲在訪問其他一些具備泛化鳥類傳粉綜合征的植物時往往難以接觸這些有效部位。另一方面,本研究的觀察也顯示訪花鳥類,尤其是短喙的繡眼鳥和棕肛鳳鹛也能夠接觸花蕊(圖3,A、B),因此可以推測它們也是有效傳粉者,但有效性需要進一步的試驗來進行定量分析?？傮w上看,火把花的傳粉系統(tǒng)可以算是兼具鳥和昆蟲的雙峰型,這與傳粉綜合征概念的預(yù)測有一定出入。傳粉綜合征暗示植物與傳粉者的關(guān)系相對特化,即一種植物對應(yīng)一個傳粉者功能群[20],例如蜂或鳥等。另一方面,很多研究已證明這個理論只是有部分的指導(dǎo)和預(yù)測作用,實際的植物與傳粉者互作關(guān)系往往更泛化[21],火把花顯然屬于這種情況。該結(jié)果也與Chen等認為舊世界鳥媒相對更泛化的推測[22]相符。

火把花的傳粉雖然必須依賴訪花動物,但自交親和性顯著(圖4)。這種交配系統(tǒng)在植物界廣泛存在,尤其常見于橫斷山區(qū)域的其他類群[23-27]。此外,火把花表現(xiàn)出雌雄異熟的特點(圖1)。雌雄異熟被認為是植物避免雌雄功能相互干擾、提高異交率的機制[28]。盡管火把花柱頭開裂并伸出后距離花藥很近,但始終未接觸花藥(圖1),顯然這是不能自動自花授粉的原因。有大量證據(jù)表明,由于傳粉不充分,植物經(jīng)常存在花粉限制,這在依賴動物傳粉的植物中尤其常見[29-30]?；ǚ巯拗剖怯绊懛敝吵晒Φ闹匾拗埔蛩豙31]。然而,本研究結(jié)果顯示火把花的繁殖不存在傳粉限制,自然情況下火把花能夠產(chǎn)生豐富的種子,這一點與另一些植物的情況[32-33]類似。自交親和植物的自交得到的種子活力往往較低[34],但是火把花的種子活力檢測結(jié)果表明不同授粉處理得到的種子萌發(fā)情況并無顯著不同(圖5),因此更進一步說明火把花是一種充分自交親和的植物。此外,火把花種子在成熟后立即播種表現(xiàn)出較高的發(fā)芽率說明該植物種子不存在明顯休眠期,這種無休眠期的現(xiàn)象也見于其他一些灌木種子,如遼東丁香(Syringa wolfii)和連翹(Forsythia suspensa)的種子[35]。此外,對火把花在常溫貯藏5 個月后進行萌發(fā)試驗,該試驗萌發(fā)條件與12月份的種子萌發(fā)試驗條件相同,部分個體有超過1/2的種子能夠發(fā)芽,說明火把花的種子耐儲藏。因此,通過有性繁殖是大量繁育火把花幼苗的簡單可行的途徑。