灰楸的繁育系統(tǒng)1)

李平英 王軍輝

(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所，天水，741022)(國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所))

韓云花 董菊蘭 馬麗娜 尚千涵 陳 靜 于永明

(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所)

灰楸(Catalpa fargesiiBur)是紫葳科(Bignoniaceae)梓樹(shù)屬(Catatpa Scop)植物，自然分布于華北、西北和西南等地［1］。西北是灰楸的主要自然分布區(qū)，在甘肅省天水、平?jīng)?、隴南地區(qū)廣泛分布。灰楸喜光，稍耐陰，速生。國(guó)內(nèi)對(duì)灰楸的研究相對(duì)較少。對(duì)植物花結(jié)構(gòu)和繁育系統(tǒng)的了解是認(rèn)識(shí)植物生活史的前提，也是其他相關(guān)研究所必須依賴(lài)的知識(shí)背景。植物的繁育系統(tǒng)是代表所有直接影響后代遺傳組成的有性特征的總和，主要包括花綜合特征、花各性器官的壽命、花開(kāi)放式樣、自交親和程度和交配系統(tǒng)，它們結(jié)合傳粉者和傳粉行為影響著生殖后代遺傳組成和適合度，其中交配系統(tǒng)是核心［2］。植物繁育系統(tǒng)是當(dāng)今進(jìn)化生物學(xué)研究中最為活躍的領(lǐng)域。達(dá)爾文和最早的群體遺傳學(xué)理論，都認(rèn)為繁育系統(tǒng)對(duì)生物的遺傳多樣性和進(jìn)化起重要作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)許多植物繁育系統(tǒng)進(jìn)行了研究［5－12］，對(duì)灰楸花的發(fā)育生物學(xué)特性研究未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究對(duì)灰楸開(kāi)花習(xí)性進(jìn)行數(shù)年定位觀測(cè)，以便準(zhǔn)確掌握灰楸花期生物學(xué)特性，不失時(shí)機(jī)地收集花粉和適時(shí)進(jìn)行人工授粉，為開(kāi)展灰楸雜交育種提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)地概況

2008、2009年在甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所進(jìn)行試驗(yàn)。海拔高度1 100 m，平均氣溫12℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫－19.2℃，相對(duì)濕度78%，年平均降水量700 mm，無(wú)霜期210 d;土壤為黃棕壤;屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，雨量偏少，6—8月份較干旱。試驗(yàn)對(duì)象為野生狀態(tài)居群。所選樹(shù)高8～12 m，地徑16～35 cm，為開(kāi)花結(jié)實(shí)盛期的成年植株。

2 材料與方法

2.1 花形態(tài)特征的觀測(cè)

選擇5～6株進(jìn)行花的特性調(diào)查。選擇開(kāi)花植株中部花枝，用高枝剪剪下，觀察、記錄植株形態(tài)特征。隨機(jī)選擇25個(gè)花枝，調(diào)查花枝數(shù)量、花朵數(shù)，上下唇長(zhǎng)寬。解剖花朵，觀察花的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

2.2 開(kāi)花動(dòng)態(tài)研究

定位觀察小隴山林科所院內(nèi)灰楸的開(kāi)花、散粉情況，重點(diǎn)觀察花朵時(shí)空動(dòng)態(tài)，尤其注意柱頭與花藥的位置，記錄花朵開(kāi)放、花粉散出、柱頭伸長(zhǎng)、花蜜與氣味有無(wú)及開(kāi)始出現(xiàn)和持續(xù)的時(shí)間等。在花散粉后，注意觀察柱頭的位置變化。

2.3 雜交指數(shù)估算

按照Dafni［3］的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行花序直徑、花朵大小和開(kāi)花行為的測(cè)量及繁育系統(tǒng)的評(píng)判。

2.4 花粉—胚珠比的估算

隨機(jī)選取灰楸即將開(kāi)放的花(花藥尚未開(kāi)裂)共30個(gè)，每株采10朵，然后細(xì)心地解剖花藥，將花粉全部移入一個(gè)有刻度的離心管，用蒸餾水定容至1 mL。在振蕩器下震蕩60 s，用移液槍吸取10 μL的花粉液于載玻片上，每朵雄花重復(fù)8次，在顯微鏡下觀察并統(tǒng)計(jì)花粉數(shù)。取30朵雌花，用刀片縱剖子房，記錄胚珠數(shù)目，按Cruden［4］的標(biāo)準(zhǔn)，花粉—胚珠比為2.7～5.4時(shí)，其繁育系統(tǒng)為閉花受精;花粉—胚珠比為18.1～3 910.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為專(zhuān)性自交;花粉—胚珠比為31.9～39 610.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性自交;花粉—胚珠比為244.7～2 588.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性異交;花粉—胚珠比為2 108.0～195 525.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為專(zhuān)性異交。

2.5 控制授粉實(shí)驗(yàn)

用套袋及人工授粉的方法觀察花序內(nèi)、花序間、單花的結(jié)實(shí)情況。依Dafni［3］描述的方法進(jìn)行下述處理:(1)對(duì)照。不套袋、不去雄、自由傳粉，用于檢測(cè)自然條件下的傳粉情況;(2)開(kāi)花前用細(xì)眼沙網(wǎng)套袋、不去雄、自然授粉，檢測(cè)是否需要傳粉者;(3)人工自花授粉，檢查是否自交親合;(4)人工同株異花授粉，檢查是否自交親合;(5)人工異株異花授粉。檢查是否雜交親合。每處理不少于25朵花。

試驗(yàn)花序除自然授粉外，均在花瓣剛剛打開(kāi)，花藥未裂，柱頭表面干凈無(wú)花粉時(shí)進(jìn)行。在試驗(yàn)期間，對(duì)套袋的花經(jīng)常進(jìn)行檢查，并揭袋換氣，防止花朵霉壞，揭袋嚴(yán)格防止昆蟲(chóng)在花序內(nèi)活動(dòng)。子房明顯膨大時(shí)，將硫酸紙袋去掉。授粉后15 d調(diào)查結(jié)實(shí)情況。

2.6 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003及SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 花序形態(tài)特征

觀察表明灰楸花白色到紫紅色，花冠筒狀，分上下兩鄂唇，上鄂唇2裂，下鄂唇3裂(偶見(jiàn)2裂)。上鄂唇長(zhǎng)度3.46 cm，變異幅度2.5 ～5.7 cm。下鄂唇長(zhǎng)度3.73 cm，變異幅度1.8～5.2 cm。能育雄蕊 2枚，少數(shù)3枚?；ǚ蹐F(tuán)2，退化雄蕊3枚。雌蕊1枚。是雌雄同花的植物?；ü谕不坑忻巯?。雄蕊與雌蕊均為白色，花絲上有不規(guī)則的紫紅色斑點(diǎn)，花藥乳白色，柱頭淺紫紅色。雄蕊與雌蕊異熟，雌蕊先熟、雄蕊后熟。對(duì)不同居群花數(shù)量特征的調(diào)查表明，灰楸花朵數(shù)最少的1朵，最多的18朵，平均為9.63朵/花枝、小花枝數(shù)量平均為9.60個(gè)，可見(jiàn)灰楸的花序?yàn)榭偁罨ㄐ?，有時(shí)有二歧分枝。

3.2 花期與開(kāi)花特性

灰楸花期4月底至5月中旬。灰楸展葉后4 d可見(jiàn)花蕾，孕蕾期到開(kāi)花期約1個(gè)月。

依據(jù)開(kāi)花進(jìn)程，將花期分為5個(gè)時(shí)期:(1)花蕾期(開(kāi)花前30 d):又可分為現(xiàn)蕾期，頂芽芽鱗裂開(kāi)，可見(jiàn)赭黑色花蕾;膨大期:展葉后芽快速生長(zhǎng)到(13.19±2.97)cm;綻放期;花蕾赭黑色，密被白色茸毛，膨大成橢圓形，花萼2～3裂。(2)初開(kāi)期(持續(xù)2～3 d):花瓣逐步張開(kāi)呈鐘形，花瓣白色，柱頭伸長(zhǎng)，已明顯大于花藥長(zhǎng)但低于花冠，但仍呈淺紫紅色。花冠筒外黃綠色，上部有不規(guī)則紫云斑，花冠筒內(nèi)基部有紫色縱紋，從花瓣裂口到基部有黃色斑塊，基部有蜜腺?；ò?裂，頂端波紋狀，柱頭呈淺紫紅色，雄蕊呈乳白色，均未開(kāi)裂。(3)盛開(kāi)期(持續(xù)5～7 d):花瓣完全展開(kāi)，柱頭淺紫紅色，打開(kāi)呈r形，早開(kāi)的花柱頭關(guān)閉，顏色加深;花藥有一部分開(kāi)始開(kāi)裂、散粉。(4)衰落期(持續(xù)2～5 d):少部分柱頭仍是淺紫紅色，多數(shù)柱頭紫紅色，以前離花柱較遠(yuǎn)的花藥完全開(kāi)裂，花粉逐步散出，花藥呈黃色。最早開(kāi)裂的花藥已萎縮，變小，顏色逐漸加深呈深黃色。(5)凋謝期(5～7 d):花粉基本散盡，花藥全部萎縮，子房與花藥的顏色加深?；ò耆詾榘咨?，但已失去了盛開(kāi)期的白亮光澤，花瓣和花藥一起從花托上脫落下來(lái)，見(jiàn)圖1。

圖1 灰楸開(kāi)花進(jìn)程及雌雄配子的發(fā)育變化情況

3.3 花粉與柱頭可授性檢測(cè)

觀察發(fā)現(xiàn)灰楸在花苞剛打開(kāi)時(shí)，雌蕊長(zhǎng)度已與花冠筒等長(zhǎng)或高于花冠筒，少數(shù)雌蕊柱頭低于花冠筒，雌蕊不再伸長(zhǎng)，第2天柱頭打開(kāi)呈r狀，等待授粉。初花時(shí)，雄蕊低于1/2花冠筒?；◤堥_(kāi)后，雄蕊迅速伸長(zhǎng)，第2～3天雄蕊伸長(zhǎng)靠近雌蕊，花粉團(tuán)反轉(zhuǎn)90°，與雌蕊平行。水份減少，花粉團(tuán)逐漸開(kāi)裂，開(kāi)始散粉。但柱頭多數(shù)關(guān)閉，由粉色變?yōu)楹稚菸?。之? d左右，花粉團(tuán)干枯。

3.4 有性繁育系統(tǒng)

灰楸雜交指數(shù):按照Dafni［3］的標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算灰楸雜交指數(shù)，灰楸花冠口直徑為(3.91±0.4675)cm，記為3;花為兩性花，雌蕊先熟，記為0;雌雄蕊空間分離，且柱頭高于花藥，記為1，由此得出灰楸的雜交指數(shù)等于4。根據(jù)Dafni［3］的標(biāo)準(zhǔn)，該樹(shù)種的繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和需要傳粉者。

灰楸的花粉—胚珠比:灰楸具雄蕊5個(gè)，2強(qiáng)3弱。僅計(jì)算2強(qiáng)雄蕊的花粉量，每朵花的花粉量26 750～146 520粒，花粉為四合體，平均為60 222±4 459粒。每朵花有胚珠數(shù)為149～256個(gè)，平均為195.83±29.26 個(gè)?；议钡幕ǚ邸咧楸葹?309，依據(jù)Cruden的標(biāo)準(zhǔn)，繁育系統(tǒng)屬于兼性異交。

通過(guò)套袋及人工授粉的試驗(yàn)，結(jié)果表明:灰楸人工自花授粉，結(jié)實(shí)率為4.08%?；议?2個(gè)同花自交組合有2個(gè)結(jié)實(shí)，但未收到種子(表1)。22個(gè)異花自交組合有2個(gè)結(jié)實(shí)，收到種子，但種子全是空粒。表明灰楸自交，不論是同花還是異花自交，均不結(jié)實(shí)或楸吊在發(fā)育過(guò)程中敗育，這可能是為了避免自交衰退，雌蕊和雄蕊間存在生殖隔離造成的。套袋防蟲(chóng)網(wǎng)袋的組合能結(jié)實(shí)，表明風(fēng)是灰楸的傳粉媒介之一?；议弊杂墒诜鄣?4組合有21個(gè)未結(jié)實(shí)，結(jié)實(shí)率最高的僅11.11%。范家坑1號(hào)自由授粉的結(jié)實(shí)率最低為0，但是以古灰楸為父本，進(jìn)行人工授粉結(jié)實(shí)率為35.897%，說(shuō)明灰楸自由授粉不結(jié)實(shí)的原因可能是缺少有效的傳粉者，也可能是父本灰楸存在雄性不育或者與母本雌蕊的親合性低。

表1 灰楸套袋及人工授粉結(jié)果

人工異株異花授粉(不去雄、不套袋)結(jié)實(shí)率為59.02%。表明人工自花傳粉比人工異花傳粉的結(jié)實(shí)率低，反映出該樹(shù)種較強(qiáng)的異花傳粉傾向。在自然條件下，灰楸自由授粉率為9.61%。開(kāi)花前用細(xì)眼沙網(wǎng)套袋、不去雄、自然授粉，結(jié)實(shí)率為45.05%。兩者的結(jié)實(shí)率均較自交的結(jié)實(shí)率高、較人工異交的結(jié)實(shí)率低，表明灰楸自由授粉、細(xì)眼沙網(wǎng)套袋授粉均接受了一定的異株花的花粉，兩者的傳粉者相似，表明風(fēng)是灰楸傳粉者之一。

灰楸的傳粉者:觀察發(fā)現(xiàn)，蜜蜂、馬蜂是灰楸的主要訪(fǎng)花昆蟲(chóng)，具較高的訪(fǎng)花頻率，但它在一個(gè)花序上停留的時(shí)間不長(zhǎng)，常為0.5～2 min。訪(fǎng)花時(shí)間大多集中在11:00—14:00。晴天的訪(fǎng)花者數(shù)量多，雨天或陰天的訪(fǎng)花者數(shù)量少。盛花期花序上訪(fǎng)花者的訪(fǎng)花頻率最高。

灰楸同一花序內(nèi)的筒狀花分別位于不同單花時(shí)期，而且筒狀花花蜜位于筒基部，蜜蜂吸食花蜜的過(guò)程中后足或腹部容易接觸和附著成熟花粉。當(dāng)花粉被蜜蜂帶走，再訪(fǎng)問(wèn)另一植株的花序時(shí)，后足或腹部又容易接觸其他花已經(jīng)展平的二裂柱頭，完成灰楸的異花傳粉過(guò)程。訪(fǎng)花者還包括螞蟻、蝽和蠅等其他昆蟲(chóng)，它們主要活動(dòng)于花序內(nèi)部，啃花部幼嫩器官，對(duì)灰楸的傳粉效果有待于進(jìn)一步檢測(cè)。

4 結(jié)論與討論

4.1 灰楸的繁育類(lèi)型

自然界絕對(duì)自交或雜交的植物類(lèi)群很少，大多是兩者兼而有之并采取混和交配的繁殖對(duì)策模式［6］?；议彪s交指數(shù)為4，判定繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和需要傳粉者;花粉—胚珠比為309，判定繁育系統(tǒng)為兼性異交;套袋—人工授粉試驗(yàn)結(jié)果顯示，灰楸為異交為主、部分自交親合，需要傳粉者。3種方法判定的結(jié)果完全一致。因此判定，灰楸的繁育系統(tǒng)為兼性異交，以異交為主、部分自交親合，需要傳粉者。人們對(duì)楸樹(shù)的繁育系統(tǒng)認(rèn)識(shí)比較模糊，郭從儉［12］、潘慶凱等［13］認(rèn)為楸樹(shù)自花不孕，我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)灰楸自花可孕，但自交結(jié)實(shí)率低。存在自交衰退。

4.2 灰楸的傳粉系統(tǒng)

灰楸具有保證異交的許多特征:花序中花朵數(shù)目較多、下萼片較大、具兩個(gè)黃斑、顏色鮮艷、具蜜腺、花粉粒多、柱頭面積大并具許多突起、灰楸的柱頭與花冠平行或部分在灰楸具有保證異交的許多特征:花序中花朵數(shù)目較多、下萼片較大、具兩個(gè)黃斑、顏色鮮艷、具蜜腺、花粉粒多、柱頭面積大并具許多突起、灰楸的柱頭部分在花冠外。

對(duì)灰楸的傳粉媒介檢測(cè)結(jié)果表明，灰楸為風(fēng)媒、蟲(chóng)媒植物，與傳粉媒介的關(guān)系屬泛化類(lèi)型。灰楸表現(xiàn)為散粉期滯后于可授期。一般可授期開(kāi)始較散粉期早1～3 d，結(jié)束較散粉期早2～5 d，并且居群散粉期和可授期的重疊期較長(zhǎng)，確保在不同時(shí)間發(fā)育成熟的雌蕊完成授粉、受精作用;另一方面單株花期長(zhǎng)，預(yù)示著傳粉、授粉相對(duì)不集中，這可以避免花期惡劣的自然條件(如急驟降溫，大雨等)使傳粉、受精這一生殖過(guò)程中斷，這也是灰楸長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境條件所形成的一種生殖策略。

4.3 灰楸的生殖補(bǔ)償機(jī)制

為了保證種群的繁衍和后代的生存，生物往往發(fā)展出一整套必要的生殖補(bǔ)償機(jī)制，以保證物種的延續(xù)?；议弊杂墒诜鄣慕Y(jié)實(shí)率低，在有性繁殖受阻的情況下，以根莖進(jìn)行旺盛的無(wú)性繁殖，保持了較高的種群繁衍能力。正常年份，灰楸花期4月底至5月中旬，頂芽分化為花芽，頂芽下部的芽發(fā)育為葉芽。如果遇到嚴(yán)重晚霜，灰楸花芽受到凍害，頂部花芽不能正常開(kāi)花時(shí)，頂芽下部的芽將發(fā)育為花芽，同時(shí)花期延后到5月底到6月中旬。保證了灰楸有性生殖。

不同種群因生境條件的不同，花期、訪(fǎng)花者可能不同，交配系統(tǒng)也有可能發(fā)生改變。灰楸種群大小、密度和開(kāi)花數(shù)量等影響訪(fǎng)花者的訪(fǎng)花頻率和行為的機(jī)制并不清楚，這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究。

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