郝日明，趙宏波，王金虎，周莉花

雄全異株(androdioecy)是指同種植物中既有雄性植株又有兩性植株的繁育系統(tǒng)。由于雄全異株是雌雄異株(dioecism)和兩性同體(hermaphroditism)之間的過渡類型之一，在植物繁育系統(tǒng)的演化方面具有特殊意義，因此，對雄全異株在植物進(jìn)化方面的研究受到國外許多研究者的高度關(guān)注［1-9］。然而，雄全異株這種繁育系統(tǒng)在被子植物中所占的比例極低，而且其中有不少形態(tài)上的雄全異株種類實(shí)質(zhì)為功能性的雌雄異株或雌雄同株(monoecism)種類［10-11］，所以功能性的雄全異株種類就更為罕見。所謂功能性的雄全異株是指一個(gè)種群中的雄性植株僅具雄性功能，而兩性株同時(shí)具有雄性和雌性功能［12］。目前，比較確定的具有功能性的雄全異株繁育系統(tǒng)的植物有大戟科(Euphorbiaceae)的Mercurialis annua L.(僅指其多倍體居群)［13］、四數(shù)木科(Datiscaceae)的 Datisca glomerata(C.Presl)Baill.、木犀科(Oleaceae)的Fraxinus lanuginosa Koidz.和Phillyrea angustifolia L.等少數(shù)種類［7-8］。

桂花〔Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.〕為中國特有的木犀科常綠樹種，是著名的庭院觀賞樹木。桂花栽培品種中出現(xiàn)的單性雄株過去一直被誤認(rèn)為是栽培選育的結(jié)果，因此，只有找到自然分布的繁育居群才能明確桂花的繁育系統(tǒng)類型。自然分布的桂花居群非常少見，通過近年來的野外調(diào)查，研究者發(fā)現(xiàn)湖南瀏陽、福建長汀和浙江龍泉3個(gè)地區(qū)有野生桂花分布［14-16］。已有的研究結(jié)果表明，在同一野生桂花居群內(nèi)同時(shí)存在兩性花和單性雄花個(gè)體［14］，但是桂花是否具功能性的雄全異株繁育系統(tǒng)需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

作者全面調(diào)查了湖南省瀏陽市周洛村桂花峽、福建省長汀縣官坊村石峰寨東北坡和南坡以及浙江省龍泉市供村、張公橋和毛圩村的6個(gè)野生桂花居群，通過統(tǒng)計(jì)居群內(nèi)植株性別比例、觀察花部雌蕊形態(tài)和比較單性雄株和兩性株的花粉特征，初步推斷桂花的繁育系統(tǒng)類型。本研究結(jié)果不僅可以為揭示桂花的繁育系統(tǒng)特征提供佐證，而且對進(jìn)一步研究其花部演化有重要意義。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

湖南省瀏陽市的野生桂花居群分布于周洛村桂花峽。桂花峽為東西走向的山澗溪溝，中心地理位置為北緯28°25′42″、東經(jīng)113°40′13″，海拔370 m。桂花沿兩側(cè)溝坡(坡度40°～70°)呈帶狀分布，兩側(cè)桂花分布帶距溝各約20～40 m，分布帶寬約30 m、長約500 m，總面積約3 hm2。其中南坡桂花密度明顯大于北坡。桂花群落中的建群種為殼斗科(Fagaceae)的青岡〔Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.〕，優(yōu)勢種為杜英科(Elaeocarpaceae)的猴歡喜〔Sloanea sinensis(Hance)Hemsl.〕，而桂花生長在石灰?guī)r質(zhì)的石縫中，此立地條件下青岡呈灌木狀，猴歡喜難以生長成大樹，這2種喬木樹種和桂花的高度相近，對桂花難以形成遮蔽，這也是桂花在此立地條件能夠生存的原因。

福建省長汀縣的野生桂花居群分布于官坊村石峰寨的1座由水稻田包圍的孤立小山。該山體中心地理位置為北緯25°32′34″、東經(jīng)116°32′04″，海拔約300 m；山坡坡度30°～40°，石灰?guī)r基巖，土層淺，黃紅壤，有大量巖石出露。桂花群落面積約6.5 hm2，喬木層以桂花為優(yōu)勢種，桂花生長于巖石出露處，占地面積大；而其他喬木樹種生長于具一定土層覆蓋處，占地面積較小。在調(diào)查的東北坡和南坡2個(gè)樣地中，東北坡樣地面積5 000 m2，伴生樹種為青岡、禾本科(Poaceae)的毛竹〔Phyllostachys edulis(Carrière) J.Houzeau〕、榆科(Ulmaceae)的樸樹(Celtis sinensis Pers.)和樟科(Lauraceae)的香葉樹(Lindera communis Hemsl.)等；南坡樣地面積4 000 m2，伴生樹種有青岡、香葉樹、金縷梅科(Hamamelidaceae)的楓香樹(Liquidambar formosana Hance)和 山 茱 萸 科(Cornaceae)的光皮梾木〔Swida wilsoniana(Wanger.) Sojak〕等。

浙江省龍泉市的野生桂花居群分布于3處相距較遠(yuǎn)的林地，分別為供村居群、毛圩村居群和張公橋居群，桂花均生長于石灰?guī)r巖縫中。供村居群地理位置為北緯28°11′33″、東經(jīng)119°15′00″，海拔約220 m；該居群的桂花生長在山體的北坡，坡度45°～60°，占地約6.5 hm2；伴生樹種有殼斗科的鉤栲(Castanopsis tibetana Hance)和青岡以及樟科的紅楠(Machilus thunbergii Sieb. et Zucc.)和 浙 江 楠 (Phoebe chekiangensis C.B.Shang)等。毛圩村居群地理位置為北緯28°11′02″、東經(jīng)119°11′42″，海拔230 m；該居群的桂花生長于山體東坡，坡度約70°，分布范圍約3.5 hm2。張公橋居群地理位置為北緯28°06′05″、東經(jīng)118°53′46″，海拔約500 m；該居群的桂花生長于東坡偏南約40°，占地面積約1 500 m2；桂花個(gè)體數(shù)量較少，共生樹種有紫金?？?Myrsinaceae)的密花樹〔Rapanea neriifolia(Sieb.et Zucc.)Mez〕、鉤栲、青岡、猴歡喜、樟科的紫楠〔Phoebe sheareri(Hemsl.) Gamble〕等；該居群分布在密林中(群落郁閉度0.9)，呈退化消亡趨勢。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 居群內(nèi)桂花單株性別的觀察和統(tǒng)計(jì)方法 統(tǒng)計(jì)居群內(nèi)全部開花個(gè)體，對每株進(jìn)行性別觀察記錄，雄性植株的比率計(jì)算方法為某個(gè)居群中雄株數(shù)占開花株數(shù)的比率。

1.2.2 花部雌蕊形態(tài)的觀察方法 選雌蕊發(fā)育完好的樣本，以S261型體視顯微鏡(日本奧林巴斯公司生產(chǎn))觀察雌蕊外部形態(tài)；采用常規(guī)石蠟切片方法，用Leica-DM1000型光學(xué)顯微鏡(德國萊卡公司生產(chǎn))觀察雌蕊縱切面解剖結(jié)構(gòu)，分別拍照記錄。

1.2.3 花粉粒數(shù)量的統(tǒng)計(jì)方法 在周洛村桂花峽居群選擇6個(gè)單株(單性雄株和兩性株各3株)，每株取50個(gè)花藥統(tǒng)計(jì)每個(gè)花藥的花粉粒量；在供村居群選擇24個(gè)單株(單性雄株和兩性株各12株)，每株取50個(gè)花藥統(tǒng)計(jì)每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量。

將花藥擠碎后用體積分?jǐn)?shù)1％HCl溶液解離后定容至4 mL；取花粉液5μL于載玻片上，在光學(xué)顯微鏡下觀察計(jì)數(shù)，重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，經(jīng)換算得到每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量。對上述2個(gè)居群間以及單性雄株與兩性株間的每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量的平均值作t-檢驗(yàn)(異方差雙樣本)，比較差異顯著性。

1.2.4 花粉粒形態(tài)的觀察方法 取單性雄株的雄花和兩性株的兩性花的花粉粒，用Hitachi S-3000N型掃描電子顯微鏡(日本日立公司生產(chǎn))直接掃描觀察并拍照記錄。

1.2.5 花粉活力的測定方法 將單性雄株的雄花和兩性株的兩性花花粉粒分別置于不同的雌蕊柱頭上，48 h后摘下雌蕊用FAA固定，然后用5 mol·L-1NaOH溶液軟化12 h，用蒸餾水清洗數(shù)次后用質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)0.01％的水溶性苯胺藍(lán)直接染色20 min，在BX51-FL型熒光顯微鏡(日本奧林巴斯公司生產(chǎn))下觀察花粉粒的萌發(fā)狀況并拍照記錄。

2 結(jié)果和分析

2.1 野生居群內(nèi)桂花性別比例的統(tǒng)計(jì)

在6個(gè)野生桂花居群內(nèi)，桂花性別比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可見，在湖南省瀏陽市周洛村桂花峽(ZL)居群、福建省長汀縣官坊村石峰寨東北坡(GFN)和南坡(GFS)居群中桂花單性雄株的比率均大于0.5，分別為0.51、0.62和0.62；浙江省龍泉市供村(GC)、浙江省龍泉市張公橋(ZGQ)和浙江省龍泉市毛圩村(MW)居群桂花單性雄株的比率則均低于0.5，其中，供村和毛圩村居群的雄性比率分別為0.42和0.29，張公橋居群的雄性比率為0。

表1 6個(gè)野生桂花居群單株性別比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistic result of sex ratio of individuals in six w ild populations of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

在湖南省瀏陽市周洛村、浙江省龍泉市供村、福建省長汀縣官坊村石峰寨東北坡和南坡4處居群規(guī)模較大的桂花群體中，單性雄株個(gè)體和兩性株個(gè)體不是均勻隨機(jī)分布的，常常在整個(gè)樣地中多個(gè)單性雄株(6～10株)或多個(gè)兩性株(6～10株)分別集中分布在一起。所以，為保證單株性別統(tǒng)計(jì)比率的準(zhǔn)確性，居群的樣本數(shù)應(yīng)足夠大，最好超過50株，否則統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。例如，張公橋和供村居群的桂花株數(shù)均不足20株，因群體過小而雄性比率誤差較大，沒有統(tǒng)計(jì)意義。

2.2 桂花花部表觀性狀觀察

2.2.1 雌蕊外部形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)比較 桂花花部雌蕊的外部形態(tài)見圖1。桂花兩性株的兩性花(圖1-1)的子房形態(tài)發(fā)育完全，柱頭膨大；而單性雄株的單性雄花中(圖1-2～4)有呈鱗片狀退化程度不等的子房痕跡。

圖1 桂花花部雌蕊的外部形態(tài)Fig.1 Pistil externalmorphology of flower of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

桂花雌蕊縱切面的解剖結(jié)構(gòu)見圖2。由單性雄株的雄花縱切面可見退化雌蕊的痕跡，其子房部位中空，僅在基部有一小突起(圖2-1)；而兩性株兩性花的雌蕊發(fā)育正常，從縱切面看，子房中可見2枚正在發(fā)育的胚珠(圖2-2)。

2.2.2 單性雄株和兩性株的花粉粒數(shù)量比較 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：湖南省瀏陽市周洛村桂花峽居群的6個(gè)單株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量為1 300～9 662粒，變化較大；其中，單性雄株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量為2 072～9 662粒，兩性株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量為1 300～3 544粒。浙江省龍泉市供村居群中24個(gè)單株每個(gè)花藥的花粉數(shù)量為1 024～6 520粒，變化幅度小于桂花峽居群；其中，單性雄株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量為2 553～6 520粒，兩性株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量為1 042～5 821粒。

以上數(shù)據(jù)顯示，桂花個(gè)體間每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量存在一定的差異，且單性雄株每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量多于兩性株。但對上述2個(gè)居群(桂花峽居群和供村居群)間以及單性雄株與兩性株間每個(gè)花藥花粉粒數(shù)量的平均值作t-檢驗(yàn)(異方差雙樣本)，結(jié)果顯示：桂花峽居群和供村居群間、單性雄株與兩性株間每個(gè)花藥的花粉粒數(shù)量平均值沒有顯著差異(P＞0.05)。

2.2.3 單性雄株和兩性株花粉粒形態(tài)比較 福建省長汀縣官坊村石峰寨桂花的兩性株和單性雄株花粉粒的掃描電鏡觀察結(jié)果見圖3。花粉粒均為長橢圓形，極軸長16μm，具三溝和網(wǎng)狀雕紋型表面紋飾。桂花兩性株和單性雄株的花粉粒形態(tài)沒有明顯差異。

2.2.4 單性雄株和兩性株花粉活力比較 運(yùn)用熒光染色技術(shù)觀察了桂花單性雄株和兩性株的花粉管萌發(fā)狀態(tài)，結(jié)果見圖4。由圖4可見，單性雄株的雄花和兩性株的兩性花的花粉粒均具有較高活力，均能在柱頭上正常萌發(fā)，因此，兩性株兩性花的雄蕊具有雄性功能。也就是說，桂花的兩性花不只是形態(tài)上的，而且可能是功能性的兩性花。

圖4 桂花兩性株和單性雄株的花粉粒在柱頭上的萌發(fā)狀態(tài)Fig.4 Germ ination status of pollens from hermaphrodite and unisexualmale individuals on stigma of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

在野外調(diào)查中還看到，浙江省龍泉市張公橋居群共有桂花17株，其中有14株開花的兩性株個(gè)體，而無開花的單性雄株，且大約40 km2范圍內(nèi)無野生桂花分布，卻有少量結(jié)籽，這是間接證明兩性株所產(chǎn)花粉有一定活力的一個(gè)輔助證據(jù)。

3 結(jié)論和討論

3.1 桂花繁育系統(tǒng)基本為功能性的雄全異株

研究結(jié)果表明，桂花兩性株的花粉粒形態(tài)和大小與單性雄株的花粉粒形態(tài)和大小沒有差別，并且2種類型植株上的花粉粒均能在柱頭上萌發(fā)。另外，浙江省龍泉市張公橋居群內(nèi)無開花的單性雄株，僅有14株兩性株個(gè)體開花，且大約40 km2范圍內(nèi)無桂花分布，卻有少量結(jié)籽，間接證明兩性株所產(chǎn)花粉有一定活力。這些研究結(jié)果顯示，桂花繁育系統(tǒng)不僅是形態(tài)上的雄全異株型，而且可基本確定為功能性的雄全異株型。

一些學(xué)者建立的理論模型［6，10，17］認(rèn)為，功能性的雄全異株種類的居群中雄性個(gè)體的比率應(yīng)該小于0.5。在本研究中，湖南省瀏陽市周洛村桂花峽、福建省長汀縣官坊村石峰寨東北坡和南坡3個(gè)居群的雄性比率略高于0.5，而浙江省龍泉市供村、張公橋和毛圩村3個(gè)居群的雄性比率則小于0.5，全部6個(gè)居群的雄性比率平均值接近0.5，但居群間的差異很大，因此與理論模型不盡相同，對此的解釋還有待更多的實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 雄全異株為兩性同體與雌雄異株間的過渡類型

通過對植物繁育系統(tǒng)的研究可以闡明物種的遺傳多樣性和進(jìn)化途徑，還可以推測群體的遺傳結(jié)構(gòu)。Liston等［2］對Datisca glomerata(C.Presl)Baill.功能性雄全異株的研究結(jié)果顯示：雄全異株繁育系統(tǒng)可能是單性異株繁育系統(tǒng)向兩性同體繁育系統(tǒng)演化中的中間類型；但對桂花繁育系統(tǒng)的觀察結(jié)果顯示：單性雄株的雄花帶有雌蕊退化的痕跡。所以雄全異株也可能是兩性同體繁育系統(tǒng)向單性異株繁育系統(tǒng)演化的過渡類型。

兩性同體型繁育系統(tǒng)若要通過雄全異株型演化為雌雄異株型，第一步需要有雌性不育(雄性)個(gè)體進(jìn)入居群，接著兩性花的花粉產(chǎn)量逐步或突然地減少，最后兩性個(gè)體成為雌性個(gè)體。但是，這一過程中的第一步發(fā)生的幾率很小，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)植物種類中沒有專一由父本遺傳的基因組，因此雌性不育突變的發(fā)生意味著其本身適合度的減小。而由父母雙方遺傳控制的雌性不育突變只有通過增加花粉適合度以補(bǔ)償其種子適合度的損失才能發(fā)生［9］?？傊?，理論上的推斷認(rèn)為，雄全異株作為兩性同體型向雌雄異株型演化的過渡類型的可能性不大。但是，目前已有數(shù)個(gè)雄全異株種被認(rèn)為源于兩性同體種，例如梣屬(Fraxinus L.)(木犀科)中的一些種［18］，而桂花也可能屬于這種類型。對這種演化途徑有必要進(jìn)行更多的研究，桂花作為這一類型的物種為此項(xiàng)研究的開展提供了可能。

3.3 木犀科中的雄全異株現(xiàn)象

盡管雄全異株的種類在被子植物中所占的比例極小，但在木犀科中卻比較普遍。據(jù)文獻(xiàn)記載，雄全異株可能存在于流蘇樹屬(Chionanthus L.)［19］、梣屬［18］、木犀屬(Osmanthus Lour.)［14，20］和 Phillyrea L.［6］等類群中。作者的觀察結(jié)果(圖5)顯示：除桂花外，木犀屬的另一些種類，如寧波木犀(Osmanthus cooperi Hemsl.)、蒙自桂花(O.henryi P.S.Green)、牛矢果(O.matsumuranus Hayata)和短絲木犀(O.serrulatus Rehd.)，應(yīng)為形態(tài)上的雄全異株。雄全異株為兩性同體型和雌雄異株型的中間類型，但同一科中有如此多的此類繁育系統(tǒng)的物種尚不多見，雖然它們是形態(tài)上的還是功能性的還有待進(jìn)一步的鑒別，但對于植物演化的研究仍具有非常重要的意義。

圖5 4種木犀屬植物的單性雄株和兩性株的花形態(tài)Fig.5 Flower morphology of unisexualmale and hermaphrodite individuals of four species in Osmanthus Lour.

在一個(gè)基于DNA資料的木犀科分類系統(tǒng)中，這些具有雄全異株的屬均被置于同一個(gè)族，即木犀欖族(Trib.Oleeae)中，其中木犀屬、流蘇樹屬和Phillyrea 3個(gè)屬在同一亞族Oleinae中，而另1個(gè)屬(梣屬)在只有其本身的一個(gè)單屬亞族Fraxiniae中［21］。在梣屬中存在多個(gè)類型的繁育系統(tǒng)，主要基于DNA資料的系統(tǒng)學(xué)研究表明，該屬內(nèi)存在兩性花通過雄全異株或雜性(polygamy)向雌雄異株演化的趨向［18］。

上述分析表明，木犀科內(nèi)的繁育系統(tǒng)反映了該科的系統(tǒng)演化趨向，因此在研究被子植物某些類群的系統(tǒng)演化時(shí)，應(yīng)重視繁育系統(tǒng)所表現(xiàn)出的重要信息。

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