藥用植物直緣烏頭花部特征和繁育系統(tǒng)研究

艾洪蓮，羅慶輝，王文祥，楊曼思,字淑慧，何 雋,*

(1中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢430074；2云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明 650201)

藥用植物直緣烏頭花部特征和繁育系統(tǒng)研究

艾洪蓮1，羅慶輝2，王文祥2，楊曼思2,字淑慧2，何 雋1,*

(1中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢430074；2云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明 650201)

為研究藥用植物直緣烏頭的有性繁殖特性，分別采用TTC法和聯(lián)苯胺-過氧化氫法檢測了花粉活力和柱頭可授性，對其開花動態(tài)和傳粉昆蟲進(jìn)行了觀察，并通過人工授粉確定了其繁育系統(tǒng)類型. 結(jié)果表明：直緣烏頭自交不親和，屬于專性異交(異花授粉座果率87%)；單花期為7～9 d，花粉活力在開花第3 d達(dá)到最大值；柱頭可授性在開花第6 d最強(qiáng)，屬于雌雄異熟；在花藥散粉結(jié)束、花絲向四周彎曲遠(yuǎn)離柱頭后，雌蕊才能展現(xiàn)出來，表現(xiàn)為雌雄異位. 中華蜜蜂和熊蜂為主要傳粉昆蟲，訪花頻率分別為7.4次/(花/h)和4.6次/(花/h)，兩者取食花蜜的方式不同，但訪花行為均是由下而上(96%). 因此，直緣烏頭獨特的雌雄異位和雌雄異熟共同存在的機(jī)制與傳粉昆蟲訪花行為的協(xié)同進(jìn)化有效避免了性別干擾，促進(jìn)異交.

直緣烏頭；雌雄異熟；雌雄異位；繁育系統(tǒng)；性別干擾

花是被子植物的繁殖器官，比所有其他類群有機(jī)體的繁殖器官都表現(xiàn)出更高的變異性[1]. 花多樣性影響植物的傳粉和交配格局，其適應(yīng)意義一直是植物生殖生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究的熱點之一. 自達(dá)爾文以來，花多樣性，尤其是雌雄異熟和雌雄異位的適應(yīng)意義大多被認(rèn)為是促進(jìn)異交、避免自交的作用機(jī)制[2]. 然而，由于許多具有雌雄異位或雌雄異熟的植物具有自交不親和性，因此白偉寧和張大勇[3]用性別干擾理論解釋了各種花部性狀的適應(yīng)意義，并強(qiáng)調(diào)通常被解釋為避免自交的花部機(jī)制實際上更可能是為了避免性別干擾.

直緣烏頭(AconitumtranssectumDiel)又名小黑牛、大草烏，屬毛茛科(Ranunculaceae)烏頭屬(Aconitum)植物，主要分布在云南西北部[4].根有大毒.藥用治療跌打損傷、關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)性疼痛、中風(fēng)癱瘓、胃腸炎、月經(jīng)不調(diào)等疾病. 直緣烏頭含有生物堿成分，是工業(yè)生產(chǎn)草烏甲素的原料[5]. 近年來，隨著市場需求的不斷增長，直緣烏頭被過度采挖，野生居群正在急劇減少，人工種植直緣烏頭成為解決這一困境的有效辦法之一.目前人工栽培烏頭主要以根狀莖無性繁殖為主，但是無性繁殖后代之間的遺傳同一性和生理趨同性使得疾病更易傳播，而且導(dǎo)致種群遺傳多樣性下降[6]. 有性繁殖則通過異交產(chǎn)生了較高的遺傳多樣性，維持了其繁殖活力、抗病蟲害和適應(yīng)環(huán)境變化的能力[7]. 因此，研究直緣烏頭的有性繁殖特性，對保證該物種的遺傳多樣性、環(huán)境變化的適應(yīng)性等具有重要的現(xiàn)實意義.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

直緣烏頭的野生植株，2013年10月下旬從云南麗江高山植物園移栽在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山種植基地，2014年9月及2015年8～10月份對直緣烏頭進(jìn)行了觀察和實驗.

1.2 研究方法

1.2.1 開花動態(tài)

隨機(jī)選取位于不同植株上的10個花序做標(biāo)記，觀察記錄花序的開花順序. 選擇每個花序上位于中間部位的花蕾進(jìn)行標(biāo)記，每株選取2朵，共觀察20朵花. 每天10:00～17:00記錄花的狀態(tài)，包括花雌雄蕊位置變化及單花花持續(xù)期、雄性(蕊)持續(xù)期和雌性(蕊)持續(xù)期.

1.2.2 花粉活力和柱頭可授性檢測

在盛花期標(biāo)記即將開放的花并套袋至單花期結(jié)束. 用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定花粉的活力和壽命，用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定柱頭的可授性[8]，每個處理選取5朵花.

1.2.3 繁育系統(tǒng)檢測

為避免資源分配而引起的結(jié)實率差異，隨機(jī)選擇位于不同花序中間位置的花，分別做如下處理：(1) 套袋：隔離訪花昆蟲；(2) 去雄套袋：在開花前去雄；(3) 人工異株異花授粉：在開花前去雄，盛花期進(jìn)行1～2次授粉，花粉采自距離10 m以外直緣烏頭的新鮮花粉；(4) 人工自花授粉：盛花期用該花的新鮮花粉授粉到自花柱頭；(5) 人工同株異花授粉：盛花期用該植株上其他花的新鮮花粉授粉到自花的柱頭上；(6) 自然對照. 處理(1)～(5)整個花期套袋. 每種處理30朵花. 一個月后果實成熟但未裂開時收集果實統(tǒng)計座果率.

1.2.4 傳粉昆蟲觀察

盛花期，在實驗樣地選取10株開花集中的直緣烏頭對其開花數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計. 2015年9月6～8日連續(xù)3 d在10:00～17:00期間觀察記錄傳粉昆蟲的種類及其傳粉頻率. 記錄其在花序上的訪問順序及在植株上的訪問行為. 觀察結(jié)束后捕捉主要的傳粉昆蟲進(jìn)行鑒定.

2 實驗結(jié)果

2.1 直緣烏頭的開花動態(tài)及其花部特征

直緣烏頭開花順序為花序基部先開，依次向上開放. 整個居群花期為八月下旬到九月下旬，單花持續(xù)期為7～9 d (圖1A-G). 花蕾期花絲較短花藥緊貼柱頭周圍. 花萼開裂后，花絲開始伸長，當(dāng)花藥位于柱頭上方時，花藥開裂散出花粉. 散粉結(jié)束花絲彎曲并遠(yuǎn)離柱頭，此時花柱伸長，柱頭具有可授性. 單花雄蕊數(shù)目為58.5+12.5(N=20)，開花第1 d少量花藥散粉，第3 d花藥開裂數(shù)量最多，隨之減少，雄蕊持續(xù)期為6 d. 單花雌蕊數(shù)目65+23.2(N=20)，開花第3 d花柱伸長，柱頭表面潮濕具有可授性，雌蕊持續(xù)期為8 d 左右.

A-G：開花動態(tài)，A-D為雄蕊持續(xù)期，E-G為雌蕊持續(xù)期；H熊蜂訪花行為，I中華蜜蜂訪花行為圖1 直緣烏頭開花動態(tài)及其傳粉者Fig. 1 Flowering phenology and pollinators of Aconitum transsectum

2.2 花粉活力和柱頭可授性

由圖2a可知，直緣烏頭的花藥成熟規(guī)律與其花粉活力成正比，開花前3 d散粉的花藥占單花總數(shù)60%以上，第3 d成熟花藥數(shù)目最多. 開花當(dāng)天，花粉活力47.40%，開花第3 d花粉活性最強(qiáng)高達(dá)91.56%，第4 d為70.72%，而第5 d花粉活力僅15.36%. 花粉活力持續(xù)期為5 d(圖2).再結(jié)合圖1可知，花藥開裂數(shù)目為雄蕊總數(shù)的1/2時，花粉活力最強(qiáng).

a) 每天開裂的花藥數(shù)目 b)花粉活力圖2 直緣烏頭花藥開裂速率及花粉活力 Fig. 2 The number of anther dehiscence and pollen viability during flowering of Aconitum transsectum

由表1可知，直緣烏頭的柱頭在開花前3 d被花藥覆蓋，活性較低，當(dāng)花藥散粉結(jié)束花絲彎曲遠(yuǎn)離柱頭時，花柱伸長柱頭露出，可授性逐漸增強(qiáng)，開花第6 d柱頭可授性最強(qiáng)， 之后活性降低，直到花萎蔫時柱頭仍具有微弱的可授性.

表1 直緣烏頭柱頭可授性檢測

注:“ -”柱頭不具可授性;“ +”柱頭具有可授性; “ +/ ++”柱頭具有可授性, 部分柱頭可授性較強(qiáng)；“++ ”柱頭可授性較強(qiáng);“+++”柱頭可授性最強(qiáng)

2.3 繁育系統(tǒng)

由表2可知，套袋和去雄套袋處理的花都沒有產(chǎn)生種子，表明直緣烏頭不能進(jìn)行自花授粉，也不存在無融合生殖現(xiàn)象.

表2 直緣烏頭座果率統(tǒng)計

人工自花授粉和人工同株異花授粉處理的花都沒有產(chǎn)生種子，而人工異株異花授粉座果率高達(dá)87%，因此直緣烏頭自交不親和，繁育系統(tǒng)類型為專性異交. 自然傳粉的座果率83%，與人工異株異花授粉的座果率沒有顯著差異，說明直緣烏頭不存在花粉限制現(xiàn)象. 去雄后自然傳粉的座果率為63%，低于自然傳粉的座果率，可能因為花粉是傳粉昆蟲的重要報酬，花粉去除后降低了花對傳粉昆蟲的吸引力度，從而降低了訪花頻率.

2.4 訪花昆蟲種類和行為

在實驗樣地觀察發(fā)現(xiàn)，熊蜂和中華蜜蜂是直緣烏頭穩(wěn)定的傳粉昆蟲. 熊蜂訪花時口器伸到花瓣頂部的蜜腺取食花蜜，在這個過程中熊蜂的胸部和腹部與散粉的花藥或柱頭接觸完成花粉的輸出或輸入(圖1H). 中華蜜蜂的訪花行為不同于熊蜂，由于其體型較小，在訪花時，中華蜜蜂從下面花萼的開口處整個身體進(jìn)入花內(nèi)，爬行經(jīng)過花藥和柱頭后到達(dá)花頂部取食花蜜，此過程中其腹部和胸部與花藥和柱頭充分接觸(圖1I)，傳粉效率高. 中華蜜蜂的訪花頻率為7.4次/(花/h)，熊蜂的訪花頻率為4.6次/(花/h). 對20只中華蜜蜂訪花行為觀察發(fā)現(xiàn)，中華蜜蜂由下向上訪問的花序占96.7%，而由上向下的順序占3.3%.

3 結(jié)語

直緣烏頭的花顏色鮮艷，花萼特化為花瓣狀，呈藍(lán)紫色；并且花瓣分泌大量花蜜，具有吸引昆蟲的特點，是典型的蟲媒花. 直緣烏頭花開放時花藥首先散粉，雄蕊先熟. 已有研究表明，以異花傳粉為主的植物，其花藥散粉持續(xù)時間主要由昆蟲的訪問頻率決定，如果訪花昆蟲較少，花藥散粉的持續(xù)時間延長，同朵花中雌雄性功能將發(fā)生時間上的重疊[9]. 然而，在我們的研究中并未發(fā)現(xiàn)雌雄性功能重疊的情況. 花粉活力和柱頭可授性實驗結(jié)果表明，直緣烏頭的花粉活力在開花后第3 d最強(qiáng)(90%以上)，到第5 d花粉活力僅為15%左右；在開花第6 d柱頭可授性最強(qiáng)，因此，直緣烏頭雌雄性功能不重疊，屬于雌雄異熟. 此外，由于只有在花藥散粉結(jié)束、花絲向四周彎曲遠(yuǎn)離柱頭后，雌蕊才能展現(xiàn)出來，因此，直緣烏頭的花表現(xiàn)為動態(tài)式雌雄異位. 雌雄異熟和雌雄異位在毛茛科翠雀族植物中廣泛存在[10]，這兩種機(jī)制的共同存在被認(rèn)為有效促進(jìn)了植物的異花傳粉并避免了性別干擾[11]. 試驗結(jié)果顯示同株異花授粉和自花授粉處理的花均沒有產(chǎn)生種子，而人工異株異花授粉和自然傳粉處理的花座果率均較高，說明直緣烏頭自交不親和，是典型的專性異交植物. 因此，直緣烏頭中的雌雄異熟和雌雄異位相結(jié)合的機(jī)制是為了避免性別干擾，而非避免自交.

有研究表明，熊蜂是烏頭屬植物的主要傳粉者[11]. 在實驗樣地發(fā)現(xiàn)熊峰和中華蜜蜂是直緣烏頭的主要傳粉昆蟲. 中華蜜蜂和熊蜂訪花時，均由下向上依次訪問的訪花順序與其他烏頭屬植物相同[12]. 直緣烏頭為總狀花序，雄蕊先熟，傳粉昆蟲由下向上的訪花行為對直緣烏頭的傳粉具有重要意義. 直緣烏頭下方的花比其上方的花期要早，先被訪問的花其花粉已經(jīng)散出，處于雌性功能期，而上方的花正處于雄性功能期，這樣的訪花行為避免了同株異花授粉所導(dǎo)致的花粉貼現(xiàn)和胚珠貼現(xiàn). 極大促進(jìn)了花粉在不同植株間的傳播. 因此，直緣烏頭特殊的花特征(雌雄異位和雌雄異熟)結(jié)合傳粉昆蟲的訪花行為有效地避免了性別干擾，促進(jìn)了異交的發(fā)生.

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Floral Syndrome and Breeding System of Aconitumtranssectum(Ranunculaceae)

Ai Honglian1, Luo Qinghui2, Wang Wenxiang2, Yang Mansi2, Zi Shuhui2, He Juan1

(1 College of Pharmacy, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China;2 School of Agriculture and Biological Technic, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Pollen viability and life-span ofAconitumtranssectumDiel was evaluated by TTC (2, 3, 5-triphenyltetrazolium chloride) test; stigma receptivity was estimated by benzidine-H2O2method. The flowering dynamics, pollination surveys and hand-pollination treatments were conducted on the field. Our results showed thatA.transsectumwas dichogamy and herkogamy. Pollen viability was about 50% at the blooming day with the maximum value 91.56% on the 3th days after flowering and last 5days. Three days after blooming，stigmas were receptive and reached the maximum value of receptivity on the 6th day, and then decreased till flowers wilted. The filament was elongating after flowering and above the stigmas when pollen viability was the strongest, and then the filaments bent and apart from stigmas. The effective pollinators were honeybee andBombussp.. They visited upward on the inflorescence. Controlled hand-pollination experiment showed thatA.transsectumis self-incompatible without apomixy. Results revealed that the combination of floral traits including dichogamy, both the movement of filament and the action of pollinators efficiently enhance outcrossing success.

Aconitumtranssectum；dichogamy；herkogamy；breeding system；sexual interference

2016-06-29 *通訊作者 何 雋，研究方向：民族藥用植物化學(xué)，E-mail：2015048@mail.scuec.edu.cn

艾洪蓮(1981-)，女，講師，博士，研究方向：民族藥用植物學(xué)，E-mail: 2015050@mail.scuec.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(31560010)；中南民族大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(CZY16010)

Q949.95；Q948.12

A

1672-4321(2016)04-0060-04