鐵破鑼花序的開花特性與昆蟲傳粉的相互關(guān)系研究

張九東, 王 琳，隋 潔，田先華，任 毅*

(1 陜西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，西安 710119；2 西安文理學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，西安 710065)

花的形態(tài)、大小、誘物為植物花部綜合特征與傳粉者行為、傳粉機(jī)制和植物適合度有緊密的關(guān)系[1-2]?；ㄐ蜃鳛榛ǖ募?，花序的形態(tài)和結(jié)構(gòu)可以提高花的展示，增加對訪花昆蟲的吸引力[3-5]，能夠極大提高植物的傳粉效率。近年來大多數(shù)研究都集中在關(guān)于植物花繁殖特征的表型選擇[6]以及傳粉昆蟲轉(zhuǎn)變引起的種系分化，很少考慮花序的特征[7-8]。盡管一些研究傳粉綜合特征中提及到關(guān)于花序的影響[8]，更多的是花序在其他方面的影響，包括資源分配、種子的散布以及對食草動物的敏感性和反應(yīng)等[3,9-12]。但實(shí)際上，花序與傳粉昆蟲之間相互適應(yīng)的關(guān)系比單花要復(fù)雜的多。比如， Ishii等[13]研究通過人為增加花的展示大小發(fā)現(xiàn)，具有7～13朵水平或垂直排列單花的花序比圓錐形排列的花序更能增加吸引熊蜂訪花的頻率。而Iwata 等[14]則證明，單花之間分歧角度的增加將減少蜂類訪問螺旋排列總狀花序Spiranthessinensis的訪花頻率。以前的研究很多都是通過人工處理花序上開花的數(shù)量來研究植物與傳粉昆蟲之間的相互關(guān)系[15-16]，那么，植物如何采用巧妙的花序設(shè)計與開花動態(tài)的控制，通過與傳粉昆蟲的相互作用來盡可能避免同株異花的授粉？因此，對花序和傳粉昆蟲之間的研究對于進(jìn)一步理解植物如何避免同株異花授粉的機(jī)制具有非常重要的意義。

鐵破鑼 [Beesiacalthifolia(Maxim.) Ulbr.] 為毛茛科破鑼屬((Beesia)多年生草本植物，花序形態(tài)獨(dú)特，由聚傘花序?yàn)閱卧M成總狀花序[17]。但單花形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單，輻射對稱，花白色，沒有花瓣，僅有花粉作為吸引訪花昆蟲的誘物。很顯然，從花形態(tài)的綜合特征可以看出，鐵破鑼適合蠅類昆蟲傳粉，那么，鐵破鑼這種花序和花的形態(tài)結(jié)構(gòu)組成通過什么策略來盡可能的避免同株異花授粉的發(fā)生？

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鐵破鑼實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省漢中市留壩縣紫柏山；海拔1 536 m；地理坐標(biāo)：33°39.458′N, 106°46.794′E；位于秦嶺南麓，實(shí)驗(yàn)地氣候涼爽濕潤，屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候交匯，年平均氣溫6～12 ℃，最高氣溫21 ℃。鐵破鑼主要生長于郁閉的闊葉林下，生長環(huán)境陰濕。實(shí)驗(yàn)時間在2010～2012年6月5日～6月25日進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1開花動態(tài)與花器官測量花蕾期，標(biāo)記花期相近的5個植株的花。每天觀察1次花蕾，花朵開放當(dāng)天，每隔1 h觀察 1 次，花朵開放之后，每天觀察3次，記錄花朵形狀、單花開放持續(xù)時間、花開和花內(nèi)各器官凋謝的先后順序以及雌雄蕊成熟情況。花器官的測量隨機(jī)選取20個植株，統(tǒng)計60朵花的萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的數(shù)量，并用游標(biāo)卡尺精密測量各花器官的長度和寬度。

1.2.2花粉活力的測定花粉活力采用MTT法檢測[18]。分別采取不同植株上將要開裂的兩性花花藥若干個置于培養(yǎng)皿中，從花藥開裂時起，每隔4 h將開裂的花藥置于載玻片上，用MTT溶液進(jìn)行染色，如花粉變?yōu)樗{(lán)黑色則表示有活力，不變色或黃褐色的則表示無活力。有活力花粉比率=藍(lán)黑色花粉數(shù)/觀察花粉總數(shù)×100%。

1.2.3柱頭可授性測定柱頭可授性采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定[18]?；ɡ倨跇?biāo)記不同植物的花，每天16:00～18:00，采下開花后不同天數(shù)的花朵，將柱頭浸入含有反應(yīng)液(1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水=4∶11∶22，體積比)的凹面載片中。若柱頭具可授性，則反應(yīng)液呈現(xiàn)藍(lán)色并有氣泡產(chǎn)生，根據(jù)氣泡的多少和柱頭著色的程度來判斷可授性的相對強(qiáng)弱。

1.2.4訪花行為的觀察訪花行為觀察采用Arroyo等[19]的方法：選擇5個花序作為觀察目標(biāo)，對訪花昆蟲的種類和訪花行為進(jìn)行觀測。每天9:00～18:00間，記錄單位時間內(nèi)每種訪花昆蟲訪問花的次數(shù)，以及取食的時間，同時觀察昆蟲訪花結(jié)束時飛向同株異花或異株異花的次數(shù)。統(tǒng)計軟件為Statistica6.0，利用One-way ANOVA 分析昆蟲訪問同株異花或異株異花頻率的差異性。對每種訪花昆蟲進(jìn)行拍照，用毒瓶殺死陰干后制作憑證標(biāo)本用于分類鑒定，每種昆蟲捕捉10只，將其中5只昆蟲固定于50%酒精中用于鑒定種類，另外5只昆蟲自然干燥后噴金鍍膜，觀察其攜帶花粉的情況。昆蟲攜帶的花粉部位使用S-3400N 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拍照。

2 觀察結(jié)果

2.1 花形態(tài)特征與開花動態(tài)

鐵破鑼的花序類型為以聚傘花序?yàn)閱挝粯?gòu)成的總狀花序(圖1，A)，花序軸長度可達(dá)到(148.70 ±67.94) cm(n=20)，花序單花數(shù)量46～67朵，聚傘花序在花序軸上排列稀疏，單花平均直徑(9.77±0.90)mm(8.19～11.48)。所有的花器官均是白色，沒有花瓣；萼片5枚，雄蕊數(shù)量較多，為(31.6±4.91)枚(22～44)，長度(3.61±0.78)mm(2.22～5.59)；心皮1枚，長度(5.14±0.55)mm(4.05～6.17)，略成綠色，前端1/3為白色。

鐵破鑼單花花期4～6 d，花蕾起初是綠色，后變白，柱頭先于雄蕊伸出花蕾(圖 1，B)，花蕾變白1～2 d后萼片才開始展開(圖 1，C)；單花剛開放時，萼片外展，雄蕊均低于雌蕊，在1 d后外輪雄蕊開始伸長，花藥開裂，雄蕊伸長后花絲變得纖細(xì)，并且略向下彎曲(圖 1，D～E)；開放2 d后雄蕊伸長，并且開裂花藥數(shù)達(dá)到50%左右，第3天全部的雄蕊都伸長并且開裂(圖 1，D)；在第4天大多數(shù)花藥散粉結(jié)束，萼片開始脫落，萼片會在1 d內(nèi)全部脫落(圖 1，E～F)，萼片脫落后雄蕊開始脫落(圖1，G)，雄蕊脫落后僅剩雌蕊(圖1，H～I(xiàn))。

A. 聚傘花序；B. 柱頭伸出花蕾；C. 萼片向外展開露出雄蕊；D. 花絲開始伸長，外輪雄蕊花藥開裂； E. 全部花絲伸長，雄蕊高于柱頭；F. 花藥全部開裂，萼片開始脫落； G. 全部萼片脫落；H. 雄蕊脫落；I. 全部雄蕊脫落；J. 聚傘花序頂花先開；K. 萼片； L. 雄蕊；M. 雌蕊；A. 標(biāo)尺=10 cm; B～I(xiàn). 標(biāo)尺=5 mm;K～M. 標(biāo)尺=2 mm圖1 鐵破鑼聚傘花序及單花的開花動態(tài)A. Cymose inflorescence; B. Stigma extending out of bud; C. Stamens and outward expanded sepals; D. Filaments elongating and outside stamen anther dehiscing; E. All filaments elongated with stamens higher than stigma; F. All anthers dehisced and sepals beginning to fall off; G. All sepals fallen off; H. Stamens falling off; I. All the stamens fallen off; J. The top flower of a cyme inflorescence opened first; K. Sepal; L. Stamen; M. Pistil. A. Bar=10 cm; B-I. Bar =5 mm; K-M. Bar =2 mmFig.1 Inflorescence and the dynamic of flowering in Beesia calthifolia

圖2 鐵破鑼主花序軸聚傘花序頂花在花序軸上的開放次序Fig.2 Order of terminal flower of the cyme blooming on the main inflorescence axis (Beesia calthifolia)

鐵破鑼雌雄蕊異熟，雌蕊先熟，在花未開放柱頭伸出花蕾時已具有可授性，開花12～24 h后雄蕊開始散粉，持續(xù)3～4 d。花粉活力在散粉32～36 h后開始降低，40 h后降低到20%以下。65～75 h后則不再有活力。柱頭可授性早于花藥的散粉，在花蕾期就有微弱的可授性，先于雄蕊伸出花蕾，在柱頭伸出花蕾的2～3 d可授性最強(qiáng)，隨后逐漸減弱，在第5天不再具有可授性。

鐵破鑼種群花期從6月上旬開始，到7月中旬結(jié)束，持續(xù) 35～40 d左右。鐵破鑼的花序開花以聚傘花序頂花先開，在花序軸上從基部向頂依次開放(圖1，A)，頂花開敗后，兩側(cè)的花則同時開放(圖1，J)。主花序軸開花初期，2～3朵聚傘花序頂花同時開放，此后，逐步開放，同時開放的花6～8朵(圖2)。

2.2 昆蟲訪花行為觀察

鐵破鑼的訪花昆蟲主要2種食蚜蠅科昆蟲：纖細(xì)巴蚜蠅(Episyrphusbalteatus;圖3，A、B)和黑帶蚜蠅(Episyrphusbalteatus，圖3，C)。

纖細(xì)巴蚜蠅為鐵破鑼最主要的訪花昆蟲，舐吸式口器，在飛行過程中一般在花的上方短暫停留，然后直接落在柱頭下方雄蕊上，中足和后足緊緊抓住花絲作為著力點(diǎn)，用前足抱住雄蕊的前端取食花粉(圖3，A～B)，取食完一個雄蕊的花粉后會在同一朵花中向上移動，取食柱頭上方的花藥時中胸腹部會擠壓到柱頭，取食過程中也會以柱頭為抓手。取食時單花停留約為15～25 s，通常會在一個花序取食一朵花上花粉后直接飛向另一個花序。黑帶蚜蠅的訪花頻率較低，在花上降落之前先繞花飛行，或在花序周圍盤旋，多次用身體碰撞欲拜訪的花(圖3，D)，可能是在確定花上是否有雄蕊開裂，這一動作可持續(xù)5～10 s。最終，飛離花序或以雄蕊為著力點(diǎn)逐一舔食花藥，單花停留時間約20～30 s。

A～B. 纖細(xì)巴蚜蠅以雄蕊為抓手取食花粉；C.黑帶蚜蠅取食花粉；D.黑帶蚜蠅通常會繞單花飛行，碰撞2～3次后才去落在花上取食；E.昆蟲在訪花時通常訪問一個花序一個單花，然后飛向另外一個花序； A～D. 標(biāo)尺=5 mm；E. 標(biāo)尺=10 cm圖3 鐵破鑼訪花昆蟲A-B. Baccha maculate foraging pollen from the stamens; C. Episyrphus balteatus foraging pollen; D. Usual foraging strategy of E. balteatus flying around a single flower and colliding two or three times before landing on it for food; E. Usual route of insects visiting one flower and then flying to another inflorescence；A-D. Bar=5 mm; E. Bar=10 cmFig.3 Pollinators of B. calthifolia

A. 纖細(xì)巴蚜蠅攜帶花粉情況 (B～E)；B. 胸部攜帶的花粉；C～D. 腿部攜帶花粉；E. 腹部攜帶花粉；F 黑帶蚜蠅腿部攜帶花粉；G. 鐵破鑼的花粉;A. 標(biāo)尺=1 mm; B～F. 標(biāo)尺=100 μm; G. 標(biāo)尺=10 μm 圖4 鐵破鑼傳粉昆蟲掃描電鏡A. Pollen carried by B. maculate (B～E); B. Pollen carried in the chest of B. maculate; C, D. Pollen carried in the leg of B. maculate; E. Pollen carried in the abdomen pollination of B. maculate; F. Pollen carried in the leg of E. balteatus; G. Pollen of B. calthifolia; A. Bar=1 mm; B-F. Bar=100 μm; G. Bar=10 μmFig.4 Scanning electron microscope on pollinators of B. calthifolia

掃描電鏡發(fā)現(xiàn)纖細(xì)巴蚜蠅胸部攜帶鐵破鑼花粉5～7粒，腿部攜花粉10～25粒，腹部攜帶花粉3～5粒(圖4，A～E)。黑帶蚜蠅僅在腿部攜帶有少量花粉(圖4，F(xiàn))，因此，纖細(xì)巴蚜蠅是鐵破鑼最有效的傳粉昆蟲。

纖細(xì)巴蚜蠅和黑帶蚜蠅一天中通常在11:00～14:00活動頻率較高，其中，纖細(xì)巴蚜蠅的訪花頻率最高可達(dá)13～21次/小時/花序，黑帶蚜蠅的訪花頻率最高可達(dá)7～12次/小時/花序。其余時間段訪花頻率較低。在大多數(shù)情況下2種食蚜蠅訪問同一個花序的一朵花后飛向另外一個花序(圖4，E)，極少訪問同株正在開放的花，并且兩種昆蟲訪問異株異花的頻率與同株異花的頻率差異性極為顯著(圖5)。

小寫字母代表在0.001水平上差異顯著(P<0.001)圖5 食蚜蠅訪問同株異花和異株異花的頻率Different normal letters within same time indicate significant differences at 0.001 level (P<0.001)Fig.5 Frequency of hoverfly visiting different flowers of same plant or different plants

3討 論

從鐵破鑼能夠吸引傳粉昆蟲的誘物來看，鐵破鑼的花白色，沒有色差，沒有花瓣，也不能分泌花蜜，雄蕊數(shù)量多，一朵花中雄蕊數(shù)最多可達(dá)44枚。花粉是吸引傳粉昆蟲的最主要誘物。因此，鐵破鑼花白色、花輻射對稱、以花粉為主要誘物等這些特征符合蠅類訪花的一些共同特征。鐵破鑼花開后萼片向外反折，不能作為昆蟲停留平臺，但花的花絲在伸長后非常纖細(xì)，雌蕊1枚，花絲通常是訪花昆蟲的唯一抓手或著力點(diǎn)，去掉雄蕊后沒有昆蟲訪花。所以，花絲作為鐵破鑼唯一的停留平臺，不能承載大型蠅類在花絲上著力取食花粉，只適合小型蠅類取食訪花行為。因此，鐵破鑼花部形態(tài)特征與傳粉者訪花行為相適應(yīng)，這種適應(yīng)關(guān)系符合傳粉生物學(xué)綜合特征假說[20-21]。

鐵破鑼的主花序軸上單花數(shù)量多，但花序形態(tài)較為獨(dú)特。一般來說，同株異花植物通常情況下昆蟲的覓食行為，可以造成自花授粉，同株異花授粉水平主要取決于傳粉者的覓食行為、一個植株上同時開放花朵的數(shù)量以及種群內(nèi)開花個體的密度[22-23]。如果傳粉者在同一個體上連續(xù)訪問若干朵花，那么就會造成同株異花授粉[24-25]。而且隨著植株個體每日開放花朵數(shù)量的增加，同株異花授粉和自交率都往往出現(xiàn)上升的趨勢。因此，若要盡可能避免同株異花授粉，一個植株上的花朵必須同步的雌雄異熟，或者在每一刻都只開一朵花。

Janzen[15]根據(jù)每天開花的豐富程度，把熱帶植物分為兩種極端的開花格局，一種是個體每天只產(chǎn)生很少的花 “steady state”，但整個花期持續(xù)很長的時間；另一種是個體每天開大量的花 “big bang”[26]或 “mass-flowering”[27]，但花期只持續(xù)很短時間，兩種不同的開花格局吸引不同類型的傳粉者, 訪問 “steady state” 植物的傳粉者被認(rèn)為是個體數(shù)量較少但種類卻較為豐富, 并且比 “mass-flowering” 植物具有較高的異交傳粉比例[28]。Barrett等[29]通過人工處理Eichhorniapaniculata(Pontederiaceae)花序每天開花數(shù)量，研究表明植物少量開花比大量開花容易獲得更多異交種子，因此，少量開花策略和延遲開花策略能夠最大程度的使植物進(jìn)行異花授粉。

鐵破鑼的花為雌蕊先熟，雌雄蕊異熟，花序單花數(shù)量最多可達(dá)67朵，如果同一花序軸單花同時開放，昆蟲在取食傳粉過程中必然會造成大量同株異花授粉。鐵破鑼可以通過花的空間布局與開花動態(tài)的調(diào)節(jié)盡可能的避免同株異花傳粉。此外，鐵破鑼的花在花序上排列稀疏，整個花序內(nèi)部單花開放的時間間隔較大，鐵破鑼開花過程都是主花序軸聚傘花序的頂花先開，相鄰的兩個開花的聚傘花序距離較遠(yuǎn)，如果是爬行方式取食的昆蟲，則需要取食完一個聚傘花序頂花的花粉后，只能返回到主花序軸然后爬行到另外一個聚傘花序上，這樣會消耗取食昆蟲大量的時間和體力。所以，鐵破鑼花序的空間特征更適合于飛行方式取食花粉的昆蟲。纖細(xì)巴蚜蠅為鐵破鑼的主要傳粉昆蟲能夠符合鐵破鑼花以及花在花序空間排列的綜合特征。一方面通過單個聚傘花序頂花先開，同時，在此情況下在整個花序上從基部到頂逐次開放的方式，從而使得大量聚集單花的花序盡量少開花。在同一聚傘形總狀花序上同時開放的花為6～8朵。這種開花方式既能保證鐵破鑼的花授粉，也能較大限度減少同株異花授粉的幾率，從而使得大多數(shù)花能夠盡可能異花授粉。如果鐵破鑼聚傘形總狀花序的花同時開放，纖細(xì)巴蚜蠅的傳粉根本不能保證其傳粉。所以，鐵破鑼花序盡量最少開花的策略與傳粉效率較低的蠅類傳粉方式相關(guān)，從而使鐵破鑼盡可能避免同株異花授粉。鐵破鑼花序上單花的空間排列與開花動態(tài)與傳粉昆蟲之間的這種適應(yīng)性符合 “steady state” 策略。