羅火林, 陳興惠, 肖漢文, 陳衍如, 劉環(huán), 盧建, 黃文輝, 熊冬金, 楊柏云,*

多花蘭傳粉生物學(xué)研究

羅火林1, 陳興惠1, 肖漢文1, 陳衍如1, 劉環(huán)1, 盧建2, 黃文輝2, 熊冬金1, 楊柏云1,*

1. 江西省植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 南昌 330031 2. 江西齊云山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 贛州 341000

傳粉是植物繁殖和進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié), 為探討中國(guó)產(chǎn)多花蘭()的傳粉生物學(xué)特性, 對(duì)其開(kāi)花物候、繁育系統(tǒng)、花的揮發(fā)性成分、傳粉昆蟲(chóng)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, 多花蘭不存在自動(dòng)自交和無(wú)融合生殖, 種子的形成有賴(lài)于傳粉媒介。其自然結(jié)實(shí)率遠(yuǎn)低于人工授粉, 存在嚴(yán)重的傳粉限制。中華蜜蜂()為多花蘭的有效傳粉昆蟲(chóng), 但未能從中獲得報(bào)酬, 在傳粉過(guò)程中將花粉塊連藥帽一起帶出。通過(guò)昆蟲(chóng)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 多花蘭氣味對(duì)中華蜜蜂具有顯著性吸引作用, 而顏色對(duì)中華蜜蜂無(wú)顯著性吸引作用。花朵的主要揮發(fā)性成分為醛類(lèi)與醇類(lèi)物質(zhì), 一天之中在種類(lèi)和量上幾乎沒(méi)有變化, 只有芳樟醇含量的變化與傳粉昆蟲(chóng)活動(dòng)頻率相關(guān)。本研究可為蘭多花蘭的野生保護(hù)和雜交育種提供一定依據(jù)。

多花蘭; 繁育系統(tǒng); 中華蜜蜂; 傳粉生物學(xué)

0 前言

蘭科植物是被子植物的大科之一, 約有736余屬28000種, 廣泛分布于全球的大部分區(qū)域, 特別是熱帶地區(qū)的蘭科植物具有較高的多樣性[1, 2]。多花蘭()是蘭科(Orchidaceae)蘭屬()多年生附生植物, 多生于海拔100—3300 m的林中或溪谷旁透光的巖石上, 湖南、浙江、江西、福建、臺(tái)灣等地均有分布[3, 4]。由于多花蘭觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高, 導(dǎo)致其野生資源面臨人為破壞。此外, 生態(tài)環(huán)境的破壞, 更加劇了該物種的瀕危程度。

作為瀕危植物生存和進(jìn)化的重要一環(huán), 植物傳粉生態(tài)學(xué)研究一直備受關(guān)注。在蘭屬植物中, 已知存在四種傳粉模式: 自動(dòng)自交, 獎(jiǎng)勵(lì)性傳粉, 泛化的食源性欺騙和貝氏擬態(tài)(模擬同期開(kāi)花并具有報(bào)酬的植物)。其中,,和通過(guò)自動(dòng)自交的方式實(shí)現(xiàn)傳粉, 這些植物缺少一個(gè)在花藥和柱頭之間起物理隔離作用的喙[3]。具報(bào)酬的傳粉發(fā)生在中, 由無(wú)刺蜂傳粉。這種蜂可在唇瓣表面收集粘性物質(zhì), 用于筑巢[4]。在中, 也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的傳粉模式[5]。選擇泛化食源性欺騙的傳粉方式的蘭屬植物較多, 包括[6],[7,8]和[7,9]。subsp.則通過(guò)貝氏擬態(tài)模擬具有花蜜的杜鵑花屬植物的視覺(jué)信號(hào), 欺騙性地吸引大黃蜂前來(lái)傳粉[10]。在蘭屬植物吸引傳粉者的機(jī)制中, 氣味是很重要的一個(gè)因素, 如虎頭蘭和春蘭[8, 11]。

日本研究人員發(fā)現(xiàn), 在日本, 多花蘭可通過(guò)釋放特殊的揮發(fā)性物質(zhì)吸引日本蜜蜂(japonica), 包括工蜂, 雄峰和蜂王。甚至發(fā)現(xiàn)大量的日本蜜蜂在一朵花上聚集成群, 而日本蜜蜂在多花蘭上聚集、傳粉過(guò)程中未獲得食物報(bào)酬[7, 12-14]。然而, 這些研究主要著眼于昆蟲(chóng)行為觀察和花的化學(xué)成分分析, 對(duì)于和植物傳粉生態(tài)密切相關(guān)的開(kāi)花物候?qū)W、系統(tǒng)繁育學(xué)、傳粉昆蟲(chóng)在花上的訪花行為、植物花色對(duì)傳粉者的吸引等方面, 缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)。此外, 同一個(gè)植物物種, 在不同的生態(tài)條件下, 它的傳粉策略或許會(huì)發(fā)生改變。眾所周知, 日本蜜蜂在中國(guó)分布較少, 那么在這種情況下, 中國(guó)產(chǎn)的多花蘭傳粉策略會(huì)如何調(diào)整？上述幾點(diǎn)引發(fā)了我們的研究興趣。本文對(duì)多花蘭的開(kāi)花物候、繁育系統(tǒng)、傳粉昆蟲(chóng)以及花的揮發(fā)性成分進(jìn)行了研究, 并用黑白瓶實(shí)驗(yàn)探討了吸引傳粉者的機(jī)制, 以便為中國(guó)產(chǎn)的多花蘭保育研究提供科學(xué)依據(jù)。。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

本研究于江西省齊云山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行, 其地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°54′—114°38′, 北緯25°24′—25°55′, 該地屬于中低山地貌, 中亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候, 年均溫度為18.2 ℃, 年均降水量為1615.2 mm, 年均相對(duì)濕度為83%[15]。其伴生植物主要有: 毛竹()、黃精()、構(gòu)骨()、鉤距蝦脊蘭()、油茶()、楊梅()、棕竹()、石韋()、懸鉤子()、芒萁()、萬(wàn)壽竹()、杜英()、香椿()、石楠()、冬青()、地錦()、蛇莓()、地菍()等。同期開(kāi)花植物主要有酢漿草()、風(fēng)輪菜()七星蓮()鼠麴草()、銳尖山香圓()、石斑木()杜鵑()、金櫻子()、蓬蘽()。

1.2 開(kāi)花物候及花朵形態(tài)觀察

參照 Dafni標(biāo)準(zhǔn)記錄開(kāi)花進(jìn)程, 對(duì)居群中30株多花蘭進(jìn)行定點(diǎn)、定時(shí)觀察, 記錄每一朵開(kāi)花和枯萎的時(shí)間, 對(duì)單朵花花期、單株花序花期和居群群體花期進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)[16]; 同時(shí)記錄花粉塊移入移出情況; 觀察記錄居群內(nèi)所有植株花的顏色變化, 唇瓣的結(jié)構(gòu)、唇瓣上的斑點(diǎn)變化以及有無(wú)花蜜等。在盛花期隨機(jī)選取30朵花, 用游標(biāo)卡尺(精確度0.01 mm)測(cè)量其形態(tài)指標(biāo)。同時(shí), 記錄每天的溫度及天氣的變化與花粉流之間的關(guān)系。

1.3 繁育系統(tǒng)

在居群內(nèi)隨機(jī)選擇來(lái)自30個(gè)植株的90朵花, 平均分成6組。開(kāi)花前套尼龍袋以防止昆蟲(chóng)進(jìn)入花內(nèi), 在盛花期取下套袋按照以下方式隨機(jī)進(jìn)行處理: (1) 不作任何處理; (2) 去雄后套袋; (3) 自花授粉; (4) 同株異花授粉; (5) 異株異花授粉; (6) 全程套袋。待花期結(jié)束后統(tǒng)計(jì)其結(jié)實(shí)情況, 計(jì)算自然結(jié)實(shí)率。

1.4 訪花昆蟲(chóng)及其行為

開(kāi)花期間每天8:00—17:00對(duì)多花蘭進(jìn)行連續(xù)觀察。用HDR-AC3攝像機(jī)及LUMIX照相機(jī)記錄所有訪花昆蟲(chóng)及其行為, 包括訪花前行為、停落方式、訪花過(guò)程、單花停留時(shí)間、居群停留時(shí)間、訪花數(shù)目等。用捕蟲(chóng)網(wǎng)捕捉傳粉昆蟲(chóng), 標(biāo)本存放在南昌大學(xué)江西省植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

1.5 花的揮發(fā)性成分檢測(cè)

參考張聰?shù)幕瘜W(xué)成分的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析方法, 采用 Agilent 6890 GC 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀采集花的揮發(fā)性成分。通過(guò) GC-MS 分析和 NIST02.L質(zhì)譜經(jīng)計(jì)算機(jī)譜庫(kù)檢索, 選擇較高匹配度的化學(xué)成分, 對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。分別采集多花蘭盛花期不同時(shí)間段(8:00、12:00、16:00)的花朵進(jìn)行氣味檢測(cè)[17]。

1.6 顏色與氣味對(duì)昆蟲(chóng)吸引的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)

參考Burger的飛行箱實(shí)驗(yàn)并稍作修改[18], 該試驗(yàn)用到三種玻璃瓶, 如圖1所示, a為帶孔黑色玻璃瓶, 昆蟲(chóng)看不到瓶?jī)?nèi)的物體, 但里面的揮發(fā)性成分可以釋放出來(lái); b為白色無(wú)孔玻璃瓶, 昆蟲(chóng)能看到瓶?jī)?nèi)物體, 但里面的揮發(fā)性成分無(wú)法釋放出來(lái); c為帶孔的白色玻璃瓶, 昆蟲(chóng)能看到瓶?jī)?nèi)物體, 且里面的揮發(fā)性成分可以釋放出來(lái)。每天10:00—16:00在蜜蜂活動(dòng)期間, 以空白為對(duì)照組、植物花序?yàn)閷?shí)驗(yàn)組, 將黑白瓶放在多花蘭居群中, 統(tǒng)計(jì)傳粉昆蟲(chóng)訪問(wèn)黑白瓶的次數(shù), 來(lái)探究顏色與氣味對(duì)昆蟲(chóng)的吸引。每種玻璃瓶做3個(gè)處理, 每天統(tǒng)計(jì)其被中華蜜蜂訪問(wèn)次數(shù), 重復(fù)3天, 最后對(duì)其差異性進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 開(kāi)花物候及花部形態(tài)

研究地的多花蘭花期近30d, 單朵花花期為(10.1±0.89) d(=30), 單株花序花期為(15.5±0.87) d(=30); 從居群內(nèi)第一朵花開(kāi)開(kāi)放到居群進(jìn)入盛花期需要近7 d, 花部器官形態(tài)參數(shù)如表1所示。授過(guò)粉的花或花粉塊被帶走的花, 其花期會(huì)縮短, 為5—6 d?；ɡ倨诘幕ㄐ驈陌谐槌? 花序低于葉片高度, 并且花序軸會(huì)傾斜(圖2-A)。隨著時(shí)間的推移, 花梗不停伸長(zhǎng)生長(zhǎng), 花蕾逐漸膨大, 花序軸下垂, 基部花朵慢慢張開(kāi)(圖2-B)。盛開(kāi)時(shí), 中萼片、側(cè)萼片與花瓣均張開(kāi)到最大, 唇瓣微微向下反卷(圖2-C)。同時(shí), 觀察到花粉塊未被帶走時(shí)或柱頭未授粉時(shí)唇瓣上紅色斑點(diǎn)的顏色界限分明(圖2-D); 花粉塊移出或柱頭授粉1 d后唇瓣上紅色斑點(diǎn)界線開(kāi)始變的模糊, 整個(gè)唇瓣的變?yōu)闇\桃紅色, 合蕊柱的色澤不變(圖2-E); 花粉塊移出后3 d合蕊柱微微彎曲, 變?yōu)榧t色, 唇瓣顏色變?yōu)榧t棕色(圖2-F)。

注: a. 黑色有孔玻璃瓶, 用來(lái)探究氣味對(duì)昆蟲(chóng)的吸引; b. 透明密閉玻璃瓶, 用來(lái)探究顏色對(duì)昆蟲(chóng)的吸引; c. 透明有孔玻璃瓶用來(lái)探究顏色+氣味對(duì)昆蟲(chóng)的吸引。

Figure 1 Glass bottle that explores the behavior of insects

2.2 繁育系統(tǒng)

繁育系統(tǒng)結(jié)果顯示, 去雄套袋和全程套袋的結(jié)實(shí)率為0, 自然結(jié)實(shí)率為26.67%, 無(wú)論是何種方式的人工授粉, 結(jié)實(shí)率都接近100% (表2)。

2.3 訪花昆蟲(chóng)及其行為

多花蘭的訪花昆蟲(chóng)包括蜜蜂科(Apidae)的中華蜜蜂(圖3-A)、蟻科(Formicidae)的擬黑多刺蟻(圖3-B)、夜蛾科(Noctuidae)的魔目夜蛾(圖3-C)、蝝蝽科(Coreidae)的蝝椿(圖3-D), 其中中華蜜蜂為多花蘭的有效傳粉昆蟲(chóng)。中華蜜蜂從多花蘭的初花期到凋謝期都會(huì)對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn), 但訪問(wèn)主要集中在盛花期, 且在晴天10:00–14:00氣溫較高的時(shí)間段活動(dòng)最為頻繁。發(fā)生花粉塊移入或移出的訪花持續(xù)時(shí)間為(29.9 ± 4.67) s (= 10), 而未發(fā)生花粉塊移入或移出的時(shí)間為(13.7 ± 1.90) s (= 10)。

中華蜜蜂訪花時(shí), 直接落在唇瓣上, 隨后鉆入蕊柱與唇瓣相連的通道(圖3-F), 由于中華蜜蜂體寬和胸高小于通道, 但體長(zhǎng)大于通道長(zhǎng)度(表1)。當(dāng)其頭部接近蕊柱基部便不能繼續(xù)前進(jìn), 其尾部不停左右擺動(dòng), 開(kāi)始退出, 在退出過(guò)程中, 后腿向外蹬, 背部會(huì)向蕊柱上拱起并與藥帽接觸, 花粉塊會(huì)連藥帽一起帶出(圖3-G)。如果中華蜜蜂攜帶著花粉塊進(jìn)行訪花時(shí), 在其退出時(shí)胸背部同樣會(huì)拱起而接觸到合蕊柱上部, 從而將粘附在背部的花粉塊粘到柱頭上, 完成授粉。在中華蜜蜂整個(gè)訪花過(guò)程中, 其身體接觸的花器官, 如唇瓣、蕊柱等, 均不分泌花蜜, 而多花蘭的花粉對(duì)于中華蜜蜂來(lái)說(shuō)也是不可食的。

注: A.花蕾期; B.初花期; C.盛花期; D.未被帶走花粉塊的花; E.花粉塊移出1d后的花; F.花粉塊移出后3d的花

Figure 2 Flowering phenology of

表1 多花蘭和中華蜜蜂的表型特征

表2 不同授粉方式的結(jié)實(shí)率

Table 3 Fruit set in different pollination types

在傳粉觀測(cè)中, 發(fā)現(xiàn)花粉塊未被帶走時(shí)或柱頭未授粉時(shí)唇瓣上紅色斑點(diǎn)的顏色界限分明(圖2-D); 花粉塊移出或柱頭授粉1 d后唇瓣上紅色斑點(diǎn)界線開(kāi)始變的模糊, 整個(gè)唇瓣的變?yōu)闇\桃紅色, 合蕊柱的色澤不變(圖2-E); 花粉塊移出后3 d合蕊柱微微彎曲, 變?yōu)榧t色, 唇瓣顏色變?yōu)榧t棕色(圖2-F)。在為期30 d的肉眼觀察和攝像機(jī)記錄中, 唇瓣變?yōu)榧t棕色后未發(fā)現(xiàn)中華蜜蜂訪問(wèn)該朵花。

當(dāng)天氣晴朗氣溫明顯升高時(shí), 多花蘭的花會(huì)大量開(kāi)放, 花粉塊移入移出數(shù)量明顯增多。4月17日, 研究區(qū)域的平均氣溫升高到31.2℃, 比之前陰雨天的平均氣溫提高了近15℃, 當(dāng)天花朵大量盛開(kāi), 占到了總開(kāi)花數(shù)的64.44%, 花粉塊移出數(shù)為91, 占到了總數(shù)的25%, 移入數(shù)為42, 占到總數(shù)的26.75%(圖4)。

注: A.訪花昆蟲(chóng)中華蜜蜂; B.擬黑多刺蟻; C.魔目夜蛾; D.蝝蝽; E.多花蘭的傳粉者中華蜜蜂; F.花部結(jié)構(gòu): c, 蕊柱; ml, 唇瓣中裂片; p, 花粉塊; pe, 花瓣; s, 萼片; sl, 唇瓣側(cè)裂片; G.中華蜜蜂鉆入多花蘭花內(nèi); H.中華蜜蜂退出時(shí)帶出花粉塊

Figure 3 Visiting insects and pollinators

圖4 溫度與花粉塊移出移入的關(guān)系

2.4 顏色與氣味對(duì)昆蟲(chóng)吸引的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)

在黑白瓶試驗(yàn)的六個(gè)處理中, 傳粉昆蟲(chóng)訪花頻率分為兩檔, 第一檔為放有多花蘭花序的a瓶和c瓶, 第二檔為其余四個(gè)處理。放有花序的a瓶訪花頻率顯著高于對(duì)照, 表明氣味可以吸引傳粉者。而放有花序的c瓶, 傳粉者既能看到里面的花, 也能聞到里面的氣味, 但其訪問(wèn)頻率與放有花序的a瓶(只能聞到, 不能看到)無(wú)顯著性差異。此外, 放有花序的b瓶(昆蟲(chóng)能看到, 但聞不到氣味)的訪問(wèn)頻率與對(duì)照無(wú)顯著性差別。由此可見(jiàn), 多花蘭的揮發(fā)性成分在吸引傳粉者中起著決定性作用。

表3 中華蜜蜂對(duì)不同黑白瓶的訪花頻率統(tǒng)計(jì)

注: 利用Tukey’s post hoc test進(jìn)行差異顯著性分析,<0.05定義為差異顯著性。

2.4 花的揮發(fā)性成分

對(duì)多花蘭不同時(shí)間段的揮發(fā)性成分進(jìn)行測(cè)定, 結(jié)果見(jiàn)圖5。各個(gè)時(shí)間段花的揮發(fā)性成分變化不明顯。8:00的揮發(fā)性成分主要為異戊醛、己醛、庚醛、蒎烯、莰烯、辛醛、桉葉油醇、芳樟醇、壬醛(圖5-A), 含量分別為10.32%、42.13%、2.94%、2.26%、9.24%、5.07%、5.07%、4.34%、11.47%; 12:00的揮發(fā)性成分主要有戊醛、己醛、庚醛、莰烯、辛醛、桉葉油醇、芳樟醇、壬醛(圖5-B), 含量分別為11.94%、38.04%、3.09%、2.24%、4.03%、5.99%、4.44%、13.95%; 16:00的揮發(fā)性成分主要有戊醛、己醛、庚醛、莰烯、辛醛、桉葉油醇、壬醛 (圖5-C), 含量分別為9.64%、47.88%、3.23%、3.37%、5.65%、7.80%、11.28%?；ǘ涞闹饕獡]發(fā)性成分在各個(gè)時(shí)間段均為醛類(lèi)與醇類(lèi)物質(zhì), 在種類(lèi)和量上幾乎沒(méi)有變化, 只有芳樟醇在14:00后含量降至0, 而傳粉觀測(cè)顯示, 14:00以后也未見(jiàn)傳粉者訪花, 這暗示著芳樟醇含量的變化與傳粉者活動(dòng)可能有潛在的關(guān)系。

3 討論

植物與傳粉動(dòng)物的互利關(guān)系在生態(tài)系統(tǒng)中非常普遍[19], 許多蘭科植物可以給傳粉者提供花蜜、油類(lèi)物質(zhì)或脂類(lèi)物質(zhì)等報(bào)酬來(lái)吸引傳粉昆蟲(chóng)為其傳粉[18-20],然而, 約1/3的蘭花采用欺騙的方式吸引昆蟲(chóng)為其進(jìn)行傳粉[20, 21]。有報(bào)酬的蘭科植物通常利用花蜜或者類(lèi)脂類(lèi)物質(zhì)吸引傳粉者為它們傳粉, 中華蜜蜂為其他植物傳粉時(shí)通常以花蜜或可食的花粉為報(bào)酬的。然而在多花蘭花內(nèi)我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何這類(lèi)可作為傳粉者的報(bào)酬, 因而我們認(rèn)為多花蘭不能為傳粉者提供食物類(lèi)的報(bào)酬。此外, 多花蘭的花部形態(tài), 結(jié)合傳粉者行為, 也沒(méi)有顯示其能為傳粉者提供繁殖地、避難所等功能。因此, 我們推斷多花蘭主要靠欺騙的方法吸引中華蜜蜂前來(lái)傳粉。

注: A.8:00; B.12:00; C.16:00

Figure 5 Volatile odor ions at full-blossom

人工授粉試驗(yàn)中, 去雄套袋的結(jié)實(shí)率為0, 表明不存在多花蘭不存在無(wú)融合生殖, 全程套袋的結(jié)實(shí)率為0, 這也排除了自動(dòng)自交現(xiàn)象, 這表明多花蘭種子的形成離不開(kāi)傳粉媒介。在自然條件下, 無(wú)報(bào)酬蘭科植物的平均結(jié)實(shí)率為28％-41％[22], 而多花蘭的自然結(jié)實(shí)率為26.6%, 與其相接近, 但與人工授粉結(jié)實(shí)率差距甚大, 表明多花蘭的繁殖成功受到傳粉者限制(表2)。通常情況下, 無(wú)報(bào)酬植物的結(jié)實(shí)率要低于有報(bào)酬植物。首先, 傳粉昆蟲(chóng)也有“學(xué)習(xí)”能力, 特別是對(duì)于中華蜜蜂這種社會(huì)性昆蟲(chóng)。一個(gè)昆蟲(chóng)個(gè)體, 接收到植物釋放的欺騙性信號(hào), 降落花器官上后并未獲得報(bào)酬, 在此后的一段時(shí)間內(nèi), 它會(huì)避免訪問(wèn)此類(lèi)花。因此, 欺騙性花朵被訪問(wèn)的頻率就偏低。其次, 傳粉的成功, 更多取決于攜帶花粉的昆蟲(chóng)能否二次被騙, 再次訪問(wèn)這種植物的花。Johnson研究發(fā)現(xiàn), 在這種情況下, 昆蟲(chóng)大多數(shù)會(huì)遠(yuǎn)離該居群, “二進(jìn)宮”的概率低于首次被欺騙。因此, 在很多欺騙性植物中, 花粉遷出率和結(jié)實(shí)率并不對(duì)等[23], 比如本研究中, 觀察到花粉被移出數(shù)為91, 而移入數(shù)僅為42.

多花蘭具有根狀莖, 在野外以點(diǎn)狀分布為主, 在一個(gè)居群內(nèi), 大多是由幾個(gè)根狀莖的克隆植株構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō), 對(duì)于這種克隆植物, 隨著克隆植物基株的變大, 基株上的每朵花逐漸被同一基株的其它花所包圍, 克隆內(nèi)花粉傳遞增加, 阻礙了基株的花粉向外散發(fā), 降低了不同基株間的交配機(jī)會(huì), 不可避免地增加了同株異花授粉的可能[24]。而在我們的觀察中, 由于傳粉者無(wú)法從多花蘭中獲得報(bào)酬, 在嘗試著訪問(wèn)1-5朵花后便會(huì)離開(kāi)這個(gè)居群, 從而降低了同株異花授粉的比例, 增加遠(yuǎn)交的機(jī)會(huì)。

植物的花部特征與傳粉者行為、傳粉機(jī)制和植物適合度密切相關(guān)[25, 26]。在野外的觀察中發(fā)現(xiàn), 多花蘭的有效傳粉昆蟲(chóng)為中華蜜蜂, 花粉塊位于中華蜜蜂的背部。多花蘭唇瓣、唇瓣側(cè)裂片以及合蕊柱形成通道入口的高度和寬度平均值與中華蜜蜂的胸高、體寬平均值相吻合, 中華蜜蜂能夠進(jìn)入多花蘭花內(nèi), 為其傳粉。中華蜜蜂為多花蘭的唯一傳粉昆蟲(chóng), 表明多花蘭的傳粉系統(tǒng)是一種典型的具有專(zhuān)一傳粉者的特化傳粉系統(tǒng)。截止到現(xiàn)在, 除了和[5, 27]其余的蘭屬植物均選擇只有一個(gè)傳粉者, 如春蘭的傳粉者也僅有中華蜜蜂一種傳粉者[8]。在齊云山自然保護(hù)區(qū)內(nèi), 多花蘭居群呈間斷分布, 居群之間距離較遠(yuǎn)。物種片段化的分布會(huì)在很大程度上阻礙各個(gè)居群之間的基因交流, 而具有特化的傳粉系統(tǒng)無(wú)疑會(huì)能夠更大程度地保障多花蘭的繁育成功。

無(wú)報(bào)酬植物欺騙性地吸引傳粉者的策略很多, 如泛化的食源欺騙, 貝氏擬態(tài), 模擬傳粉者產(chǎn)卵地、性欺騙、或者釋放昆蟲(chóng)信息素等。前兩種傳粉策略中, 植物一般通過(guò)視覺(jué)信號(hào)吸引傳粉者。在黑白瓶試驗(yàn)中, 證實(shí)多花蘭是通過(guò)嗅覺(jué)信號(hào), 而非視覺(jué)信號(hào)吸引昆蟲(chóng)。因此, 排除泛化的食源欺騙[22-24]。

氣味是蘭科植物吸引傳粉者的主要機(jī)制之一[28, 29]。Luo等通過(guò)中華蜜蜂的觸角電位實(shí)驗(yàn)表明, 芳樟醇在麻風(fēng)樹(shù)吸引中華蜜蜂過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[30]。本研究中, 中華蜜蜂是由多花蘭揮發(fā)性成分吸引, 而在揮發(fā)性成分中, 芳樟醇在中華蜜蜂訪花的時(shí)間段含量較高, 而在中華蜜蜂訪花以外的時(shí)間段, 檢測(cè)不到其信號(hào)峰。因此, 我們推測(cè), 芳樟醇在多花蘭吸引傳粉昆蟲(chóng)中可能起了比較關(guān)鍵的作用。

近年來(lái), 隨著化學(xué)生態(tài)技術(shù)的發(fā)展, 在傳粉機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的與昆蟲(chóng)化學(xué)通訊相關(guān)的擬態(tài)。如的花可釋放蚜蟲(chóng)報(bào)警的化學(xué)信號(hào), 誘騙食蚜蠅[31]。亦可通過(guò)通過(guò)模擬蜜蜂報(bào)警素吸引蜜蜂的捕食者-胡蜂[32]。本研究中, 未發(fā)現(xiàn)中華蜜蜂訪問(wèn)區(qū)域內(nèi)同期開(kāi)花植物, 基本可排除貝氏擬態(tài), 而泛化的食源性欺騙主要有賴(lài)于視覺(jué)信號(hào)。該地區(qū)多花蘭通過(guò)氣味吸引中華蜜蜂, 是在模擬中華蜜蜂的某種信息素, 還是性欺騙, 或者其他方式, 還有待進(jìn)一步研究。

一些花在授粉或花粉塊移出后, 花的某一特定部位會(huì)改變顏色[33, 34]?；伾淖兓徽J(rèn)為是為了阻止傳粉者訪問(wèn)已經(jīng)授粉或花粉被移出的花[35, 36]。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn), 多花蘭的花粉塊移出或移入后, 其唇瓣逐漸變成紅棕色, 中華蜜蜂的訪花頻率也隨之降低。自然界中, 多花蘭本就存在嚴(yán)重的傳粉限制, 此舉可以認(rèn)為是為了減少傳粉資源的浪費(fèi)。

目前, 所有野生蘭科植物均被列入《野生動(dòng)植物瀕危物種國(guó)際貿(mào)易公約》的保護(hù)范圍, 且占該公約應(yīng)保護(hù)植物的90%以上[37], 蘭科植物的保護(hù)已成為當(dāng)務(wù)之急。中華蜜蜂是多花蘭唯一的傳粉者, 其數(shù)量的減少可能會(huì)影響到多花蘭的數(shù)量。因此, 我們?cè)诒Ｗo(hù)多花蘭時(shí), 可在其野生棲息地旁邊適當(dāng)?shù)胤N植中華蜜蜂的蜜源植物, 以吸引和供養(yǎng)更多的傳粉者。此外, 多花蘭作為一種觀賞植物被廣泛栽培。在人工栽培中, 一般通過(guò)人工種內(nèi)雜交授粉, 進(jìn)行新品種選育。而根據(jù)本研究, 可通過(guò)在多花蘭種植園中飼養(yǎng)中華蜜蜂, 或者種植蜜源植物吸引中華蜜蜂前來(lái)為多花蘭傳粉, 提高結(jié)實(shí)率。而且, 中華蜜蜂在多花蘭中的傳粉機(jī)制導(dǎo)致異交率較高, 從而提高其種內(nèi)雜交率, 以便選育表型更豐富的品種。如此, 也能減少花農(nóng)上山盜采多花蘭的可能性。

[1] Liu Q, Chen J, Corlett R T, et al. Orchid conservation in the biodiversity hotspot of southwestern China [J]. Conserva-tion Biology,2015, 29 (6):1563–1572.

[2] Merritt D J, Hay F R, Swarts N D, et al. Ex situ conservation and cryopreservation of orchid germplasm [J]. International Journal of Plant Sciences,2014, 175 (1):46–58.

[3] Suetsugu K. Autonomous self-pollination and insect visitors in partially and fully mycoheterotrophic species of(Orchidaceae) [J]. Journal of Plant Research,2015, 128 (1): 115–125.

[4] Du Puy D, Cribb P, Tibbs M. The genus Cymbidium[M]. Royal Botanic Gardens Kew, 2007.

[5] Davies K, Stpiczyńska M, Turner M. A rudimentary labellar speculum in(Rchb. f.) Rchb. f. andPaxton (Orchidaceae) [J]. Annals of botany,2006, 97 (6):975–984.

[6] Jin C, Shiyong L, Rong H, et al. Food-deceptive pollination in(Orchidaceae) in Guangxi, China[J]. Biodiversity Science, 2007, 15 (6):608–617.

[7] Tsuji K, Kato M. Odor‐guided bee pollinators of two endangered winter/early spring blooming orchids,and, in Japan [J]. Plant Species Biology,2010, 25 (3):249–253.

[8] YU Xiaohong, LUO Yibo, DONG Ming. Pollination biology of(Orchidaceae) in China [J]. Journal of Systematics and Evolution,2007, 46 (2):163–174.

[9] Sugahara M, Tsutsui K. Foraging behavior ofjaponica on the oriental orchids,and[J]. Bibliographic Information,2001, 19 (2): 81–82.

[10] Kjellsson G, Rasmussen F N, Dupuy D. Pollination of Dendrobium infundibulum,(Orchi-daceae) and(Ericaceae) by Bombus eximius (Apidae) in Thailand: a possible case of floral mimicry [J]. Journal of Tropical Ecology,1985, 289–302.

[11] DuPuy D J. A taxonomic revision of the genus(Orchidaceae) [D]. University of Birmingham, 1986.

[12] Sugahara M, Izutsu K, Nishimura Y, et al. Oriental orchid () attracts the Japanese honeybee (japonica) with a mixture of 3-hydroxyo-ctanoic acid and 10-hydroxy-(E)-2-decenoic acid[J]. Zoological Science,2013, 30 (2): 99–104.

[13] Sugahara M.andas well asattracts Japanese honeybees (japonica) [J]. Zoological Science,2006, 23: 1225.

[14] Sasagawa H. Honey bee communications and pollination tactics of[M]. The 2004 ESA Annual Meeting and Exhibition,2004.

[15] 范志剛, 孔令杰, 彭德鎮(zhèn), 等. 齊云山自然保護(hù)區(qū)蘭科植物資源分布及其區(qū)系特點(diǎn)[J]. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào), 2011, 19 (2): 159–165.

[16] Renner S S. Pollination Ecology-A Practical Approach [J]. Nordic Journal of Botany,1993, 13 (5): 514–514.

[17] 張聰, 劉守金, 楊柳, 等. GC-MS 法檢測(cè)云南產(chǎn)細(xì)莖石斛花中揮發(fā)性成分[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2017, 32 (1): 174–178.

[18] Burger H, D?tterl S, Ayasse M. Host-plant finding and recognition by visual and olfactory floral cues in an oligolectic bee [J]. Functional Ecology,2010, 24 (6): 1234– 1240.

[19] Kaiser-Bunbury C N, Mougal J, Whittington A E, et al. Ecosystem restoration strengthens pollination network resilience and function [J]. Nature,2017, 542 (7640): 223–227.

[20] Wong D C, Pichersky E, Peakall R. The biosynthesis of unusual floral volatiles and blends involved in orchid pollination by deception: current progress and future prospects [J]. Frontiers in Plant Science,2017, 8: 1955–1962.

[21] Aguiar J M, Pansarin E R. Deceptive pollination of(Oncidiinae:Orchidaceae) [J]. Flora,2019, 250: 72–78.

[22] Ravigné V, Olivieri I, Martinez S G, et al. Selective interactions between short‐distance pollen and seed dispersal in self‐compatible species [J]. Evolution,2006, 60 (11): 2257–2271.

[23] Johnson S D, Peter C I, Nilsson L A, et al. Pollination success in a deceptive orchid is enhanced by co‐occurring rewarding magnet plants [J]. Ecology,2003, 84 (11): 2919–2927.

[24] Handel S N. The intrusion of clonal growth patterns on plant breeding systems [J]. The American Naturalist,1985, 125 (3): 367–384.

[25] Phillips R D, Peakall R, van der Niet T, et al. Niche Perspectives on Plant–Pollinator Interactions [J]. Trends in Plant Science,2020, 25 (8): 779–793.

[26] 黃雙全, 郭友好. 傳粉生物學(xué)的研究進(jìn)展 [J]. 科學(xué)通報(bào),2000, 45 (3): 225–237.

[27] Van Der Cingel N A. An atlas of orchid pollination: European orchids[M]. CRC Press, 2001.

[28] Chapurlat E, ?gren J, Anderson J, et al. Conflicting selection on floral scent emission in the orchid[J]. New Phytologist,2019, 222 (4): 2009–2022.

[29] Lahondère C, Vinauger C, Okubo R P, et al. The olfactory basis of orchid pollination by mosquitoes [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2020, 117 (1): 708–716.

[30] Luo C, Huang ZY, Li K, et al. EAG Responses of Apis cerana to Floral Compounds of a Biodiesel Plant,(Euphorbiaceae) [J]. Journal of Economic Ento-mology,2013, 106 (4): 1653–1658.

[31] St?kl J, Brodmann J, Dafni A, et al. Smells like aphids: orchid flowers mimic aphid alarm pheromones to attract hoverflies for pollination [J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences,2011, 278 (1709): 1216–1222.

[32]Brodmann J, Twele R, Francke W, et al. Orchid mimics honey bee alarm pheromone in order to attract hornets for pollination [J]. Current Biology,2009, 19 (16): 1368–1372.

[33] Dudareva N, Pichersky E. Biochemical and molecular genetic aspects of floral scents [J]. Plant Physiology,2000, 122 (3): 627–634.

[34] Vasconcelos M C, Greven M, Winefield C S, et al. The flowering process of: a review [J]. American Journal of Enology and Viticulture,2009, 60 (4): 411–434.

[35] Gegear R J, Burns J G. The birds, the bees, and the virtual flowers: can pollinator behavior drive ecological speciation in flowering plants? [J]. The American Naturalist,2007, 170 (4): 551–566.

[36] Ushimaru A, Watanabe T, and Nakata K. Colored floral organs influence pollinator behavior and pollen transfer in(Commelinaceae) [J]. American Journal of Botany,2007, 94 (2): 249–258.

[37] Fuchs C. Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES)–Conservation Efforts Undermine The Legality Principle [J]. German Law Journal,2008, 9 (11): 1565–1596.

Pollination biology of(Orchidaceae)

LUO Huolin1, CHEN Xinghui1, XIAO Hanwen1, CHEN Yanru1, LIU Huan1, LU Jian2, HUANG Wenhui2, XIONG Dongjin1, YANG Boyun1,*

1. School of Life Science, Nanchang University, Nanchang 330031, China 2. National Nature Reserve of Qiyunshan, Ganzhou 341315,China

Pollination is a key link in plant reproduction and evolution. In order to explore the pollination biological characteristics of, the flowering phenology, breeding system, flower volatile components and behavior of pollinating insects were studied. The results showed that there was no automatic selfing and apomictic reproduction in, and the formation of seeds depended on pollinators. Its natural seed setting rate was much lower than that of artificial pollination, and there were serious pollination restrictions.was an effective pollinator for, but it could not get reward from the plants. During pollination, the pollinium was taken out together with the cap. Through the behavioral experiments of insects, it was found that the odor ofplayed a key role in attracting pollinators, while the color had no significant attractive effect on. The main volatile components of flowers were aldehydes and alcohols, and there was almost no change in type and amount in a day for the volatile components. Only the change in linalool content was related to the frequency of pollinating insects. This study could provide a certain basis for wild protection and hybrid breeding of orchids.

; breeding system; honeybee; pollination biology

羅火林, 陳興惠, 肖漢文,等. 多花蘭傳粉生物學(xué)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(5): 72–80.

LUO Huolin, CHEN Xinghui, XIAO Hanwen, et al. Pollination biology of(Orchidaceae)[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 72–80.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.009 圖分類(lèi)號(hào)：S682. 31

A

1008-8873(2022)05-072-09

2020-08-16;

2020-11-27

國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)(2018FY100406); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360491); 江西省自然科學(xué)基金(20171ACB21014)

羅火林(1982—), 博士, 副教授, 研究方向?yàn)樘m科植物發(fā)育生物學(xué), E-mail: 572460991@163.com

楊柏云, 博士, 教授, 博士研究生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)橹参飳W(xué), E-mail: yangboyun@163.com