王曉偉,韓佳玲,張愛(ài)勤,*

1 新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830017 2 新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830017

在不確定的傳粉和母本環(huán)境中,大多數(shù)有花植物常出現(xiàn)“花多果少”或“胚珠多種子少”的現(xiàn)象[1—2],這一現(xiàn)象通常與植物的選擇性敗育有關(guān)。選擇性敗育是指在那些生殖資源受限的植物上或者以提高后代適合度為選擇力時(shí),植物有選擇地?cái)∮糠职l(fā)育中的幼果或種子的現(xiàn)象[3]。其敗育方式具明顯的位置效應(yīng)。如在豆科植物中,根據(jù)莢果內(nèi)種子敗育位置的不同可分為不同的類(lèi)型[4]：(1)成熟莢果頂部和中部的胚珠,選擇性敗育基部的胚珠[5—6]；(2)成熟莢果中部胚珠,而敗育莢果頂部和基部的胚珠[7—8]；(3)僅在頂部、中部或基部形成一粒種子,其余胚珠均敗育[9]；(4)為交替性敗育類(lèi)型,即在莢果偶數(shù)或奇數(shù)位置的胚珠敗育等[10]。

影響植物選擇性敗育的因素有多種,如源-庫(kù)關(guān)系；分配給果實(shí)/種子的有效營(yíng)養(yǎng)成分和光合產(chǎn)物的量；果實(shí)和種子分化的時(shí)間和位置；花粉來(lái)源和數(shù)目；病蟲(chóng)害；各種環(huán)境因素等[4—5,11—12]。其中,資源的運(yùn)輸方向、分配模式及植物的傳粉受精過(guò)程等是種子形成的重要影響因素被廣泛關(guān)注[4,7,13—14]。如在一些豆科植物的研究中顯示近柱頭端的胚珠因?yàn)閮?yōu)先接觸到花粉管,在受精時(shí)間上具優(yōu)勢(shì),表現(xiàn)為頂端胚珠的敗育率低[15—16]；而位于基部的胚珠因?yàn)楦咏鼱I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水和光合產(chǎn)物的源頭,在資源競(jìng)爭(zhēng)中具位置優(yōu)勢(shì),出現(xiàn)基部胚珠的低敗育率[17—18]。另一些研究則發(fā)現(xiàn)子房?jī)?nèi)柱頭端第一位的胚珠并不總是由生長(zhǎng)最快的花粉管受精,第一個(gè)花粉管或生長(zhǎng)最快的花粉管會(huì)傾向于子房中特定位置的胚珠受精[7]。對(duì)十字花科蔥芥(Alliariapetiolata)的調(diào)查顯示,由于傳粉環(huán)境差異,不同分布區(qū)域的種群種子形成模式不同,存在角果內(nèi)中部胚珠發(fā)育良好和基部胚珠發(fā)育良好兩種類(lèi)型[18],這些現(xiàn)象都反映了兩種資源作用方式的復(fù)雜性和結(jié)籽格局的多樣性。

胚珠的發(fā)育既要經(jīng)歷傳粉不足所導(dǎo)致的受精前敗育風(fēng)險(xiǎn),還要經(jīng)歷胚珠間資源競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的受精后敗育風(fēng)險(xiǎn)。在豆科/十字花科植物的線(xiàn)性莢果/角果中,花粉管生長(zhǎng)方向和資源運(yùn)輸方向是兩個(gè)互逆的資源梯度。同樣受兩種資源梯度的影響,為什么有的果實(shí)選擇性敗育頂端胚珠,而有的果實(shí)卻選擇性敗育基部或中間位置的胚珠? 要回答這一問(wèn)題,不僅需要對(duì)開(kāi)花后胚珠發(fā)育動(dòng)態(tài)和敗育過(guò)程進(jìn)行追蹤,以了解兩種互逆資源梯度的作用方式及作用過(guò)程,還需要在不同選擇性敗育類(lèi)型的植物中開(kāi)展傳粉和資源分配狀況的調(diào)查,探究?jī)煞N資源產(chǎn)生作用的條件。而已有研究更多處于現(xiàn)象的解釋和多種假說(shuō)并存的狀態(tài)[19],對(duì)兩種資源梯度的作用過(guò)程及方式關(guān)注不足[4,12,20]。

刺葉錦雞兒(Caraganaacanthophylla)是豆科錦雞兒屬的一種多年生灌木,是干旱區(qū)植物區(qū)系組成的一個(gè)重要類(lèi)群。因其根系發(fā)達(dá)、具固氮、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn),成為防風(fēng)固沙和水土保持的重要植物資源。同時(shí),因其花色鮮艷、株叢高大且葉量較多又是早春的景觀(guān)植物和主要牧草之一。前期調(diào)查顯示,該植物結(jié)莢率很高,但莢果內(nèi)結(jié)籽率較低,胚珠的形成具明顯的位置效應(yīng),其結(jié)籽格局受兩種資源梯度如何作用所致并不清楚。為此,從傳粉和資源分配兩個(gè)方面著手,在對(duì)植物的傳粉生態(tài)、交配系統(tǒng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)資源調(diào)控、種子形成及敗育過(guò)程的跟蹤調(diào)查,探討兩種互逆的資源梯度如何影響胚珠的發(fā)育,為豆科植物種子選擇性敗育的深入研究及刺葉錦雞兒種子產(chǎn)量和種群保護(hù)的研究積累新的資料。

1 材料與方法

1.1 研究材料與觀(guān)測(cè)地點(diǎn)

刺葉錦雞兒是豆科錦雞兒屬的一種多年生灌木。植株基部多分枝,托葉和葉軸在長(zhǎng)枝上則硬化成針刺?；ü邳S色,旗瓣寬卵形,二體雄蕊。生于干山坡、山前平原、河谷、沙地,常成片生長(zhǎng),花期4—5月。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于烏魯木齊市近郊干旱荒漠化的山坡上(43°44′7.52″N,87°37′53.85″E；海拔 900—950 m)。年平均溫度5—15℃,年降雨量199.7mm。刺葉錦雞兒為群落的優(yōu)勢(shì)種,高0.7—1.5m,覆蓋度為60%—70%。伴生種主要為百合科(Liliaceae)、禾本科(Poaceae)和豆科(Fabaceae)的一些植物,處于零星分布狀態(tài)。可能由于生境的異質(zhì)性,所調(diào)查刺葉錦雞兒居群在開(kāi)花期呈明顯的斑塊狀分布,表現(xiàn)為極少開(kāi)花的植株斑塊和正常開(kāi)花的植株斑塊兩類(lèi)。前者比例較低,多分布在地勢(shì)較高的礫石質(zhì)荒坡上,其植株上開(kāi)放花的花部特征、開(kāi)花動(dòng)態(tài)與正常植株上的花無(wú)任何差異,也無(wú)個(gè)體大小依賴(lài)現(xiàn)象。正常開(kāi)花的植株斑塊仍是居群的主要組分,下述實(shí)驗(yàn)均以正常開(kāi)花植株為研究對(duì)象。

1.2 傳粉特性

1.2.1花展示與花設(shè)計(jì)

(1)開(kāi)花習(xí)性與開(kāi)花動(dòng)態(tài)：盛花期,隨機(jī)選取觀(guān)測(cè)樣地正常開(kāi)花的15個(gè)植株,每株標(biāo)記2—3朵待開(kāi)放的花,分別記錄一天中花的開(kāi)放時(shí)間、開(kāi)放后花的持續(xù)時(shí)間和閉合時(shí)間等。同時(shí),對(duì)居群花期的持續(xù)時(shí)間、植株間開(kāi)花的同步性、單株開(kāi)花后的持續(xù)時(shí)間、開(kāi)花強(qiáng)度等進(jìn)行記錄。

(2)花部特征參數(shù)：盛花期,隨機(jī)標(biāo)記15個(gè)正常開(kāi)花的植株,每株標(biāo)記2朵待開(kāi)放的花,在花開(kāi)放后取下,進(jìn)行雌雄蕊高度、旗瓣長(zhǎng)度、翼瓣長(zhǎng)度、龍骨瓣長(zhǎng)度的測(cè)定(測(cè)量工具為游標(biāo)卡尺,分辨率為0.01mm)。

(3)單花花粉量與胚珠數(shù)的測(cè)定：參考Cruden的方法[21]。盛花期,隨機(jī)標(biāo)記15個(gè)正常開(kāi)花的植株,每株取1朵待開(kāi)放且未散粉的花進(jìn)行以下操作：(1)將單花的10枚花藥小心取下放入EP管中,同時(shí)對(duì)其子房中的胚珠數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；(2)每個(gè)EP管加入100μL 20%蔗糖濃度的番紅溶液制成懸濁液,從中取0.5μL液體滴在載玻片上,進(jìn)行液滴中花粉粒數(shù)目的統(tǒng)計(jì),后用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算單花花粉量和花粉胚珠比(P/O)值；單花花粉量=統(tǒng)計(jì)出的液滴中花粉粒數(shù)目×100/0.5；P/O=單花花粉量/胚珠數(shù)。

1.2.2傳粉者訪(fǎng)花動(dòng)態(tài)及訪(fǎng)花頻率

盛花期,選取10株正開(kāi)花的植株,每株隨機(jī)標(biāo)記10—20朵當(dāng)日開(kāi)放的花,從早上9:00至下午18:00進(jìn)行連續(xù)觀(guān)察,記錄昆蟲(chóng)訪(fǎng)花行為和標(biāo)記花的被訪(fǎng)次數(shù),后計(jì)算訪(fǎng)花頻率,并拍照記錄昆蟲(chóng)的種類(lèi)。另外,隨機(jī)選取15個(gè)開(kāi)花植株,每株標(biāo)記2朵未散粉的花進(jìn)行去雄處理,并在當(dāng)天統(tǒng)計(jì)去雄后花的柱頭花粉數(shù),檢測(cè)傳粉強(qiáng)度。

1.3 交配系統(tǒng)

盛花期,隨機(jī)選取30個(gè)正常開(kāi)花的植株,每株用細(xì)線(xiàn)標(biāo)記12朵未散粉的待開(kāi)的花,進(jìn)行以下5種處理,每種處理2朵花,另外2朵不做任何處理作對(duì)照,待莢果成熟后統(tǒng)計(jì)結(jié)實(shí)率,5種處理如下：

(1)孤雌生殖：對(duì)未散粉的花進(jìn)行去雄處理并套袋；

(2)人工自花授粉：對(duì)標(biāo)記的花進(jìn)行套袋,待花開(kāi)放后去掉袋子,用鑷子輕輕夾龍骨瓣使其彈開(kāi),讓柱頭和花藥充分接觸后再套袋。每操作完成一朵花后,用濕紙巾將鑷子擦拭干凈后再繼續(xù)下一朵；

(3)去雄人工異花授粉：對(duì)未散粉的花進(jìn)行去雄處理后套袋,待花開(kāi)放后去掉袋子進(jìn)行人工授異花粉,后繼續(xù)套袋；

(4)自動(dòng)自花授粉：對(duì)標(biāo)記的未散粉的花套袋不做任何處理；

(5)去雄不套袋：對(duì)標(biāo)記的未散粉的花進(jìn)行去雄處理后使其自然授粉。

1.4 胚珠敗育與種子的形成動(dòng)態(tài)

在盛花期,隨機(jī)標(biāo)記120個(gè)正常開(kāi)花的植株,每株標(biāo)記10朵待開(kāi)放的花(累計(jì)1200朵),待花開(kāi)放后根據(jù)胚珠發(fā)育狀況,將胚珠發(fā)育過(guò)程分為開(kāi)花后5d、8d、11d、14d、17d、20d 共6個(gè)階段。每個(gè)階段從120株中隨機(jī)選20株,取其上邊標(biāo)記的花或幼果(樣本量：200個(gè)/每階段)進(jìn)行豆莢中每個(gè)位置胚珠發(fā)育狀態(tài)的記錄,把莢果基部第一個(gè)胚珠設(shè)為1號(hào)位,依次對(duì)各位置的胚珠進(jìn)行編號(hào),到頂部最后1個(gè)胚珠為17號(hào)位。同時(shí),根據(jù)胚珠發(fā)育狀況,將胚珠分為3種類(lèi)型,分別是：敗育胚珠、正常大小胚珠(與受精前成熟胚珠大小一致,且有活力)和膨大胚珠(受精后已經(jīng)發(fā)育的胚珠,體積大于正常大小胚珠)(圖1C)。后根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行胚珠發(fā)育動(dòng)態(tài)的描述。

1.5 資源調(diào)控下的結(jié)籽格局

在花期,隨機(jī)選擇4個(gè)極少開(kāi)花的斑塊,每斑塊標(biāo)記5株(共20株)有花開(kāi)放的植株,分別在末花期和結(jié)莢初期各進(jìn)行一次水肥處理(方法：在4個(gè)斑塊內(nèi)布滴灌噴頭,先在植株的根部施加磷鉀肥,后滴灌4h)。同時(shí),另選4個(gè)極少開(kāi)花的斑塊,每斑塊內(nèi)標(biāo)記5株(共20株)有花開(kāi)放的植株,不進(jìn)行任何處理做對(duì)照。莢果成熟后,對(duì)每標(biāo)記株隨機(jī)取8個(gè)莢果,分別統(tǒng)計(jì)莢果中敗育種子和成熟種子的位置及總的種子數(shù),比較資源增加前后植株的結(jié)籽率及結(jié)籽格局。

1.6 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 20.0和Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析與圖表繪制,其中用單因素方差分析(One-Way ANOVA)比較花大小參數(shù)；用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析資源調(diào)控下植株的結(jié)籽率；用廣義線(xiàn)性模型(Generalize Linear Model)比較交配系統(tǒng)檢測(cè)中不同處理的結(jié)實(shí)率、結(jié)籽率。所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳粉特性

2.1.1花展示與花設(shè)計(jì)

開(kāi)花習(xí)性與開(kāi)花動(dòng)態(tài)：刺葉錦雞兒為早春開(kāi)花植物,4月中旬進(jìn)入花期,可持續(xù)到5月上旬。在花期,所調(diào)查居群的開(kāi)花呈斑塊狀分布,表現(xiàn)為大多數(shù)植株處于大量的同步開(kāi)花狀態(tài)(圖1A),而少數(shù)植株上沒(méi)有花芽或花芽極少,處于不開(kāi)花或少量開(kāi)花的狀態(tài)。居群中,單花開(kāi)放集中在早上9:00左右,開(kāi)放后的花可持續(xù)4—5d,雄蕊在開(kāi)放前1天開(kāi)始散粉。不同類(lèi)型植株上開(kāi)放的花具有同樣的開(kāi)放特點(diǎn)和花壽命。

花部特征參數(shù)：刺葉錦雞兒為蝶形花,花冠由旗瓣、翼瓣和龍骨瓣組成(圖1B)。龍骨瓣兩瓣合生,翼瓣著生于龍骨瓣兩側(cè),旗瓣包裹著翼瓣和龍骨瓣基部。雌、雄蕊的花柱、花絲頂端形成一定弧度的彎曲,離生雄蕊最短,其余長(zhǎng)短雄蕊交錯(cuò)排列,形成上下兩輪,雌蕊被圍在雄蕊之間(圖1B)。高位雄蕊(25.93±0.29)mm顯著長(zhǎng)于低位雄蕊(24.45±0.36)mm(F=10.280,P=0.002)。旗瓣(27.89±0.45)mm和翼瓣(27.33±0.63)mm同長(zhǎng),均長(zhǎng)于龍骨瓣(F=5.208,P=0.009)(表1)。

表1 刺葉錦雞兒的花大小參數(shù)Table 1 Floral size parameters in Caragana acanthophylla

單花花粉量與胚珠數(shù)：刺葉錦雞兒的單花花粉量為(247400±27450)粒,胚珠數(shù)為(14.00±0.14)粒。P/O值為(41122.55±5811.23),推斷為專(zhuān)性異交的交配系統(tǒng)。

2.1.2傳粉者訪(fǎng)花動(dòng)態(tài)及訪(fǎng)花頻率

傳粉者類(lèi)群及訪(fǎng)花行為：刺葉錦雞兒的傳粉者種類(lèi)多樣,為泛化的傳粉系統(tǒng)。主要的傳粉者有無(wú)墊蜂屬、條蜂屬的一些體型較大或中等的種(圖1D、圖1E),均以花蜜為食。體型稍大的傳粉者訪(fǎng)花時(shí),可以通過(guò)自身的重量將龍骨瓣彈開(kāi),完成花粉的傳遞；但體型小的傳粉者(圖1F)在訪(fǎng)花時(shí)很難將龍骨瓣彈開(kāi),無(wú)法進(jìn)行花粉的傳遞,為無(wú)效訪(fǎng)花者。

圖1 刺葉錦雞兒植株、花結(jié)構(gòu)、不同階段的胚珠及主要傳粉者Fig.1 Plant, anatomic structure of flower, ovule at different stages and main pollinators of Caragana acanthophyllaA：植株；B：花解剖圖；C：不同階段的胚珠；D—E：體型較大的蜂(條蜂和無(wú)墊蜂屬的種)；F：體型較小的蜂(彩帶蜂亞科的種)

訪(fǎng)花動(dòng)態(tài)及花粉傳遞效率：在晴朗天氣,傳粉者一般在早上9:00左右開(kāi)始出現(xiàn),訪(fǎng)花頻率為0.0857次數(shù)花-1h-1；在13:30—15:00,訪(fǎng)花昆蟲(chóng)活動(dòng)頻繁,訪(fǎng)花頻率達(dá)0.2926次數(shù)花-1h-1；17:00之后昆蟲(chóng)數(shù)量開(kāi)始減少,訪(fǎng)花頻率(0.0196次數(shù)花-1h-1)明顯下降；18:00時(shí)基本不再有訪(fǎng)花者(圖2)。在開(kāi)花當(dāng)天,去雄后的柱頭花粉數(shù)達(dá)(12.11±5.87)粒,說(shuō)明柱頭有較充足的異花粉。

圖2 刺葉錦雞兒主要傳粉者的訪(fǎng)花動(dòng)態(tài) Fig.2 The visiting frequency of main pollinators in Caragana acanthophylla

2.2 交配系統(tǒng)

人工控制授粉實(shí)驗(yàn)顯示不同的授粉處理具不同的結(jié)實(shí)狀況(Waldχ2=789.662,P<0.01)(圖3)。其中,孤雌生殖、自動(dòng)自花授粉和人工自花授粉的結(jié)實(shí)率均為0,說(shuō)明刺葉錦雞兒無(wú)孤雌生殖現(xiàn)象,具嚴(yán)格的自交不親和性；而去雄自然授粉、人工補(bǔ)充授異花粉和自然狀態(tài)的結(jié)實(shí)率分別為(82.00±5.49)%、(84.00±5.24)%、(86.00±4.96)%,三種處理無(wú)顯著差異(Waldχ2=0.298,P=0.861),均具較高的結(jié)實(shí)率,說(shuō)明不存在傳粉限制,其交配方式與P/O的檢測(cè)結(jié)果一致,為專(zhuān)性異交的交配系統(tǒng)類(lèi)型。

圖3 刺葉錦雞兒不同授粉處理下的結(jié)實(shí)率與結(jié)籽率Fig.3 The fruit setting rates and seed setting rates under different treatments in Caragana acanthophylla不同大寫(xiě)字母表示結(jié)實(shí)率的差異顯著(P<0.05),不同小寫(xiě)字母表示結(jié)籽率的差異顯著(P<0.05)

對(duì)不同授粉方式下所結(jié)莢果進(jìn)行結(jié)籽率統(tǒng)計(jì)顯示,各處理的結(jié)籽數(shù)都較低,無(wú)顯著差異(Waldχ2=8.906,P=0.113)。其中自動(dòng)自花授粉、人工自花授粉和孤雌生殖均為0；人工補(bǔ)充授異花粉、去雄自然授粉和自然狀態(tài)的結(jié)籽率分別為(14.29±7.82)%、(13.04±7.18)%、(15.00±8.19)%,三者也無(wú)顯著差異(Waldχ2=0.035,P=0.983)。

2.3 胚珠敗育及種子形成動(dòng)態(tài)

對(duì)不同發(fā)育階段的莢果進(jìn)行種子發(fā)育狀況的調(diào)查顯示：刺葉錦雞兒胚珠的發(fā)育從頂部開(kāi)始,多數(shù)胚珠能受精膨大,但最終在中部形成2—3粒種子,胚珠的敗育從基部開(kāi)始(圖4)。其胚珠敗育與種子形成動(dòng)態(tài)如下(圖5)：在開(kāi)花后的第3天,子房?jī)?nèi)開(kāi)始出現(xiàn)胚珠膨大現(xiàn)象,主要集中在頂部。第5天,膨大胚珠的比例進(jìn)一步增加,此時(shí),絕大多數(shù)子房中只有膨大胚珠和不膨大胚珠兩種類(lèi)型。在開(kāi)花后的第8天,子房基部的膨大胚珠比例有所上升,中部的8—13號(hào)位所占比例最高(58.25%—68.82%)。此時(shí),個(gè)別子房基部開(kāi)始出現(xiàn)胚珠敗育現(xiàn)象,敗育比例僅有0.52%。在開(kāi)花后的第11天,頂部和中部的胚珠膨大比例繼續(xù)增加,出現(xiàn)大多數(shù)胚珠的膨大,子房基部的胚珠敗育比例有所增加,在1號(hào)位所占比例最大(10.20%)。在開(kāi)花后的第14天,頂部和基部胚珠敗育顯著增加,在基部1號(hào)位達(dá)到最高峰(44.76%)；胚珠膨大比例在子房中呈現(xiàn)正態(tài)分布,并在11號(hào)位達(dá)到最高(48.25%)。與第11天相比,膨大胚珠的比例有所下降,頂部胚珠出現(xiàn)明顯的膨大后敗育現(xiàn)象。在開(kāi)花后的第17天,子房?jī)?nèi)兩端胚珠繼續(xù)敗育,1號(hào)位的敗育比例繼續(xù)上升(60.41%)。在第20天,子房?jī)?nèi)兩端胚珠的敗育率繼續(xù)增加,中部胚珠的發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定。在1號(hào)位敗育率達(dá)到最高值(82.00%),中部11號(hào)位最低(30.00%),種子形成格局基本穩(wěn)定。

圖4 刺葉錦雞兒豆莢內(nèi)不同時(shí)期胚珠的發(fā)育動(dòng)態(tài)示意圖 Fig.4 A diagram of legume pods showing ovule development at different positions in Caragana acanthophylla

圖5 刺葉錦雞兒胚珠敗育及種子形成的時(shí)間和位置效應(yīng)Fig.5 The timing and location effects of ovule abortion and seed formation in Caragana acanthophylla基部從1號(hào)位開(kāi)始,17號(hào)位為最頂部

2.4 資源調(diào)控下的結(jié)籽格局

在花期和結(jié)莢初期對(duì)極少開(kāi)花植株添加水肥后(處理),莢果的結(jié)籽率(18.45±1.70)%較對(duì)照株(11.19±0.80)%提高了64.9%(F=4.468,P=0.001)(圖6)。但資源調(diào)控并沒(méi)有改變莢果的結(jié)籽格局,兩類(lèi)莢果仍然表現(xiàn)為中間位置高、兩端低的結(jié)籽狀況,與圖4和圖5所表現(xiàn)的胚珠發(fā)育動(dòng)態(tài)一致。

圖6 刺葉錦雞兒資源調(diào)控下植株的結(jié)籽格局Fig.6 The seed set pattern under resources regulation in Caragana acanthophylla對(duì)照：極少開(kāi)花植株結(jié)籽格局； 處理：資源調(diào)控后植株結(jié)籽格局

3 討論

傳粉與資源限制是影響植物種子形成的兩個(gè)重要因素,在豆科或十字花科植物中常常成為互逆的兩個(gè)資源梯度。本文通過(guò)對(duì)刺葉錦雞兒傳粉特性、交配系統(tǒng)、胚珠發(fā)育動(dòng)態(tài)及資源調(diào)控下植株結(jié)籽格局的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)刺葉錦雞兒為專(zhuān)性異交的交配方式,具充足的傳粉者,不存在傳粉限制,但資源限制及胚珠受精的不同步性使其發(fā)育具有明顯的時(shí)間和位置效應(yīng)。

3.1 種子形成的時(shí)間和位置效應(yīng)

傳粉與資源限制對(duì)種子發(fā)育的影響有多種途徑,如傳粉強(qiáng)度、柱頭上花粉來(lái)源與數(shù)目、子房?jī)?nèi)胚珠位置、受精時(shí)間、果實(shí)在花序和植株上的位置等[4—5,11—12]。這些因素大多跟生殖單位受精的時(shí)間和所處位置有關(guān)。表現(xiàn)為花序或果實(shí)水平上,早發(fā)育的或近軸端(資源庫(kù))的生殖單位在資源競(jìng)爭(zhēng)方面具更強(qiáng)的時(shí)間和位置優(yōu)勢(shì)[22—24],即種子或果實(shí)形成的時(shí)間和位置效應(yīng)。刺葉錦雞兒的結(jié)籽格局也反映這一現(xiàn)象(圖4),即胚珠發(fā)育最先從子房的頂部開(kāi)始,而敗育從基部開(kāi)始,最終形成兩端結(jié)籽率低、中部高的種子選擇性敗育類(lèi)型。此類(lèi)結(jié)籽格局在荊豆屬植物(Ulexgallii)[7]、十字花科蕓薹屬甘藍(lán)(Brassicaoleracea)[8]和野豌豆屬歪頭菜(Viciaunijuga)[17]中也存在。

關(guān)于結(jié)籽格局,不少豆科植物顯示近柱頭端的胚珠因?yàn)樵谑芫珪r(shí)間上具優(yōu)勢(shì),表現(xiàn)出頂端胚珠結(jié)籽率高的現(xiàn)象[15—16]。而刺葉錦雞兒等雖然頂端胚珠優(yōu)先發(fā)育,但并沒(méi)有在頂端形成較高的結(jié)籽率,而是在中部。究其原因可能與胚珠間較長(zhǎng)的受精間隔有關(guān)。我們對(duì)同為豆科植物,授粉后基部胚珠優(yōu)先發(fā)育,最終在基部形成1—2個(gè)種子的黃花草木樨(Melilotusofficinalis)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)[25]：黃花草木樨授粉不存在傳粉限制,花開(kāi)放后當(dāng)天閉合,這意味著子房?jī)?nèi)頂端和基部胚珠間的授精間隔較短,在頂端胚珠受精時(shí)間沒(méi)有優(yōu)勢(shì)的情況下,資源分配的位置效應(yīng)可能會(huì)對(duì)胚珠的發(fā)育起主導(dǎo)作用。基于這一原因,那些頂端胚珠發(fā)育較好的植物可能是與傳粉受限,中下部胚珠不能被正常受精有關(guān)。

而刺葉錦雞兒花期4—5d,盡管不存在傳粉限制,絕大多數(shù)胚珠都能受精,但在開(kāi)花當(dāng)天,去雄后的柱頭花粉數(shù)(12.11±5.87)粒并不能滿(mǎn)足所有胚珠(14.00±0.14)粒的受精需求。晴朗天氣自然狀態(tài)柱頭花粉數(shù)在第3天才達(dá)到最大值[25],所以,柱頭花粉的沉積是一個(gè)不斷累積的過(guò)程。這就意味著基部與頂部胚珠有一個(gè)較長(zhǎng)的受精間隔。在資源受限的情況下,晚受精的胚珠在爭(zhēng)奪資源方面會(huì)處于劣勢(shì)；而頂部的胚珠因?yàn)槭芫绲玫絻?yōu)先發(fā)育。但隨著胚珠體積的增長(zhǎng),資源競(jìng)爭(zhēng)的加劇,頂部胚珠在資源競(jìng)爭(zhēng)中的劣勢(shì)將逐步凸顯。只有中部胚珠在受精時(shí)間上與頂端較為接近,而在資源競(jìng)爭(zhēng)中具明顯的位置優(yōu)勢(shì),從而得到較好發(fā)育。這一推理在兩種栽培玉米的控制授粉實(shí)驗(yàn)中得到了較好的驗(yàn)證[26]。這可能也是為什么同樣受兩種資源梯度的影響卻表現(xiàn)出不同結(jié)籽格局的原因。所以,探究受精后影響胚珠發(fā)育的因素,除了考慮資源分配狀況及胚珠的位置影響外,還應(yīng)該考慮前期胚珠間受精時(shí)間的長(zhǎng)短及花粉限制的影響。

受精是胚珠可持續(xù)發(fā)育的前提,而受精后胚珠的發(fā)育對(duì)資源的需求是一個(gè)逐步增加的過(guò)程。所以,選擇性種子敗育通常表現(xiàn)為花粉限制多作用于果實(shí)、種子形成的早期,而資源競(jìng)爭(zhēng)在后期尤為關(guān)鍵[12]。在這種作用模式下,如果植物不存在傳粉限制,而存在資源限制,就會(huì)表現(xiàn)為在結(jié)實(shí)早期大量胚珠膨大,而后又?jǐn)∮默F(xiàn)象,這在很多果樹(shù)中比較明顯,刺葉錦雞兒的這一結(jié)籽格局也印證了上述現(xiàn)象。

3.2 花粉傳遞與種子形成

傳粉是植物完成受精過(guò)程的必備階段,胚珠的敗育往往與柱頭上花粉的來(lái)源和數(shù)目有關(guān)。在許多植物中,要產(chǎn)生1枚果實(shí),柱頭上的最少花粉粒數(shù)要達(dá)到一定的數(shù)目,即傳粉強(qiáng)度[5, 27—28]?；ǚ墼匆灿绊懛N子的發(fā)育,在自交不親和的植物中,自花粉的落置往往會(huì)影響異花粉的萌發(fā),從而導(dǎo)致胚珠受精不足而發(fā)生敗育[7,14—15]。刺葉錦雞兒的單花花粉量較大,屬于花粉釋放中的瓣膜機(jī)制。這種機(jī)制以具有彈性的花結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),通過(guò)傳粉者對(duì)花瓣的作用力,將花粉多次呈現(xiàn)出來(lái),可以有效的避免花粉浪費(fèi),提高雄性適合度。從刺葉錦雞兒的花粉傳遞看,盡管昆蟲(chóng)的訪(fǎng)花會(huì)導(dǎo)致部分自花粉的滯留,但自交不親和性并沒(méi)有使其自然結(jié)實(shí)率(86.00±4.96)%受到影響。在交配系統(tǒng)的檢測(cè)中,去雄自然授粉和去雄人工異花授粉在結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率方面與自然狀態(tài)的均沒(méi)有差異,說(shuō)明刺葉錦雞兒具較高的傳粉強(qiáng)度,不存在傳粉限制。而在去雄套袋(孤雌生殖)和人工自花授粉的處理中,結(jié)實(shí)率和結(jié)籽率均為零,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)莢果內(nèi)胚珠有膨大后又?jǐn)∮默F(xiàn)象,說(shuō)明該植物在胚珠發(fā)育過(guò)程中不存在假受精現(xiàn)象。

傳粉只是受精過(guò)程的第一步,花粉在柱頭上的萌發(fā)狀況及花粉管生長(zhǎng)的先后順序?qū)ε咧榈陌l(fā)育至關(guān)重要。從刺葉錦雞兒胚珠的發(fā)育動(dòng)態(tài)可以看出,受精的先后順序,對(duì)胚珠的發(fā)育有重要影響。也體現(xiàn)了在胚珠發(fā)育早期,傳粉、受精過(guò)程中時(shí)間效應(yīng)的主導(dǎo)地位。

3.3 資源分配與種子形成

種子的形成與資源的可獲得性密切相關(guān)。在資源有限的情況下,投入到某一性狀或部位的資源量的增加必然會(huì)降低它投入到其他性狀或部位的資源量,即資源分配的“此長(zhǎng)彼消”[12, 17],如居群水平或植株水平的間歇性大量結(jié)實(shí)、逆境脅迫下繁殖方式或繁殖力的改變等。刺葉錦雞兒居群斑塊狀的開(kāi)花現(xiàn)象體現(xiàn)了繁殖資源分配的差異性,盡管還不能確定導(dǎo)致這種差異性的原因,但通過(guò)資源調(diào)控后,顯著增加了低開(kāi)花植株莢果的結(jié)籽率,說(shuō)明存在資源限制。

所調(diào)查居群位于年均降雨量不到200mm的干旱荒漠化的低山坡上,多樣化的地形和早春較低的降水可能會(huì)成為植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)的一個(gè)重要影響因素,斑塊狀的開(kāi)花可能與植株所處的微地形有關(guān)。這一現(xiàn)象說(shuō)明資源分配與權(quán)衡在居群水平、個(gè)體植株的年份間及不同生長(zhǎng)階段、莢果內(nèi)胚珠間等廣泛存在,并對(duì)繁殖產(chǎn)生影響。這反映了母本在資源分配與調(diào)控形式方面的多樣性。這種母本通過(guò)敗育部分花或胚珠的資源分配方式在一定程度上對(duì)提高母本的繁殖適合度或種子的后代適合度均具重要意義[29—30]。