沙生植物倒披針葉蟲實(shí)交配系統(tǒng)的研究

周娟，劉彤*，湯景光 ，崔向陽

（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十四師224團(tuán)農(nóng)業(yè)科，新疆 和田 848100）

繁育系統(tǒng)是指代表所有影響后代遺傳組成的有性特征的總和[1]，主要包括花形態(tài)特征、花的開放式樣、花各部位的壽命、傳粉者種類和頻率、自交親和程度和交配系統(tǒng)，其中交配系統(tǒng)是核心[2]。交配系統(tǒng)的時空動態(tài)基本上是由遺傳控制的花的特征決定，如花粉/胚珠值、花形態(tài)、花粉大小、自交親和的程度等[3]。植物繁育系統(tǒng)是影響生殖后代遺傳組成和適合度的主要因素，而交配系統(tǒng)的定量測定已經(jīng)成為繁育系統(tǒng)研究中的一個重要部分[4-9]。

在干旱區(qū)荒漠、半荒漠及鹽堿地上分布的植物，為了適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境而形成了各種適應(yīng)荒漠的特征，其中繁育系統(tǒng)為其種群的延續(xù)起到了重要作用。例如地膚屬（KochiaRoth）木地膚（Kochia prostrata）的繁育系統(tǒng)為異交自交混合型繁殖系統(tǒng)[10]；石竹科（Caryophyllaceae） 裸果木屬 （Gymnocarpos） 裸果木（Gymnocarpos przewalskii）的繁育系統(tǒng)為兼性異交類型且需要傳粉者[11]。十字花科（Brassicaceae）早春短命植物甘新念珠芥（Neotorularia korolkovii）和寬翅菘藍(lán)（Isatis violascens）主要以自花傳粉的方式進(jìn)行交配[12]。罌粟科（Papaveraceae sp.）角茴香屬（Hypecoum）的早春沙生短命植物角茴香(Hypecoum erectumL.)為混合式繁育系統(tǒng)[13]。紫草科（Boraginaceae）鶴虱屬（LappulaV.Wolf）的兩形果鶴虱（Lappula duplicicarpa）和異形狹果鶴虱（L.semiglabra）為混合式交配系統(tǒng)[14]?；哪貐^(qū)植物的繁育系統(tǒng)不存在一致性，即使屬于同一科屬，不同種的植物的繁育系統(tǒng)也存在一定差異。

倒披針葉蟲實(shí) (C.Lehmannianum)為藜科蟲實(shí)屬一年生早春短命植物，在古爾班通古特沙漠主要生長于沙丘的中部和上部沙面呈活化狀態(tài)的區(qū)域，且分布廣泛，重要值僅次于沙漠建群種白梭梭(Haloxylon persicum)，是一類極具開發(fā)價值的沙生植物[15-17]。但是，目前關(guān)于該物種的繁育系統(tǒng)研究較少，尤其是對其生活周期中關(guān)鍵階段的花粉活力、柱頭可授性等方面的研究尚鮮見報道。因此，本研究對倒披針葉蟲實(shí)繁育系統(tǒng)進(jìn)行研究，揭示其在沙漠環(huán)境下所采取的繁殖策略及其廣布原因，以期為保護(hù)和開發(fā)該植物資源提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于古爾班通古特南緣，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師148團(tuán)沙漠，該區(qū)屬溫帶干旱荒漠氣候。全年平均氣溫5-7℃，夏季炎熱，極端高溫可達(dá)40℃以上，冬季酷寒而漫長，極端低溫可達(dá)-40℃以下。冬季一般積雪深度10-30 cm，使得該區(qū)土壤墑情和水熱配置良好，為短命植物的生長發(fā)育提供了良好的條件。年降水量70-150 mm，年蒸發(fā)量為2000-2800 mm，為降水量的10倍以上。實(shí)驗(yàn)時間為5月初至6月初，從倒披針葉蟲實(shí)開花到生育期結(jié)束。

1.2 方法

1.2.1 花部特征觀測

開花時，在10個處于盛花期的植株上隨機(jī)選取20朵小花，使用解剖鏡對其花部特征進(jìn)行解剖觀測并拍照，統(tǒng)計分析不同植株上的小花在形態(tài)特征上是否存在差異。

1.2.2 花粉活力及柱頭可授性觀測

1.2.2.1 花粉活力的變化

于盛花期的某天 6：30-18：30，每隔 1 h取 1次花粉，對處于同一發(fā)育狀態(tài)的單花進(jìn)行花粉活力日變化的測定。具體方法是取花藥放置在載玻片上，用解剖針將其戳破，使花粉散出，滴0.5%TTC的染液，迅速蓋上蓋玻片，放入內(nèi)有濕濾紙的培養(yǎng)皿中，在黑暗條件下放置2 h，4次重復(fù)，每個重復(fù)觀測5個視野，被染成紅色(活力較強(qiáng))和淡紅色(活力較弱)的為有活力花粉，無色的則為無活力的花粉。有活力花粉的比率（%）＝（紅色花粉數(shù)目＋淡紅色花粉數(shù)目）/觀察花粉總數(shù)目×100%。

1.2.2.2 柱頭的可授性檢驗(yàn)

采用過氧化氫-聯(lián)苯胺法檢驗(yàn)柱頭可授性。具體做法是在盛花期某天6：30-16：30，每隔 1 h取1次同樣發(fā)育狀態(tài)的柱頭，將其柱頭浸入盛有反應(yīng)液（體積比為1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水＝4∶11∶22）的凹形載玻片的凹陷處進(jìn)行檢測。若柱頭具有可授性，則周圍出現(xiàn)藍(lán)色并有大量氣泡產(chǎn)生。

1.2.3 花粉－胚珠比(P/O)的測定

按照Cruden[18]的方法，選取花藥尚未開裂的花10個，用FAA固定，帶回實(shí)驗(yàn)室。取每朵花的所有花藥，分別置于若干載玻片上，在體視顯微鏡下用解剖針去除花藥壁，使花粉散出，做成水裝片，置于顯微鏡下觀察，統(tǒng)計花粉量之和，共10個重復(fù)。取雌蕊在體視顯微鏡下用解剖針劃開，計數(shù)胚珠數(shù)，重復(fù)10次。用平均單花花粉量除以平均單花胚珠數(shù)即得P/O值。

1.2.4 雜交指數(shù)的估算

參照 Dafni[19]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雜交指數(shù)（Outcross index，OCI）的估算和繁育系統(tǒng)的評判：花朵或花序直徑<1 mm記為0；1≤x<2 mm記為 1；2≤x<6 mm記為2；x≥6 mm記為3；花藥開裂時間與柱頭可授期之間的時間間隔，同時或雌蕊先熟記為0，雄蕊先熟記為1；柱頭與花藥的空間位置，同一高度記為0，空間分離記為1。三者之和為OCI值，當(dāng)OCI＝0時，繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI＝1時，繁育系統(tǒng)為專性自交；OCI＝2時，繁育系統(tǒng)為兼性自交；OCI＝3時，繁育系統(tǒng)為自交親和，有時需傳粉者；OCI＝4時，繁育系統(tǒng)為部分自交親和、異交，需要傳粉者。

1.2.5 授粉實(shí)驗(yàn)

由于倒披針葉蟲實(shí)穗狀花序中的花較小，去雄很困難。因此，在實(shí)驗(yàn)時，我們選取生長勢基本一致的植株10個，并在每植株相同部位上標(biāo)記大小基本一致且即將開放的穗狀花序2個（共20個），將這些花序分成2組（每組10個）進(jìn)行如下處理：（a）不套袋，自然傳粉，檢測其結(jié)實(shí)率；（b）開花前套羊皮紙袋，檢測自花傳粉條件下的結(jié)實(shí)率。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

利用統(tǒng)計分析軟件SPSS15.0對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。首先用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)的正態(tài)性，經(jīng)檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布后，進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)。使用Excel 2003軟件繪制曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花部特征觀測

倒披針葉蟲實(shí)花期一般從5月上旬開始，6月上旬結(jié)束，花序自下向上漸次開花。解剖發(fā)現(xiàn)小花在形態(tài)特征上有些許差異，主要體現(xiàn)在雄蕊個數(shù)上。實(shí)驗(yàn)過程中，在解剖鏡下觀察到了具有3枚雄蕊和罕見的具有4枚雄蕊的植株個體。普通的倒披針葉蟲實(shí)雄蕊數(shù)量為1到3枚，普遍為3枚。

圖1 單花發(fā)育的形態(tài)特征Fig.1 Flower morphology ofC.lehmannianum

2.2 花粉活力及柱頭可授性

倒披針葉蟲實(shí)花的花粉活力動態(tài)變化曲線圖（圖2）顯示：當(dāng)太陽還未升起，溫度很低濕度很大時，花粉活力最低只有 26%；在早 9：30時，溫度濕度都較為適宜，花粉活力達(dá)到最高峰為93.8%；活力高峰后3 h時內(nèi)的花粉活力均在70%以上，隨后花粉活力開始緩慢下降。柱頭可授性在6：30-7：30無可授性，9：30-10：30時可授性最強(qiáng)，此后逐漸減弱。倒披針葉蟲實(shí)花的花粉活力與柱頭可授期具有高度的同步性，其花粉活力最高時期正是柱頭的最佳可授期。

圖2 倒披針葉蟲實(shí)花粉活力的日變化Fig 2 The daily change of pollen viability ofC.lehmannianum

表1 倒披針葉蟲實(shí)柱頭可授性變化Tab.1 The variety of stigma receptivity ofC.lehmannianum

2.3 P/O值估算

倒披針葉蟲實(shí)平均單花花粉數(shù)量為1906粒，胚珠1枚，故P/O值為1906±510。依據(jù)Cruden[18]的標(biāo)準(zhǔn)，P/O為244.7-2588.0時，繁育系統(tǒng)為兼性異交類型。

2.4 OCI的估算參照

根據(jù)Dafni[19]的標(biāo)準(zhǔn)，倒披針葉蟲實(shí)單花直徑測定值為1.8-2.5 mm，分值為2，花藥開裂與柱頭可授期之間時間間隔和柱頭和花藥在空間上的相對位置分值均為0，相加所得的OCI值為2，表明倒披針葉蟲實(shí)的繁育系統(tǒng)為兼性自交類型。

2.5 授粉試驗(yàn)

倒披針葉蟲實(shí)套袋后的結(jié)實(shí)率為（54.75±4.2）%，說明倒披針葉蟲實(shí)自交親和，且自交結(jié)實(shí)率很高；自然狀態(tài)下的結(jié)實(shí)率為（91.69±5.7）%，二者在P<0.05水平差異顯著，可能說明自然狀態(tài)下有更多的授粉機(jī)會，異交會大大提高其結(jié)實(shí)率。所以結(jié)合P/O比和OCI值，可以確定倒披針葉蟲實(shí)為兼性自交，自交繁殖成功成功率很高，異交為輔，更能提高結(jié)實(shí)率、個體間遺傳多樣性和后代適合度。

3 結(jié)論與討論

在古爾班通古特沙漠，倒披針葉蟲實(shí)主要分布在流動和活化沙丘上，受風(fēng)沙等因素影響，植株選擇合適時間完成授粉過程顯得格外重要。研究表明，倒披針葉蟲實(shí)的最佳可授期在9：30-10：30，溫度、濕度、照度達(dá)到了授粉的最適宜條件，花粉活力迅速增高，同時柱頭可授性增強(qiáng)，完成授粉過程，而此時正是沙漠風(fēng)小、濕度大的時間，是倒披針葉蟲實(shí)授粉的最佳時期。隨后隨著太陽的升起，溫度增高、濕度下降，花粉和柱頭活力均逐漸下降。古爾班通古特沙漠沙塵暴多發(fā)時段在15：00-23：00時，傍晚是活動高峰[20]，因此倒披針葉蟲實(shí)在 9：30-10：30時達(dá)到同步高峰，成功規(guī)避沙塵暴，增加了在不可預(yù)測環(huán)境中授粉的機(jī)會與效率，從而保障生殖成功。

同樣受風(fēng)沙等因素的影響，倒披針葉蟲實(shí)為提高其繁殖成功，應(yīng)該是一個常自交物種。本研究通過對比OCI值表明其的繁育系統(tǒng)為兼性自交，通過授粉試驗(yàn)得出自交率高達(dá)54.75%，自然情況下結(jié)實(shí)率為91.69%，顯著高于大多數(shù)植物[21]，這在自然界中極其罕見。另一方面，倒披針葉蟲實(shí)進(jìn)入花期時，花序自下而上展開，進(jìn)行漸次開花，Bullock等[22]指出，與大量同時開花相比，漸次開花使得植株可以更靈活地控制花、果之間的資源分配。此物種還具有邊開花邊結(jié)實(shí)的特性，即花序頂端為花期，而下部已經(jīng)坐果，這與大多數(shù)植物花果期分離的現(xiàn)象有所區(qū)別[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，倒披針葉蟲實(shí)高的自交率為其花序連續(xù)開放，高的結(jié)實(shí)率提供了保證。

同時發(fā)現(xiàn)倒披針葉蟲實(shí)也是一個兼性自交的植物，P/O值為 1906±510，根據(jù) Cruden[18]的標(biāo)準(zhǔn)，P/O值的降低意味著近交程度的升高，推測其交配方式屬于兼性異交?；哪参锏古樔~蟲實(shí)種群個體在沙漠中分布極不均勻，常成群，成簇，成塊或斑點(diǎn)地密集分布，是典型的集群分布，在流動沙丘的中上部密度最大[15]。倒披針葉蟲實(shí)種群空間分布以聚集斑塊形式分布更有助于同一區(qū)域內(nèi)的植株個體互相之間傳播花粉。在這種高密度的種群分布狀況下，植株產(chǎn)生更多花粉和花藥，通過提高P/O值，有效爭取異交的可能性，提高結(jié)實(shí)率，提高個體間遺傳多樣性。若有個別種子萌發(fā)時遠(yuǎn)離斑塊向外擴(kuò)散，植株也可采用自交的方式保證一定的結(jié)實(shí)率，這種獨(dú)特的交配系統(tǒng)是其在古爾班通古特沙漠能廣泛分布的重要原因之一。

本研究還發(fā)現(xiàn)，部分植株小花在雄蕊個數(shù)上存在差異，大部分小花具有3枚雄蕊和少部分具有4枚雄蕊。倒披針葉蟲實(shí)雄蕊為1-(3)，即雄蕊數(shù)量為1到3枚，普遍為3枚，尚未有文獻(xiàn)未針對具有4枚雄蕊的個體進(jìn)行描述。此次發(fā)現(xiàn)的具有4枚雄蕊的小花也許是局域種群內(nèi)少數(shù)個體產(chǎn)生變異，也可能在此物種中廣泛存在，這還有待于進(jìn)一步探索。

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