扬子毛茛的传粉研究

2018-06-06 09:30:08 科教导刊·电子版 2018年6期

马博俊

摘 要 毛茛科(Ranunculaceae)属于真双子叶植物分支的原始类群,它的雌蕊群拥有离生心皮,而在毛茛属(Ranunculus)植物内一个雌蕊群内的心皮数可以达到几十个。前人的研究表明,具有离生心皮雌蕊群的植物,其繁殖結果会受到柱头授粉均一性的影响,而这一影响会很大地妨碍这些植物的后代延续。毛茛科毛茛属植物虽然具有多离生心皮雌蕊群,但是它们的有性繁殖能力却非常强大。本研究以毛茛属的一种植物扬子毛茛(Ranunculus sieboldii)为实验对象,通过观察它的传粉过程,花粉管生长过程以及结实情况,旨在弄清扬子毛茛的繁殖结构特点与传粉者活动对于结实率的影响,从而探索这类离生心皮雌蕊群植物的繁殖保障机制。

关键词 传粉 结实率 离生心皮雌蕊群 扬子毛茛

中图分类号:R284.1 文献标识码:A

在被子植物的繁殖中,传粉过程处于十分重要的地位,它直接影响了植物后代的产生。对于具有多心皮雌蕊群的植物而言,心皮离生会造成传粉过程中花粉在柱头间分配不均,使得同一雌蕊群内到达胚珠的花粉管也会出现差异,进而导致结实率下降。在自然状态下植物如何保证花内柱头的高授粉率以及当柱头授粉率不能保障的情况下如何产生足够多的具有竞争力的子代是非常值得关注的问题。在双子叶多心皮植物鹅掌楸( Liriodendron chinense)中的研究表明,其雌蕊群中的低授粉率直接导致了低结实率。而单子叶多心皮类群泽泻科中,结实率高于柱头授粉率则是另一种更为值得注意的事实:自然状态下,小慈姑(Sagittaria potamogetifola)的柱头授粉率为80%~85%,结实率却接近100%,进一步研究发现,“花粉管再分配” 作为一种繁殖保障机制在其中起着重要作用。此外,闭花授粉通常被认为是一种提高传粉效率的机制,因而是保障有性生殖成功的另一途径。

毛茛科属于真双子叶植物分支的原始类群,它的雌蕊群拥有离生心皮,而在毛茛属植物内一个雌蕊群内的心皮数可以达到几十个。虽然毛茛属植物的雌蕊群也拥有大量的离生心皮,但是这些植物的结实率却并不低,这说明在毛茛属植物内,可能存在一些繁殖保障机制,通过这些机制,它们避免了离生心皮雌蕊群的繁殖缺陷。本研究通过选取一种在华中地区大量分布的毛茛属植物扬子毛茛为研究对象,通过研究它的繁殖结构和繁殖过程,来弄清扬子毛茛的繁殖结构特点与传粉者活动对于结实率的影响,从而探索这种离生心皮雌蕊群植物的繁殖保障机制。

1材料与方法

1.1昆虫访花行为的观察

在实验区域中确定20朵花进行观察,以每15min为一个时间统计单位,记录访花昆虫种类,用数码相机进行拍照,并记录不同昆虫访花时间以及昆虫在花朵上的停留区域和行为。

1.2扬子毛茛柱头落粉率和花粉管生长观察

在晴朗的天气下,在两个不同的居群中随机选取100个花苞,一直到这些花凋谢,选取45朵从花开放到花瓣凋谢一直处于晴朗天气下的花,将它的整个雌蕊群剥离下来,用冰盒储存,立即转移至室内。然后在解剖镜下对这些雌蕊群进行观察,统计落有花粉的雌蕊群个数,计算它们占总数的百分比。另在这些雌蕊群中随机选取20个落有花粉的个体,对每个雌蕊群上所有柱头进行显微观察,记录落有花粉的柱头数,并计算落粉柱头占每个雌蕊群总柱头的百分比。然后再选取5个落有花粉的雌蕊群,将它们的所有雌蕊全部剥离并混合在一起,从这些雌蕊中随机选取50个用卡诺固定液(75%无水乙醇加25%冰乙酸)固定24小时后,在显微镜下用明场观察它们的柱头,记录每个柱头上的花粉数目,计算平均数。

在一个扬子毛茛居群中选取10个不同的植株,对60个花苞进行套袋,待花开放后进行人工异花授粉,为保证实验结果不受昆虫传粉的影响,授粉后仍旧套袋,于授粉后12h回收花朵,将花被和雄蕊群去除后,用FAA固定雌蕊群24小时以上。固定材料经过2%NaOH透明2h,然后进行徒手切片,经过蒸馏水洗后,再放置在苯胺蓝染液中染色3小时,然后取出材料再经过蒸馏水洗后置于Olympus荧光显微镜下用紫外激发光进行观察,主要观察花粉的萌发情况和花粉管在雌蕊中的生长情况。

1.3扬子毛茛结实情况统计

在同一个居群中,选取10个处于花蕾期的植株分为两组,对第一组5个植株的花苞进行套袋处理,待花开放后授以异株花粉,然后继续套袋知道所有花的花瓣全部凋谢,然后取下袋子待果实成熟;第二组5个植株的花苞不做任何处理,在自然状态下等所有花转变成为成熟果实。然后先以植株为单位,统计植株结实的百分比,然后从各组中分别选取20个成熟的果实,将所有小果进行剥离,在体视显微镜下统计每个果实上为发育心皮的数目和成熟小果的数目,然后计算成熟小果数与原先雌蕊群总心皮数的比值,作为每朵花的结实率。

2结果与分析

2.1访花昆虫种类与它们的访花行为

经鉴定,扬子毛茛的访花昆虫分属于膜翅目和双翅目。主要为蜂类(包括东方蜜蜂属Apis,熊蜂属Bombus等)和蝇类(黑带食蚜蝇属Episyrphus,蝇属Musca)。蜂类的访花高峰期期主要出现在上午10点和下午3点左右;蝇类的访花高峰期期主要出现在上午11点左右。蜂类昆虫在每朵花上停留的时间相对较短,平均约4秒左右。它们一般停留在花的中央,收集雄蕊释放的花粉,偶尔取食花瓣基部的花蜜。蝇类昆虫在每朵花上停留的时间相对较长,停留时间从几秒钟到几分钟时间不等。它们有时停留在花中央区域,有时停留在花瓣上。它们在花上有时会一动不动,有时会取食花蜜或花粉。

2.2扬子毛茛的柱头落粉率与花粉管生长情况

在45朵统计的扬子毛茛花中,落有花粉的花数为42,占有93.3%的比例。而在每朵花内,平均的柱头落粉率达到了81?.5%(n=20)。在柱头上授粉后,在30分钟内花粉就能萌发,然后花粉管沿花柱道向子房区生长,经过3-6个小时花粉管就能到达胚珠附近,每个雌蕊里面,只有1条花粉管能到达胚珠,而所有的花粉管生长被限制在一个心皮内。花粉管生长情况见下图示。

图1:扬子毛茛雌蕊群和单雌蕊内花粉管生长:A,雌蕊群内花粉管的萌发与生长;B,单个雌蕊内花粉管的生长。标尺等于250 m。

2.3结实率统计

通过对比套袋處理的结实率和自然状态下的结实率,我们发现两种情况下植株结实率非常接近,也即在晴朗的天气下,一个植株上几乎所有的花都有昆虫进行传粉并且都能结实(前期实验已经排除单性结实的可能);而自然状态下单花结实率对比人工授粉条件下有明显下降,但是平均水平仍然高于80%。

表1:扬子毛茛结实率统计

3讨论

扬子毛茛是一种相对原始的被子植物,它的雌蕊群都具有大量离生心皮。这种雌蕊群结构会使得结实情况很容易受到柱头授粉不一致的影响。然而我们在结实率的统计中发现,在自然状态下扬子毛茛的结实率比人工授粉的结实率并不会差太多,这一结果表明自然的传粉过程或后期花粉管生长过程能够保证扬子毛茛的后代产生。然而通过我们的花粉管实验,扬子毛茛的雌蕊群中并不存在“花粉管雌蕊外生长”这一现象,因为花粉管雌蕊外生长被认为在离生心皮雌蕊群中一种主要的传粉后繁殖保障机制,那么在扬子毛茛中保证结实率的机制就主要存在于传粉过程之中。

扬子毛茛虽然具有不定数雄蕊群和离生心皮雌蕊群这些原始的繁殖结构,但是它的花瓣拥有鲜艳的颜色,并且在花瓣上拥有蜜腺,能够较持续第地分泌吸引昆虫的蜜液,加上相对较长的单花期,扬子毛茛的一朵花能够在开放时期吸引较多的访花者。另外在扬子毛茛的一朵花中,雄蕊群和雌蕊群都位于花的中央区域,这样较多的访花昆虫能够把大量的花粉带至雌蕊群上,并且能够保证一个雌蕊群内大部分柱头都能接受到花粉。这样在扬子毛茛的传粉过程结束后,雌蕊群内柱头上花粉落置的不均一性将会大大降低,结实率自然不会受很大的影响。

在很多原始的离生心皮被子植物中,它们的结实率很容易受到传粉环境的影响,这样它们的适应能力也非常有限[7]。一些离生心皮被子植物因为具有花粉管雌蕊外生长机制而避免了这一繁殖缺陷,然而花粉管雌蕊外生长要求心皮为不完全封闭结构以及雌蕊群处于相对潮湿的环境,这实际上也限制了这些植物的分布,如这些植物一般生长在水环境中或雨林中。而毛茛属植物通过强化传粉过程,直接减轻了柱头花粉不均一落置状况,从而帮助这些植物提高结实率,能更好地适应环境。前面的大量的研究表明,传粉过程的变化与花部特征的进化存在很大的联系,在毛茛属中,我们看到,正是由于花部特性与传粉过程的协同作用,保障了植物的繁殖过程,因此也很可能推动了毛茛科植物的进化。要明确这种协同作用在毛茛科植物进化过程中的地位,我们还需要今后在整个毛茛科中对繁殖结构和繁殖过程进行系统研究。

参考文献

[1] Faegri,K.&L.; van der Pijl .The Principles of Pollination Ecology[M].Oxford: Pergamon Press, 1979.

[2] Waser,N.M. Pollination.angiosperm speciation.and the nature of species boundaries[J].Oikos,1998(81):198-201.

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[4] Wang,X.F.&Y.Y.Tan;&J.H.Chen;&Y.T.Lu.Pollen; tube reallocation in two preanthesis cleistogamous species, Ranalisma rostratum and Sagittaria guyanensis ssp. Lappula (Alismataceae)[J].Aquatic Botany,2006(85):233-240.

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[7] Stebbins,G.L. Adaptive radiation of reproductive characteristics in angiosperms.1.Pollination mechanisms[J].Annual Review of Ecology and Systematics,1970(01): 307-326.