華木蓮開花結(jié)實(shí)特性及其瀕危的影響因素1)

龍桂根 陳發(fā)菊 陳應(yīng)德 姚蕾 鄭慶衍 李乾明 王勇

(宜春市科學(xué)院，宜春，336000) (三峽大學(xué)) (宜春市科學(xué)院)

華木蓮(SinomanglietiaglaucaZ. X. Yu et Q. Y. Zheng)又名落葉木蓮，是木蘭科木蓮屬中唯一落葉樹種。華木蓮是1988年在江西省宜春市明月山國(guó)家森林公園境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的木蘭科新種，為我國(guó)特有種，國(guó)家一級(jí)瀕危保護(hù)植物，呈點(diǎn)狀狹窄地散生于袁州區(qū)洪江鄉(xiāng)木坪及玉京山一帶，野生種群數(shù)量十分稀少，為極度瀕危植物。該樹種發(fā)現(xiàn)以來(lái)，龍桂根等[1]對(duì)華木蓮生殖發(fā)育、居群遺傳結(jié)、種苗繁育、種質(zhì)資源保護(hù)與篩選等方面進(jìn)行了研究，并為保護(hù)、開發(fā)這一珍貴植物資源奠定了基礎(chǔ)。

華木蓮自然分布狹窄、個(gè)體數(shù)目少、遺傳基礎(chǔ)薄弱、自然更新困難等問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響其天然種群的生存狀況[2-4]。華木蓮天然種群的穩(wěn)定存在是研究、開發(fā)、利用這一特色種質(zhì)資源的基礎(chǔ)，更是種質(zhì)資源保護(hù)、優(yōu)良種質(zhì)挖掘、可持續(xù)生態(tài)林業(yè)發(fā)展的根本所在。繁育系統(tǒng)、生殖衰退往往是植物瀕危的關(guān)鍵因子[2-3]。為了更好地保護(hù)華木蓮野生種群，系統(tǒng)研究華木蓮繁育系統(tǒng)，分析其生殖生物學(xué)等內(nèi)在因素對(duì)華木蓮瀕危的影響程度，是探尋并制定華木蓮野生種群保護(hù)策略的首要問(wèn)題[2，5-6]。

本研究以華木蓮為研究對(duì)象，對(duì)其開花生物學(xué)特性、人工授粉及自然結(jié)實(shí)情況進(jìn)行了初步研究，并以此為基礎(chǔ)分析其致瀕原因，提出保護(hù)措施，旨在為野生華木蓮的保護(hù)、遺傳育種及繁育提供參考，豐富瀕危植物保護(hù)生物學(xué)理論，為研究其他瀕危植物瀕危機(jī)制提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)華木蓮自然分布情況、人工林生長(zhǎng)情況、結(jié)實(shí)情況，選取個(gè)體數(shù)量在20株以上，長(zhǎng)勢(shì)良好且結(jié)實(shí)相對(duì)穩(wěn)定的3個(gè)不同地點(diǎn)華木蓮種群進(jìn)行調(diào)查，其地理信息見(jiàn)表1。于2016、2017、2018、2019、2020年對(duì)3個(gè)不同地點(diǎn)的華木蓮開花結(jié)實(shí)特性進(jìn)行觀測(cè)。所觀測(cè)的華木蓮樹齡均在10 a以上，生長(zhǎng)健壯，連續(xù)正常開花結(jié)果4 a以上。

表1 3個(gè)華木蓮種群信息

1.2 華木蓮開花物候觀測(cè)

選取溫湯試驗(yàn)林場(chǎng)種群中的5株華木蓮各15朵華木蓮花進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，記錄花朵形狀、顏色、大小、雌蕊、雄蕊、花被片長(zhǎng)度及片數(shù)。

華木蓮開花物候調(diào)查，主要是記錄始花時(shí)間、花朵開放、花瓣伸展、雄蕊個(gè)數(shù)、終花時(shí)間、單花持續(xù)時(shí)間、整株開花狀況、群體開花狀況等。

1.3 雜交指數(shù)的估算

雜交指數(shù)的估算按照Dafni的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)花序直徑、花朵大小、開花過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估華木蓮繁育系統(tǒng)[2，7]。隨機(jī)選擇10朵華木蓮花，測(cè)量其花朵直徑(d)，以其平均值作為指標(biāo)，d≤1 mm、1 mm6 mm分別計(jì)值為0、1、2、3；根據(jù)花藥開裂與柱頭可授期的間隔時(shí)間，雌雄同熟或雌蕊先熟、雄蕊先熟分別計(jì)值為0、1；根據(jù)柱頭與花藥的空間相對(duì)位置，高度相同、空間分離，分別計(jì)值為0、1。

以上三者之和為雜交指數(shù)(OCI)，其值為0時(shí)表明繁育系統(tǒng)是閉花授粉，為1時(shí)是專性自交，為2時(shí)是兼性自交，為3時(shí)是自交親和(有時(shí)需要傳粉者)，為4時(shí)是部分自交親和，異交需要傳粉者[2，7]。

1.4 控制授粉試驗(yàn)

4月初，隨機(jī)選擇3株樹各15個(gè)嫩綠色花苞進(jìn)行4個(gè)不同處理的授粉試驗(yàn)：花苞套袋處理，未作任何處理，僅套袋隔離；對(duì)照，不作任何處理，置于自然條件，同步觀測(cè)；人工控制授粉，在花苞成黃綠色時(shí)人為打開花瓣，并去雄，用同株或異株花朵的花粉進(jìn)行授粉，授粉后，套袋隔離。套袋隔離3～5 d后，解開授粉袋，觀測(cè)其發(fā)育結(jié)實(shí)情況，直至9月中下旬結(jié)束觀測(cè)，以檢測(cè)其授粉特性。

1.5 果實(shí)特性測(cè)定

采種期為9月下旬，以樹上果實(shí)全變?yōu)槁辄S色，果實(shí)微裂，見(jiàn)紅色假種皮為準(zhǔn)。

結(jié)實(shí)特性調(diào)查：在采種時(shí)，對(duì)每個(gè)種群的開花結(jié)實(shí)情況(花期、果期)進(jìn)行調(diào)查。

結(jié)實(shí)單株的頻率的統(tǒng)計(jì)：從3個(gè)種群中分別隨機(jī)選定3個(gè)20 m×20 m的固定樣地，從該種群出現(xiàn)開花結(jié)實(shí)的單株開始，每年統(tǒng)計(jì)結(jié)實(shí)單株的數(shù)量，連續(xù)統(tǒng)計(jì)5 a。5 a內(nèi)開花結(jié)實(shí)單株數(shù)的最大值，即為該種群的結(jié)實(shí)單株數(shù)量，結(jié)實(shí)單株率=結(jié)實(shí)單株數(shù)量/全部活立木數(shù)量×100%。

萌芽試驗(yàn)：隨機(jī)挑選15個(gè)單株家系的種子，分別取出帶有假種皮的種子及無(wú)假種皮的種子各100粒，分別播種，重復(fù)3次，待種子萌芽后，每天下午觀測(cè)種子萌芽情況，連續(xù)10 d萌芽數(shù)量無(wú)變化，則為最終萌芽數(shù)量，萌芽率=最終萌芽數(shù)量/種子粒數(shù)×100%。

假種皮質(zhì)量測(cè)定：隨機(jī)挑選15個(gè)單株家系，分別采種后，分單株室內(nèi)陰干至果殼全部裂開，取出種子并稱其質(zhì)量(G1)，搓洗假種皮，再次稱質(zhì)量(G2)，則單株種子質(zhì)量為G1，假種皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)=100%×(G1-G2)/G1。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007對(duì)種群果實(shí)各性狀進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)、分析，采用SPSS19.0對(duì)種群間果實(shí)性狀進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花特性

2.1.1 花部特征

華木蓮的花單生枝頂，芳香，花被12片或16片，淡黃色，螺旋狀排列成3～4輪，每輪4片。外輪花被片為長(zhǎng)橢圓形，長(zhǎng)7.0～7.4 cm，寬1.8～2.0 cm；中輪花被片為披針形，長(zhǎng)6.6～5.2 cm，寬1.3～1.7 cm；內(nèi)輪花被片為披針狀線形，長(zhǎng)5.5～6.0 cm，寬0.3～0.8 cm。雄蕊36～60枚，長(zhǎng)0.6～0.7 cm，花絲極短，長(zhǎng)約0.1 cm。心皮15～22枚，每枚心皮有6～8個(gè)胚珠。華木蓮雌雄同株同花，雄蕊聚生于圓錐狀花托基部周圍，長(zhǎng)0.8～1.2 cm；雌蕊生于花托頂端(圖1)。

A.完全開放的花朵及完全閉合的花苞；B.除去部分花苞片的花苞；C.雌蕊和雄蕊；D.花苞片及雄蕊。

2.1.2 華木蓮開花過(guò)程

根據(jù)對(duì)華木蓮開花過(guò)程的觀測(cè)，華木蓮開花可以分為蕾期、初開期、盛開期、重合期、萎蔫期、凋零期。華木蓮蕾期從3月下旬開始，顯著特征為花芽開始顯著膨大，花苞苞片由嫩綠色轉(zhuǎn)為黃綠色，此時(shí)雌蕊已成熟，其柱頭呈白色并分泌粘液，可接受花粉，此階段持續(xù)約32 h，如圖2A；初開期，外輪花被片展開，內(nèi)側(cè)2輪花被片仍緊密合攏，此時(shí)花粉成熟，授粉可充分進(jìn)行,此階段持續(xù)約12 h，如圖2B；盛開期，所有花被片均展開，內(nèi)輪花被片向外稍微傾斜，所有雄蕊呈散開狀，花粉全部成熟，柱頭處于不可授粉狀態(tài),此階段持續(xù)約8 h，如圖2C；重合期，內(nèi)側(cè)2輪花被片重新閉合，外輪花被片保持展開狀態(tài)，此階段持續(xù)時(shí)間約為8 h，與初開期間隔時(shí)間較短，為1.17～1.50 d左右，球果雛形形成，如圖2D；萎蔫期，從花被片頂端開始枯黃，到全部枯黃為止，持續(xù)時(shí)間約為20 h，如圖2E；凋零期，花被片、雄蕊均枯萎脫落，花期結(jié)束，如圖2F。由此可知，華木蓮單花花蕾期相對(duì)較長(zhǎng)，約1.5 d，初開期至萎蔫期，花期為2～3 d。單株開花時(shí)期不一，陸續(xù)開放。

A.蕾期；B.初開期；C.盛開期；D.重合期；E.萎蔫期：F.凋零期。

2.1.3 雜交指數(shù)估算

根據(jù)對(duì)3個(gè)種群的華木蓮花朵觀測(cè)可知，華木蓮花朵直徑最小為7.5 cm，最大為16.8 cm，平均值為12.9 cm，為大型花，對(duì)應(yīng)值為3。華木蓮花在花被片即將展開之時(shí)，其花藥未開裂，花粉未成熟，而雌蕊柱頭已經(jīng)分泌出粘液，處于成熟狀態(tài)，雌蕊先熟，對(duì)應(yīng)值為0。華木蓮花為雌雄同花，花被片散開時(shí)，其柱頭位置高于花藥，對(duì)應(yīng)值為1。由此可見(jiàn)華木蓮雜交指數(shù)為4，為異花授粉為主，自花授粉為輔。

2.1.4 華木蓮授粉情況

對(duì)不同授粉處理的花朵結(jié)實(shí)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，自然狀態(tài)的木蓮結(jié)實(shí)率僅為40.00%；套袋隔離狀態(tài)的結(jié)實(shí)率為13.33%，不能正常結(jié)實(shí)者在12 d左右花托自然脫落；同株異花授粉的結(jié)實(shí)率為73.33%；異株異花授粉的結(jié)實(shí)率為86.67%；人工去雄未授粉的花朵，花托全部脫落。結(jié)果表明，華木蓮以異花授粉為主，自花授粉為輔。

表2 華木蓮不同授粉處理的結(jié)實(shí)情況

根據(jù)華木蓮花朵特性、開花過(guò)程、雜交指數(shù)、套袋隔離花朵的結(jié)實(shí)特性，可以看出，由于華木蓮著花方式為頂生，花期短，開花后存在重新閉合現(xiàn)象，且其授粉方式為異花授粉，加之雌蕊先熟，從而導(dǎo)致華木蓮自然開花結(jié)實(shí)率低，甚至只開花不結(jié)實(shí)，這是其瀕危原因之一。

2.2 華木蓮的結(jié)實(shí)特性分析

2.2.1 華木蓮結(jié)實(shí)特性

對(duì)來(lái)自不同種群、不同樹齡的華木蓮活立木進(jìn)行連續(xù)10 a的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)袁州區(qū)溫湯鎮(zhèn)、袁州區(qū)洪江鄉(xiāng)、奉新縣采育林場(chǎng)的華木蓮初始開花結(jié)實(shí)的樹齡分別為6、7、6 a，其平均樹齡為6.33 a；盛果期分別為11、13、10 a，盛果期出現(xiàn)的平均樹齡為11.33 a。所有結(jié)實(shí)量較多的單株一般處于林窗處或林緣，林分內(nèi)的單株果實(shí)多集中在樹冠上部，這一現(xiàn)象表明華木蓮結(jié)實(shí)過(guò)程需要較多的光照。

近3 a觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)wt-19(wt為溫湯林場(chǎng)華木蓮種群，19為單株編號(hào))、hj-3(hj為洪江木坪村華木蓮種群，3為單株編號(hào))、hj-35、hj-21、wt-7等10個(gè)單株在2017、2018年均有結(jié)實(shí)，2019年wt-19、wt-10、wt-11、wt-1等活立木未結(jié)實(shí)。同時(shí)可以看出，3 a內(nèi)，華木蓮單株果實(shí)產(chǎn)量出現(xiàn)明顯的“大小年”現(xiàn)象，整體平均值2017年、2018年、2019年分別為11.2、19.0、5.9 kg·株-1。對(duì)于單株華木蓮活立木，每年果實(shí)產(chǎn)量存在較大變化，極度不穩(wěn)定，如wt-4單株在2018年結(jié)實(shí)量達(dá)到50.1 kg·株-1，而2019年僅為3.0 kg·株-1。

3 a連續(xù)的觀測(cè)結(jié)果也顯示，華木蓮人工林結(jié)實(shí)量較相同樹齡的天然林結(jié)實(shí)量相比分別高3.53%、4.12%、3.75%，但差異不顯著。同時(shí)，華木蓮人工林、天然林種群中，結(jié)實(shí)單株分別占到整體林分的42.18%、37.95%，即未結(jié)實(shí)的單株占一半以上。

表3 部分華木蓮不同單株不同年份結(jié)實(shí)量

2.2.2 華木蓮種子假種皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為更好地分析華木蓮果實(shí)特性，對(duì)華木蓮種子的單株產(chǎn)量、假種皮質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)定分析，結(jié)果見(jiàn)表4。華木蓮種子假種皮質(zhì)量平均占整個(gè)種子質(zhì)量的58.37%，最大占66.16%，最小占41.30%。發(fā)芽試驗(yàn)中，帶假種皮的種子發(fā)芽率僅有10.20%，其最低發(fā)芽率為3.50%；搓洗掉假種皮的種子發(fā)芽率達(dá)到95.70%，最低為81.00%。實(shí)際生產(chǎn)中，假種皮未搓洗干凈的種子發(fā)芽率降低，甚至不萌芽。趙武[8]、俞志雄等[9]的研究認(rèn)為，肉質(zhì)假種皮中大多數(shù)為萜烯類、醇類化合物，其可以保護(hù)種子，防止失水，但對(duì)種子萌芽具有明顯的抑制作用。自然脫落的華木蓮種子，少部分肉質(zhì)假種皮被鼠類、鳥類消化，絕大部分種子的假種皮在地上容易迅速霉變腐爛，導(dǎo)致種子霉變而腐爛，這也是華木蓮自然條件難以進(jìn)行林下更新的直接原因。

表4 華木蓮肉質(zhì)假種皮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其對(duì)種子發(fā)芽率的影響

續(xù)(表4)

3 結(jié)果與討論

華木蓮單花壽命2～3 d，盛開期僅8 h，整個(gè)種群持續(xù)開花，存在開花后重新閉合現(xiàn)象，難以吸引傳粉者，這是導(dǎo)致華木蓮瀕危的重要原因之一。本研究認(rèn)為，華木蓮單花開花過(guò)程可分為6個(gè)階段，花期為2～3 d，開花后存在重新閉合直至凋零的現(xiàn)象。整個(gè)種群花期持續(xù)15 d左右，持續(xù)開花，無(wú)盛花高峰期。開花期為4月中下旬，多為陰雨天氣。華木蓮花朵對(duì)傳粉昆蟲基本沒(méi)有吸引力，導(dǎo)致授粉不充分，自然結(jié)實(shí)率低。華木蓮雜交指數(shù)為4，為異花授粉為主，自花授粉為輔。從雜交指數(shù)及套袋授粉可以看出，華木蓮繁育系統(tǒng)為異交，初開期雌蕊為成熟末期，而此時(shí)花藥未開裂，花粉剛開始成熟，兩者同時(shí)具有活力的時(shí)間僅為5 h左右。華木蓮雌蕊在上，雄蕊在下，雌雄異位，自花授粉難以進(jìn)行，異花授粉又無(wú)活躍的授粉昆蟲[10-12]，這也是華木蓮瀕危的重要因素之一。

華木蓮種群結(jié)實(shí)率低(42.18%～37.95%)、不穩(wěn)定，原因是華木蓮結(jié)實(shí)需要較多的光照，且其花期短，開花后存在重新閉合的現(xiàn)象。華木蓮授粉方式為異花授粉，加之雌蕊先熟，導(dǎo)致華木蓮自然開花結(jié)實(shí)低，甚至只開花不結(jié)實(shí)，從而導(dǎo)致其瀕危。

華木蓮種子假種皮過(guò)厚，抑制萌芽。華木蓮種子肉質(zhì)假種皮質(zhì)量達(dá)到整個(gè)種子的57.37%，帶有假種皮的種子萌芽率僅有10.20%，這進(jìn)一步說(shuō)明較厚的假種皮會(huì)降低華木蓮種子的萌發(fā)率。

本研究認(rèn)為，華木蓮花朵結(jié)構(gòu)、開花過(guò)程、開花模式、授粉特性、種子生物學(xué)特征均為其瀕危的主要因素。華木蓮花期持續(xù)開花模式、同期開花數(shù)量少、單花花期極短、開花時(shí)期陰雨低溫，這些都影響華木蓮花朵對(duì)授粉昆蟲的吸引力。華木蓮雄蕊聚生于圓錐狀花托基部，雌蕊螺旋聚生其上部，柱頭可授性遠(yuǎn)早于花粉成熟，進(jìn)一步加劇華木蓮授粉的難度。授粉試驗(yàn)表明，華木蓮自然授粉結(jié)實(shí)率低，僅為40%，而同株異花、異株異花授粉結(jié)實(shí)率達(dá)到73%、87%，這進(jìn)一步說(shuō)明華木蓮異花授粉結(jié)實(shí)率高。另外，華木蓮種子假種皮過(guò)厚，抑制種子萌芽并導(dǎo)致其霉變腐爛，直接降低了華木蓮天然更新的可能性。華木蓮幼苗前期喜陰后期喜陽(yáng)的特性，也是華木蓮瀕危的原因。因此，在華木蓮開花期間，開展人工輔助授粉，并及時(shí)收集華木蓮種子，去除其肉質(zhì)假種皮，人工促進(jìn)其萌芽，是提高華木蓮結(jié)實(shí)率、種子萌芽率的可行性手段，也是提高其種群多樣性途徑。

本研究通過(guò)對(duì)華木蓮不同種群開花結(jié)實(shí)過(guò)程連續(xù)跟蹤觀測(cè)、分析，從其開花結(jié)實(shí)物候、繁育系統(tǒng)、授粉特征、結(jié)實(shí)特性等方面對(duì)華木蓮進(jìn)行了初步研究,分析了其繁育生殖致瀕機(jī)制，為華木蓮進(jìn)一步開發(fā)提供參考。