趙曉依 王仲科 李桂芳 呂新華 趙文勤 莊 麗

(石河子大學(xué)生命科學(xué)院，新疆植物藥資源利用教育部重點實驗室，石河子 832003)

植物生殖生態(tài)學(xué)是研究植物的繁殖與其它環(huán)境條件間相互關(guān)系及機理的科學(xué)。它涉及多個領(lǐng)域，是生態(tài)學(xué)的研究熱點之一[1～2]。生殖系統(tǒng)是研究植物繁殖生態(tài)學(xué)的核心，它能控制植物種內(nèi)和種間的基因流，是研究種群結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性、栽培和物種保護的重要參數(shù)[3～4]，在瀕危植物的保護方面起到重大而深遠的作用。多傘阿魏隸屬于傘形科(Apiaceae)阿魏屬(FerulaL.)，是新疆特有的類短命植物，具有消積殺蟲、耐干旱鹽堿和保持水土等特點，對改善荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義，在新疆有著其獨特的經(jīng)濟價值及生態(tài)學(xué)地位。近年來，由于人為地大肆破壞，使得阿魏的分布區(qū)域愈來愈小[5～6]。因此，保護并擴大阿魏的種群數(shù)量，成為我們當前所面臨的刻不容緩的問題。

目前，國外常把目光集中在阿魏的基因分析及化學(xué)成分方面[7～10]，而國內(nèi)的研究則僅集中在幾種阿魏，如新疆阿魏(Ferulasinkiangensis)、阜康阿魏(Ferulafukanensis)、荒地阿魏(Ferulasyreitschikowii)的相關(guān)研究上，而對于多傘阿魏的探討相對較少，繁育系統(tǒng)方面更是鮮有報道[11～16]。因此，為了給阿魏屬植物增添更加直觀的圖像資料，了解多傘阿魏對環(huán)境的適應(yīng)機制，同時為保護阿魏屬的物種多樣性提供理論基礎(chǔ)，本次實驗以多傘阿魏為研究對象，探究了其繁育系統(tǒng)與生存環(huán)境的相互關(guān)系，為今后該物種的人工擴繁提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究種群和地點

多傘阿魏是新疆特有的多年生類短命植物?；ㄐ驗閭阈位ㄐ?，多個單傘形花序連續(xù)輪生的在相同的分枝上，形成復(fù)傘形花序，產(chǎn)生雙懸果[17]。研究地點位于石河子市郊區(qū)的阿魏灘(85°57′52.9″E,44°12′43.3″N)，海拔583 m，土壤是沙礫土。該研究區(qū)年均氣溫為8.1℃，年均降水量為215.9 mm，年蒸發(fā)量為1 054 mm(數(shù)據(jù)來自中國氣象網(wǎng))，屬于溫帶大陸性干旱氣候。該地區(qū)干旱少雨，因此天然植被稀疏，群落結(jié)構(gòu)簡單，植被類型多為耐旱性植物，植株矮小，多傘阿魏為主要優(yōu)勢種，伴生種有準噶爾豬毛菜(Salsoladshungarica)，新疆絹蒿(Seriphidiumkaschgaricum)，角果藜(Ceratocarpusarenarius)等[18]。

1.2 實驗方法

1.2.1 開花動態(tài)和花部形態(tài)解剖

隨機標記10個相距大于1 m的未開放花序，對其開花動態(tài)進行連續(xù)觀察并記錄；采集花序上處于開花當天的小花10朵，測量其花冠直徑、花瓣長度和寬度、雄蕊長度、柱頭高度、柱頭至花藥之間的距離等指標[18]，計算均值；對單花進行解剖，用體視解剖鏡(OLYMPUS SZX12,COLYMPUS Co.,Tokyo,Japan)對花部特征拍照。

1.2.2 柱頭可授性和花粉活力

參照Dafni[19]等的方法，取處于不同花期的柱頭，將其置于凹面載玻片上，滴加聯(lián)苯胺—過氧化氫(1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水=4∶11∶22)溶液，檢測柱頭可授性，每個花期重復(fù)3遍。若柱頭具可授性，則柱頭周圍的反應(yīng)液呈現(xiàn)藍色并有大量氣泡出現(xiàn)，根據(jù)氣泡數(shù)的多少確定其柱頭可授性的強弱[20]。

采集開花當天不同時間段(8:00～20:00)的兩性花，用0.5%的2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色，置于25°C恒溫箱中30 min左右，在光學(xué)顯微鏡(Olympus BX51)下觀察統(tǒng)計花粉的染色情況，每個視野觀察的花粉數(shù)不少于30粒，每個觀察重復(fù)3遍[21]。

1.2.3 異交指數(shù)(OCI)、花粉—胚珠比(P/O)和人工授粉實驗

隨機采集10朵花藥未裂開的兩性花，剝出花藥，放入10個1 mL離心管中，加入0.1 mL 10%的HCl解離，然后用微量進液器取1 μL于載玻片上，在顯微鏡下統(tǒng)計花粉數(shù)，然后在體視顯微鏡下解剖并統(tǒng)計10朵小花的胚珠數(shù)，最后計算P/O值[22]。根據(jù)Dafni[23]的評判標準測定雜交指數(shù)(OCI)，以判斷植株的授粉方式[24]。人工授粉實驗于2017年5月15日～2017年5月30日期間進行。隨機選取5株大小相近，相距大于1 m的花序，根據(jù)Radford等[25]的方法設(shè)計實驗對照，記錄結(jié)實數(shù)。

1.2.4 訪花昆蟲

用自制捕蟲瓶捕捉停留于花上的昆蟲，保存并帶回實驗室請昆蟲分類專家鑒別。訪花昆蟲的圖像用Canon Kiss X8i,Rebel T6i(Canon Inc.,Tokyo,Japan)觀察記錄。連續(xù)3天用捕蟲瓶統(tǒng)計從8:00～20:00的昆蟲數(shù)量，繪制圖表。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本次實驗獲得的數(shù)據(jù)均使用WPS軟件處理圖像，繪制圖表，用SPSS19.0進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果

2.1 開花動態(tài)和花部形態(tài)解剖

多傘阿魏于2017年5月中旬出現(xiàn)花蕾，5月底花期結(jié)束。根據(jù)其開花動態(tài)，將其兩性花的花期劃分為6個時期：第1時期，花蕾呈青色，花瓣向內(nèi)卷，花藥蜷縮于花瓣下，柱頭原基向下形成凹陷(圖1:a)；第2時期，花顏色由青轉(zhuǎn)黃，花瓣略微張開，花絲逐漸伸直變長使花藥漸漸脫離花瓣，此過程中花藥會出現(xiàn)個別的開裂，柱頭原基逐漸發(fā)育，凹陷消失(圖1:b、i、j)；第3時期，花朵完全開放，呈現(xiàn)輻射對稱，花絲伸直，花藥完全開裂，柱頭原基發(fā)育成并列的兩枚柱頭(圖1:c、h、k、l)；第4時期，花瓣和雄蕊完全脫落，柱頭逐漸伸長并分離，子房開始發(fā)育(圖1:d)；第5時期，兩柱頭完全分離形成180°，子房變寬變長(圖1:e)；第6時期，柱頭完全枯萎，子房逐漸成熟(圖1:f)。

兩性花的雄蕊和花瓣各5枚，離生，子房下位，上被疏軟的毛，兩室，每室有1胚珠，花柱2，基部膨大(圖1:d、g、h)。每5～20朵單花組成一個單傘形花序，3～10個單傘形花序輪生在相同的分枝上形成了密集的復(fù)傘形花序。單花直徑約4 mm，單傘形花序直徑約2 cm。單花持續(xù)開放時間為7～10 d，整個花序的開花時間則根據(jù)花序大小能持續(xù)10～15 d。

圖1 多傘阿魏的花部形態(tài)特征 a～f.多傘阿魏的開花動態(tài)；g,h.雄蕊和花瓣；i～l.雄蕊發(fā)育動態(tài) a,b,i,j,k,l在40倍物鏡下觀察；c,d,e,f在25倍物鏡下觀察；g,h在20倍物鏡下觀察Fig.1 The floral morphological characteristics for the Ferula ferulaeoides a-f. Flowering dynamics of F.ferulaeoides; g-h. Stamens and petals; i-l. Development dynamics of stamens a,b,i,j,k,l magnified 40 times; c,d,e,f magnified 25 times; g,h magnified 20 times

相關(guān)性Pearson花瓣P(guān)etal(mm)子房Ovary(mm)長Length寬Width長Length寬Width雄蕊Stamen(mm)柱頭Stigma(mm)異位距離Herkogamy(mm)單花直徑Diameter of flower(mm)花瓣P(guān)etal長Length10.624-0.373-0.0820.3140.2710.085-0.252寬Width0.6241-0.553-0.641?0.3410.642?0.5190.176子房Ovary長Length-0.373-0.55310.683?-0.109-0.3490.199-0.076寬Width-0.082-0.641?0.683?10.127-0.552-0.049-0.288雄蕊Stamen0.3140.341-0.1090.12710.1420.5680.118柱頭Stigma0.2710.642?-0.349-0.5520.14210.337-0.389異位距離Herkogamy0.0850.5190.199-0.0490.5680.33710.373單花直徑Diameter of flower-0.2520.176-0.076-0.2880.118-0.3890.3731均值A(chǔ)verage1.46±0.0651.02±0.0332.38±0.0671.44±0.0282.67±0.0811.03±0.0382.56±0.0663.41±0.046

*P<0.05

2.2 柱頭可授性和花粉活力

多傘阿魏兩性花的雄蕊長于雌蕊和花瓣，雌雄蕊間存在一定的異位距離(垂直距離為2.56±0.066 mm)(表1)。5枚花藥在花朵完全開放前依次開裂，花朵完全開放時全部完成開裂(圖1:c)，此時花粉活力在一天中的變化趨勢是先增強在減弱；12:00時，花粉活力達到最強，為82.33%，13:00～16:00期間，花粉活力減弱速度較慢，且活力均保持在60%以上(圖2)?；ㄋ幫耆⒎蹠r柱頭處于第3時期，此時柱頭不具可授性，第4時期和第6時期柱頭部分具有可授性，第5時期的柱頭可授性達到最強(表2)。

圖2 開花當天花粉活力的變化Fig.2 The changes of pollen viability on the first day of anthesis

Table 2 Stigma receptivity at different stages ofF.ferulaeoides

花期Florescence柱頭可授性Stigma receptivity出現(xiàn)氣泡Bubbles appear變成藍色Turning blue第3時期The third period+/--第4時期The fourth period+++/-第5時期The fifth period++++第6時期The sixth period++/-

注：+.具可授性；+/-.部分具可授性；++.具強可授性；-.不具可授性

Note:+.Stigmas have receptivity; +/-.Some stigmas have receptivity,some have not; ++.Stigmas have the strongest receptivity; -.Stigmas have no receptivity

2.3 花粉—胚珠比(P/O)、異交指數(shù)(OCI)和人工授粉實驗

由表3可以看出，多傘阿魏的P/O是2 080±46.667，數(shù)值處于244.7～2 588.0，說明繁育方式為兼性異交。根據(jù)Dafni的評判標準計算得出OCI是4，評判結(jié)果為異交，部分自交親和，需要傳粉者。在人工授粉實驗中，對照用以檢測植株自然狀態(tài)的傳粉情況，自然套袋能夠檢測植株是否具有自發(fā)的自交能力，異花授粉套袋可以檢測植株雜交是否親和，自花授粉套袋可以檢測植株是否能發(fā)生自交，去雄套袋能夠檢測植株是否有無融合生殖。結(jié)果顯示，多傘阿魏無生殖融合現(xiàn)象，自然授粉率高，為72.52%，可發(fā)生雜交和自交，結(jié)果率分別是65.83%和37.02%。綜合以上三個指標，判斷多傘阿魏的繁殖方式為兼性異交，存在部分自交親和，需要傳粉者。

表3 兩性花的花粉/胚珠比(P/O)

表4 根據(jù)Dafni的標準判斷多傘阿魏的繁殖類型

Table 4 According to the standard of Dafni to determine the reproductive type ofF.ferulaeoides

項目Items多傘阿魏Ferula ferulaeoides單花直徑Diameter of the flower2～6mm=2花藥散粉和柱頭可授期之間的時間間隔Temporal separation of anther dehiscence and stigma receptivity雄蕊先熟=1Protandry=1柱頭與花藥之間的空間間隔Spatial positioning of stigma to anthers空間分隔=1Spatially separated=1雜交指數(shù)OCI values=4繁育系統(tǒng)類型Type of breeding system異交,部分自交親和,需要傳粉者Outcrossing,partially self-compatible,demand for pollinators

注：OCI=0時，繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI=1時，繁育系統(tǒng)為專性自交；OCI=2時，繁育系統(tǒng)為兼性自交；OCI=3時，繁育系統(tǒng)為自交親和，有時需要傳粉者；OCI=4時，繁育系統(tǒng)為異交為主，部分自交親和且需要傳粉者。

Note:OCI=0;Cleistogamy,OCI=1;Ob1igate autogamy,OCI=2;Facuhative autogamy,OCI=3;Self-compatible,Sometimes need pollinators,OCI=4;Outcrossing,partially self-compatible,demand for pollinators.

2.4 訪花昆蟲

對連續(xù)3天捕捉的昆蟲進行鑒別，分別鑒定出14種訪花昆蟲，其中雙翅目昆蟲有4種，共35只，膜翅目昆蟲也有4種，共54只，數(shù)量最多，而鱗翅目和半翅目的昆蟲數(shù)量較少(表6和圖3)。在盛花期，訪花昆蟲的日活動規(guī)律為：11:00～12:00出現(xiàn)一個高峰，訪花昆蟲總量達到一天中的最大；16:00～17:00出現(xiàn)一個次高峰，總體呈現(xiàn)雙峰曲線(圖4)。不同訪花昆蟲的日活動規(guī)律略微存在差異，蜜蜂科的多在13:00之前出現(xiàn)，蠅科喜歡在12:00～16:00出現(xiàn)，蠼螋科則在8:00～9:00和19:00～20:00兩個時間段出現(xiàn)。

表5 多傘阿魏的人工授粉實驗

Table 5 Seed sets ofF.ferulaeoidesunder different treatments(P<0.01)

處理TestsNNFRS(%)對照Control(natural conditions)44432272.52自然套袋Unmanipulated and bagged22000異花授粉套袋Intraspecific crossing and bagged31921065.83自花授粉套袋Self-pollination and bagged2087737.02去雄套袋Emasculated and bagged26000總計Total1451609

注：N.樣本數(shù)目；NF.結(jié)果數(shù)；RS.結(jié)果率

Note:N.Number of samples; NF.Number of fruit sets; RS.Percentage reproductive success

表6 多傘阿魏的訪花昆蟲

圖3 多傘阿魏的訪花昆蟲 A.姬蜂；B.蜜蜂；C.青蜂；D.蟹蛛；E.夜蛾；F.蠼螋Fig.3 Pollinator of F.ferulaeoides A.Ichneumon; B.Honeybee; C.Cuckoo wasp; D.Crab spider; E.Noctuid; F.Earwig

圖4 訪花昆蟲日活動規(guī)律Fig.4 Diurnal foraging activities of principal pollinators

3 討論

3.1 花部形態(tài)與傳粉的生態(tài)適應(yīng)性

植物間花粉的有效傳遞很大程度上取決植物對傳粉者覓食行為的操縱以及傳粉者的種類[26]。

花和花序?qū)鞣壅咭捠承袨榈牟倏v，是在與傳粉者相互作用時表現(xiàn)出來。植物靠花和花序的外部特征吸引昆蟲，同時提供花粉和花蜜作為“獎勵”。這些“獎勵”的多少不僅會影響昆蟲的傳粉效率，還可能影響花粉的萌發(fā)[27～28]。本次的野外實驗觀察到，多傘阿魏的花序呈傘形，是醒目的黃色，單花體積小數(shù)量多，結(jié)構(gòu)簡單，開放時能產(chǎn)生大量花粉并有特殊香氣；子房上的盤狀蜜腺完全暴露在空氣中，花開放時分泌花蜜。明亮的顏色及豐富的花粉可以幫植物吸引對顏色敏感且喜食花粉的昆蟲，特殊的香氣能夠吸引嗅覺靈敏的昆蟲，而暴露的蜜盤則為各種口器喜愛花蜜的昆蟲提供了食物。綜合上述特征可以發(fā)現(xiàn)，多傘阿魏的花利用視覺、嗅覺及味覺等多種方面來引誘和擴大傳粉者的數(shù)量與種類，為提高傳粉效率打下了重要的基礎(chǔ)。這與大量已有的實驗結(jié)論相似[29～30]。

通過對傳粉者的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多傘阿魏的傳粉者有雙翅目、膜翅目、鞘翅目、革翅目、半翅目、鱗翅目和蜘蛛目。其中，雙翅目與膜翅目占主要地位。一天之中訪花昆蟲的活動規(guī)律呈雙峰曲線，11:00～12:00點昆蟲量最大，此時花粉活力也最強，能有效地增加植物的授粉率。此外，訪花昆蟲的種類也會隨花期發(fā)生變化，花朵開放前期以喜食花粉的昆蟲為主，而花朵開放后期以喜食花蜜的昆蟲為主。有許多研究顯示，雙翅目和膜翅目的昆蟲授粉對象十分廣泛，是多種植物的主要傳粉者[31～33]。本研究通過追蹤已知的傳粉者發(fā)現(xiàn)，幾乎所有種類的昆蟲都在兩種或兩種以上的植物上停留過，選擇的對象具有普遍性。由此我們推測，廣泛型的傳粉者是保證多傘阿魏在自然條件下?lián)碛休^高繁殖率的重要生物因素之一。

3.2 繁育系統(tǒng)及其生態(tài)適應(yīng)性

繁育系統(tǒng)能夠影響物種的遺傳多樣性，是植物保護的重要內(nèi)容[34]。實驗結(jié)果顯示，多傘阿魏的花有雌雄異位和雌雄異熟的現(xiàn)象，P/O值為2 080±46.667，OCI值為4，自然條件授粉、人工雜交授粉和人工自交授粉的結(jié)實率分別是72.52%、65.83%和37.02%，說明其繁殖方式為兼性異交，存在自交部分親和。此結(jié)果與李新蓉[35]的研究結(jié)果一致。為了避免自交占主導(dǎo)地位，植物進化出雌雄異熟和雌雄異位等策略來減小自交的可能性[36]。多傘阿魏在野生條件下是以異交為主要繁殖方式，這樣就很大程度上避免自交引起的近交衰退。但由于傘形花序和花序開放的特點，許多傘形科植物又都會出現(xiàn)自交親和的現(xiàn)象[22]。達爾文認為，自交的適合度優(yōu)勢在于，當異交的機會存在時，異交繁殖占據(jù)優(yōu)勢，一但異交無法完成時，就會通過自交保障種子的產(chǎn)生[37]。因此，兼?zhèn)渥曰▊鞣鄣膫€體在傳粉者稀少時，將比專性異交的個體多一些選擇優(yōu)勢[38]。多傘阿魏生長于荒灘，時常會面臨環(huán)境因素或人為因素的干擾影響正常異交，而部分的自交親和可以讓植物在一定程度上適應(yīng)這些不穩(wěn)定的傳粉環(huán)境，最終能夠產(chǎn)生后代。另外，有研究報道阿魏屬植物存在兩性花和雄花同株[22]，而多傘阿魏花序中的雄性花是否在植物繁育系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境過程中起重要作用，還有待實驗進一步探討。