程永琴,趙建花,韓　凱,曾淑云,黃　靜,劉占林

(西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,西部資源生物與現(xiàn)代生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069)

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5種地黃花部綜合特征與繁育系統(tǒng)的初步研究

程永琴,趙建花,韓凱,曾淑云,黃靜,劉占林*

(西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,西部資源生物與現(xiàn)代生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069)

摘要:生殖隔離是物種分化與延續(xù)的基礎(chǔ),地黃屬植物是否存在生殖隔離仍不清楚。通過實(shí)地觀測(cè)地黃屬5個(gè)物種(天目地黃、湖北地黃、裂葉地黃、地黃和茄葉地黃)自然種群的花部形態(tài)、開花動(dòng)態(tài)、花蜜體積、花蜜的糖濃度及其日變化、雜交指數(shù)、花粉-胚珠比等指標(biāo),結(jié)合人工授粉套袋,對(duì)地黃屬植物的花部綜合特征和繁育系統(tǒng)進(jìn)行研究。結(jié)果顯示:(1)地黃屬植物的花為兩性花,單花花期5～7 d,種群花期40～60 d;5種地黃在花序類型、花形態(tài)、花粉量、花粉-胚珠比等方面都存在差異,其中茄葉地黃的花粉完全敗育。(2)5種地黃屬植物的繁育系統(tǒng)屬于異交,部分自交親和,需要傳粉者,不具有無融合生殖特性,地黃與茄葉地黃存在強(qiáng)烈營(yíng)養(yǎng)繁殖。(3)5種地黃屬植物的花朵基部有蜜腺可以產(chǎn)生糖濃度較高的花蜜,這也支持傳粉者的存在,但除地黃確定為蜜蜂傳粉外,其它地黃植物在野外并未觀測(cè)到有效的傳粉者,可能與地黃的散生特性、生境相互隔離以及傳粉觀測(cè)期氣象條件惡劣有關(guān)。研究認(rèn)為,5種地黃屬植物較長(zhǎng)的花期能有效彌補(bǔ)傳粉者訪問頻率低的不足;除遺傳屏障外,推測(cè)地黃屬5個(gè)物種花展示方式的差異可能吸引不同的傳粉者,加之地理、生態(tài)因素的作用導(dǎo)致了5種地黃屬植物繁育系統(tǒng)的分化。

關(guān)鍵詞:開花特性;繁育系統(tǒng);花粉-胚珠比;雜交指數(shù)

地黃屬(Rehmannia)是東亞分布物種,隸屬玄參科。該屬植物現(xiàn)有5種:天目地黃(R.chingii)、裂葉地黃(R.piasezkii)、湖北地黃(R.henryi)、地黃(R.glutinosa)和茄葉地黃(R.solanifolia)[1-2],為多年生草本,具根莖,總狀花序,花萼鐘狀,萼齒5枚,花冠呈管狀,分為5枚裂片(個(gè)別種內(nèi)出現(xiàn)6裂片)。除茄葉地黃外其余4種地黃的雄蕊為4枚,茄葉地黃雄蕊多為6枚。種子多數(shù),較小。

地黃屬植物除地黃廣泛分布于華北外,其它4種分布較為局限:天目地黃分布于浙江、安徽的交界處,裂葉地黃、湖北地黃和茄葉地黃分布于秦巴山區(qū)。近年來對(duì)地黃屬的研究多偏重于地黃的藥性、化學(xué)成分及品種間遺傳基礎(chǔ)和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等方面[3-6],而對(duì)其繁育系統(tǒng)研究較少,僅有懷地黃的花粉形態(tài)[7],地黃的繁育系統(tǒng)的研究[8],其它4種的繁育系統(tǒng)研究未見報(bào)道。繁育系統(tǒng)的隔離是物種維持與分化的基礎(chǔ),花作為被子植物的繁殖器官,其開放樣式和花部設(shè)計(jì)吸引不同的傳粉者[9],再加上地理隔離、生態(tài)因素等可能導(dǎo)致不同物種繁育系統(tǒng)的分化。地黃屬不同種類是否存在物種特有的花部特征、傳粉昆蟲以及遺傳隔離機(jī)制等都是亟待解決的問題。本研究以5種地黃為研究對(duì)象,研究地黃屬植物自然居群的開花動(dòng)態(tài)、花部形態(tài)、雜交指數(shù)、花粉-胚珠比、花蜜體積、花蜜的糖濃度,結(jié)合授粉和套袋的結(jié)果,揭示地黃屬植物的花部特征和開花規(guī)律,初步確定其繁育系統(tǒng),判斷各種間是否存在遺傳隔離,為地黃屬植物生殖生物學(xué)以及物種形成和分化的深入研究奠定基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1研究地自然概況

我們于2013年4～7月選擇5種地黃個(gè)體較多并且人為干擾較少的自然居群進(jìn)行觀察,觀測(cè)地分別是:天目地黃——浙江省安吉縣(119.55°E,30.53°N),裂葉地黃——湖北省谷城縣(111.54°E,32.11°N),湖北地黃——湖北省興山縣(110.63°E,31.36°N),地黃——陜西省興平市(108.45°E,34.32°N),茄葉地黃——重慶市城口縣(108.80°E,31.73°N)。觀測(cè)后將這5個(gè)地點(diǎn)的5種地黃植株移栽于西北大學(xué)溫室,在相同的環(huán)境下培育,于2014年4～7月進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)的研究。

1.2研究方法

1.2.1開花物候和花部特征的觀察在研究地點(diǎn)標(biāo)記、觀測(cè)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期植株,每種地黃選擇10株,每株標(biāo)記3朵花。觀察并記錄其開花進(jìn)程,以及花被、花絲、花藥、子房的顏色、形狀并測(cè)量花萼長(zhǎng)寬,花瓣長(zhǎng)寬,花冠直徑,花冠管長(zhǎng)度,花藥和花絲的長(zhǎng)寬,子房和花柱的長(zhǎng)寬,柱頭與花藥的空間距離[10-11]。同時(shí)我們?cè)诨ü诘目v軸和橫軸測(cè)量花冠的張開度,用其比值表示花冠的圓度(比值為1∶1說明花冠張開度是圓形)。

1.2.2花粉敗育率的測(cè)定參考陳家瑞的孢粉染色法[12]。

1.2.3泌蜜動(dòng)態(tài)測(cè)定選擇地黃屬植物盛花期,測(cè)量地黃屬植物的花蜜量和花蜜的糖濃度。選取5個(gè)植株,取每株植株上剛要開花的2朵花進(jìn)行標(biāo)記,然后套袋,對(duì)所有標(biāo)記花的花蜜量進(jìn)行測(cè)量,在8:00～18:00每隔2 h用10 μL的毛細(xì)管吸取花蜜1次;如果糖量足夠多,用手持糖量計(jì)折射儀測(cè)定花蜜的糖濃度。

花蜜體積=(毛細(xì)管中液柱長(zhǎng)/毛細(xì)管總長(zhǎng))×毛細(xì)管的總體積[13]

1.2.4繁育系統(tǒng)類型的判斷(1)單花花粉量及P/O值的測(cè)定參考Dafni等[14]的方法,選取20朵始花期、未開裂的花測(cè)每朵花的花粉數(shù)。將每朵花的子房直接在載玻片上壓開,統(tǒng)計(jì)其胚珠數(shù)。

P/O值=單花花粉數(shù)/單花胚珠數(shù)

(2)去雄-套袋-授粉實(shí)驗(yàn)檢測(cè)繁育系統(tǒng)類型 參考Dafni等[14]和Bowers[15]的描述方法,在實(shí)驗(yàn)地選取位置相對(duì)一致的花,在花蕾期掛牌,分別進(jìn)行套袋、去雄及人工授粉實(shí)驗(yàn),具體的處理參照劉林德等的方法[16]。

(3)人工雜交實(shí)驗(yàn)雜交授粉實(shí)驗(yàn)于2015年4月1日～5月30日進(jìn)行,選取種植于溫室的5種地黃進(jìn)行正反交,每個(gè)品種選3～4株生長(zhǎng)健康的植株作為母本。由于5種地黃的始花期時(shí)間不同,但是他們的花期有重疊,在花期重疊的時(shí)間內(nèi),將其它4種地黃的花粉用毛筆和鑷子涂抹到另外一種地黃的柱頭上進(jìn)行人工授粉,授粉后套袋,待種子成熟后記錄結(jié)實(shí)情況,記錄種子萌發(fā)率。

(4)OCI指數(shù)的估算按照Dafni的標(biāo)準(zhǔn)[17]進(jìn)行花序直徑、花朵大小及開花行為的測(cè)量及繁育系統(tǒng)的評(píng)判。

1.2.5訪花昆蟲的調(diào)查在花期,隨機(jī)標(biāo)記5株已開放的地黃屬植株,每株標(biāo)記4個(gè)花,從日出到日落(約7:30～20:00)進(jìn)行連續(xù)觀察記錄訪花昆蟲的種類并照相,捕捉訪花昆蟲,毒瓶殺死陰干,用于鑒定。

1.2.6數(shù)據(jù)分析方法用Statistica 6.0處理數(shù)據(jù),圖表在Origin 9.0下完成。

2結(jié)果與分析

2.15種地黃的開花物候期和花部特征

野外觀察發(fā)現(xiàn)5種地黃的開花時(shí)間不同,天目地黃于3月底開花,湖北地黃和地黃的開花時(shí)間在4月上旬,茄葉地黃于4月中旬開花,裂葉地黃的開花時(shí)間比其它4種地黃晚,于5月份開花。5種地黃的單花花期為5～7 d,野外觀察5種地黃屬植物的花期顯示,茄葉地黃花期最短,為40 d左右,地黃花期為50 d左右,天目地黃、湖北地黃、裂葉地黃的花期都在60 d左右。

地黃屬植物花均為兩性的管狀花,花朵兩側(cè)對(duì)稱,花瓣上唇2枚下唇3枚?；ɡ俣嘣谥形缜昂箝_放,大多數(shù)地黃的花在開花當(dāng)天就產(chǎn)生花蜜,花開放時(shí),柱頭明顯高于花藥的位置,花柱在花期內(nèi)伸長(zhǎng)不明顯,而花絲在開花當(dāng)天或第2天開始伸長(zhǎng),直到花藥開裂花粉散出。地黃屬的花中除茄葉地黃為6個(gè)花絲外,其余地黃均為4個(gè)花絲,在這4個(gè)花絲中一般2枚較長(zhǎng)的花絲先伸長(zhǎng)且花藥開裂散粉,其余2枚滯后1～2 d?；ㄖ诨ǘ鋬?nèi)部直立生長(zhǎng),花絲彎曲生長(zhǎng),花藥緊貼花管內(nèi)部,花凋謝時(shí)花瓣和雄蕊一起脫落。5種地黃花朵的功能形態(tài)特征如表1所示,裂葉地黃的植株明顯高于其它4種地黃。地黃屬植物花朵開放時(shí)初始花蕾顏色為淡黃或者淡粉,等花朵開放,5種地黃的花瓣呈現(xiàn)不同的顏色,天目地黃的花瓣為紫紅色,裂葉地黃呈粉紅色,湖北地黃為白色,地黃呈淡黃色,茄葉地黃呈淡紫色。通過我們觀測(cè)發(fā)現(xiàn)雖然5種地黃的花均為管狀,但其花朵基部張開角度(花朵基部的張開角度是以花中花柱為中心軸,花冠底部與花柱所呈現(xiàn)的角度大小)卻不同,湖北地黃花朵基部的張開角度最大,且其花冠的圓度最接近1∶1。通過觀察花朵內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)5種地黃中只有裂葉地黃的花藥位置比柱頭高,這樣的結(jié)構(gòu)方便花粉自然落到柱頭上;5種地黃的柱頭形狀也有所不同,地黃和茄葉地黃的柱頭呈圓形,其它3種地黃的柱頭呈兩片狀。用孢粉染色法觀察5種地黃的花粉敗育,發(fā)現(xiàn)茄葉地黃的花粉敗育率為100%,裂葉地黃的花粉敗育率為76%,地黃的花粉敗育率為53%,天目地黃的花粉敗育率為39%,湖北地黃的花粉敗育率為38%。

表1　5種地黃花朵的功能形態(tài)特征

注:同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different normal letters in the same row mean significant difference(P<0.05).

2.2花蜜量的測(cè)定

地黃屬植物的花在開放過程中分泌有花蜜,其蜜腺位于花冠筒和花柱基部,由于茄葉地黃觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境惡劣,花朵受風(fēng)雨打擊較大,花朵基部多存有雨水,因此沒有測(cè)其花蜜量。對(duì)4種地黃的花蜜量和糖濃度測(cè)定結(jié)果顯示,泌蜜量(圖1,A)和糖濃度(圖1,B)變化趨勢(shì)相似,從8:00時(shí)起逐漸升高,12:00時(shí)達(dá)到最高值,隨后逐漸下降。從圖1中我們可以看出湖北地黃和地黃的花蜜量最多,但是從測(cè)定的糖濃度看,地黃的花蜜糖濃度卻最低。

2.3繁育系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果

2.3.1單花花粉量及花粉-胚珠比不同植物的花粉-胚珠比(P/O值)可以反映植物的不同繁育系統(tǒng)類型,根據(jù)Cruden P/O值和繁育系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[18],如表2所示,天目地黃的P/O值為220,湖北地黃的P/O值為252,介于31.9～396.0之間,繁育系統(tǒng)屬于兼性自交類型,裂葉地黃P/O值為456,地黃的P/O值為400,介于244.7～2 588.0之間,繁育系統(tǒng)屬于兼性異交。由于茄葉地黃花粉完全敗育,故沒有測(cè)其P/O值。

2.3.2套袋-去雄-授粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)繁育系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果用不同的授粉處理進(jìn)一步確定地黃屬植物的繁育系統(tǒng)類型。表3授粉結(jié)實(shí)數(shù)據(jù)表明,去雄套袋處理后,均未見結(jié)實(shí),說明地黃屬植物不存在無融合生殖;天目地黃、湖北地黃和地黃的自花授粉不結(jié)實(shí),而裂葉地黃自花授粉可以結(jié)實(shí)。自然條件下的傳粉和人工異株異花授粉的結(jié)實(shí)率較高,套紙袋與套網(wǎng)袋后結(jié)實(shí)率較低,表明套袋隔離訪花者后,傳粉成功率降低。

(2)人工雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果5種地黃雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,茄葉地黃雜交均不結(jié)實(shí),在其它雜交組合中除天目地黃與地黃的正交、地黃與裂葉地黃的正交無結(jié)實(shí)外其余組合均有結(jié)實(shí)。茄葉地黃花粉敗育故無法授粉給其它種地黃,然而我們將其它種地黃的花粉授予茄葉地黃時(shí)發(fā)現(xiàn)不結(jié)實(shí)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)實(shí)情況,我們種植雜交結(jié)實(shí)的種子,統(tǒng)計(jì)其出苗率,結(jié)果顯示:天目地黃×湖北地黃的正交和反交種子出苗率為100%;天目地黃×裂葉地黃的正交產(chǎn)生的種子出苗率為100%,反交產(chǎn)生的種子出苗率僅為15%;湖北地黃×裂葉地黃的正交產(chǎn)生的種子出苗率為100%,反交產(chǎn)生的種子出苗率為30%。

圖1　地黃屬植物的花蜜量(A)和糖濃度(B)

測(cè)量項(xiàng)目Itemofobservation天目地黃R.chingii裂葉地黃R.piasezkii湖北地黃R.henryi地黃R.glutinosa茄葉地黃R.solanifolia每花花粉數(shù)量Pollengrainnumberperflower88000±2000b489600±13948a307640±25733a160700±14849b-每花胚珠數(shù)目Ovulenumberperflower400±50b1074±63a1293±399a402±45b-花粉胚珠比P/O220±30b456±34a252±72b400±9a-繁育系統(tǒng)類型TypeofbreedingsystemFAFXFAFX-

注:FA.兼性自交;FX.兼性異交;同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);- 表示該操作不能進(jìn)行。

Note:FA.Facultative autogamy;FX.Facultative xenogamy;Different normal letters in the same row mean significant difference(P<0.05);- means this test cannot be carried out.

表3　5種地黃去雄、套袋及人工授粉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

注:0表示不座果;+表示座果;-表示該操作不能進(jìn)行。

Note:0 means no fruit setting;+ means setting some fruits;- means this test cannot be carried out.

表4　地黃屬植物種間雜交結(jié)實(shí)與出苗率統(tǒng)計(jì)

注:0表示不座果;+表示座果;-表示該操作不能進(jìn)行,括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)表示出苗率。

Note:0 means no fruit setting;+ means setting some fruits;- means this test cannot be carried out.The data in the bracket represent seedling rates.

表5　5種地黃雜交指數(shù)觀測(cè)結(jié)果

2.3.3OCI指數(shù)的估算按照Dafni方法[17]的測(cè)量結(jié)果如表5,地黃和茄葉地黃的花朵直徑雖然較其它3種地黃小,但是直徑均大于6 mm,所以均記為3;5種地黃均為雄蕊先熟,所以記為1;而柱頭和花藥之間也均存在空間分隔,記為1。OCI的結(jié)果顯示5種地黃的繁育系統(tǒng)類型均為異交,部分自交親和,需要傳粉者。

2.4傳粉昆蟲

對(duì)5種地黃的傳粉情況觀察表明,訪花昆蟲極少,在天目地黃花朵內(nèi)觀察到薊馬,在湖北地黃中發(fā)現(xiàn)有寄生的蝸牛和蚊蠅類昆蟲,在裂葉地黃中觀察到蝴蝶停留在花朵上,這些昆蟲是否是有效傳粉昆蟲,有待于進(jìn)一步確定。在地黃中發(fā)現(xiàn)蜂類吸取花蜜。這些昆蟲的訪花時(shí)間都較短,訪花時(shí)間集中在9:00～16:00,16:00過后訪花昆蟲活動(dòng)減少。

3結(jié)論與討論

3.1地黃屬的開花特性

本研究野外觀測(cè)到5種地黃的始花期有些差異,這可能與分布區(qū)的氣候條件和物種間差異有關(guān),但當(dāng)觀察移栽于同一地點(diǎn)的5種地黃,發(fā)現(xiàn)這5種地黃的始花期依然不同,說明地黃屬不同物種對(duì)光和環(huán)境的適應(yīng)與調(diào)節(jié)機(jī)制不同,這些差異使得移栽于同一地點(diǎn)的不同物種的開花時(shí)間不同,開花時(shí)間上的不同以及地理隔離,阻止了不同物種之間的基因交流(花粉流),維持了物種的特異性和穩(wěn)定性。

3.2地黃的繁育系統(tǒng)

據(jù)Danfi的標(biāo)準(zhǔn)[17]所得出的雜交指數(shù)表明,地黃屬植物的繁育系統(tǒng)為異交,部分自交親和,需要傳粉者。按照Cruden的花粉胚珠比(P/O)的標(biāo)準(zhǔn)[18]劃分,天目地黃和湖北地黃的繁育系統(tǒng)屬于兼性自交類型,裂葉地黃和地黃的繁育系統(tǒng)類型屬于兼性異交類型。套袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,地黃屬植物不存在無融合生殖,只有裂葉地黃自花授粉可以結(jié)實(shí),自然條件下的傳粉和人工異株異花授粉的結(jié)實(shí)率相對(duì)較高。由此推測(cè),該屬物種可能屬異花授粉。

天目地黃和湖北地黃是姐妹類群[4],它們的花部特征和繁育系統(tǒng)很相似,植株高度、柱頭形狀、花粉敗育率、P/O值等都沒有顯著差異。兩個(gè)物種最明顯的區(qū)別在于花朵顏色,天目地黃的花呈玫紅色,湖北地黃的花呈白色。野外觀察發(fā)現(xiàn),湖北地黃和天目地黃的花藥均低于柱頭,如果不借助風(fēng)媒和蟲媒傳粉,花粉很難到達(dá)柱頭,這種柱頭和花藥之間的隔離有利于異花授粉,而且雌雄蕊異熟也是它們不能自花授粉的一個(gè)重要原因。因此推測(cè)天目地黃和湖北地黃的繁育系統(tǒng)類型為異交,需要傳粉者。

裂葉地黃的始花期較晚,花朵大,花期長(zhǎng),花朵顏色鮮艷,在裂葉地黃中發(fā)現(xiàn)其花絲長(zhǎng)度高于花柱或者與花柱等高,這使得花粉很容易落在柱頭上,套袋-去雄-授粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明裂葉地黃自花授粉后會(huì)結(jié)實(shí),這說明裂葉地黃自交親和,而異交的結(jié)實(shí)率更高。在氣候等條件不利時(shí),裂葉地黃可以自交產(chǎn)生種子以繁殖后代。這種多樣的繁殖方式對(duì)裂葉地黃的繁殖和物種的延續(xù)都更有保障。

地黃和茄葉地黃的花較其它幾種地黃花朵小,顏色不鮮艷。根據(jù)花部特征和對(duì)繁育系統(tǒng)的驗(yàn)證,地黃屬于少部分自交親和,一般為異交,需要傳粉者。在野外我們也觀察到了蜜蜂對(duì)地黃花的訪問,這與張猛猛[8]的研究結(jié)果一致。茄葉地黃的花期最短,且花粉完全敗育,我們根據(jù)花部特征以及茄葉地黃的“成堆式”分布,推測(cè)茄葉地黃是用塊根進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)繁殖。地黃也存在營(yíng)養(yǎng)繁殖現(xiàn)象[19]。

地黃屬植物的花粉數(shù)均顯著多于胚珠數(shù),但是其花粉敗育率也高,以及雌雄蕊異熟,使得自交結(jié)實(shí)成功的概率并不大。植物自交產(chǎn)生的后代一般對(duì)環(huán)境的抵抗力差,但是在缺乏異交的條件以及環(huán)境的壓力下,逐漸形成了異交為主、自交為輔的方式,自交親和降低了生殖失敗的風(fēng)險(xiǎn),保障了后代的延續(xù)和物種的存活。

3.3傳粉者的推測(cè)

對(duì)于自交不親和的植物而言,傳粉者對(duì)于植物繁殖的重要性不言而喻?；ǘ渫ㄟ^鮮艷的顏色、便于傳粉者停留的花部結(jié)構(gòu)以及提供花蜜花粉等報(bào)酬吸引不同的傳粉昆蟲,增加傳粉機(jī)會(huì)進(jìn)而提高傳粉成功的概率,為植物后代的繁衍和物種的延續(xù)奠定基礎(chǔ)。5種地黃的花顏色多樣,不同顏色的花以及不同的花香會(huì)吸引不同類型的傳粉昆蟲[20]。花特征的演變與傳粉者之間的變化有很大關(guān)系,尤其是花管長(zhǎng)度的變化[21-22],地黃屬植物花冠管的基部會(huì)產(chǎn)生糖濃度很高的花蜜,傳粉者或者采蜜的昆蟲想要食得花蜜必須有和管狀花相適應(yīng)的長(zhǎng)舌結(jié)構(gòu)等,然而野外實(shí)驗(yàn)并未觀察到多種類的昆蟲訪問,這可能和觀測(cè)期當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期陰雨的天氣相關(guān),也可能是授粉昆蟲沒有與花部特征相適應(yīng)的結(jié)構(gòu),吸吮不到管狀花的花蜜,久而久之采蜜和授粉的昆蟲轉(zhuǎn)為其他更容易獲得傳粉報(bào)酬的植物傳粉。在野外觀察發(fā)現(xiàn)地黃屬的5個(gè)物種并沒有重疊分布,各自占據(jù)不同的生態(tài)位,再結(jié)合花部特征分析,推測(cè)地黃屬的植物可能吸引的是不同的傳粉者。

3.4地黃繁殖隔離的因素分析

繁殖隔離是物種形成和分化的基礎(chǔ),對(duì)于異域分布物種地理隔離減弱或者阻止了基因流,逐漸形成生殖隔離[23]。而同域分布的植物多以物候隔離作為生殖隔離的主要機(jī)制[24-26]。5種地黃中,地黃和茄葉地黃是四倍體物種,其它地黃屬于二倍體[4],倍性差異導(dǎo)致的生殖屏障是繁殖隔離的關(guān)鍵因素。湖北地黃和裂葉地黃分布于秦巴山區(qū),屬于同域分布物種,但二者開花時(shí)間分別為4月上旬和5月份,花期為60 d,雖然花期有重疊,但沒有相同的傳粉昆蟲在他們之間充當(dāng)基因交流的橋梁,使得它們之間的基因交流不能正常進(jìn)行,而花色不同導(dǎo)致的傳粉者差異可能加劇了物種合子前隔離。天目地黃分布于華東地區(qū),與湖北地黃的華中分布不同,地理隔離是基因交流主要障礙。人工雜交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,也驗(yàn)證了這一點(diǎn):二倍體的天目地黃、湖北地黃和裂葉地黃之間并沒有遺傳上的生殖屏障,只是地理和生態(tài)隔離使得它們之間不能進(jìn)行基因交流。對(duì)于同是四倍體的地黃和茄葉地黃而言,茄葉地黃分布區(qū)較地黃偏南,而且海拔更高(1 200 m vs 400 m),地理和生態(tài)隔離可能同時(shí)起到重要作用,而地黃和茄葉地黃的雜交并不結(jié)實(shí),這說明四倍體的地黃和茄葉地黃可能在遺傳機(jī)制上有所差別導(dǎo)致生殖隔離。綜合上述分析,我們認(rèn)為多種因素導(dǎo)致的生殖隔離是自然條件下地黃屬物種穩(wěn)定與維系的關(guān)鍵。需要指出的是,地黃屬植物均為異交為主的繁育系統(tǒng),地理、生態(tài)或者遺傳因素究竟對(duì)種間生殖隔離的影響程度如何,仍需要進(jìn)一步研究。

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(編輯:潘新社)

Preliminary Study on Floral Syndroma and Breeding System for Five Species ofRehmannia(Scrophulariaceae)

CHENG Yongqin,ZHAO Jianhua,HAN Kai,ZENG Shuyun,HUANG Jing,LIU Zhanlin*

(Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China,Ministry of Education,College of Life Sciences,Northwest University,Xi’an 710069,China)

Abstract:Reproduction isolation is the basis of species preservation and divergence,but little is known about the breeding system of Rehmannia.We studied the floral syndroma and reproductive characteristics of the five Rehmannia species (R.chingii,R.piasezkii,R.henryi,R.glutinosa,R.solanifolia) through investigating the following indices in field:flowering dynamics of natural populations,floral morphologies of flower organs,nectar volume and sugar concentration,out-crossing index,pollen-ovule ratio,pollination and bagging experiment.Our results indicate that:(1)Rehmannia species flowers are hermaphroditic.The flowering duration of a single florescence was 5-7 days,and the whole population flowering duration was 40-60 days.There are distinct difference among the five Rehmannia species in inflorescence types,floral characteristics,flower color,pollen amounts and P/O values.We found that R.solanifolia were pollen abortion.(2)The evidence of the out-crossing index,pollen-ovule ratio and hybridization experiment supported that the breeding system of Rehmannia was belonged to cross pollination system,partially self-compatible,with no apomictic ability,and pollinators required.We also found there was vegetative reproduction in Rehmannia,especially in R.glutinosa and R.solanifolia.(3)There are nectaries on the base of Rehmannia corolla and they can produce nectar with higher concentration of sugar,and this also supports the existence of pollinators.However,we did not observe any effective pollinators in Rehmannia species except in R.glutinosa with bees,which might be due to the scattered individual,isolated habitats and the bad weather conditions during pollination observation.Longer flowering duration could compensate for the insufficiency of pollinator visits.According to our results,we suppose that the different flowers display of five Rehmannia species possibly attracting distinct pollinators,together with genetic,geographic and ecological isolation,results in the differentiation of the breeding system in Rehmannia species.

Key words:flowering characteristics;breeding system;pollen-ovule ratio;outcrossing index

中圖分類號(hào):Q944.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:程永琴(1990-),女,在讀碩士研究生,主要從事植物繁殖生態(tài)學(xué)研究。E-mail:courage4132231@163.com*通信作者:劉占林,教授,主要從事進(jìn)化生物學(xué)研究。E-mail:liuzl@nwu.edu.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370353);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015JM3106)

收稿日期:2015-10-30;修改稿收到日期:2015-12-14

文章編號(hào):1000-4025(2016)02-0404-07

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.02.0404