羅曉滔，胡世俊，馬煥成

(西南林業(yè)大學西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室，云南 昆明 650224)

木棉是生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)的大葉型喬木，高10～25 m。樹干挺直，基部密生瘤刺防止動物侵入。木棉外觀隨季節(jié)變化展現不同的景象，木棉花桔紅色，先開花后長葉，樹形頗具陽剛之美，是行道樹、園庭觀賞樹首選。產于云南、四川、貴州、廣東、福建和臺灣等亞熱帶省區(qū)。目前國內外對木棉的研究主要集中在栽培技術管理、組織培養(yǎng)、生態(tài)綠化、遺傳多樣性等方面，對其繁育系統(tǒng)相關研究僅限于木棉嫁接繁育、種植繁育技術和花部形態(tài)特征與傳粉者行為等方面[1-3]。關于繁殖生態(tài)學方面針對外部環(huán)境及時間變化對木棉生長繁殖的影響研究相對較少，對木棉花雄蕊特征的研究將有助于理解木棉生長環(huán)境與時間變化對木棉生長繁殖的影響，因此顯得尤為重要。

植物繁育系統(tǒng)通過花部式樣、花開方式、雄蕊雌蕊開放先后及持續(xù)時間與不同的交配系統(tǒng)綜合影響后代遺傳組成的有性性別特征。交配系統(tǒng)是植物繁育系統(tǒng)的核心。在錦葵目木棉科植物中，目前國內外學者多注重研究經濟植物，如榴蓮、瓜栗屬、猴面包的花開特征及繁育系統(tǒng)。對繁育系統(tǒng)的全面研究有助于把握植物花開特性與傳粉種類、氣候特征的協同關系。木棉每年2—3月開花，5月末果實成熟后飄絮完成結實過程。其間干季沒有葉片情形下完成結果過程的木棉繁殖是一項值得深入研究的課題。本研究對木棉雄蕊形態(tài)特征、花體活性等進行深入研究，旨在了解該物種在干熱河谷的適應性，進一步明確其繁殖特性，為該物種保育、生態(tài)利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗在云南省紅河州個舊市保和鄉(xiāng)冷墩村木棉試驗基地進行，該地屬干熱河谷，南亞熱帶季風氣候。木棉為該地主要優(yōu)勢喬木樹種，研究材料選自木棉自然種群。

1.2 形態(tài)指標測量

在自然條件下，隨機選取15株木棉，每棵分別選取2顆尚未開放的花苞進行標記，連續(xù)觀察并記錄花蕾生長、花開動態(tài)。在上午時間選擇盛花期木棉對部分完全開放的花進行花部形態(tài)指標測定。利用游標卡尺測量木棉花的花托直徑、花瓣長和寬、雌蕊長度、外層雄蕊長度、內高層雄蕊長度、內低層雄蕊長度，計算變異系數，分析這些器官變異大小。

用鑷子將花藥取出放入離心管中，常溫干燥48 h后存放4℃冰箱。在導電膠上將其均勻分布，置于金屬載物臺上，用常規(guī)真空噴鍍法噴金90 s后在掃描電鏡下觀察花藥形態(tài)，選取有代表性的視野進行拍照。

1.3 單花花粉量與花粉活力

單花花份量參照路國輝等[4]學者的方法，隨機選取10株植株，每株選取3朵開放但花藥尚未開裂的花，取出花藥解剖，將外輪花藥和內輪花藥置于離心管中，注入蒸餾水至1 ml。振蕩60 s后吸取1 μL花粉液均勻地滴于載玻片，顯微鏡下觀察花粉數量。

于2019年3月中旬上午10時，隨機選取10株植株，每株各選取3朵半開放、花藥尚未裂開的花，用解剖針刺破花藥取出花粉粒，置于培養(yǎng)皿中備用。利用氯化三苯基四氮唑染色法(TTC法)測定相對濕度為60%、20%時花粉活力。同時在濕度一定時，分別測定溫度為25℃、30℃、35℃及40℃時12 h內花粉活力。

1.4 數據分析方法

所有數據運用SPSS21.0求均值、標準差分析，結合Duncan′s復極差法進一步確保數據的真實性。

2 結果與分析

2.1 木棉花形態(tài)特征

木棉花雄蕊特征量見表1。

表1 木棉花部形態(tài)指標的描述性分析

木棉花花朵較大，盛開時平均直徑超過44 mm?；ú拷Y構形態(tài)數值變異系數相對較小，如雌蕊長相對均勻，變異系數僅4.48%，其次是花瓣長、花托直徑、花瓣寬和內高層雄蕊變異系數分別為5.52%、7.35%、8.31%和9.53%。雖然與生殖關系最密切的雌蕊變異系數較小，但是與生殖關系同樣重要的雄蕊變異系數相對較大，其內低層雄蕊變異系數為19.15%。同時可以發(fā)現：在變異系數方面，內低層雄蕊(0.139 3)>內高層雄蕊(0.095 3)>外層雄蕊(0.055 8)，木棉花的3層雄蕊外層較為整齊，內低層雄蕊長短變化較大。木棉二輪花藥電鏡圖如圖1。

a：外輪花藥，b：內低層花藥，c：內高層花藥

木棉各輪花藥形態(tài)具有明顯差異。木棉外輪花藥與花絲呈全著藥，內低層花藥與花絲呈個字著藥，內高層花藥與花絲呈底著藥并聚攏。

2.2 花粉活力

2.2.1不同濕度下花粉活力

木棉花平均單花花粉量為141 065粒。對木棉花粉進行活性研究，結果表明，濕度為60%的花粉活性高于濕度為20%的活性，且濕度為60%活粉活性隨時間下降趨勢較濕度為20%的活性平緩。在濕度條件較好的情況下(60%)，高層雄蕊的活力最強，外層花粉活力最低，而當濕度降低后(20%)，低層的花粉活力下降速率不及高層的迅速(圖2)。

圖2 不同濕度下木棉花粉活力

2.2.2不同溫度下花粉活力

不同溫度下花粉活力如圖3所示。

由圖3可知，在溫度分別為25℃，30℃，35℃及40℃時，在溫度上升過程中，木棉花粉活性處于上升趨勢；當溫度達到40℃時，木棉花粉活力開始下降，且隨時間的延長活力迅速下降，可見，溫度為35℃時，木棉花粉活力最高。濕度對花粉活力的影響結果類似，當溫度適宜的情況下(30℃，35℃)，高層雄蕊的活力最強，外層花粉活力最低，而當溫度不適宜的情況下(25℃，40℃)，低層花粉活力下降速率不及高層的迅速，甚至超過高層花粉活力。

圖3 不同溫度下的木棉花粉活力

3 討論

3.1 木棉花部形態(tài)與繁殖關系

干熱河谷熱量充足，水分缺乏，氣溫全年較高。在以干熱為顯著特點的干熱河谷，木棉是當地群落的優(yōu)勢種或常見種，木棉對當地氣候具有較為良好的適應性，較適于在干熱河谷環(huán)境中生長、繁殖[5]。木棉對干熱河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復、水土保持與產業(yè)發(fā)展具有重要作用。近年來，在對木棉的各項研究中，對木棉花部形態(tài)結構以及對花部各器官生態(tài)功能的研究甚少。木棉為異花授粉植物，其傳粉生物主要為鳥類，昆蟲等，雄蕊長短變化可能有利于不同傳粉生物傳粉效率的提高和增強適應性。異交傳粉機制的多樣性是花結構和傳粉媒介相互適應的結果，為適應昆蟲的傳粉，植物形成與授粉昆蟲活動規(guī)律相協調的開花動態(tài)、花部形態(tài)[6-8]。木棉花量大，在單株和群體水平上開花同步性強，屬于“大量、集中式開放”模式，這種模式能吸引更多的鳥類、昆蟲訪花傳粉，保障植株的生殖成功，這些均是蟲媒花的典型特征，和野外傳粉目科繁育系統(tǒng)一致，木棉雄蕊繁盛期有利于吸引昆蟲。

3.2 木棉形態(tài)對繁殖的影響

雄蕊變異系數變化明顯，雄蕊花粉成熟時間層次感明顯，利于長時間傳粉，這與其他木棉科植物有一定差異。所以，木棉雄蕊成熟期只要有昆蟲活躍就能有充足的花粉。除此之外，木棉花期較長，花期與干熱河谷區(qū)昆蟲活躍期一致，利于蟲媒傳播。王慧(2017)、郝佳波(2015)、王盼盼(2017)等認為植物形態(tài)與花粉數量均能夠促進異交，花朵越大、花朵形狀和花粉量等均是吸引傳粉生物的重要因素[9-11]。木棉的花序為傘房花序，花內輪花絲上部分2叉，中間10枚雄蕊較短，不分叉，外輪雄蕊多數，集成5束，每束花絲10枚以上，較長。同一生長環(huán)境下，不同株木棉花形態(tài)上變異相對較小，花朵形狀與生殖影響可以忽略，但與植物生殖密切相關的內層雄蕊變異系數較大，內低層雄蕊(0.099 3)>內高層雄蕊(0.095 3)>外層雄蕊(0.055 8)，木棉的3層雄蕊外層較為整齊，內低層雄蕊長短變化較大。從花型、雄蕊和雌蕊的關系上來看，木棉花雄蕊與繁殖關系更為密切。木棉雄蕊與繁殖關系的研究與菊科、木蘭科、千屈菜科等科目植物繁殖相關研究一致。何燕紅(2015)分析了孔雀草(菊科)的花開特性和繁育系統(tǒng)，認為孔雀草外圍的3～4輪舌狀花可以有效吸引昆蟲，增強植物繁育能力[12]。招禮軍(2015)分析了灰木蓮(木蘭科)的花開特性和繁育系統(tǒng)，灰木蓮群體花期較長，個體開花時間30d左右，雌蕊先成熟，失去授粉技能后雄蕊花藥才開始裂開散粉。通過實驗觀察發(fā)現，雄蕊長(17.4 mm)遠遠大于雌蕊(11.8 mm)，雄蕊傳粉活力和天數均明顯高于雌蕊[13]。劉龍昌等(2015)針對紫薇花(千屈菜科)花部綜合特征和繁育系統(tǒng)進行研究發(fā)現，不同花色的紫薇花雄蕊對于繁育系統(tǒng)的影響較大。其中，長雄蕊花粉活性明顯高于短雄蕊[14]。傳粉過程中，紫薇花主要利用雄蕊的形態(tài)、顏色和花粉量實現繁育，雄蕊的特性在很大程度上影響到結實率和結籽數。基于3種不同科目雄蕊形態(tài)分析發(fā)現：雄蕊花部形態(tài)、顏色等對繁育系統(tǒng)影響較大，木棉雄蕊特征、形態(tài)對于木棉繁育系統(tǒng)影響較大。木棉的3層雄蕊外層較為整齊，內低層雄蕊長短變化較大，各層花藥之間有一定間隔，且此間隔隨木棉花期的變化發(fā)生改變，形態(tài)變異有利于吸引多樣化的傳粉生物，是植物提高生殖適合度的有效方式。形態(tài)變異對傳粉生物的影響結果與國內眾多學者的研究一致[15-16]。

花藥電鏡圖片表明，木棉各輪花藥在其結構和花藥著絲方式上皆有很大差異，研究木棉花藥壁發(fā)育過程中細胞如何分化以及各層花藥間形態(tài)結構上差異有助于實現功能上的分化，花藥結構與花粉散布以及與適應性間有何聯系有待進一下深入研究。

3.3 花粉活力對繁殖的影響

在濕度為60%，溫度為35℃時，木棉花粉活性最強，這是木棉適應環(huán)境多樣性變化的重要體現。同時，木棉高層雄蕊的花藥個體大、花粉數量多，是干熱河谷環(huán)境下傳粉繁殖最主要的花粉源。植物傳粉系統(tǒng)主要包括花粉、柱頭和傳粉媒介3個部分。其中，花粉活力保持時間長可以提高植物傳粉成功率。李建軍等(2019)運用TTC法和聯苯胺—過氧化氫法研究了紅白忍冬繁育系統(tǒng)及傳粉特性，明確了花粉活力決定了傳粉生物的結實率。吳陽清(2015)在菊科植物繁育系統(tǒng)和雜交后代遺傳分析中對勛章菊在自然環(huán)境下花粉活力與繁育系統(tǒng)和雜交F1遺傳多樣性進行了探究，研究結果顯示：勛章菊花粉活力對繁殖系統(tǒng)和遺傳系統(tǒng)均有較大影響。因此，干熱河谷條件下木棉繁殖中，雄蕊花粉活力與溫度、濕度息息相關，適應這一特定環(huán)境下木棉的繁育。

對木棉花粉進行活性初步研究表明，在濕度為60%，溫度為35℃時，木棉花粉活性最強，花粉活性比率最高可接近80%，高于25 ℃下的花粉活力最大值，這表明35℃左右的溫度有利于花粉保持較高的活力，實驗地木棉花期時平均氣溫為20℃左右，局部河谷最高氣溫25℃以上，較高的氣溫下，最外層的花粉在高溫下活力較高，這與干熱河谷溫度較高的環(huán)境條件相適應。從研究結果看，高層雄蕊在相對濕度60%，溫度30℃、35℃的適宜環(huán)境下保持了較高的花粉活力，而當濕度降低至20%時，溫度偏離最適宜溫度區(qū)間后，低層花粉活力下降速率低于高層下降速率，并且活性高于高層花粉活力。出現此種情況可以考慮是木棉抵御干熱氣候環(huán)境變化差異的重要途徑。

面對干熱河谷溫差較大環(huán)境時，底層花藥花粉活力較高，可以考慮此為逆境條件下高層花藥受損后的后備花粉源。當然，若要證實此假設，尤其要理解木棉為何選擇干旱季節(jié)且樹上幾乎沒有葉片的情況下來完成開花結實的這種繁殖策略還需要開展更進一步的研究。