外來入侵植物刺蒼耳的繁殖生物學特性研究

顧威，馬淼

(石河子大學生命科學學院/新疆植物藥資源利用教育部重點實驗室，新疆 石河子 832003)

刺蒼耳(XanthiumspinosumLinn.)為菊科蒼耳屬一年生草本植物，起源于南美洲，現廣泛分布于歐洲和東亞地區(qū)[1]。植株具有微毒，雌雄同株，莖直立，高30～100 cm，濃密分枝，大量的三叉型尖銳黃色硬刺生長于葉柄基部兩側，刺入肉中會產生較長時間的強烈疼痛[2]，因此牛羊均不采食。刺蒼耳結實量大，且總苞表面密被倒鉤刺，極易通過附著在人類和動物體表，或夾雜在干草和貨物當中實現快速廣泛的散播，從而迅速占據大面積的區(qū)域，抑制農作物、飼草和其他本地植物的生長和繁殖，因而被世界很多國家列為惡性入侵雜草[3]。刺蒼耳的野生歸化種群于1932年在我國的河南省周口市鄲城縣被首次發(fā)現，現已廣泛分布于我國華北和西北的廣大地區(qū)。截至目前，盡管國內外學者在刺蒼耳的生態(tài)適應性和競爭能力等方面開展了部分研究，但有關其繁殖生態(tài)學特性的研究尚未見報道。

外來種在新棲息地種群建立的成功與否，其繁殖特性起到了決定性的作用[4]。研究[5,6]表明外來物種往往具有很強的繁殖能力，它們能夠憑借迅速產生大量種子的策略，在抵達新棲息地后快速建立種群。因此，研究刺蒼耳的繁殖生物學特性是揭示其成功入侵機理的有效途徑。本文從開花物候、傳粉媒介、花粉散播距離、花粉活力、柱頭可授性、柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值、繁殖分配及交配系統等方面，系統地對刺蒼耳的繁殖生物學特性進行了研究，為揭示該植物成功入侵的機理提供理論依據。

1 材料與方法

試驗地概況

試驗地點位于新疆瑪納斯縣境內(476 m a.s.l.; 44.15°N,86.17°E)。試驗區(qū)氣候為北溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，日照時間長，蒸發(fā)量大，降水稀少。年均氣溫 7～ 8 ℃，年日照時間2318～2732 h，年降水量180～270 mm，年蒸發(fā)量1000～1500 mm[7]。刺蒼耳種群為該群落的優(yōu)勢種，種群密度大。對野生刺蒼耳種群進行定點觀測記錄，并開展與刺蒼耳繁殖特性相關的實驗研究。

1.2 方法

1.2.1 開花物候的觀察記錄

在刺蒼耳種群中隨機選取人為影響小、長勢大小基本一致的30棵植株，進行標記，2017年6—10月，每隔5 d統計記錄每株植株的開花雌花序和雄花序的數量，觀察記錄其開花物候。參照馬文寶等[8]的研究方法，確定個體和群體水平上的始花日期、開花峰值期以及終花期。

1.2.2 傳粉媒介的研究

1.2.2.1 訪花昆蟲的觀察

選擇晴朗無風天氣，08∶00開始，隨機選取處于盛花期的刺蒼耳10株，觀察至20∶00結束。連續(xù)30 d定點觀察，確定是否有昆蟲訪花。如果有昆蟲訪花，則鑒別訪花昆蟲的種類，記錄訪花頻率。

刺蒼耳花粉隨風散播的距離以及散播的花粉數量的測定方法為重力載玻片法。選取處于盛花期的刺蒼耳植株，清除周圍的其他蒼耳屬植物。以其為起點，在地面沿盛行風向布置涂滿凡士林的載玻片。08∶00開始布設載玻片，每隔5 m布置1行，每行平行布設3張載玻片，載玻片上標記距離。布置總距離為50 m，共33張載玻片，用以接收散播于空氣中的花粉粒。與此同時，用風速測量儀(AVM-01/03，Prova Instruments Inc.，中國臺灣)測定全天風速，每隔10 min測定記錄1次，取平均值。20∶00回收載玻片，帶回實驗室。在Olympus光學顯微鏡下觀察，記錄每個載玻片上承載的刺蒼耳花粉粒數目[9,10]。

1.2.3 花粉活力的測定

用TTC(triphenyl tetrazolium chloride)染色法測定刺蒼耳的花粉活力在1 d內的變化情況。08∶00開始，從刺蒼耳植株上隨機選取正處于盛花期正值散粉的10個雄花序，用載玻片收集花粉。迅速用0.5%TTC染液對花粉進行染色，并在37 ℃條件下避光靜置30 min，然后在Olympus光學顯微鏡下進行觀察，每個載玻片隨機觀察3個視野，統計記錄每個視野中的花粉?？倲的亢图t色花粉粒數目?；ǚ刍盍?紅色花粉粒數目/花粉?？倲的俊?00%。取平均值。每隔2 h檢測1次，直至24∶00結束[11]。

1.2.4 柱頭可授性的測定

非飽和粉煤灰抗剪強度的時間效應及其預測···················王思聰 孫德安 (1,108)

刺蒼耳柱頭可授性的測定采用聯苯胺-過氧化氫法。于盛花期的每日12∶00，隨機選取10株刺蒼耳，每株植株隨機選取8朵雌花，在柱頭伸出之前套袋。從柱頭伸出雌花序的第1天算起，每日觀察柱頭的生長狀況，并標記天數，依次獲得生長1～12 d的完整柱頭，設置3組重復。截取柱頭后立即置于載玻片上，然后滴加1～2滴聯苯胺-過氧化氫溶液。靜置1～2 min后，在Olympus光學顯微鏡下觀察。具有可授性的柱頭呈藍色，同時柱頭周圍有大量氣泡[11,12]。

1.2.5 柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值的測

定與計算

柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值(S/C)表示柱頭可以承載的最大花粉量。標記選取開放1周左右的雌花序10個，用于測定柱頭表面積。選取處于盛花期的刺蒼耳植株10株，每株隨機選取花粉粒3粒，用于測定花粉粒橫截面積。將柱頭和花粉粒分別放置于刻度載玻片上，使用光學顯微鏡(BX61，Olympus，日本)測量單個柱頭的長度和直徑及單個花粉粒的直徑。

柱頭表面積=(柱頭長度×柱頭直徑×π)+(柱頭直徑/2)2×π

花粉粒橫截面積=(花粉粒直徑/2)2×π。

1.2.6 繁殖分配

隨機選取果實完全成熟的植株10株，每株完整收集、編號標記，帶回實驗室。抖凈泥土和雜質，將根系部分與地上部分分離，地上部分分為繁殖器官(包括果實和花序)和營養(yǎng)器官(包括莖、葉和刺)，在記錄刺蒼耳和蒼耳種群的花期時，將散粉完畢并枯萎的所有雄花序逐株分別進行收集。將繁殖器官和其余部分分裝，干燥至恒重，再用電子天平(0.1 mg)測量全株和繁殖器官(果實和雄花序)的干重，記錄每株的果實數量，計算平均值。繁殖分配用繁殖器官的干重與全株干重的比值表示，比值越大，說明植株分配于繁殖的物質與能量越多[13]。

1.2.7 交配系統

采用套袋實驗方法，在盛花期，從刺蒼耳種群中隨機選取30株植株測定其交配系統。選取柱頭尚未伸出的雌花序，進行以下處理(每個處理至少包括30個花序)。(1)對照：對雌花序只進行標記，不進行任何處理。(2)自花授粉：在雌花序伸出柱頭前，連同與其相鄰的尚未散粉的雄花序一并套袋(羊皮紙袋)。(3)異花授粉：選取柱頭尚未伸出的雌花序，去除與其相鄰的雄花序后套袋，待柱頭成熟并具有較強可授性時，采集異株同種植物的花粉對其進行人工輔助授粉。(4)無融合生殖：選取柱頭尚未伸出的雌花序，將與雌花序相鄰的雄花序去雄后直接套袋[11,14]，觀察對照組和各處理組的結實情況。

1.2.8 數據處理

用Excel2010和SPSS19.0軟件對實驗數據進行處理，并進行統計分析，P<0.05則表明差異顯著。

2 結果與分析

2.1 開花物候

刺蒼耳單個花序的開花持續(xù)時長(花粉散播持續(xù)時間)為4～7 d。個體水平上，刺蒼耳的雄花花期持續(xù)時長平均為80 d (6月中下旬到9月上旬)，刺蒼耳的雌花花期持續(xù)時長平均為85 d (6月下旬到9月中旬)。種群水平上，刺蒼耳種群的雄花花期持續(xù)時長平均為91 d (6月中旬到9月中旬)，刺蒼耳種群的雌花花期持續(xù)時長平均為100 d(6月中下旬到9月下旬)(表1)。

表1 刺蒼耳種群水平和個體水平上的開花物候Tab.1 Flowering phenology for X.spinosum at the population and individual level

2.2 傳粉媒介與風媒傳粉距離和散粉量

2.2.1 訪花昆蟲的觀察

通過定位觀察，沒有發(fā)現刺蒼耳種群中有任何昆蟲訪花。因此，判斷刺蒼耳為非蟲媒傳粉植物。

2.2.2 花粉風媒散播距離以及散播的花粉數量

研究發(fā)現：刺蒼耳的花粉散播呈單峰曲線模式，花粉散播的數量隨著距離的增加先增加而后減少。在平均風速為0.89 m/s的微風條件下，刺蒼耳花粉借風散播的最遠距離可達34 m。但刺蒼耳散播的花粉主要集中于距刺蒼耳植株0～10 m的范圍內，散播數量占其花粉總量的87%(圖1)。

圖1 刺蒼耳花粉的散播距離Fig.1 Pollen-dispersal distance of X. spinosum

2.3 花粉活力和柱頭可授性

刺蒼耳的花粉活力在08∶00—10∶00，隨著溫度的升高而升高；10∶00—14∶00，幾乎保持在最高水平；14∶00—16∶00，隨著氣溫的升高開始顯著下降；16∶00后，溫度逐漸降低，花粉活力又開始升高，并在18∶00達到第2個高峰，此后，又開始降低；但在20∶00之前，刺蒼耳的花粉活力均維持在75%以上；至23∶00，花粉活力降至0(圖2)。

如表2所示，刺蒼耳的柱頭具有可授性的持續(xù)時間為10 d。刺蒼耳雌蕊的第1個柱頭伸出當天，由于雌花序還很小，尚處于生長階段，因而柱頭也特別細小，僅為1 mm左右，因而不具有可授性。隨著柱頭的生長，第2天柱頭開始具有可授性，并一直持續(xù)到第11天。從第12天開始，柱頭開始彎曲、變褐，喪失活力。

圖2 刺蒼耳1天內花粉活力的變化Fig.2 Changes of pollen viability of X. spinosum in one day

表2 刺蒼耳的柱頭可授性Tab.2 Stigma receptivity of X.spinosum

注：“+”表示柱頭具有可授性；“-”表示柱頭不具有可授性。

2.4 柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值(S/C)

柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值(S/C)的數據結果顯示：刺蒼耳的S/C值為742.8，表明刺蒼耳單個柱頭上可以容納的花粉數量約為742粒。(表3)。

表3 刺蒼耳的柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值(S/C)Tab.3 Ratio of the superficial area of stigma (S) to the maximum cross-sectional area of pollen grain (C) of X.spinosum

注：**P<0.05。

2.5 繁殖分配

刺蒼耳繁殖器官的生物量占單株總生物量的平均比例為53%。刺蒼耳單株的結實量平均為7508個。

2.6 交配系統

套袋試驗結果表明，對照組(即自然授粉處理組)的30個雌花序的結實率為100%；異花授粉處理組的結實率為80%；自花授粉處理組的結實率可達96.67%；無融合生殖處理組的結實率為0(表4)。

表4 刺蒼耳不同處理的結實率Tab.4 Average seed set rate of different treatments of X. spinosum

3 討論

許多研究表明長花期有利于提升外來種的入侵能力，吳磊[15]研究發(fā)現外來入侵植物大多為花期較長的陽性植物。Goodwin等[16]研究報道加拿大的許多原產于歐洲的入侵植物的花期顯著長于非入侵性的同屬植物。Lloret等[17]指出在地中海的克里特島、馬耳他島等5個島嶼上，長花期的外來植物的種群密度一般都比較高。本研究結果顯示無論在個體水平，還是種群水平，無論是雄花花期的持續(xù)時長，還是雌花花期的持續(xù)時長，外來植物刺蒼耳的花期持續(xù)時間(80～100 d)都顯著地長于本地植物蒼耳的花期時長，后者雄花與雌花花期持續(xù)時長分別為53 d和46 d[18]。長花期顯著地提高了刺蒼耳雄性和雌性繁殖器官的適合度，其成功授粉受精的可能性也將會大大增加[19]。此外，花期持續(xù)時間與座果數存在顯著正相關關系[8]。長花期有利于提高傳粉效率,從而提高座果的機會和結實量。因此，刺蒼耳較長的花期將極有可能提高其結實量，而這一推測也被刺蒼耳單株的平均結實量所證實：其單株的結實量平均約為7508個。而種子生產能力高的外來物種其入侵性往往也很強。因此，就結實量而言，刺蒼耳具有強入侵性，必須予以高度重視。

傳統觀念一般認為：蟲媒傳粉具有高效性、普遍性和多樣性等特點和優(yōu)勢[20],而水媒和風媒傳粉則傳粉效率較低，在自然系統中往往處于劣勢[21,22]。然而,研究[23]發(fā)現,風媒傳粉并不如傳統觀念認為的那樣低效,其效率甚至能夠超過蟲媒傳粉，并且，目前至少已經發(fā)現有多達65次被子植物從動物媒傳粉轉變?yōu)轱L媒傳粉的實例[24,25]。植物從蟲媒轉變?yōu)轱L媒只需要進化出相對簡單的花部特征[26]。因此，風媒傳粉極有可能在某些方面具有明顯的優(yōu)勢，成為一些被子植物傳粉模式進化的方向。本研究結果表明刺蒼耳為風媒傳粉植物，在風速為0.89 m/s的微風條件下其花粉擴散距離便可達34 m；且在距離植株10 m的范圍內花粉散播量占到其散播花粉總量的87%。由于刺蒼耳植株在群落中往往呈高密度聚集性分布，因此其散播出的大量花粉將顯著地增加其異交成功的可能性，有助于產生更多的異交種子，提高其后代的環(huán)境適應性[27]。

植物順利完成傳粉受精需要經過一系列復雜的過程[28]，而這一過程受到柱頭可授性、花粉活力等因素的影響?；ǚ刍盍κ侵富ǚ劬哂写婊?、生長、萌發(fā)的能力[29]，直接影響植物的授粉受精和結實率[30]。不同物種，其花粉具有活力的時長也不同，水稻花粉散播出大約10 min后就幾乎全部失去了萌發(fā)能力；菊花花粉的壽命則為1～2 d[31]。不同物種，其新鮮花粉的活力也不相同。偃麥草在散粉期的花粉活力只有10%；而新鮮節(jié)瓜散粉期的花粉活力則能夠高達90%[32]。而柱頭可授性是指：柱頭接受有活性的花粉和維持親和花粉萌發(fā)的性能[33]。柱頭可授性的強弱以及持續(xù)時長對于植物成功受精結實具有十分重要的影響。研究[34]證實，在柱頭的最佳可授期(可授性最強時期)授粉，植物的結實率或結子率都明顯高于其他時期。本研究結果表明：刺蒼耳從08∶00—20∶00的12 h里，其花粉活力均可維持在75%以上，最高可達99%。其柱頭具有可授性的時間則達到了10 d，顯著地高于同屬另一外來入侵物種意大利蒼耳的柱頭可授性時長(7 d)[35]。刺蒼耳不僅可以在長達12 h里維持75%以上的花粉活力，而且還能維持較長時間的柱頭可授期，從而大大提高了其成功繁殖的機會，顯著提高了該植物的入侵力[4]。此外，前人對平榛和平歐雜種榛柱頭可授性的研究[36]表明，當柱頭的長度達到最大值時，其表面附著的花粉最多，顯著提高了其繁殖成功的概率。刺蒼耳的單個柱頭上可以容納的花粉數量約為742粒，極大地增加了柱頭成功捕獲空氣中花粉的機會，大大提高了其雌蕊成功受精的概率。

繁殖分配是植物繁殖生物學研究的核心內容之一。繁殖分配是指植物分配到繁殖器官的生物量占總生物量的比例[37]。對被子植物而言，較高的繁殖分配就意味著母體優(yōu)先投資更多資源用于繁殖，可使入侵植物產生更多的種子，從而快速地在新生境中定殖成功[38,39]。外來植物的繁殖能力和入侵力之間往往呈正相關關系，而入侵植物往往比本地植物具有更高的繁殖分配[40]，這與本研究的結果是一致的。刺蒼耳的繁殖分配達到了53%，說明刺蒼耳將超過半數的資源投資用于繁殖產生后代，單株的果實數量平均約為7508粒，使其在入侵區(qū)域中能夠更快更容易地建立種群并快速擴散[4,41]。

自交親和是許多外來植物繁育系統的共同特征，自交親和者，在其入侵新棲息地的初期階段，即使傳入的個體數量很少，也能夠在短時間內產生足夠多的種子，有利于其在新生境中的種群建立。根據調查，入侵我國的菊科植物中，有將近2/3的物種能夠進行自交結實[42]。而異交親和則可以顯著地增強植物后代的生活力，主要表現為：相對于親本，后代的繁殖力、生長勢等性狀明顯增強、總生物量明顯提高，這也被稱為雜種優(yōu)勢[43]。本研究結果表明：刺蒼耳的自花授粉處理的結實率顯著地高于異花授粉處理的結實率，這表明刺蒼耳趨于自交，而自交能夠降低外部環(huán)境對外來種繁殖的干擾，從而達到迅速成功繁殖的目的[44]；并且，刺蒼耳也可以進行異交，異交結實率達到了80%，這對刺蒼耳避免自交衰退，改善其后代的適合度具有積極意義。而在去雄套袋處理中沒有結出任何種子，則說明刺蒼耳不具有無融合生殖的特性[11](表4)。自交和異交相結合的繁殖策略大大提高了刺蒼耳的繁殖能力，也提高了其入侵性[4]。

外來入侵植物刺蒼耳在開花物候、傳粉媒介、花粉散播距離、柱頭可授性、花粉活力、柱頭表面積與花粉粒橫截面積的比值、繁殖分配、交配系統等繁殖生物學特性指標上都表明了：刺蒼耳具有很強的有性繁殖能力，這可能是其成功入侵的重要原因之一。