生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂的影響

趙　崢，尹芳園，耿開友，侯秀麗，王　斌，王定康

( 昆明學(xué)院，昆明 650214 )

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生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂的影響

趙崢，尹芳園，耿開友，侯秀麗，王斌，王定康*

( 昆明學(xué)院，昆明 650214 )

滇重樓為延齡草科重樓屬植物，具有極高的藥用價(jià)值，由于重樓傳統(tǒng)藥用部位生長(zhǎng)緩慢、繁殖力低下，以及人們對(duì)野生重樓資源的過(guò)度采挖使其資源日趨枯竭。滇重樓的花藥在整個(gè)花期中存在開裂-關(guān)閉的現(xiàn)象，花藥的有效閉合應(yīng)是保護(hù)花粉、延長(zhǎng)花粉壽命、增強(qiáng)雄性適合度的一種適應(yīng)機(jī)制。該研究以滇重樓為對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)其花藥開裂過(guò)程中的光照強(qiáng)度、溫度、濕度的變化，探究光照強(qiáng)度、溫度、濕度等生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂的影響以及滇重樓花藥開裂與生態(tài)因子變化的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)在滇重樓花藥開裂的過(guò)程中，光照強(qiáng)度增強(qiáng)、溫度升高、相對(duì)濕度下降；(2)溫度是影響滇重樓花藥開裂時(shí)間的主導(dǎo)因子，升溫促進(jìn)花藥開裂，降溫促進(jìn)花藥關(guān)閉；(3)高濕度及黑暗推遲花藥開裂，但并不能阻止花藥開裂；(4)低溫可使滇重樓花藥持續(xù)關(guān)閉，而光照強(qiáng)度越高，花藥持續(xù)關(guān)閉所需的溫度越低。該研究有利于解釋滇重樓花藥白天開裂夜晚關(guān)閉的現(xiàn)象與環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)滇重樓的栽培育種提供理論指導(dǎo)。

滇重樓, 生態(tài)因子, 花藥開裂

滇重樓(Parispolyphyllavar.yunnanensis)為延齡草科(Trilliaceae)重樓屬(ParisL.)多年生宿根性草本植物，主要分布于我國(guó)云、貴、川等地，是一種珍貴的藥用植物，具有極高的藥用價(jià)值(李恒，1998)。由于重樓傳統(tǒng)藥用部位根莖生長(zhǎng)緩慢、繁殖力低下，以及人們對(duì)野生重樓資源的過(guò)度采挖使得重樓資源日趨枯竭(蘇文華等，2003；李運(yùn)昌，1982；袁理春等，2003；黃瑋等，2008；陸輝等，2006)。

植物開花后花藥必須及時(shí)開裂才能保證正常散粉，花藥開裂為花藥發(fā)育過(guò)程中需經(jīng)歷的最后一個(gè)階段?；ㄋ庨_裂和花粉釋放一直是植物生殖生物學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?；ㄋ庨_裂是一個(gè)多級(jí)的過(guò)程，涉及藥壁細(xì)胞結(jié)構(gòu)分化、退化，內(nèi)源激素變化，加上花藥組織脫水促進(jìn)花藥完全開放和花粉釋放(Keijzer，1987；Wilson et al，2011)，而且低的相對(duì)濕度促進(jìn)花藥開裂，高的相對(duì)濕度推遲或抑制花藥開裂過(guò)程(Linskenshf，1988；Yates et al，1993；Liscim & Pacini，1994)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為天氣足夠溫暖和干燥有利于花藥開裂(Faegri & Vander，1979)，花藥的開裂受光照、溫度、濕度等生態(tài)因子影響(Wang et al，2009；畢廷菊等，2012)。滇重樓的花藥在正常天氣情況下，整個(gè)花期中均存在每天上午開裂、傍晚關(guān)閉，下雨關(guān)閉、雨后開裂的現(xiàn)象(王定康等，2008)。而花藥在整個(gè)花期中的有效閉合是保護(hù)花粉、延長(zhǎng)花粉壽命、增強(qiáng)雄性適合度的一種適應(yīng)機(jī)制(王定康等，2008；Li et al，2012)。滇重樓花藥開裂伴隨著氣溫的升高和空氣濕度的降低，花藥開裂和關(guān)閉現(xiàn)象與光照、溫度和濕度均有關(guān)(Wang et al，2009)。滇重樓花藥開裂現(xiàn)象與生態(tài)因子變化的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)研究光照強(qiáng)度、溫度、濕度、光質(zhì)等生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂行為及花藥開裂時(shí)間的影響情況。

1 材料與方法

1.1 研究地概況及實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)院(25°03′ N，102°43′ E)，年均氣溫為15.1 ℃，年均降雨量為1 075 mm，海拔1 891 m，屬低緯高原山地季風(fēng)氣候。滇重樓于2014年3月種植在遮蔭棚中，遮陰率約為75%，株行距15 cm × 25 cm，正常水肥管理。

1.2 方法

1.2.1 花藥開裂過(guò)程觀察對(duì)植株進(jìn)行標(biāo)記，觀察花藥開裂情況并記錄相應(yīng)的時(shí)間、溫度、濕度、光照強(qiáng)度。用SPSS軟件計(jì)算均值。因單朵花內(nèi)最先完全開裂和最后完全開裂的單枚花藥開裂時(shí)間相差不到1 min，因此取50%花藥完全開裂的時(shí)間作為其花藥開裂的時(shí)間，下同。

1.2.2 花藥開裂生態(tài)因子影響實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)在BIC-300人工氣候箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)開始前將實(shí)驗(yàn)植株置于環(huán)境條件設(shè)置為15 ℃、黑暗、70%RH 的BIC-300人工氣候箱中4.5 h，使其花藥處于持續(xù)關(guān)閉的狀態(tài)。1.2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)光照強(qiáng)度(A)、溫度(B)和濕度(C)3個(gè)因素，根據(jù)自然狀態(tài)滇重樓花藥開裂時(shí)的生態(tài)因子數(shù)值設(shè)定因素水平，每個(gè)因素包括3個(gè)水平(表1)。采用L9(34)的正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，因素A、B、C分別排列于第1、2、3列，第4列為空列(表2)。記錄這9個(gè)處理組合下花藥開裂時(shí)間。采用直觀分析法了解因素的主導(dǎo)效應(yīng)及其優(yōu)水平組合，用SPSS軟件進(jìn)行交互作用分析及因素間的方差分析。1.2.2.2 溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)在光照強(qiáng)度均為2 000 lx，相對(duì)濕度均為45%～65%，溫度分別為12、17、20、21、22、23、24 ℃的條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

表 1　實(shí)驗(yàn)的因素水平表

表 2　L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表及試驗(yàn)實(shí)施

1.2.2.3 光照強(qiáng)度對(duì)比實(shí)驗(yàn)在濕度均為45%～65%，溫度為24 ℃、光照強(qiáng)度分別為100、1 000、3 000、5 500 lx的環(huán)境條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察花藥開裂過(guò)程并記錄花藥開裂時(shí)間。

2　結(jié)果與分析

2.1 花藥開裂時(shí)間及開裂過(guò)程中生態(tài)因子的變化

滇重樓的花藥具有每天上午開裂、晚上關(guān)閉的特性，其花藥開裂-關(guān)閉的同時(shí)伴隨著光照強(qiáng)度、溫度、濕度的變化。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)上午8：43～9：29滇重樓花藥開裂，花藥開裂過(guò)程中溫度升高1.3 ℃，相對(duì)濕度降低2.57%，光照強(qiáng)度升高496.7 lx。整個(gè)花藥開裂過(guò)程所需時(shí)間均為46 min；在滇重樓花藥開裂的過(guò)程中，其全閉、半開、全開時(shí)的光照強(qiáng)度分別為(2 000 ± 53)、(2 353 ± 26)、(2 497 ± 26) lx；溫度分別為(20.8 ± 0.06)、(21.7 ± 0.06)、(22.1 ± 0.06)℃；相對(duì)濕度分別為(69.07 ± 0.26)%、(66.93 ± 0.09)%、(66.5 ± 0.06)%。

2.2 生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂的影響

2.2.1 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析處理組合1-9滇重樓花藥完全開裂所需時(shí)間分別為182、34、31、54、42、36、45、52、31 min(圖1)。

表 3　滇重樓花藥開裂時(shí)間及生態(tài)因子變化

圖 1　不同處理組合滇重樓花藥開裂時(shí)間Fig. 1　Anther dehiscence time of Paris polyphylla var. yunnanensis under different treatment combinations

實(shí)驗(yàn)結(jié)果很明顯分為二類，處理組合1為一類，其余處理組合聚為一類。處理1光照強(qiáng)度、溫度最低，濕度最高，大大延長(zhǎng)了花藥開裂時(shí)間；處理組合4、5、7、8的花藥開裂時(shí)間最接近自然狀態(tài)值，處理組合2、3、6、9的花藥開裂時(shí)間偏短，其溫度值均高于自然狀態(tài)值。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果按直觀分析法進(jìn)行分析(表4)。極差R分析結(jié)果為RB>RC>RA；表明各因素對(duì)滇重樓花藥開裂時(shí)間的影響主次順序?yàn)闇囟?相對(duì)濕度>光照強(qiáng)度，即溫度為影響滇重樓花藥開裂時(shí)間的主要因子。各因素最優(yōu)水平分別為A3、B3和C3，即滇重樓花藥開裂時(shí)間最短的光照強(qiáng)度、溫度及相對(duì)濕度為5 500 lx、28 ℃、20 RH。

表 4　L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析

用SPSS軟件進(jìn)行交互作用分析(圖2)。A × B、B × C、A × C交互作用圖中，三條曲線的斜率相等，基本沒(méi)有交互作用。從圖中還可以看出：光照強(qiáng)度A由水平1到水平2花藥開裂時(shí)間變化大，由水平2到水平3的折線近乎水平，花藥開裂時(shí)間變化非常??；說(shuō)明黑暗可以推遲花藥開裂，而有光照時(shí)，光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)花藥開裂時(shí)間影響甚微。溫度B由水平1到水平2花藥開裂時(shí)間變化大，由水平2到水平3花藥開裂時(shí)間變化較小，但依然有明顯變化。而C2、C3的兩條線幾乎重合說(shuō)明濕度從水平2到水平3花藥開裂時(shí)間幾乎不變，濕度從水平1到水平2花藥開裂時(shí)間變化較大。這驗(yàn)證了Wang et al(2009)的濕度對(duì)花藥開裂時(shí)間影響的結(jié)論：高濕度推遲花藥開裂，中低濕度對(duì)花藥開裂時(shí)間無(wú)影響。對(duì)比3個(gè)交互作用圖可以看出，溫度由B1到B2到B3花藥開裂時(shí)間的變化明顯大于光照強(qiáng)度由A1到A2到A3花藥開裂時(shí)間的變化，這驗(yàn)證了極差分析中溫度對(duì)花藥開裂時(shí)間影響程度大于光照強(qiáng)度對(duì)花藥開裂時(shí)間的影響。

為進(jìn)一步了解因素水平間影響花藥開裂時(shí)間的差異顯著性，對(duì)其水平進(jìn)行單因變量多因素的方差分析(表5)。表5結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)中光照強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度各水平對(duì)花藥開裂時(shí)間無(wú)顯著影響。但是從處理組合1可以看出黑暗、低溫、高濕的環(huán)境能夠大大延長(zhǎng)花藥開裂時(shí)間，而處理組合2、3表明黑暗可以使滇重樓花藥正常開裂，處理組合6、8表明極端高濕也可以使滇重樓花藥正常開裂。

由于滇重樓花期內(nèi)昆明市的夜間溫度常低于20 ℃，低溫是否調(diào)控著滇重樓花藥夜間關(guān)閉不得而知，故進(jìn)一步增加溫度及光照強(qiáng)度水平進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

表 5　因素的水平間花藥開裂時(shí)間的方差分析

注：P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

Note:P<0.05 means significant difference,P<0.01 means extremely significant difference.

2.2.2溫度對(duì)滇重樓花藥開裂的影響從圖3可以看出，在2 000 lx、55% RH的環(huán)境條件下，≤17 ℃時(shí)花藥開裂時(shí)間>12 h，20、21、22、23、24 ℃時(shí)花藥開裂時(shí)間分別為90、58、45、35、30 min，花藥開裂時(shí)間隨著溫度的升高而明顯縮短，在2 000 lx、55% RH時(shí)，滇重樓花藥在1 h之內(nèi)開裂的最低溫度為21 ℃，高于這個(gè)溫度其花藥可以正常開裂，否則將長(zhǎng)時(shí)間保持關(guān)閉狀態(tài)。2.2.3光照強(qiáng)度對(duì)滇重樓花藥開裂的影響圖3結(jié)果顯示，在45%～65% RH、24 ℃，光照強(qiáng)度為100、1 000、3 000、5 500 lx時(shí)，花藥均能開裂，開裂時(shí)間分別為28、24、24、22 min。當(dāng)溫度為24 ℃時(shí)，溫濕度相同、光照強(qiáng)度越大，花藥開裂時(shí)間越短，但是相差不明顯。

3　討論

溫度的變化是影響滇重樓花藥開裂時(shí)間的主導(dǎo)因子，高濕度及黑暗推遲花藥開裂，但并不能阻止花藥開裂，而中低濕度及有光照時(shí)的不同光照強(qiáng)度對(duì)花藥開裂時(shí)間幾乎無(wú)影響。不同溫度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)在一定光照強(qiáng)度、相對(duì)濕度條件下，低溫能夠使得花藥12 h持續(xù)不開裂，符合現(xiàn)在普遍認(rèn)為花藥只有在天氣足夠溫暖和干燥，能夠便于傳粉時(shí)才會(huì)開裂的觀點(diǎn)(Faegri et al，1979)。而光照強(qiáng)度越高，要使花藥持續(xù)不開裂所需溫度越低。

綜上所述，可以解釋滇重樓花藥白天開裂夜晚關(guān)閉的現(xiàn)象與環(huán)境因子的關(guān)系：白天光照強(qiáng)度由0逐漸增強(qiáng)，使得花藥開裂的最低溫要求降低，解除黑暗對(duì)花藥開裂的推遲作用；同時(shí)，溫度不斷升高，濕度不斷下降解除高濕度對(duì)花藥開裂的推遲作用，隨著溫度升高到足以使花藥正常開裂的溫度，花藥便逐漸開裂；而夜晚溫度迅速降低并不斷降低，使得花藥關(guān)閉并整晚保持持續(xù)關(guān)閉狀態(tài)，光照強(qiáng)度的減弱直至黑暗使得花藥開裂的最低溫升高，從而促進(jìn)花藥的關(guān)閉。

圖 2　光照強(qiáng)度-溫度、溫度-相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度-相對(duì)濕度的交互作用圖Fig. 2　Interaction between pair wise of light intensity, temperature and relative humidity

圖 3　不同溫度下滇重樓花藥開裂時(shí)間Fig.3　Paris polyphylla var. yunnanensis anther dehiscence time at different temperatures

植物開花及花藥開裂、散粉對(duì)植物繁殖和育種具有重要意義。滇重樓花藥的適時(shí)開裂是保護(hù)花粉、延長(zhǎng)花粉壽命、增強(qiáng)雄性適合度的一種適應(yīng)機(jī)制(王定康等，2008)，通過(guò)控制光照強(qiáng)度、溫度、濕度、光質(zhì)等環(huán)境因子對(duì)滇重樓花藥開裂行為及花藥開裂時(shí)間實(shí)現(xiàn)人為調(diào)控，為滇重樓的繁殖栽培、選種育種提供重要支持。

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Effects of ecological factors on anther dehiscence ofParispolyphyllavar.yunnanensis

ZHAO Zheng，YIN Fang-Yuan，GENG Kai-You，HOU Xiu-Li，WANG Bin，WANG Ding-Kang*

( Kunming University, Kunming 650214，China )

Parispolyphyllavar.yunnanensisto Trilliaceae plants, have a very high medicinal value, because of the traditional medicinal part slow growth and low fertility. Due to the excessive excavation of the resources of wildP.polyphyllavar.yunnanensisexcessive excavation, the resource is dried up. Anther dehiscence is a multistage process involving localized cellular differentiation and degeneration, combined with changes to the structure and water status of the anther to facilitate complete opening and pollen release. Jasmonic acid has been shown to be a critical signal for dehiscence, although other hormones, particularly auxin, are also involved. Anther dehiscence is affected by light, temperature, humidity and other ecological factors.P.polyphyllavar.yunnanensisof anther in the entire flowering cracking-closure phenomenon, anther effective closure should protect pollen, for extend the service life of pollen, the increase of a male fitness adaptation mechanism. We observed the effects of ecological factors, light intensity, temperature, humidity changes in anther dehiscence process ofP.polyphyllavar.yunnanensis. The effects of ecological factors such as light intensity, temperature, relative humidity and light quality on the anther dehiscence ofP.polyphyllavar.yunnanensiswere studied by comparing experiments and orthogonal experiments. The main experimental results were as follows: Light intensity and temperature increased, humidity droped in the process of anther dehiscence ofP.polyphyllavar.yunnanensis; Temperature was the main factor affecting anther dehiscence, temperature increasing encouraged anther opening and temperature decreasing encouraged anther closing; Dark and high humidity delayed anther dehiscence, but it did not prevent anther dehiscence; Low temperature kept anther remaining closed for a long time and increasing light intensity could reduce the temperature limiting anther dehiscence. The study explains the relationship between environmental factors and the phenomenon of anther opening in the daytime and closing at night，and provides the information for cultivation and breeding ofP.polyphyllavar.yunnanensis.

Parispolyphyllavar.yunnanensis, ecology factor, anther dehiscence

10.11931/guihaia.gxzw201510029

2015-11-26

2016-01-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(31260073) [Supported by the National Natural Science Foundation of China(31260073)] 。

趙崢(1980-)，女，云南昆明人，博士，副教授，主要從事植物繁殖生物學(xué)研究，(E-mail)zhaozheng2118@163.com。

王定康，博士，教授，從事植物繁殖生物學(xué)研究，(E- mail)wdk117@163.com。

Q948.1

A

1000-3142(2016)10-1192-06

趙崢，尹芳園，耿開友，等. 生態(tài)因子對(duì)滇重樓花藥開裂的影響 [J]. 廣西植物，2016，36(10):1192-1197

ZHAO Z，YIN FY，GENG KY，et al. Effects of ecological factors on anther dehiscence ofParispolyphyllavar.yunnanensis[J]. Guihaia，2016，36(10):1192-1197