木棉雄蕊特征與其繁殖策略的關(guān)系分析

羅曉滔，胡世俊，馬煥成

(西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室，云南 昆明 650224)

木棉是生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)的大葉型喬木，高10～25 m。樹干挺直，基部密生瘤刺防止動物侵入。木棉外觀隨季節(jié)變化展現(xiàn)不同的景象，木棉花桔紅色，先開花后長葉，樹形頗具陽剛之美，是行道樹、園庭觀賞樹首選。產(chǎn)于云南、四川、貴州、廣東、福建和臺灣等亞熱帶省區(qū)。目前國內(nèi)外對木棉的研究主要集中在栽培技術(shù)管理、組織培養(yǎng)、生態(tài)綠化、遺傳多樣性等方面，對其繁育系統(tǒng)相關(guān)研究僅限于木棉嫁接繁育、種植繁育技術(shù)和花部形態(tài)特征與傳粉者行為等方面[1-3]。關(guān)于繁殖生態(tài)學(xué)方面針對外部環(huán)境及時間變化對木棉生長繁殖的影響研究相對較少，對木棉花雄蕊特征的研究將有助于理解木棉生長環(huán)境與時間變化對木棉生長繁殖的影響，因此顯得尤為重要。

植物繁育系統(tǒng)通過花部式樣、花開方式、雄蕊雌蕊開放先后及持續(xù)時間與不同的交配系統(tǒng)綜合影響后代遺傳組成的有性性別特征。交配系統(tǒng)是植物繁育系統(tǒng)的核心。在錦葵目木棉科植物中，目前國內(nèi)外學(xué)者多注重研究經(jīng)濟(jì)植物，如榴蓮、瓜栗屬、猴面包的花開特征及繁育系統(tǒng)。對繁育系統(tǒng)的全面研究有助于把握植物花開特性與傳粉種類、氣候特征的協(xié)同關(guān)系。木棉每年2—3月開花，5月末果實成熟后飄絮完成結(jié)實過程。其間干季沒有葉片情形下完成結(jié)果過程的木棉繁殖是一項值得深入研究的課題。本研究對木棉雄蕊形態(tài)特征、花體活性等進(jìn)行深入研究，旨在了解該物種在干熱河谷的適應(yīng)性，進(jìn)一步明確其繁殖特性，為該物種保育、生態(tài)利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗在云南省紅河州個舊市保和鄉(xiāng)冷墩村木棉試驗基地進(jìn)行，該地屬干熱河谷，南亞熱帶季風(fēng)氣候。木棉為該地主要優(yōu)勢喬木樹種，研究材料選自木棉自然種群。

1.2 形態(tài)指標(biāo)測量

在自然條件下，隨機(jī)選取15株木棉，每棵分別選取2顆尚未開放的花苞進(jìn)行標(biāo)記，連續(xù)觀察并記錄花蕾生長、花開動態(tài)。在上午時間選擇盛花期木棉對部分完全開放的花進(jìn)行花部形態(tài)指標(biāo)測定。利用游標(biāo)卡尺測量木棉花的花托直徑、花瓣長和寬、雌蕊長度、外層雄蕊長度、內(nèi)高層雄蕊長度、內(nèi)低層雄蕊長度，計算變異系數(shù)，分析這些器官變異大小。

用鑷子將花藥取出放入離心管中，常溫干燥48 h后存放4℃冰箱。在導(dǎo)電膠上將其均勻分布，置于金屬載物臺上，用常規(guī)真空噴鍍法噴金90 s后在掃描電鏡下觀察花藥形態(tài)，選取有代表性的視野進(jìn)行拍照。

1.3 單花花粉量與花粉活力

單花花份量參照路國輝等[4]學(xué)者的方法，隨機(jī)選取10株植株，每株選取3朵開放但花藥尚未開裂的花，取出花藥解剖，將外輪花藥和內(nèi)輪花藥置于離心管中，注入蒸餾水至1 ml。振蕩60 s后吸取1 μL花粉液均勻地滴于載玻片，顯微鏡下觀察花粉數(shù)量。

于2019年3月中旬上午10時，隨機(jī)選取10株植株，每株各選取3朵半開放、花藥尚未裂開的花，用解剖針刺破花藥取出花粉粒，置于培養(yǎng)皿中備用。利用氯化三苯基四氮唑染色法(TTC法)測定相對濕度為60%、20%時花粉活力。同時在濕度一定時，分別測定溫度為25℃、30℃、35℃及40℃時12 h內(nèi)花粉活力。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

所有數(shù)據(jù)運用SPSS21.0求均值、標(biāo)準(zhǔn)差分析，結(jié)合Duncan′s復(fù)極差法進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的真實性。

2 結(jié)果與分析

2.1 木棉花形態(tài)特征

木棉花雄蕊特征量見表1。

表1 木棉花部形態(tài)指標(biāo)的描述性分析

木棉花花朵較大，盛開時平均直徑超過44 mm?；ú拷Y(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)值變異系數(shù)相對較小，如雌蕊長相對均勻，變異系數(shù)僅4.48%，其次是花瓣長、花托直徑、花瓣寬和內(nèi)高層雄蕊變異系數(shù)分別為5.52%、7.35%、8.31%和9.53%。雖然與生殖關(guān)系最密切的雌蕊變異系數(shù)較小，但是與生殖關(guān)系同樣重要的雄蕊變異系數(shù)相對較大，其內(nèi)低層雄蕊變異系數(shù)為19.15%。同時可以發(fā)現(xiàn)：在變異系數(shù)方面，內(nèi)低層雄蕊(0.139 3)>內(nèi)高層雄蕊(0.095 3)>外層雄蕊(0.055 8)，木棉花的3層雄蕊外層較為整齊，內(nèi)低層雄蕊長短變化較大。木棉二輪花藥電鏡圖如圖1。

a：外輪花藥，b：內(nèi)低層花藥，c：內(nèi)高層花藥

木棉各輪花藥形態(tài)具有明顯差異。木棉外輪花藥與花絲呈全著藥，內(nèi)低層花藥與花絲呈個字著藥，內(nèi)高層花藥與花絲呈底著藥并聚攏。

2.2 花粉活力

2.2.1不同濕度下花粉活力

木棉花平均單花花粉量為141 065粒。對木棉花粉進(jìn)行活性研究，結(jié)果表明，濕度為60%的花粉活性高于濕度為20%的活性，且濕度為60%活粉活性隨時間下降趨勢較濕度為20%的活性平緩。在濕度條件較好的情況下(60%)，高層雄蕊的活力最強(qiáng)，外層花粉活力最低，而當(dāng)濕度降低后(20%)，低層的花粉活力下降速率不及高層的迅速(圖2)。

圖2 不同濕度下木棉花粉活力

2.2.2不同溫度下花粉活力

不同溫度下花粉活力如圖3所示。

由圖3可知，在溫度分別為25℃，30℃，35℃及40℃時，在溫度上升過程中，木棉花粉活性處于上升趨勢；當(dāng)溫度達(dá)到40℃時，木棉花粉活力開始下降，且隨時間的延長活力迅速下降，可見，溫度為35℃時，木棉花粉活力最高。濕度對花粉活力的影響結(jié)果類似，當(dāng)溫度適宜的情況下(30℃，35℃)，高層雄蕊的活力最強(qiáng)，外層花粉活力最低，而當(dāng)溫度不適宜的情況下(25℃，40℃)，低層花粉活力下降速率不及高層的迅速，甚至超過高層花粉活力。

圖3 不同溫度下的木棉花粉活力

3 討論

3.1 木棉花部形態(tài)與繁殖關(guān)系

干熱河谷熱量充足，水分缺乏，氣溫全年較高。在以干熱為顯著特點的干熱河谷，木棉是當(dāng)?shù)厝郝涞膬?yōu)勢種或常見種，木棉對當(dāng)?shù)貧夂蚓哂休^為良好的適應(yīng)性，較適于在干熱河谷環(huán)境中生長、繁殖[5]。木棉對干熱河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、水土保持與產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用。近年來，在對木棉的各項研究中，對木棉花部形態(tài)結(jié)構(gòu)以及對花部各器官生態(tài)功能的研究甚少。木棉為異花授粉植物，其傳粉生物主要為鳥類，昆蟲等，雄蕊長短變化可能有利于不同傳粉生物傳粉效率的提高和增強(qiáng)適應(yīng)性。異交傳粉機(jī)制的多樣性是花結(jié)構(gòu)和傳粉媒介相互適應(yīng)的結(jié)果，為適應(yīng)昆蟲的傳粉，植物形成與授粉昆蟲活動規(guī)律相協(xié)調(diào)的開花動態(tài)、花部形態(tài)[6-8]。木棉花量大，在單株和群體水平上開花同步性強(qiáng)，屬于“大量、集中式開放”模式，這種模式能吸引更多的鳥類、昆蟲訪花傳粉，保障植株的生殖成功，這些均是蟲媒花的典型特征，和野外傳粉目科繁育系統(tǒng)一致，木棉雄蕊繁盛期有利于吸引昆蟲。

3.2 木棉形態(tài)對繁殖的影響

雄蕊變異系數(shù)變化明顯，雄蕊花粉成熟時間層次感明顯，利于長時間傳粉，這與其他木棉科植物有一定差異。所以，木棉雄蕊成熟期只要有昆蟲活躍就能有充足的花粉。除此之外，木棉花期較長，花期與干熱河谷區(qū)昆蟲活躍期一致，利于蟲媒傳播。王慧(2017)、郝佳波(2015)、王盼盼(2017)等認(rèn)為植物形態(tài)與花粉數(shù)量均能夠促進(jìn)異交，花朵越大、花朵形狀和花粉量等均是吸引傳粉生物的重要因素[9-11]。木棉的花序為傘房花序，花內(nèi)輪花絲上部分2叉，中間10枚雄蕊較短，不分叉，外輪雄蕊多數(shù)，集成5束，每束花絲10枚以上，較長。同一生長環(huán)境下，不同株木棉花形態(tài)上變異相對較小，花朵形狀與生殖影響可以忽略，但與植物生殖密切相關(guān)的內(nèi)層雄蕊變異系數(shù)較大，內(nèi)低層雄蕊(0.099 3)>內(nèi)高層雄蕊(0.095 3)>外層雄蕊(0.055 8)，木棉的3層雄蕊外層較為整齊，內(nèi)低層雄蕊長短變化較大。從花型、雄蕊和雌蕊的關(guān)系上來看，木棉花雄蕊與繁殖關(guān)系更為密切。木棉雄蕊與繁殖關(guān)系的研究與菊科、木蘭科、千屈菜科等科目植物繁殖相關(guān)研究一致。何燕紅(2015)分析了孔雀草(菊科)的花開特性和繁育系統(tǒng)，認(rèn)為孔雀草外圍的3～4輪舌狀花可以有效吸引昆蟲，增強(qiáng)植物繁育能力[12]。招禮軍(2015)分析了灰木蓮(木蘭科)的花開特性和繁育系統(tǒng)，灰木蓮群體花期較長，個體開花時間30d左右，雌蕊先成熟，失去授粉技能后雄蕊花藥才開始裂開散粉。通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，雄蕊長(17.4 mm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雌蕊(11.8 mm)，雄蕊傳粉活力和天數(shù)均明顯高于雌蕊[13]。劉龍昌等(2015)針對紫薇花(千屈菜科)花部綜合特征和繁育系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同花色的紫薇花雄蕊對于繁育系統(tǒng)的影響較大。其中，長雄蕊花粉活性明顯高于短雄蕊[14]。傳粉過程中，紫薇花主要利用雄蕊的形態(tài)、顏色和花粉量實現(xiàn)繁育，雄蕊的特性在很大程度上影響到結(jié)實率和結(jié)籽數(shù)?；?種不同科目雄蕊形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：雄蕊花部形態(tài)、顏色等對繁育系統(tǒng)影響較大，木棉雄蕊特征、形態(tài)對于木棉繁育系統(tǒng)影響較大。木棉的3層雄蕊外層較為整齊，內(nèi)低層雄蕊長短變化較大，各層花藥之間有一定間隔，且此間隔隨木棉花期的變化發(fā)生改變，形態(tài)變異有利于吸引多樣化的傳粉生物，是植物提高生殖適合度的有效方式。形態(tài)變異對傳粉生物的影響結(jié)果與國內(nèi)眾多學(xué)者的研究一致[15-16]。

花藥電鏡圖片表明，木棉各輪花藥在其結(jié)構(gòu)和花藥著絲方式上皆有很大差異，研究木棉花藥壁發(fā)育過程中細(xì)胞如何分化以及各層花藥間形態(tài)結(jié)構(gòu)上差異有助于實現(xiàn)功能上的分化，花藥結(jié)構(gòu)與花粉散布以及與適應(yīng)性間有何聯(lián)系有待進(jìn)一下深入研究。

3.3 花粉活力對繁殖的影響

在濕度為60%，溫度為35℃時，木棉花粉活性最強(qiáng)，這是木棉適應(yīng)環(huán)境多樣性變化的重要體現(xiàn)。同時，木棉高層雄蕊的花藥個體大、花粉數(shù)量多，是干熱河谷環(huán)境下傳粉繁殖最主要的花粉源。植物傳粉系統(tǒng)主要包括花粉、柱頭和傳粉媒介3個部分。其中，花粉活力保持時間長可以提高植物傳粉成功率。李建軍等(2019)運用TTC法和聯(lián)苯胺—過氧化氫法研究了紅白忍冬繁育系統(tǒng)及傳粉特性，明確了花粉活力決定了傳粉生物的結(jié)實率。吳陽清(2015)在菊科植物繁育系統(tǒng)和雜交后代遺傳分析中對勛章菊在自然環(huán)境下花粉活力與繁育系統(tǒng)和雜交F1遺傳多樣性進(jìn)行了探究，研究結(jié)果顯示：勛章菊花粉活力對繁殖系統(tǒng)和遺傳系統(tǒng)均有較大影響。因此，干熱河谷條件下木棉繁殖中，雄蕊花粉活力與溫度、濕度息息相關(guān)，適應(yīng)這一特定環(huán)境下木棉的繁育。

對木棉花粉進(jìn)行活性初步研究表明，在濕度為60%，溫度為35℃時，木棉花粉活性最強(qiáng)，花粉活性比率最高可接近80%，高于25 ℃下的花粉活力最大值，這表明35℃左右的溫度有利于花粉保持較高的活力，實驗地木棉花期時平均氣溫為20℃左右，局部河谷最高氣溫25℃以上，較高的氣溫下，最外層的花粉在高溫下活力較高，這與干熱河谷溫度較高的環(huán)境條件相適應(yīng)。從研究結(jié)果看，高層雄蕊在相對濕度60%，溫度30℃、35℃的適宜環(huán)境下保持了較高的花粉活力，而當(dāng)濕度降低至20%時，溫度偏離最適宜溫度區(qū)間后，低層花粉活力下降速率低于高層下降速率，并且活性高于高層花粉活力。出現(xiàn)此種情況可以考慮是木棉抵御干熱氣候環(huán)境變化差異的重要途徑。

面對干熱河谷溫差較大環(huán)境時，底層花藥花粉活力較高，可以考慮此為逆境條件下高層花藥受損后的后備花粉源。當(dāng)然，若要證實此假設(shè)，尤其要理解木棉為何選擇干旱季節(jié)且樹上幾乎沒有葉片的情況下來完成開花結(jié)實的這種繁殖策略還需要開展更進(jìn)一步的研究。