張曉楠, 鐘才榮, 嚴(yán)廷良, 張穎,*

人工輔助授粉探尋瀕危紅樹(shù)植物紅欖李種質(zhì)資源挽救途徑

張曉楠1, 鐘才榮2, 嚴(yán)廷良3, 張穎1,*

1. 海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, ?？?571158
2. 海南東寨港國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, ?？?571129
3. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所, ?？?571158

為了探索瀕危紅樹(shù)植物紅欖李(Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt)種質(zhì)資源挽救途徑, 以三亞鐵爐港紅欖李為授粉材料, 采集三亞鐵爐港和陵水新村港紅欖李花粉進(jìn)行人工輔助異花授粉試驗(yàn), 結(jié)合野外觀察和種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明: 三亞鐵爐港紅欖李的花期較長(zhǎng), 從花芽開(kāi)始膨大到落花期末, 最短60天, 最長(zhǎng)可持續(xù)140天, 且開(kāi)花不整齊; 用培養(yǎng)基法對(duì)三亞鐵爐港和陵水新村港紅欖李的花粉生活力進(jìn)行檢測(cè), 均不超過(guò)10%; 人工輔助異花授粉后種子的萌發(fā)率有顯著提高(自然授粉種子萌發(fā)率為0.2‰), 但最高也只能達(dá)到5.6‰。實(shí)驗(yàn)室萌發(fā)種子能夠長(zhǎng)成幼苗, 且野外林下發(fā)現(xiàn)一株紅欖李幼苗, 這說(shuō)明通過(guò)人工輔助異花授粉對(duì)提高紅欖李種子繁育能力有一定的積極作用。

紅欖李; 瀕危紅樹(shù); 人工輔助授粉; 種質(zhì)資源挽救

1 引言

珍惜瀕危植物種群大小的下降及隔離程度的增加影響著種群的適合度與生存力, 高度的隔離不利于吸引傳粉者, 導(dǎo)致授粉和結(jié)實(shí)質(zhì)量下降[1], 且易造成因同株異花授粉而引起的種子的大量敗育, 而長(zhǎng)期的生殖失敗必然會(huì)把種群帶到衰退的境地[2]。對(duì)凹葉厚樸(Magnolia officinalis sub sp. biloba)、金花茶(Camellia nitidissima)、長(zhǎng)柄雙花木(Disanthuscercidifolius var. longipes)、掌葉木(Handeliodendron bodinieri) 和瑤山苣苔(Dayaoshaniacotini folia)等珍稀瀕危植物的研究結(jié)果表明, 開(kāi)花物候與繁育系統(tǒng)的研究是挽救瀕危植物種質(zhì)資源至關(guān)重要的內(nèi)容[2–6]。珍惜瀕危紅樹(shù)植物紅欖李(Lumnitzeralittorea (Jack.) Voigt)使君子科(Combretaceae)欖李屬(Lumnitzera)紅樹(shù)植物,在我國(guó)僅見(jiàn)于海南島海岸邊的少數(shù)殘存分布(海南三亞鐵爐港 (18°15′N, 109°42′E) 和陵水新村(18°23′N, 110°00′E)), 為國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物, 亦為《國(guó)際濕地公約》瀕危物種[7–8]。由于自然生長(zhǎng)于易受人為干擾的高潮帶灘涂, 紅欖李在全世界的分布情況不容樂(lè)觀[9]。上世紀(jì)80年代海南東寨港國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)有引種, 但死于2008年春季的寒潮[10–11]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明, 紅欖李在我國(guó)由2006年的359株[7], 到2007年的不足60株[12], 2010年47株[11], 2012年20株[8]。至今僅剩14株(其中三亞鐵爐港9株, 陵水大墩村5株)。從2001年至2007年, 連續(xù)6年的野外調(diào)查均沒(méi)有在野外發(fā)現(xiàn)小苗[12]。紅欖李種子有嚴(yán)重?cái)∮F(xiàn)象, 通過(guò)播種、枝條扦插、空中壓條、組織培養(yǎng)等多種手段均未能得幼苗[8], 可見(jiàn)挽救瀕危物種紅欖李的艱巨性和復(fù)雜性。若不采取有效措施, 紅欖李將成為我國(guó)最先滅絕的真紅樹(shù)植物。為了探索紅欖李種質(zhì)資源挽救途徑, 本文以三亞鐵爐港紅欖李為材料, 進(jìn)行人工輔助異花授粉和自花授粉的比較試驗(yàn), 將所得種子進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn), 探討從人工輔助授粉提高種子萌發(fā)率的途徑來(lái)?yè)尵燃t欖李種質(zhì)資源。

2 材料與方法

2.1開(kāi)花物候觀察

三亞鐵爐港紅欖李均為喬木, 平均株高6 m, 最高可達(dá)8.6 m; 平均胸徑31 cm, 最大42 cm[13]。對(duì)9株紅欖李進(jìn)行編號(hào), 參照陳利洪[13]的物侯期觀察內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)略作調(diào)整(圖1)。花蕾期(全樹(shù)25%左右的花芽開(kāi)始膨大), 初花期(全樹(shù)5%的花朵開(kāi)放), 盛花期(全樹(shù)25%的花朵開(kāi)放為盛花始期, 全樹(shù)50%的花朵開(kāi)放為盛花期, 全樹(shù)75%的花朵開(kāi)放為盛花末期)和落花期(全樹(shù)10%的花朵花瓣脫落為落花始期, 全樹(shù)95%的花朵花瓣脫落為落花終期)。

2.2花粉生活力測(cè)定

在初花期到盛花期, 從三亞鐵爐港、陵水新村和泰國(guó)卡農(nóng)地區(qū)(09°13′N, 99°51′E)采集花瓣未張開(kāi)的花蕾, 用固體培養(yǎng)基法[8]測(cè)定花粉生活力。

2.3授粉實(shí)驗(yàn)

2.3.1 自然授粉

初花期, 在9棵試驗(yàn)樹(shù)上選取花數(shù)量多的枝條掛牌, 每株選取10個(gè)枝條, 標(biāo)明日期。定期觀察果實(shí)成熟情況。在果實(shí)落地之前采收, 每個(gè)枝條采集100粒發(fā)育飽滿無(wú)病蟲(chóng)害的果實(shí)用于發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 人工輔助異花授粉

試驗(yàn)于2013和2014年的3月10日－3月27日, 4月20日－4月27日和5月10日－5月17日進(jìn)行。授粉時(shí)間為上午9: 00至11: 00, 授粉對(duì)象為三亞鐵爐港開(kāi)花植株。設(shè)人工輔助異花授粉(花粉來(lái)源: 三亞鐵爐港和陵水新村港), 以沒(méi)有人工輔助授粉的花為對(duì)照(CK), 且對(duì)授粉后的花進(jìn)行套帶。

圖1 紅欖李開(kāi)花過(guò)程(a花蕾期; b初花期; c盛花期; d落花期)Fig. 1 Flowering process of Lumnitzera littorea (a: Flower bud; b: Initial blooming; c: Full blooming; d: Blossom falling)

在初花期到盛花期(鐵爐港避開(kāi)自然授粉掛牌枝條), 從三亞鐵爐港和陵水新村采集花瓣未張開(kāi)的花蕾, 取下花藥陰干后, 將花粉收集于小干燥瓶?jī)?nèi),置4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩Ｊ诜鄄捎萌斯c(diǎn)授法。有效授粉期選擇在開(kāi)花當(dāng)天至第7天。每個(gè)處理選擇授粉枝條10個(gè)枝條, 標(biāo)明日期, 去掉人工輔助授粉完成后的新長(zhǎng)出的花蕾。果實(shí)收集方法和數(shù)量同自然授粉。

2.4種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

將所采集的紅欖李果實(shí)平鋪于沙土上置于底部有10個(gè)滲水孔的方形培養(yǎng)盒(10 cm×15 cm)中, 表面覆蓋一層薄沙土。模擬潮汐淹水, 每天澆水2次海水(鹽度17.3‰), 澆水量以盆底滲水為準(zhǔn)。置于有一層遮陽(yáng)網(wǎng)的溫室中, 發(fā)芽實(shí)驗(yàn)期間溫度控制在26℃至33 ℃之間。當(dāng)種皮裂開(kāi)并可見(jiàn)胚軸發(fā)育時(shí), 將發(fā)芽種子移至1/3椰糠+1/3沙+1/3花園土的培養(yǎng)土中, 置于光照培養(yǎng)箱(28 ℃, 12 h光照)內(nèi)育苗, 并統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)率。

3 結(jié)果與分析

3.1開(kāi)花物侯

2014年1月－8月對(duì)三亞鐵爐港9株紅欖李的開(kāi)花物候期進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明, 紅欖李的花期較長(zhǎng), 從花芽開(kāi)始膨大到落花期末, 最短60天, 最長(zhǎng)可持續(xù)140天。9個(gè)植株開(kāi)花不整齊, 分三個(gè)批次開(kāi)花, 1月底1株, 3月初4株, 其余4株在3月下旬開(kāi)花。2007年鐵爐港22%的紅欖李植株存在雙花期現(xiàn)象[13], 但2013[8]和2014連續(xù)兩年的調(diào)查, 該地的紅欖李已無(wú)雙花期現(xiàn)象。許多瀕危植物在強(qiáng)大的選擇壓力下, 形成了“大量、集中開(kāi)放”的開(kāi)花模式, 以吸引到更多的傳粉者, 從而實(shí)現(xiàn)生殖的成功[3,14]。三亞紅欖李種群的這種花期變化是否是有限植株群體對(duì)環(huán)境變化而進(jìn)行的適應(yīng), 有待進(jìn)一步的觀察。

表1 三亞鐵爐港紅欖李不同單株開(kāi)花物侯期觀察(月－日)Tab. 1 Comparison of different individual phenophase of Lumnitzera littorea (month/ day)

圖2 紅欖李花粉粒萌發(fā)情況(10×10)(a三亞鐵爐港, b陵水新村港, c泰國(guó)卡農(nóng))Fig. 2 Pollen germination of Lumnitzera littorea (10×10)(a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom,Thailand)

3.2花粉生活力

對(duì)三個(gè)居群的紅欖李的花粉生活力用培養(yǎng)基法進(jìn)行測(cè)定(圖2)。結(jié)果表明: 我國(guó)兩個(gè)地點(diǎn)紅欖李的花粉生活力均不超過(guò)10%, 這一結(jié)果與項(xiàng)目組前期結(jié)果相同[8]。而來(lái)源于泰國(guó)卡農(nóng)的紅欖李的花粉生活力可高達(dá)40.2%(圖3), 可見(jiàn)位于泰國(guó)的紅欖李能夠完成自然更新與其高的花粉生活力是密不可分的。同時(shí)對(duì)三亞鐵爐港紅欖李伴生植物欖李、尖瓣海蓮和角果木的花粉生活力進(jìn)行測(cè)定, 結(jié)果表明:欖李(27%)、尖瓣海蓮(48.33%)、角果木(54.11%)(圖4), 均高于紅欖李。

圖3 三個(gè)居群紅欖李花粉生活力(a三亞鐵爐港, b陵水新村港, c泰國(guó)卡農(nóng))Fig. 3 Pollen fertility of Lumnitzera littorea in three populations (a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom, Thailand)

3.3種子萌發(fā)情況

對(duì)不同授粉處理下的紅欖李的種子進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)(每個(gè)處理種子為9000粒, 圖6a), 結(jié)果表明, 2013年與2014年結(jié)果相同, 自然授粉狀態(tài)下, 種子的萌發(fā)率只有0.2‰, 而人工輔助異花授粉后種子的萌發(fā)率顯著提高(圖5), 但最高的萌發(fā)率也只有5.6‰。萌發(fā)種子能夠長(zhǎng)成小的幼苗(圖6b)。這說(shuō)明通過(guò)人工輔助異花授粉對(duì)提高紅欖李種子繁育有一定的積極作用。在花粉生活力測(cè)定實(shí)驗(yàn)中, 海南紅欖李種群間授粉的種子萌發(fā)率低于種群內(nèi)部, 這一研究結(jié)果與瀕危植物縉云衛(wèi)矛(Euonymus chloranthoides Yang)相似[15], 表明種群間的長(zhǎng)期隔離導(dǎo)致了種群間的雜交衰退。

圖4 三亞鐵爐港欖李(a), 尖瓣海蓮(b)和角果木(c)花粉粒萌發(fā)情況(10×10)Fig. 4 Pollen germination of L. racemosa (a) , Bruguiera sexangula (b) and (C) Ceriops tagal(10×10)

圖5 不同授粉處理下紅欖李種子萌發(fā)率 (‰) (CK, 自然授粉, SY, 花粉采集自三亞異株花粉, LS, 花粉采集自陵水植株)Fig. 5 Germination rate of Lumnitzera littorea under artificial supplementary pollination (‰) (CK: natural pollination; SY: xenogamy of L. racemosa in Sanya; LS: pollens come from the L. racemosa in Lingshui )

圖6 紅欖李種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)(a 種子萌發(fā); b 實(shí)驗(yàn)室幼苗萌發(fā)情況; c 儲(chǔ)花蜜凹槽; d 林下幼苗)Fig. 6 Seed germination and seedling growth of Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt(a: Seed germination; b: Seedlings; c: The groove for nectar storage; d: Seedling)

4 討論

野外調(diào)察顯示, 紅欖李能夠依靠艷麗的紅色花瓣吸引昆蟲(chóng)如螞蟻、蜜蜂、蝴蝶和甲蟲(chóng)傳粉[13]。項(xiàng)目組2013和2014年在三亞鐵爐港觀察到黃腹花蜜鳥(niǎo)(Nectarinia jugularis)亦是紅欖李的傳粉者之一。對(duì)紅欖李果實(shí)進(jìn)行解剖, 發(fā)現(xiàn)其種子有一小凹槽用以儲(chǔ)存花蜜(圖6c), 使用0.5 mm毛細(xì)管一朵花最多可以吸取近5 cm高的花蜜?？梢?jiàn), 自然狀態(tài)下紅欖李的授粉渠道并不單一, 但在2013和2014年紅欖李的種子萌發(fā)率卻都只有0.2‰, 遠(yuǎn)低于人工輔助異花授粉的種子萌發(fā)率。三亞鐵爐港與紅欖李生長(zhǎng)在一起的紅花植物有正紅樹(shù)(Rhizophora apiculatea)、海蓮(Bruguiera sexangula)和尖瓣海蓮(Bruguiera sexangula var. rhynchopetala)等。這些植物與紅欖李的花期重合, 將會(huì)產(chǎn)生與紅欖李授粉媒介的競(jìng)爭(zhēng),這可能是導(dǎo)致瀕危植物自然授粉條件下種子萌發(fā)率低的原因之一[16]。同時(shí)野外調(diào)查還發(fā)現(xiàn), 紅欖李在開(kāi)花期蟲(chóng)害嚴(yán)重, 在2013年有高達(dá)50%的果實(shí)受害[8], 到2014年雖受害率降低至32%(本項(xiàng)目組針對(duì)該蟲(chóng)害采取了一定的防冶措施), 這也是導(dǎo)致紅欖李走向?yàn)l危甚至滅絕的另一重要因素。

在瀕危植物繁育系統(tǒng)的研究中, 人工輔助授粉相較于自然傳粉能提高銀沙槐(Ammodendron argenteum)花結(jié)實(shí)率[17], 提高凹葉厚樸(Magnolia officinalis)結(jié)果率和單果出種百分率[2], 長(zhǎng)柄雙花木(Disanthus cercidifolius)的結(jié)果率和結(jié)籽率[14]。2013年以前的調(diào)查結(jié)果均認(rèn)為鐵爐港的紅欖李雖能正常開(kāi)花結(jié)果,但林下未見(jiàn)任何紅欖李幼苗和幼樹(shù)[7–8，12]。但經(jīng)過(guò)2013年和2014連續(xù)兩年的人工輔助異花授粉后, 2014年7月23日在鐵爐港林下發(fā)現(xiàn)1株紅欖李幼苗(圖6d)。同時(shí), 2014年收集的種子在實(shí)驗(yàn)室種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)也成功獲取了紅欖李幼苗, 這說(shuō)明人工輔助異花授粉工作能夠成為繁育紅欖李新植株的一種突破。但由于目前我們所得到的最高種子萌發(fā)率為5.6‰, 說(shuō)明紅欖李的種群恢復(fù)工作仍然有許多問(wèn)題需要解決。

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The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt) by artificial pollination

ZHANG Xiaonan1, ZHONG Cairong2, YAN Tingliang3, ZHANG Ying1,*
1.College of Life Science,Hainan Normal University,Haikou571158,China
2.Hainan Dongzhaigang National Nature Reserve Administration Bureau,Haikou571129,China
3. Institute of Environment and Plant Protection,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou571737,China

The artificial pollination technique was used for the germplasm resource rescue ofLumnitzera littorea(Jack.) Voigt population in Sanya Tielu Bay. The heterogenitic pollens came from the two separate populations in SanYa TieLu Bay and Lingshui Xinchun Bay. From the results of the field observation and the seed germination experiment, the physiological and ecological phenomena ofL. littoreacan be found as follows. The florescence was long and unstable ofL. littoreain Sanya Tielu Bay. The flowering time from 60 to 140 days began from the expanding of the flower bud to the end of the fading date. The pollen germination rates of the two populations were both lower than 10% tested by the solid medium method. Under the situation of natural pollination, the seed germination rate was 0.2‰, however, it was improved obviously (5.6‰) by the artificial pollination. Furthermore, the germinated seeds in laboratory could grow into the seedlings. After two years, work of artificial pollination, one seedling could be found in the natural environment. So it can be a positive effect for the seed germination ofL.littoreaby the methods of artificial heterogenetic pollination.

Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt; endanger mangrove; artificial pollination; germplasm resources rescue

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.006

S722.3

A

1008-8873(2016)05-038-05

張曉楠, 鐘才榮, 嚴(yán)廷良, 等. 人工輔助授粉探尋瀕危紅樹(shù)植物紅欖李種質(zhì)資源挽救途徑[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(5): 38-42.

ZHANG Xiaonan, ZHONG Cairong, YAN Tingliang, et al. The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera

littorea(Jack.) Voigt) by artificial pollination[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 38-42.

2015-07-06;

2015-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(31360173); 有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015開(kāi)放課題(SKLBC15KF06)

張曉楠(1988—), 女, 河南人孟州市人, 在讀碩士研究生, 主要從事植物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: 806077402@qq.com

*通信作者: 張穎, 女, 博士, 教授, 主要從事瀕危紅樹(shù)植物研究, E-mail: zhangyingred@yahoo.com