高山植物甘青鐵線蓮花冠下垂現(xiàn)象適應性意義

孫 坤，范寶強，侯勤正，王思源，張世虎

(西北師范大學 生命科學學院，甘肅 蘭州 730070)

花部特征的演化一直是進化生物學家關注的熱點，但是其進化機制仍不明確.早在1970年，著名進化生物學家Stebbins提出“最有效的傳粉者原則”[1]，即花部特征是由當?shù)刈铑l繁、最有效的傳粉者所塑造的[2].這一觀點得到了來自物種水平和系統(tǒng)發(fā)育水平研究的支持[3-6].然而，近年來研究者們認識到花部特征的演化受到多種因子的影響[7-8]，一系列非傳粉者作用因子，如植食作用[9]、盜蜜行為[10]以及環(huán)境因素[11-13]等都會驅動植物花部結構特征的進化.因而，研究者們認為花部特征的進化可能處在特殊和復雜的綜合選擇體系中[14].

花朵下垂現(xiàn)象是植物與周圍環(huán)境長期相適應的結果，這種花部特征的適應性意義表現(xiàn)在多個方面，例如花朵下垂可以強化昆蟲吸引，從而增加傳粉者的拜訪幾率，并提高傳粉成功率[15-16]；減少雨水沖刷對花粉和柱頭的傷害，提高繁殖適合度[13,17-18]；避免陽光直射對花粉的傷害，提高花粉活力[11,13,16]；保障種子發(fā)育，提高植物結籽率[13,18].然而，少有學者對花朵下垂現(xiàn)象的適應性意義做系統(tǒng)綜合研究.侯勤正等[13]從傳粉者種類和數(shù)量、花粉雨水沖刷、陽光直射干擾、結籽率以及種子特征(種子大小特征和種子萌發(fā)率)等多個方面對灌木鐵線蓮(ClematisfruticosaTurcz.)花朵下垂現(xiàn)象做了系統(tǒng)研究，結果證明灌木鐵線蓮花朵下垂現(xiàn)象沒有對主要傳粉者的種類和數(shù)量產生影響，但是會通過花萼下垂形成的“傘”型結構有效避免了雨水對花粉沖刷以及陽光直射對花粉造成的傷害，同時也可以顯著提高結籽率，并且還可以提高種子宿存花柱長度，從而提高種子擴散能力.灌木鐵線蓮屬于毛茛科鐵線蓮屬植物，主要分布在黃土高原及相鄰干旱地區(qū)[19]，其花朵下垂現(xiàn)象顯然是對生境的有效適應[13].然而鐵線蓮屬植物種類較多，且在地理分布上存在較大差異，例如甘青鐵線蓮主要分布于高海拔地區(qū)的高原草地或灌叢[20].地理分布上的差異所帶來的生境差異是否會影響植物花部結構特征？或者說，類似的花部結構特征是否會因為生境的不同而表現(xiàn)出差異的適應性意義？顯然，對于這一問題的回答有助于加深理解植物花部結構特征的適應性意義，并為探討植物花結構的進化提供理論依據.

高山地區(qū)植物所面臨的生態(tài)環(huán)境較為惡劣，例如低溫、集中性強降雨、強紫外輻射、較高的晝夜溫差等，以及由此帶來的傳粉昆蟲種類和數(shù)量稀少，這些生物因子和非生物因子都會對植物的生存和繁殖造成影響.高山地區(qū)植物為應對惡劣自然環(huán)境會產生一系列適應性特征以保障繁殖[21]，然而對于高原植物花部結構特征的適應性意義研究較少.文中以分布于海拔1 370～4 900 m高原草地或灌叢中的甘青鐵線蓮為對象，開展其花朵下垂現(xiàn)象的適應性意義研究.如前所述，盡管侯勤正等[13]對甘青鐵線蓮同屬近緣種灌木鐵線蓮花朵下垂現(xiàn)象的適應性意義已做研究，然而類似的花部特征(花期花朵下垂)是否在完全不同的生境條件下產生差異的適應性意義仍未可知.文中通過設計甘青鐵線蓮花冠人為上舉后雨水沖刷、不同時間段陽光直射等試驗，探究過量雨水及強紫外線對甘青鐵線蓮花粉數(shù)量與質量兩方面的影響，并結合人為花冠上舉處理后訪花昆蟲行為的觀察及其結籽率和種子萌發(fā)率的測定，探討高海拔地區(qū)植物花冠下垂的適應性意義，并為進一步研究高海拔地區(qū)植物的進化及傳粉生物學特性提供科學依據.

1 實驗材料以及試驗方法

1.1 材料采樣地概況

研究地點位于甘南藏族自治州麻當鄉(xiāng)，樣地地處甘南州西北部，青藏高原和黃土高原的交接地帶，地勢西北高，東南低.境內平均海拔2 400 m，氣候寒冷干燥，一年中氣溫較低，年均降雨量600～810 mm，年均氣溫4 ℃.由于地處于高原，天氣多變，晝夜溫差大，太陽輻射強烈.

1.2 實驗材料

甘青鐵線蓮屬于毛茛科鐵線蓮屬的一種落葉藤本.一回羽狀復葉，有5～7小葉；花單生，有時為單聚傘花序；花序梗粗壯，有柔毛；瘦果倒卵形，有長柔毛，宿存花柱長達4 cm.分布于我國新疆、西藏、四川、青海、甘肅、陜西等海拔1 370～4 900 m高原草地或灌叢中.

1.3 雨水沖刷花粉數(shù)量統(tǒng)計

在所選實驗樣地(甘南藏族自治州夏河縣北部通往麻當鄉(xiāng)的公路邊)即將降雨前隨機選取20朵花藥剛開始散粉的花，標記并分成2組(每組10朵)，將1組花的花冠人為處理(使用牙簽、膠帶固定)使之上舉以接受雨水沖刷，另一組不作處理；同時在下雨前摘取10個不接受雨水沖刷的花作為該實驗的自然對照組.當天為中雨天氣(1 h內降水量為2.6～8.0 mm)，雨水持續(xù)了大約50 min.待雨水結束后小心取回標記花朵，帶回實驗室，并檢測上述三類花朵的花粉數(shù)目.

1.4 陽光直射花粉活力測定

1.4.1 離體花粉萌發(fā)條件測定 配置5%蔗糖、10%蔗糖、15%蔗糖3個濃度梯度的溶液，分別滴加少量硼酸搖勻完成培養(yǎng)基配置.選取花藥剛剛開裂后第0～4 d的花粉置于培養(yǎng)基上進行花粉萌發(fā)實驗(0 d表示花藥開裂后即進行實驗)，25 ℃恒溫箱中黑暗培養(yǎng)8 h后統(tǒng)計花粉總數(shù)和萌發(fā)花粉數(shù)，并計算花粉萌發(fā)率：萌發(fā)率=已萌發(fā)的花粉粒數(shù)目/花粉?？倲?shù)×100%.根據萌發(fā)率大小確定最佳萌發(fā)蔗糖濃度以及花粉持續(xù)時間.

1.4.2 陽光直射花粉活力測定 通過上述離體花粉萌發(fā)條件測定，發(fā)現(xiàn)5%蔗糖溶液下，花藥開裂0 d后的花粉萌發(fā)率(85%)顯著高于其他組合，因而選擇此條件組合對陽光直射后花粉活力進行測定.選擇天氣晴朗，日照強烈的天氣條件，在甘青鐵線蓮居群隨機選取30朵剛開始散粉的花，做以下五類處理：自然對照、人為花冠朝上日照1 h、人為花冠朝上日照2 h、人為花冠朝上日照3 h、人為花冠朝上日照6 h.處理結束后，回收五類處理花朵，分別收集保存好花粉，在已篩選好的最適條件下，進行五類花粉的離體培養(yǎng)實驗，25 ℃恒溫箱中黑暗培養(yǎng)8 h后統(tǒng)計花粉總數(shù)和萌發(fā)花粉數(shù)，并計算花粉萌發(fā)率.

1.5 訪花昆蟲觀察

在甘青鐵線蓮盛花期，觀察兩種狀態(tài)花朵(自然下垂和人工上舉)的訪花昆蟲種類、訪花頻率以及昆蟲單次訪花停留時間.觀察方法采用Arroyo等的方法[22]進行，觀察前選擇10～20朵剛開放的花朵，在3 m外觀察并記錄訪花昆蟲的種類、訪花行為及單次訪花停留時間，累計觀察時間不少于20 h.

1.6 單花結籽率及種子萌發(fā)率

隨機選取60朵花苞狀態(tài)下的花分為兩組，一組(30朵)人工上舉處理，另一組(30朵)作為自然對照，果實成熟后，收集并統(tǒng)計計算每個單花的結籽率.

做種子萌發(fā)率實驗前首先對甘青鐵線蓮種子最佳萌發(fā)條件做預實驗.選擇成熟飽滿的種子，分別置于15,20,25及30 ℃ 4個溫度梯度的培養(yǎng)箱中(每組各30粒種子，并設置5個重復)，并設置12 h光照，12 h黑暗的光周期處理，每天對每個培養(yǎng)皿中種子的發(fā)芽數(shù)進行統(tǒng)計，以胚根露出種皮作為種子萌發(fā)的標志，連續(xù)5 d沒有種子萌發(fā)作為發(fā)芽結束狀態(tài)，記錄種子最終的發(fā)芽數(shù)并計算萌發(fā)率：萌發(fā)率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%.

根據上述預實驗，發(fā)現(xiàn)在25 ℃下甘青鐵線蓮種子萌發(fā)率(51.73%±1.45%)顯著高于其他溫度，因而選擇此溫度條件對不同處理甘青鐵線蓮花朵的種子萌發(fā)率進行測定.隨機選取60朵花苞狀態(tài)下的花分為兩組，一組(30朵)人工上舉處理，另一組(30朵)作為自然對照，果實成熟后，收集兩種狀態(tài)的成熟種子并在25 ℃條件下做種子萌發(fā)實驗(方法同預實驗)，最后統(tǒng)計計算種子萌發(fā)率.

2 結果

2.1 雨水沖刷花粉數(shù)量

自然狀態(tài)下，甘青鐵線蓮單花花粉量為(1 414 932±32 229)個；花冠自然朝向(下垂)且雨水沖刷后花粉量為(1 338 575±84 247)個，與自然對照之間差異顯著(P<0.05)；而花冠人為上舉且雨水沖刷后花粉數(shù)量(413 137±75 842)個，與自然對照之間差異顯著，結果見圖1(P<0.05，不同小寫字母表示處理間差異顯著，下同).

2.2 陽光直射花粉質量

自然狀態(tài)下(花朵下垂)甘青鐵線蓮花粉萌發(fā)率為(81.30±5.39)%，在花冠朝向改變(人為上舉處理)并接受日照1 h后，其花粉離體萌發(fā)率急速下降為(33.70±1.86)%，與自然對照之間差異顯著(P<0.05).隨后的日照2,3,6 h，花粉離體萌發(fā)率緩速下降，逐步趨向于0(圖2).

圖1 雨水沖刷實驗各處理間花粉數(shù)量比較

圖2 強日照實驗各處理間花粉萌發(fā)率比較

2.3 花冠朝下與訪花昆蟲

自然狀態(tài)下(花朵下垂)甘青鐵線蓮的主要訪花昆蟲為中華蜜蜂(ApisceranaFabricius)和熊蜂(Bombusspp.)，其訪花頻率分別為(0.14±0.05)次·朵-1·h-1和(0.24±0.09)次·朵-1·h-1；在花冠朝向改變(人為上舉)后，主要傳粉昆蟲的種類沒有發(fā)生變化，并且兩種傳粉者的訪花頻率分別為(0.14±0.07)次·朵-1·h-1，(0.26±0.09)次·朵-1·h-1)也與自然狀態(tài)下相比較不存在顯著差異(圖3).在單次訪花的停留時間上，中華蜜蜂和熊蜂單次訪花停留時間分別為(14.80±3.27)s，(15.77±3.12)s，而在花冠人為上舉處理后，兩種昆蟲的單次訪花停留時間分別為(13.9±2.23)s，(15.38±3.31)s,與自然狀態(tài)下比較沒有顯著差異(P>0.05，圖4).

2.4 結籽率與種子萌發(fā)率

自然狀態(tài)下(花朵下垂)甘青鐵線蓮單花結籽率為(77.82±2.95)%，而在花冠上舉處理后的單花結籽率(30.37±3.83)%顯著低于自然狀態(tài)(圖5).

圖3 花冠朝向對昆蟲訪花頻率的影響

圖4 花冠朝向對昆蟲單花停留時間的影響

圖5 花冠朝向對單花結籽率的影響

自然狀態(tài)(即花冠朝下)甘青鐵線蓮種子的萌發(fā)率為(51.73±1.45)%； 而將花冠人為上舉處理后的萌發(fā)率為(19.00±4.81)%，二者差異顯著(圖6).

3 討論

圖6 花冠朝向對種子萌發(fā)率的影響

高山帶較容易發(fā)生集中性降水并伴隨著降溫，集中性高強度降水容易造成花粉的損失并降低其萌發(fā)能力，同時還會造成花蜜稀釋并影響訪花者的拜訪[23-25].高山帶的另一個顯著特征是強紫外輻射，而強紫外輻射會造成較大程度的花粉破壞[12,22].降水以及強紫外輻射作為選擇壓力促進了花結構和特征的適應性進化，例如喜馬拉雅山莨菪(Anisodusluridus)的花梗運動[18]就是一種有效的適應高山環(huán)境的策略.在本研究中，甘青鐵線蓮花朵人工上舉處理后，花粉數(shù)量和質量(花粉萌發(fā)能力)顯著降低，花冠防雨能力和防陽光直射的能力顯著下降(圖2，圖3)，說明甘青鐵線蓮花朵下垂作為一種有效的環(huán)境適應策略提高了其雄性適合度，進而保障其繁殖成功.與已報到的喜馬拉雅山莨菪類似，甘青鐵線蓮果期也存在花梗運動現(xiàn)象，即在甘青鐵線蓮果期花梗上舉.但是由于甘青鐵線蓮果期花萼脫落，因而這種花梗運動并不能起到貯水功能，從而也不能由于水的保溫作用而保障果實發(fā)育，進而提高種子產量和發(fā)芽力[18].盡管如此，甘青鐵線蓮在自然狀態(tài)下(花朵下垂)其結籽率較高，并且其種子萌發(fā)率也較高，這就說明盡管不存在果期花梗運動(上舉)后的水溫優(yōu)勢，甘青鐵線蓮的這種花期花朵下垂而果期上舉的花梗運動仍然可以保證其繁殖成功，而這種花梗運動顯然也是高山植物為應對高山惡劣自然環(huán)境的有效適應.侯勤正等研究發(fā)現(xiàn)，分布于干旱地區(qū)的同屬近緣種甘青鐵線蓮同樣也具有類似的花梗運動，并且這種花梗運動也與植物的防雨和防陽光直射有關[13].具有差異地理分布的甘青鐵線蓮和灌木鐵線蓮其花梗運動現(xiàn)象在防雨和防陽光直射上具有相同的功能和適應性意義，進而我們猜測鐵線蓮屬植物的這種花梗運動可能都具有相同的功能，且不會受到環(huán)境差異的影響.另一方面，花期對甘青鐵線蓮花冠上舉處理后，其結籽率以及種子萌發(fā)率顯著下降，表明甘青鐵線蓮的花期花冠下垂現(xiàn)象可以保障其繁殖，盡管這種保障作用的機理仍不清楚(花粉著落柱頭障礙、胚珠敗育等)，但對于甘青鐵線蓮而言，花期花朵下垂現(xiàn)象無疑可以提高其結籽率，進而提高其雌性適合度，而這種現(xiàn)象作為一種穩(wěn)定的環(huán)境適應策略得以選擇和固定.花冠下垂提高雌性適合度并保障繁殖的進化策略在干旱區(qū)分布的灌木鐵線蓮中同樣存在[13]，表明花冠下垂的這種進化意義同樣不會受到差異環(huán)境的影響.

吸引傳粉者無疑是異花傳粉植物花形態(tài)結構進化的主要驅動力，而花結構和形態(tài)的變化都會影響訪花者對花朵訪問[26].不少研究表明花朝向和角度的變化都會引起訪花者種類和數(shù)量的變化，例如Sun和Yao[27]通過研究寶興百合(Liliumduchartrei)所處的山坡位置與傳粉者訪花頻率的關系，發(fā)現(xiàn)寶興百合在不同的山坡位置會引起花角度變化，進而引起傳粉者頻率的變化.Wang等[28]通過人為改變地錦苗(Corydalissheareri)花朝向，發(fā)現(xiàn)花朝向的改變會引起傳粉者(蜜蜂)訪花行為和訪花效率的變化.但也有證據表明，花朝向的改變并不一定會引起傳粉者數(shù)量和頻率的改變，例如侯勤正等[13]通過對灌木鐵線蓮花朵上舉處理，發(fā)現(xiàn)與自然狀態(tài)(花朵下垂)下的傳粉者種類和數(shù)量并沒有差異.文中結果顯示，對甘青鐵線蓮花冠人工上舉處理后，其主要傳粉者的種類和訪花頻率都沒有發(fā)生顯著差異，同時主要傳粉者對甘青鐵線蓮的單花停留時間也沒有顯著變化(圖6，圖7)，這一結果與侯勤正等[13]的研究結果一致.甘青鐵線蓮與灌木鐵線蓮同屬于鐵線蓮屬植物，而兩種植物的花朝向改變后的傳粉者組成和訪花頻率都沒有發(fā)生變化，考慮到兩種鐵線蓮屬植物的生境差異較大(前者主要分布于高海拔的高山地區(qū)，后者主要分布于低海拔的干旱地區(qū))，而差異的生境下兩種鐵線蓮屬植物在花朝向改變后都不會造成傳粉者組成和訪花頻率的改變，我們猜測造成這種結果的原因可能是兩種植物本身的花和花序結構特征對傳粉者的吸引造成的.盡管兩種鐵線蓮屬植物的花大小存在差異(筆者觀察，無實測數(shù)據)，但在盛花期都會有大量花同時開放，這就在一定程度上大大增加了昆蟲吸引效力.同時，部分單花的朝向改變雖然會對植物的花粉數(shù)量和質量、花蜜量和花蜜質量等造成影響[13,23-25]，但一方面這種對花的影響在短期內的效果不大，另一方面這種花朝向改變在短期內也不會形成對訪花昆蟲的選擇壓力，亦即Lewontin適應峰學說(adaptive peaks)[28].當然，這種花朝向改變在較長時間后是否會造成傳粉者組成和數(shù)量的變化，仍需要更多的實驗證明.

4 結束語

本研究以分布于高海拔地區(qū)的甘青鐵線蓮為研究對象，將花朵人為上舉改變其朝向后，研究了花粉數(shù)量和質量、訪花昆蟲、結籽率以及種子特征的變化，探討了高山植物甘青鐵線蓮花期花冠下垂現(xiàn)象的適應意義.研究表明，甘青鐵線蓮花期花朵下垂現(xiàn)象對有效傳粉昆蟲產生的影響不大，但可以顯著提高其雄性適合度和雌性適合度，并作為一種有效的適應策略保障其繁殖成功.

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