紅雉鳳仙花結(jié)籽的花粉限制

李艷紅，王 瓊

(西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川南充 637000)

生殖力是種群興衰的主要標(biāo)志(王亞琴等，2007)。在自然狀態(tài)下，開花植物的生殖力常常受到花粉限制，Knight認(rèn)為，“當(dāng)植物產(chǎn)生的果實(shí)或者種子比接受到足夠的花粉少得多的現(xiàn)象說明該植物受到花粉限制”(Knight et al.，2005);Cruden也注意到，異交植物的花粉/胚珠比率(P/O比)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自交者，他認(rèn)為P/O比是由“最小花粉-胚珠比率”所決定的:低于這個(gè)最小比率，種子生產(chǎn)就會(huì)受到花粉量制約(張大勇等，2001)。因此，花粉限制常常被理解為花柱上接受到的花粉粒數(shù)量不足(數(shù)量限制)。但是，花粉限制又常常與質(zhì)量聯(lián)系在一起(Herlihy et al.，2004)，不同來源的花粉其質(zhì)量各異，萌發(fā)率和花粉管生長情況也不同——低質(zhì)量的花粉可能減少種子的產(chǎn)量和質(zhì)量(Charlesworth et al.，1987)。自交不親和物種的自花花粉受精會(huì)降低異花花粉受精的成功率(Ramsey et al.，2000;Kawagoe et al.，2005)，因?yàn)樽曰ǖ幕ǚ酃芸赡苁古咧樵谧臃恐惺Щ?，或者通過自交的不親和性使得植株根本無法受精(Sage et al.，1994);對于自交親和的物種，當(dāng)柱頭上存在自交花粉時(shí)，常常導(dǎo)致激烈的花粉競爭:子房可能對自交花粉管具有抑制作用、自交胚珠可能更容易敗育等(黃雙全等，1998)，這種由于自交引起的近交衰退對后代適合度的影響體現(xiàn)在植物生活史的各個(gè)階段，如自交的種子產(chǎn)生的后代在發(fā)芽、存活、生長等階段都不及雜交后代(何亞平等，2003)。在植物的有性生殖過程中，無論是由于傳粉媒介的作用還是因?yàn)樽越唬ǘ涠伎赡芙邮盏阶陨砘ǚ?，從而?dǎo)致這樣的質(zhì)量限制經(jīng)常發(fā)生。另外，從較遠(yuǎn)植株上或其它物種接收的遠(yuǎn)交親和的花粉又可能因?yàn)檫h(yuǎn)交衰退而降低種子產(chǎn)量(Waser et al.，1992)。因此，這種由于不同來源的花粉所造成的花粉質(zhì)量限制是影響植物有性生殖成功的又一重要因素。

花粉限制常常導(dǎo)致植物較低的結(jié)籽率。Husband和Schemske通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與異花授粉相比，自花授粉的62個(gè)自交親和物種其種子產(chǎn)量平均減少了20%，最大的減少了近87%(Lloyd et al.，1992;Husband et al.，1996)，這說明花粉限制嚴(yán)重降低了植物的有性生殖成功。為了緩解這種現(xiàn)象，植物常常采取了相應(yīng)的策略來避免或減輕花粉限制，如增大花部展示(花朵大小、花冠顏色和氣味等)或者提供相應(yīng)的報(bào)酬(花粉、花蜜等)來吸引傳粉者以增加授粉幾率(張大勇，2004)，同時(shí)植物還通過對花部結(jié)構(gòu)的精心設(shè)置，如花柱異長、雌雄蕊異位或雌雄異熟等在一定程度上都有效地降低了自交幾率(張紅玉，2005)，從而提高后代適合度。因此，花粉限制還與傳粉者的傳粉效率有關(guān)。

結(jié)籽率是衡量開花植物生殖能力強(qiáng)弱的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。生長在峨眉山常綠闊葉林下的紅雉鳳仙花是一種1 a生草本，其植株秀麗、花姿優(yōu)美，是潛在的優(yōu)秀花卉資源之一。但是，自2010年以來野生分布的種群數(shù)量銳減，且自然狀態(tài)下結(jié)籽率不到50%。對紅雉鳳仙花主要傳粉昆蟲的傳粉效率進(jìn)行檢測，以分析紅雉鳳仙花結(jié)籽是否受到花粉數(shù)量限制;進(jìn)行人工補(bǔ)充授粉，以檢測紅雉鳳仙花結(jié)籽是否受花粉來源限制?？傊?，關(guān)于紅雉鳳仙花生殖生態(tài)學(xué)的研究，有助于找出其數(shù)量銳減的原因，闡明生殖受限的機(jī)理，為制定相應(yīng)的保護(hù)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

峨眉山位于四川盆地西南邊緣(E103°15'～103°28'，N29°31'～29°38')，動(dòng)植物資源極其豐富，其復(fù)雜的地形和地理環(huán)境造成了整個(gè)山區(qū)云霧多、日照少、雨量充沛的氣候特點(diǎn);山麓氣候濕潤，平均氣溫17.2℃，最冷月 (1月)平均氣溫7℃ ，最熱月(7月)平均溫度 26.3℃;年均降雨量為1 555.3 mm，其中5月～9月份的降雨量占全年的70%～80%(朱曉帆等，1997)。實(shí)驗(yàn)樣地位于峨眉山萬年寺附近海拔約1 000 m的黑水村，近年來隨著全球氣候變暖，這里的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化:山澗小溪水位降低，動(dòng)植物數(shù)量銳減，蟲害嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來極大影響，同時(shí)也對生長在這一帶的珍稀植物造成嚴(yán)重威脅。

1.2 研究方法

由于花冠形態(tài)常常與傳粉效率有關(guān)，在盛花期隨機(jī)挑選30株生長健康的紅雉鳳仙花植株，每一株隨機(jī)選擇3朵生長健康的花測定其花冠形態(tài)指標(biāo);同時(shí)統(tǒng)計(jì)所選每朵花的胚珠數(shù)量。各形態(tài)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)如下(圖1):

花冠深度(FL):從唇瓣上最后一條紋到花冠口的長度;

花冠寬(FW):即花冠口兩個(gè)翼瓣小裂片之間的距離;

翼瓣長(VL):花冠口到翼瓣尖端的距離;

花冠總長(FL+SL):花冠深度與距長之和;

距長(SL):從唇瓣最后一條紋到距末端的距離;

距圈直徑(SCD):蜜距彎曲一圈的直徑;

距彎曲度:即紅雉鳳仙花距的彎曲程度，參照王瓊的方法(王瓊等，2013);

有蜜距長:當(dāng)三條熊蜂訪過之后，花朵含有花蜜的距的長度。

圖1 花冠形態(tài)指標(biāo)(王瓊等，2013)Fig.1 The standard of morphological index in the flower

同時(shí)測定紅雉鳳仙花主要傳粉昆蟲—三條熊蜂(Bombus trifasciatus Smith)的傳粉效率，另外選擇30株生長健康的植株，分別測量單只三條熊蜂單次訪花移出的花粉數(shù)量和落置在柱頭上的花粉數(shù)量。

重新選擇30株生長健康的植株，進(jìn)行人工補(bǔ)充授粉實(shí)驗(yàn)，取相鄰近似大小的植株(30株)為參照，果實(shí)即將成熟時(shí)即采回統(tǒng)計(jì)結(jié)籽率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用 Excel進(jìn)行輸入和預(yù)處理;用Spss17.0軟件計(jì)算平均值，用Spearman進(jìn)行相關(guān)性分析，用One-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan(D)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果分析

2.1 花冠形態(tài)與傳粉效率

通過對花粉的運(yùn)動(dòng)去向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)紅雉鳳仙花的主要傳粉者—三條熊蜂單次訪花時(shí)帶出的花粉數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶到柱頭上的花粉數(shù)，而落置到柱頭上的花粉數(shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于子房內(nèi)的胚珠數(shù)(表1)，說明紅雉鳳仙花的傳粉昆蟲三條熊蜂的傳粉效率較高，其柱頭上落置的花粉數(shù)量充足。

表1 三條熊蜂訪花時(shí)移出和花粉落置的花粉數(shù)(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)

檢測花冠形態(tài)與移出花粉數(shù)量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)三條熊蜂單次訪花時(shí)帶出的花粉數(shù)量與花冠的距長、距彎曲度、有蜜距長存在一定的負(fù)相關(guān)，與距圈直徑存在一定正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著(表2)。

表2 花冠形態(tài)與移出花粉數(shù)的關(guān)系

分析花冠形態(tài)與落置花粉數(shù)量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)三條熊蜂單次訪花時(shí)帶到柱頭的花粉數(shù)量與花冠的距彎曲度、距圈直徑、有蜜距長存在一定負(fù)相關(guān)，與距長存在一定正相關(guān)，但相關(guān)性也不顯著(表3)。

表3 花冠形態(tài)與落置花粉數(shù)的關(guān)系

2.3 傳粉效率與結(jié)籽率

同時(shí)，分別檢測三條熊蜂單次訪花移出和落置的花粉數(shù)與結(jié)籽率的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)紅雉鳳仙花結(jié)籽率與移出和落置的花粉數(shù)量相關(guān)性均不顯著(表4)。

表4 落置花粉數(shù)與結(jié)籽率

2.4 人工補(bǔ)充授粉對結(jié)籽率的影響

在同一植株和不同植株進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不同授粉方式對紅雉鳳仙花的結(jié)籽率造成不同影響{圖2，(F=1.029，Sig.=0.315)}。與自然傳粉相比，異株異花授粉的結(jié)籽率提高了約10%，而同株異花授粉與對照之間差異不顯著。說明花粉來源對紅雉鳳仙花結(jié)籽率確實(shí)存在一定影響。

圖2 人工授粉的結(jié)籽率Fig.2 The seed setting rate of supplemental pollination

3 討論

開花植物有性生殖的成功很大程度上依賴于為其授粉的傳粉者的花粉轉(zhuǎn)移效率，其中行動(dòng)靈巧的昆蟲類占有舉足輕重的地位。除了花朵的顏色、氣味、大小等對傳粉者具有吸引作用的因素之外(唐璐璐等，2007)，花冠的形態(tài)、報(bào)酬物等可能通過影響傳粉者傳粉效率而影響植物的生殖成功。不同的植物常常擁有不同形態(tài)的花朵，針對形態(tài)各異的花朵昆蟲的訪花行為和訪花效率也不盡相同，Young通過研究傳粉者對I.capensis距形態(tài)的選擇，發(fā)現(xiàn)蜜距的形態(tài)對I.capensis雌性生殖成功和雄性生殖成功均有顯著影響:當(dāng)蜜距彎曲度較大時(shí)，熊蜂的訪花時(shí)間也較長，其相應(yīng)的結(jié)籽率也相對較大;同時(shí)，與蜜距彎曲度較小的花朵相比，彎曲度更大的蜜距內(nèi)，熊蜂常常留下更少的花蜜(Young，2008)，因此，蜜距的形態(tài)可能通過影響傳粉者的訪花行為間接影響訪花效率——傳粉者在擁有更多報(bào)酬物的花朵上可能停留時(shí)間更長，從而使柱頭授粉更充分。通過分析紅雉鳳仙花主要傳粉者的訪花效率與花冠形態(tài)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)三條熊蜂(Bombus trifasciatus Smith)單次訪花時(shí)移出和落置的花粉數(shù)與花冠的距長、距彎曲度、距圈直徑以及有蜜距長均不存在顯著的相關(guān)性，說明三條熊蜂訪花時(shí)對花冠形態(tài)特征選擇性不明顯，這可能是因?yàn)樗嗟貎A向于對其他因素的選擇，如花的顏色、花蜜的體積或含糖量的高低等。由于花蜜可以對傳粉者訪花過程中消耗的能量進(jìn)行補(bǔ)充，因此擁有較多花蜜的花朵可能更容易受到傳粉者的青睞(王潔，2012)。傳粉者在選擇花朵時(shí)常常避免訪問剛剛被其他傳粉者訪問過的花，對于剛被訪過的花，傳粉者僅憑留在花冠上的其它傳粉者留下的氣味即能辨別(Makoto，1998)。進(jìn)行傳粉效率實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)三條熊蜂喜愛訪問雄花期的花，因?yàn)樾刍ㄆ诨ǘ涑四軌蛱峁┴S富的花蜜之外，還有許多花粉可供搜集，而雌花期花朵則僅有花蜜;另外，除了報(bào)酬本身多少之外，處于雌花期的花花瓣顏色明顯變淡，熊蜂從顏色的艷麗程度也能辨別哪些是具有更豐富報(bào)酬的花朵。對于剛被訪問過的花，三條熊蜂僅在花冠口停留一下，隨即退出花冠開始尋找下一個(gè)目標(biāo)，因此，除了花冠本身的資源，訪花者的訪花習(xí)性及它們之間的相互作用也可能影響傳粉效率。

作為中高海拔地區(qū)一種主要的傳粉昆蟲，三條熊蜂具有較強(qiáng)的熱調(diào)節(jié)能力，能在逆境中飛行，花粉傳遞效率高等特點(diǎn)(何亞平等，2005)，這些均使得三條熊蜂具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，特別是在應(yīng)對濕度較大的陰雨天氣時(shí)比其他昆蟲更勝一籌。作為一種自交親和的植物，紅雉鳳仙花選擇了三條熊蜂為其傳粉，在一定程度上解決了高山環(huán)境中氣候多變，生態(tài)因子不穩(wěn)定，溫度低且晝夜波動(dòng)大等不利因素(Young et al.，2007)。通過對訪花昆蟲進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)紅雉鳳仙花的訪花者有熊蜂、蝴蝶和搖蚊等，其中最有效的傳粉者為三條熊蜂。與其他傳粉蜂類相比，觀察到熊蜂的主要特點(diǎn)是個(gè)體大，攜粉多，但沒有專門裝載花粉的器官，到其將搜集到的花粉主要以花粉團(tuán)的形式粘附在后腿上，飛行時(shí)勢必造成花粉的大量浪費(fèi)，因此，這是否是導(dǎo)致紅雉鳳仙花的傳粉受限的原因呢?在盛花期，我們通過對熊蜂的訪花效率進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)熊蜂具有較高的花粉移出和落置率，特別是帶到柱頭上的花粉數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于子房內(nèi)的胚珠數(shù)，因此，紅雉鳳仙花在開花高峰期不存在花粉數(shù)量的限制，這可能是因?yàn)槭⒒ㄆ诜N群的開花樣式較大，對傳粉者的吸引相對增加(唐璐璐等，2007;肖宜安等，2004)，從而提高了熊蜂數(shù)量和訪花頻率。但是，通過分析熊蜂移出花粉數(shù)量及落置花粉數(shù)量分別對結(jié)籽的效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，紅雉鳳仙花的結(jié)籽率與熊蜂單次訪花時(shí)移出和落置的花粉數(shù)相關(guān)性不明顯，因此，只能說明紅雉鳳仙花較低的結(jié)籽率可能與落置在柱頭上的花粉質(zhì)量有關(guān)。

不同來源的花粉對結(jié)籽的效應(yīng)不同(施祥等，2010)。一般，異交可以提高后代的適合度，從而增加種群的競爭力;而自交則可以通過降低植物的生殖成功最終導(dǎo)致整個(gè)種群平均適合度的下降(郭華等，2003;楊琨，2012)。相應(yīng)的，為了避免自交，植物往往發(fā)展了相應(yīng)的策略，如兩性花雌雄功能在空間或時(shí)間上的分離——雌雄異位或雌雄異熟，被廣泛地認(rèn)為能部分有效地阻止自花傳粉(任明訊等，2012)。但是，這卻不可避免花朵之間的同株異花傳粉，同株異花傳粉本身不是一種適應(yīng)，而是植物為了提高異交花粉輸出量而產(chǎn)生的一個(gè)無法避免的后果(張大勇等，2001)，然而，這對種群的生殖成功卻可能產(chǎn)生完全不一樣的后果。通過觀察發(fā)現(xiàn)，紅雉鳳仙花具有從基部到頂部的開花順序，這使得其主要訪問者三條熊蜂訪花的訪花順序通常也是從基部到頂部;又由于紅雉鳳仙花雄性先熟的特點(diǎn)，使得三條熊蜂從基部到頂部訪花完畢后離開時(shí)帶走的正好是植株上部處于雄花期的花粉(張大勇，2004)。在盛花期，當(dāng)一個(gè)植株上有較多花時(shí)，最下部的花已經(jīng)通過了雄性階段而正處于雌性階段，三條熊蜂來訪時(shí)攜帶的外來花粉正好可以給它們授粉。因此，紅雉鳳仙花實(shí)際上只有很少部分花朵接收到了其它植株的花粉，而絕大部分種子的產(chǎn)生均源于同株異花授粉，即自交。自交花粉和異交花粉常常存在著競爭，如子房對自交花粉管的抑制、自交胚珠的敗育等都會(huì)對種子的產(chǎn)生造成影響(Husband et al，1996;Mitchell et al，1993)。通過人工補(bǔ)充授粉，發(fā)現(xiàn)同株異花授粉植株的結(jié)籽率明顯高于對照組，說明在自然傳粉狀況下，落置在紅雉鳳仙花柱頭上的花粉數(shù)量雖多，但可能只有很少一部分萌發(fā)或穿過柱頭到達(dá)子房與胚珠結(jié)合進(jìn)而發(fā)育成種子。因此，花粉來源是導(dǎo)致紅雉鳳仙花結(jié)子率低的重要原因之一。

峨眉山上夏秋季節(jié)降雨量充沛，這是紅雉鳳仙花短期內(nèi)迅速生長的根本保證，但是大量的雨水對其有性生殖造成較大影響，特別是花期與雨季的重疊可能限制昆蟲的種類及活動(dòng)能力(楊期和等，2011)。一般情況下，1 a生草本植物一年僅有1次開花結(jié)實(shí)的機(jī)會(huì)，為了順利完成有性繁殖，紅雉鳳仙花選擇了自交親和的交配系統(tǒng)，允許花朵通過同株異花授粉來增加種子的產(chǎn)量，以對異交繁殖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)，紅雉鳳仙花最有效的傳粉者—三條熊蜂雖然具有較高的訪花效率，但是其較少的數(shù)量以及較低的訪花頻次也不得不使紅雉鳳仙花選擇自交親和的繁育系統(tǒng)來保證每個(gè)子房都能有胚珠成功受精，從而提高生殖成功的幾率。因此，較大比例的同株異花授粉可能是紅雉鳳仙花選擇有性生殖成功的一種保障機(jī)制。

本實(shí)驗(yàn)表明，盛花期紅雉鳳仙花大量自交導(dǎo)致的花粉質(zhì)量限制而不是數(shù)量限制可能是其結(jié)籽率低的主要原因之一。但是，在其開花初期和后期，由于花朵數(shù)量稀少導(dǎo)致傳粉誘物不足而引起的傳粉者數(shù)量較少，可能使紅雉鳳仙花存在不同程度的數(shù)量限制。除了花粉限制，紅雉鳳仙花的結(jié)籽可能還受到其他因素的影響，比如資源限制等。

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