揚(yáng)子毛茛的傳粉研究

馬博俊

摘 要 毛茛科（Ranunculaceae）屬于真雙子葉植物分支的原始類群，它的雌蕊群擁有離生心皮，而在毛茛屬（Ranunculus）植物內(nèi)一個(gè)雌蕊群內(nèi)的心皮數(shù)可以達(dá)到幾十個(gè)。前人的研究表明，具有離生心皮雌蕊群的植物，其繁殖結(jié)果會受到柱頭授粉均一性的影響，而這一影響會很大地妨礙這些植物的后代延續(xù)。毛茛科毛茛屬植物雖然具有多離生心皮雌蕊群，但是它們的有性繁殖能力卻非常強(qiáng)大。本研究以毛茛屬的一種植物揚(yáng)子毛茛（Ranunculus sieboldii）為實(shí)驗(yàn)對象，通過觀察它的傳粉過程，花粉管生長過程以及結(jié)實(shí)情況，旨在弄清揚(yáng)子毛茛的繁殖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳粉者活動對于結(jié)實(shí)率的影響，從而探索這類離生心皮雌蕊群植物的繁殖保障機(jī)制。

關(guān)鍵詞 傳粉 結(jié)實(shí)率 離生心皮雌蕊群 揚(yáng)子毛茛

中圖分類號：R284.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在被子植物的繁殖中，傳粉過程處于十分重要的地位，它直接影響了植物后代的產(chǎn)生。對于具有多心皮雌蕊群的植物而言，心皮離生會造成傳粉過程中花粉在柱頭間分配不均，使得同一雌蕊群內(nèi)到達(dá)胚珠的花粉管也會出現(xiàn)差異，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)實(shí)率下降。在自然狀態(tài)下植物如何保證花內(nèi)柱頭的高授粉率以及當(dāng)柱頭授粉率不能保障的情況下如何產(chǎn)生足夠多的具有競爭力的子代是非常值得關(guān)注的問題。在雙子葉多心皮植物鵝掌楸（ Liriodendron chinense）中的研究表明，其雌蕊群中的低授粉率直接導(dǎo)致了低結(jié)實(shí)率。而單子葉多心皮類群澤瀉科中，結(jié)實(shí)率高于柱頭授粉率則是另一種更為值得注意的事實(shí)：自然狀態(tài)下，小慈姑（Sagittaria potamogetifola）的柱頭授粉率為80%～85%，結(jié)實(shí)率卻接近100%，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，“花粉管再分配” 作為一種繁殖保障機(jī)制在其中起著重要作用。此外，閉花授粉通常被認(rèn)為是一種提高傳粉效率的機(jī)制，因而是保障有性生殖成功的另一途徑。

毛茛科屬于真雙子葉植物分支的原始類群，它的雌蕊群擁有離生心皮，而在毛茛屬植物內(nèi)一個(gè)雌蕊群內(nèi)的心皮數(shù)可以達(dá)到幾十個(gè)。雖然毛茛屬植物的雌蕊群也擁有大量的離生心皮，但是這些植物的結(jié)實(shí)率卻并不低，這說明在毛茛屬植物內(nèi)，可能存在一些繁殖保障機(jī)制，通過這些機(jī)制，它們避免了離生心皮雌蕊群的繁殖缺陷。本研究通過選取一種在華中地區(qū)大量分布的毛茛屬植物揚(yáng)子毛茛為研究對象，通過研究它的繁殖結(jié)構(gòu)和繁殖過程，來弄清揚(yáng)子毛茛的繁殖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳粉者活動對于結(jié)實(shí)率的影響，從而探索這種離生心皮雌蕊群植物的繁殖保障機(jī)制。

1材料與方法

1.1昆蟲訪花行為的觀察

在實(shí)驗(yàn)區(qū)域中確定20朵花進(jìn)行觀察，以每15min為一個(gè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)單位，記錄訪花昆蟲種類，用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，并記錄不同昆蟲訪花時(shí)間以及昆蟲在花朵上的停留區(qū)域和行為。

1.2揚(yáng)子毛茛柱頭落粉率和花粉管生長觀察

在晴朗的天氣下，在兩個(gè)不同的居群中隨機(jī)選取100個(gè)花苞，一直到這些花凋謝，選取45朵從花開放到花瓣凋謝一直處于晴朗天氣下的花，將它的整個(gè)雌蕊群剝離下來，用冰盒儲存，立即轉(zhuǎn)移至室內(nèi)。然后在解剖鏡下對這些雌蕊群進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)落有花粉的雌蕊群個(gè)數(shù)，計(jì)算它們占總數(shù)的百分比。另在這些雌蕊群中隨機(jī)選取20個(gè)落有花粉的個(gè)體，對每個(gè)雌蕊群上所有柱頭進(jìn)行顯微觀察，記錄落有花粉的柱頭數(shù)，并計(jì)算落粉柱頭占每個(gè)雌蕊群總柱頭的百分比。然后再選取5個(gè)落有花粉的雌蕊群，將它們的所有雌蕊全部剝離并混合在一起，從這些雌蕊中隨機(jī)選取50個(gè)用卡諾固定液（75%無水乙醇加25%冰乙酸）固定24小時(shí)后，在顯微鏡下用明場觀察它們的柱頭，記錄每個(gè)柱頭上的花粉數(shù)目，計(jì)算平均數(shù)。

在一個(gè)揚(yáng)子毛茛居群中選取10個(gè)不同的植株，對60個(gè)花苞進(jìn)行套袋，待花開放后進(jìn)行人工異花授粉，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受昆蟲傳粉的影響，授粉后仍舊套袋，于授粉后12h回收花朵，將花被和雄蕊群去除后，用FAA固定雌蕊群24小時(shí)以上。固定材料經(jīng)過2%NaOH透明2h，然后進(jìn)行徒手切片，經(jīng)過蒸餾水洗后，再放置在苯胺藍(lán)染液中染色3小時(shí)，然后取出材料再經(jīng)過蒸餾水洗后置于Olympus熒光顯微鏡下用紫外激發(fā)光進(jìn)行觀察，主要觀察花粉的萌發(fā)情況和花粉管在雌蕊中的生長情況。

1.3揚(yáng)子毛茛結(jié)實(shí)情況統(tǒng)計(jì)

在同一個(gè)居群中，選取10個(gè)處于花蕾期的植株分為兩組，對第一組5個(gè)植株的花苞進(jìn)行套袋處理，待花開放后授以異株花粉，然后繼續(xù)套袋知道所有花的花瓣全部凋謝，然后取下袋子待果實(shí)成熟；第二組5個(gè)植株的花苞不做任何處理，在自然狀態(tài)下等所有花轉(zhuǎn)變成為成熟果實(shí)。然后先以植株為單位，統(tǒng)計(jì)植株結(jié)實(shí)的百分比，然后從各組中分別選取20個(gè)成熟的果實(shí)，將所有小果進(jìn)行剝離，在體視顯微鏡下統(tǒng)計(jì)每個(gè)果實(shí)上為發(fā)育心皮的數(shù)目和成熟小果的數(shù)目，然后計(jì)算成熟小果數(shù)與原先雌蕊群總心皮數(shù)的比值，作為每朵花的結(jié)實(shí)率。

2結(jié)果與分析

2.1訪花昆蟲種類與它們的訪花行為

經(jīng)鑒定，揚(yáng)子毛茛的訪花昆蟲分屬于膜翅目和雙翅目。主要為蜂類（包括東方蜜蜂屬Apis，熊蜂屬Bombus等）和蠅類（黑帶食蚜蠅屬Episyrphus，蠅屬M(fèi)usca）。蜂類的訪花高峰期期主要出現(xiàn)在上午10點(diǎn)和下午3點(diǎn)左右；蠅類的訪花高峰期期主要出現(xiàn)在上午11點(diǎn)左右。蜂類昆蟲在每朵花上停留的時(shí)間相對較短，平均約4秒左右。它們一般停留在花的中央，收集雄蕊釋放的花粉，偶爾取食花瓣基部的花蜜。蠅類昆蟲在每朵花上停留的時(shí)間相對較長，停留時(shí)間從幾秒鐘到幾分鐘時(shí)間不等。它們有時(shí)停留在花中央?yún)^(qū)域，有時(shí)停留在花瓣上。它們在花上有時(shí)會一動不動，有時(shí)會取食花蜜或花粉。

2.2揚(yáng)子毛茛的柱頭落粉率與花粉管生長情況

在45朵統(tǒng)計(jì)的揚(yáng)子毛茛花中，落有花粉的花數(shù)為42，占有93.3%的比例。而在每朵花內(nèi)，平均的柱頭落粉率達(dá)到了81？.5%（n=20）。在柱頭上授粉后，在30分鐘內(nèi)花粉就能萌發(fā)，然后花粉管沿花柱道向子房區(qū)生長，經(jīng)過3-6個(gè)小時(shí)花粉管就能到達(dá)胚珠附近，每個(gè)雌蕊里面，只有1條花粉管能到達(dá)胚珠，而所有的花粉管生長被限制在一個(gè)心皮內(nèi)。花粉管生長情況見下圖示。

圖1：揚(yáng)子毛茛雌蕊群和單雌蕊內(nèi)花粉管生長：A，雌蕊群內(nèi)花粉管的萌發(fā)與生長；B，單個(gè)雌蕊內(nèi)花粉管的生長。標(biāo)尺等于250 m。

2.3結(jié)實(shí)率統(tǒng)計(jì)

通過對比套袋處理的結(jié)實(shí)率和自然狀態(tài)下的結(jié)實(shí)率，我們發(fā)現(xiàn)兩種情況下植株結(jié)實(shí)率非常接近，也即在晴朗的天氣下，一個(gè)植株上幾乎所有的花都有昆蟲進(jìn)行傳粉并且都能結(jié)實(shí)（前期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)排除單性結(jié)實(shí)的可能）；而自然狀態(tài)下單花結(jié)實(shí)率對比人工授粉條件下有明顯下降，但是平均水平仍然高于80%。

表1：揚(yáng)子毛茛結(jié)實(shí)率統(tǒng)計(jì)

3討論

揚(yáng)子毛茛是一種相對原始的被子植物，它的雌蕊群都具有大量離生心皮。這種雌蕊群結(jié)構(gòu)會使得結(jié)實(shí)情況很容易受到柱頭授粉不一致的影響。然而我們在結(jié)實(shí)率的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下?lián)P子毛茛的結(jié)實(shí)率比人工授粉的結(jié)實(shí)率并不會差太多，這一結(jié)果表明自然的傳粉過程或后期花粉管生長過程能夠保證揚(yáng)子毛茛的后代產(chǎn)生。然而通過我們的花粉管實(shí)驗(yàn)，揚(yáng)子毛茛的雌蕊群中并不存在“花粉管雌蕊外生長”這一現(xiàn)象，因?yàn)榛ǚ酃艽迫锿馍L被認(rèn)為在離生心皮雌蕊群中一種主要的傳粉后繁殖保障機(jī)制，那么在揚(yáng)子毛茛中保證結(jié)實(shí)率的機(jī)制就主要存在于傳粉過程之中。

揚(yáng)子毛茛雖然具有不定數(shù)雄蕊群和離生心皮雌蕊群這些原始的繁殖結(jié)構(gòu)，但是它的花瓣擁有鮮艷的顏色，并且在花瓣上擁有蜜腺，能夠較持續(xù)第地分泌吸引昆蟲的蜜液，加上相對較長的單花期，揚(yáng)子毛茛的一朵花能夠在開放時(shí)期吸引較多的訪花者。另外在揚(yáng)子毛茛的一朵花中，雄蕊群和雌蕊群都位于花的中央?yún)^(qū)域，這樣較多的訪花昆蟲能夠把大量的花粉帶至雌蕊群上，并且能夠保證一個(gè)雌蕊群內(nèi)大部分柱頭都能接受到花粉。這樣在揚(yáng)子毛茛的傳粉過程結(jié)束后，雌蕊群內(nèi)柱頭上花粉落置的不均一性將會大大降低，結(jié)實(shí)率自然不會受很大的影響。

在很多原始的離生心皮被子植物中，它們的結(jié)實(shí)率很容易受到傳粉環(huán)境的影響，這樣它們的適應(yīng)能力也非常有限[7]。一些離生心皮被子植物因?yàn)榫哂谢ǚ酃艽迫锿馍L機(jī)制而避免了這一繁殖缺陷，然而花粉管雌蕊外生長要求心皮為不完全封閉結(jié)構(gòu)以及雌蕊群處于相對潮濕的環(huán)境，這實(shí)際上也限制了這些植物的分布，如這些植物一般生長在水環(huán)境中或雨林中。而毛茛屬植物通過強(qiáng)化傳粉過程，直接減輕了柱頭花粉不均一落置狀況，從而幫助這些植物提高結(jié)實(shí)率，能更好地適應(yīng)環(huán)境。前面的大量的研究表明，傳粉過程的變化與花部特征的進(jìn)化存在很大的聯(lián)系，在毛茛屬中，我們看到，正是由于花部特性與傳粉過程的協(xié)同作用，保障了植物的繁殖過程，因此也很可能推動了毛茛科植物的進(jìn)化。要明確這種協(xié)同作用在毛茛科植物進(jìn)化過程中的地位，我們還需要今后在整個(gè)毛茛科中對繁殖結(jié)構(gòu)和繁殖過程進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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