侯勤正,任昱蘭,文 靜,趙東光,王思源

(西北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070)

灌木鐵線蓮繁育系統(tǒng)特征及其花下垂現(xiàn)象的適應(yīng)性意義

侯勤正,任昱蘭,文 靜,趙東光,王思源

(西北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070)

該研究對(duì)蘭州市北山地區(qū)自然居群下的灌木鐵線蓮(ClematisfruticosaTurcz.)的繁育系統(tǒng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并通過對(duì)其花朵進(jìn)行人工上舉處理，研究了花朝向改變(花朵上舉)后訪花昆蟲、花粉數(shù)量和質(zhì)量變化以及結(jié)籽率和種子特征的變化，以此反證花朵下垂的適應(yīng)性意義。結(jié)果表明：(1)自然狀態(tài)下，灌木鐵線蓮的P/O值為9579.5，屬于專性異花授粉；套袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，灌木鐵線蓮自交親和，兼具異交和自交的混合交配系統(tǒng)，但不存在無融合生殖現(xiàn)象。(2)灌木鐵線蓮的主要傳粉者為東亞無墊蜂(Amegillaparhypate)和中華蜜蜂(Apiscerana)；人工上舉處理改變花朝向后，兩種傳粉昆蟲的訪花頻率和單花停留時(shí)間與自然條件下沒有發(fā)生變化，但因雨水沖刷造成其花粉數(shù)量顯著下降，且陽光直射使花粉活力顯著下降，說明花朝向改變會(huì)降低其雄性適合度。(3)花朝向改變后，灌木鐵線蓮結(jié)籽率顯著下降，種子宿存花柱長度降低，但并沒有影響種子大小和千粒重，說明花朝向改變降低了雌性適合度，并影響到灌木鐵線蓮種子傳播。研究結(jié)果證實(shí),灌木鐵線蓮花期花朵下垂現(xiàn)象對(duì)有效傳粉昆蟲影響不大,但可以顯著提高植物雄性適合度和雌性適合度,并作為一種有效的適應(yīng)策略保障了其繁殖成功。

灌木鐵線蓮；花朵下垂；繁育系統(tǒng)特征；花朝向改變

被子植物通過對(duì)不同傳粉者以及同一傳粉者的系列適應(yīng)后演化出豐富多彩的花部特征，而適應(yīng)傳粉是花部特征進(jìn)化的根本動(dòng)力[1]。在傳粉過程問題上，植物表現(xiàn)出與傳粉者相適應(yīng)的花(序)特征來增加傳粉者的拜訪幾率和傳粉成功率[2-3]，盡管科學(xué)界對(duì)這種適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力有不同看法(即到底是傳粉者驅(qū)動(dòng)花的進(jìn)化還是相反進(jìn)化類型的進(jìn)化)，但更多的證據(jù)支持Stebbins 提出的“花部特征是由當(dāng)?shù)刈铑l繁、最有效的傳粉者所塑造的”的觀點(diǎn)[4]，亦即目前科學(xué)界所普遍認(rèn)同的“傳粉者介導(dǎo)了花的進(jìn)化”的觀點(diǎn)。如花瓣顏色[5]、花大小和花展示[6]、花形態(tài)[7]、花結(jié)構(gòu)對(duì)稱性[8-9]等花部特征都與其傳粉者相適應(yīng)。然而，植物花部特征的塑造也會(huì)受到除傳粉者以外的其他因素影響，一系列非傳粉者作用因子，如植食作用[10]、盜蜜行為[11]以及環(huán)境因素[12-13]等都會(huì)驅(qū)動(dòng)植物花部結(jié)構(gòu)特征的進(jìn)化。

花朝向(flower orientation)是植物與周圍環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果，而對(duì)這種適應(yīng)關(guān)系的研究有助于理解植物與環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，因而成為進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的重要議題[14-15]。通過對(duì)一系列花朝向問題(花朵上舉、花朵下垂、花朵平行、花朝向改變和角度變化等)的研究發(fā)現(xiàn)，傳粉者是花朝向這一花部特征塑造的主要驅(qū)動(dòng)力[14-20]，這也與Sprengel 曾預(yù)測的“花的朝向與傳粉者有著相互匹配關(guān)系”相一致[21]。然而，正如前文所述，植物花部特征的塑造也會(huì)受到非傳粉者作用因子影響，例如花朵下垂現(xiàn)象，研究表明其適應(yīng)性意義表現(xiàn)在多個(gè)方面：強(qiáng)化昆蟲吸引，增加昆蟲訪問頻率，從而提高傳粉成功率[15, 22]；避免雨水沖刷造成的花粉折扣和柱頭影響，花被形成的“傘”狀結(jié)構(gòu)增進(jìn)了雌性和雄性適合度[14, 20]；避免陽光直射造成的花粉活力下降，從而提高雄性適合度[11, 23]；增加植物結(jié)實(shí)，避免花朝向改變對(duì)種子形成和發(fā)育過程的影響[20]。盡管花朵下垂現(xiàn)象與環(huán)境的適應(yīng)性已得到證實(shí)，但是以往研究側(cè)重于此現(xiàn)象適應(yīng)性的一個(gè)方面(如昆蟲吸引)或幾個(gè)方面，而較少開展此現(xiàn)象對(duì)植物，尤其是經(jīng)濟(jì)型植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的系統(tǒng)研究。

植物繁育系統(tǒng)是進(jìn)化生物學(xué)研究中最為活躍和最富成果的領(lǐng)域之一[24]，而對(duì)植物繁育系統(tǒng)的多樣化及其作用模式和機(jī)制的研究，是理解植物各類群進(jìn)化的一個(gè)重要基礎(chǔ)[25]。灌木鐵線蓮(ClematisfruticosaTurcz.)屬于毛茛科鐵線蓮屬植物，花開放期具有典型的花朵下垂現(xiàn)象，但是在結(jié)果期花朵上舉以利于種子傳播。灌木鐵線蓮觀賞價(jià)值高，花期長，抗逆性強(qiáng)，可作為花籬、果籬栽培，具有較高的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文選擇蘭州市北山地區(qū)自然居群下的灌木鐵線蓮為研究對(duì)象，通過對(duì)灌木鐵線蓮的繁育系統(tǒng)檢測以及花朵朝向改變(花朵上舉處理)的對(duì)照試驗(yàn)，從傳粉昆蟲觀察、花器官保護(hù)、結(jié)籽率和種子特征等多個(gè)方面開展反證研究，以期回答以下問題：1)灌木鐵線蓮繁育系統(tǒng)特征是什么？2)花朵下垂對(duì)灌木鐵線蓮具有哪些適應(yīng)性意義？

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

灌木鐵線蓮(Clematisfruticosa)為直立小灌木，花單生，或聚傘；萼片4，長橢圓狀卵形至橢圓形；瘦果扁，卵形至卵圓形；有宿存花柱，宿存花柱具黃色長柔毛。

1.2 研究時(shí)間和地點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)于2014～2015年的7～8月兩個(gè)開花季度在甘肅省蘭州市北山地區(qū)開展。蘭州北山地區(qū)位于中國黃土高原、青藏高原和蒙新高原的過渡地帶，海拔1 550～1 950 m，氣候類型屬于大陸性氣候，氣候干燥寒冷，溫差大，年降水量少且蒸發(fā)量大，日照強(qiáng)。年平均降水量 327.7 mm，降水主要集中在 7～9月。

1.3 P/O比和繁育系統(tǒng)特征

1.3.1 P/O比值測定 采用Dafni的方法[26]，在灌木鐵線蓮盛花期隨機(jī)摘取10個(gè)花蕾固定于FAA固定液中，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)把全部花藥取出放于盛有水的離心管中，用玻璃棒擠碎使花粉散布于水中，加水至1 mL并充分搖勻后用移液槍取出1 μL在顯微鏡下數(shù)花粉數(shù)目，重復(fù)5次計(jì)算平均值；剖開子房，顯微鏡下數(shù)胚珠數(shù)目。計(jì)算出P/O值以初步判斷灌木鐵線蓮的交配系統(tǒng)類型。

1.3.2 繁育系統(tǒng)特征測定 在灌木鐵線蓮盛花期開始前隨機(jī)選取400個(gè)花蕾做如下處理(每種處理各50朵)：(1)去雄套袋；(2)去雄套網(wǎng)；(3)不去雄套袋；(4)不去雄套網(wǎng)；(5)去雄后自然授粉；(6)同株異花授粉；(7)異株異花授粉；(8)補(bǔ)充授粉。另外選取50個(gè)花蕾做對(duì)照處理。其中所有去雄處理都在柱頭未張開前進(jìn)行，以免柱頭污染；同株異花授粉和異株異花授粉要在柱頭未張開前進(jìn)行去雄處理，柱頭張開后分別用同株和異株植物盛開花朵的花粉授粉；補(bǔ)充授粉實(shí)驗(yàn)在柱頭張開后連續(xù)3 d用異株植物新鮮花粉授粉處理。最后統(tǒng)計(jì)每種處理結(jié)籽率。結(jié)籽率=成熟種子數(shù)/(成熟種子數(shù)+敗育種子數(shù))。

1.4 訪花昆蟲觀察

在灌木鐵線蓮盛花期，對(duì)其進(jìn)行兩種狀態(tài)訪花昆蟲和訪花頻率觀察：(1)自然狀態(tài)下(即花朵下垂)訪花昆蟲及頻率觀察；(2)對(duì)整株植物的花朵全部上舉處理。采用Arroyo等的方法[27]觀察訪花昆蟲的種類、行為和頻率。觀察前選擇5～7個(gè)花序，以花序上所有的花作為觀察對(duì)象，在3 m外(減少對(duì)昆蟲的干擾)觀察記錄所有訪花昆蟲的次數(shù)和行為，同時(shí)記錄每一種昆蟲在單花上的停留時(shí)間。

1.5 花器官保護(hù)

1.5.1 雨水沖刷 在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機(jī)選取30個(gè)花蕾分2組(每組15個(gè))，并全部進(jìn)行套袋處理，開始散粉后并在將要降雨前把1組花朵去除紙袋，另1組去除紙袋并小心把花朵人工上舉以接受雨水沖刷，為盡量減少人工上舉過程對(duì)花粉影響，我們對(duì)每一植株只進(jìn)行一朵花處理，并在小心上舉后進(jìn)行支架固定(由于灌木鐵線蓮具有較長花梗，我們只改變花梗角度，并對(duì)花梗進(jìn)行固定)，在雨水結(jié)束后取回處理花朵，實(shí)驗(yàn)室用光學(xué)顯微鏡檢測花粉數(shù)目。另外取10個(gè)花蕾做對(duì)照處理，對(duì)照組花粉數(shù)檢測與P/O比花粉檢測同時(shí)進(jìn)行。

1.5.2 陽光照射 在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機(jī)選取45個(gè)花蕾分3組(每組15個(gè))，并全部進(jìn)行套袋處理，設(shè)置1組自然狀態(tài)下花蕾作為對(duì)照，另2組開始散粉后并在晴朗天氣的12:00把全部花朵小心人工上舉(上舉方法同雨水沖刷實(shí)驗(yàn))以接受陽光照射，其中1組花朵在陽光照射1 h后再小心放回下垂?fàn)顟B(tài)(解除固定支架)，另外1組在陽光下照射5 h，最后將3組花朵同時(shí)取回實(shí)驗(yàn)室測量花粉萌發(fā)率。取下所有花的花藥，放在盛有10%的蔗糖溶液的離心管中，室溫放置24 h后，放在4 ℃冰箱中停止萌發(fā)，室內(nèi)光學(xué)顯微鏡下統(tǒng)計(jì)花粉的萌發(fā)情況。

1.6 結(jié)籽率和種子特征

在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機(jī)選取100個(gè)花蕾分為2組(每組50個(gè))，1組把花朵做上舉處理(上舉方法同雨水沖刷實(shí)驗(yàn))，另外1組作為對(duì)照，種子成熟后計(jì)算2組處理的結(jié)籽率。將收集到的2組成熟種子做種子形態(tài)大小測定。用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測定成熟種子宿存花柱長度、去宿存花柱后種子最長距離(種子長度,L)和最寬距離(種子寬度,W)以及種子千粒重。通過圓錐體體積公式V=L[π(W/2)2]/3近似計(jì)算種子體積。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)平均值的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS l1.0中進(jìn)行，在比較前首先用Nonparametric Test中1-Sample K-S檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。對(duì)于服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用Independent T Test比較兩組數(shù)據(jù)的差異，而用One-way ANOVA和Pos hoc-LSD比較3組或者3組以上數(shù)據(jù)的差異：對(duì)于不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用Nonparametric Test中2 Independent Samples比較兩組數(shù)據(jù)的差異，用K Independent Samples比較3組或者3組以上數(shù)據(jù)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 P/O比和繁育系統(tǒng)檢測

灌木鐵線蓮的單花花粉量為339 340±32 793個(gè)，胚珠數(shù)為35.4±10.2個(gè)， P/O比值為9 579.5，根據(jù)Dafni標(biāo)準(zhǔn)，灌木鐵線蓮屬于專性異花授粉。從結(jié)籽率來看，灌木鐵線蓮在去雄套袋狀態(tài)下沒有結(jié)籽(表1)，說明不存在無融合生殖現(xiàn)象；在套網(wǎng)試驗(yàn)(去雄套網(wǎng)和不去雄套網(wǎng))中，灌木鐵線蓮都有結(jié)籽(表1)，說明灌木鐵線蓮存在除昆蟲媒介以外的其他媒介來完成受精過程，而風(fēng)很有可能是一種重要的傳播媒介；不去雄套袋實(shí)驗(yàn)灌木鐵線蓮也有結(jié)籽(表1)，說明灌木鐵線蓮可能存在一定程度的自交；灌木鐵線蓮?fù)戤惢ㄊ诜蹱顟B(tài)下結(jié)籽，并且與異株異花授粉結(jié)籽率不存在顯著差異(P>0.05)(表1)，說明灌木鐵線蓮?fù)耆越挥H和。自然狀態(tài)和補(bǔ)充授粉狀態(tài)下灌木鐵線蓮的結(jié)籽率不存在顯著性差異(P>0.05)(表1)，說明蘭州北山地區(qū)自然狀態(tài)下灌木鐵線蓮不存在花粉限制。

2.2 訪花昆蟲及訪花頻率

自然狀態(tài)下，灌木鐵線蓮的訪花昆蟲主要是東亞無墊蜂(Amegillaparhypate)，其訪花頻率為2.18次/小時(shí)/花，其次為中華蜜蜂(Apiscerana)和切葉峰(Megachilesp.)，其訪花頻率分別為0.883和0.648次/小時(shí)/花，體型相對(duì)較大的訪花昆蟲還有黃胸木蜂(Xylocopaappendiculata)，其訪花頻率為0.333次/小時(shí)/花(表2)。體型較小的訪花昆蟲有黑青小蜂(Dibrachyscavus)(0.633次/小時(shí)/花)、

表1 灌木鐵線蓮繁育系統(tǒng)各處理結(jié)籽率

注：數(shù)據(jù)表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差(下同)，表中同一列不同字母表示在0.05水平上有顯著性差異，n表示樣本量

Note:Data showed as Mean±SD(the same below), the different letters in the same column indicate a significant difference at the 0.05 level,nindicates simple size

表2 灌木鐵線蓮訪花昆蟲種類及訪花頻率

注：*表示處理與對(duì)照在0.05水平上有顯著性差異；下同

Note: *indicates a significant difference between control and treatment at 0.05 level; The same as below

黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)(0.527次/小時(shí)/花)和長尾管食蚜蠅(Eristalistenax)(0.5次/小時(shí)/花)(表2)，但由于上述昆蟲體型較小，推測其傳粉效率較低，因此這些小型昆蟲對(duì)灌木鐵線蓮的傳粉貢獻(xiàn)不會(huì)很大。

對(duì)灌木鐵線蓮花朵上舉處理后，我們發(fā)現(xiàn)東亞無墊蜂(A.parhypate)、中華蜜蜂(A.cerana)、黑青小蜂(D.cavus)、黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)和長尾管食蚜蠅(E.tenax)訪花，但沒有發(fā)現(xiàn)切葉峰(Megachilesp.)和黃胸木蜂(X.appendiculata)訪花；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)一種胡蜂科(Vespidae)昆蟲訪花(其訪花頻率為1.71次/小時(shí)/花)(表2)。從訪花頻率的對(duì)比來看，除黑青小蜂(D.cavus)外，兩種狀態(tài)下灌木鐵線蓮共有訪花昆蟲的訪花頻率都沒有變化(P>0.05)，而在人工上舉處理后，黑青小蜂(D.cavus)對(duì)灌木鐵線蓮的訪花頻率顯著降低(P<0.05)(表2)。

從昆蟲一次訪花的停留時(shí)間對(duì)比來看，東亞無墊蜂(A.parhypate)和中華蜜蜂(A.cerana)的停留時(shí)間在灌木鐵線蓮的兩種狀態(tài)下沒有差別，但是小型訪花昆蟲黑青小蜂(D.cavus)、黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)和長尾管食蚜蠅(E.tenax)的停留時(shí)間顯著增長(P<0.05)(表3)。

2.3 花器官保護(hù)

2.3.1 花粉數(shù)量 自然狀態(tài)下，灌木鐵線蓮的單花花粉量為339 340±32 793個(gè)。在雨水沖刷條件下，下垂花朵的單花花粉量為326 378±33 776個(gè)，與自然狀態(tài)下單花花粉量沒有顯著性差異(P>0.05)，而對(duì)花朵進(jìn)行上舉處理后，雨水沖刷下灌木鐵線蓮的單花花粉量為140 194±19 721個(gè)，顯著低于自然狀態(tài)和下垂花朵雨水沖刷下的單花花粉量(P<0.05)(圖1)。

表3 灌木鐵線蓮訪花昆蟲單花停留時(shí)間

2.3.2 花粉活力 圖2顯示，自然狀態(tài)下，灌木鐵線蓮花粉萌發(fā)率為(30.79± 4.66)%)；在光照處理1 h后，灌木鐵線蓮花粉萌發(fā)率為(17.62 ± 2.44)%，顯著低于其在自然狀態(tài)下萌發(fā)率(P<0.05)；而在光照處理5 h后的萌發(fā)率為(10.27 ± 2.14)%，顯著低于其在自然狀態(tài)和光照1 h后的花粉萌發(fā)率(P<0.05)。

不同的字母表示在0.05水平上有顯著性差異;下同圖1 灌木鐵線蓮自然狀態(tài)下和雨水沖刷狀態(tài)下的下垂和上舉花朵的花粉數(shù)量Bars with different letters indicate a significant difference at 0.05 level; The same as belowFig.1 The pollen numbers of nodding and artificially erected flowers of C. fruticosa with natural and rainwashed condition

圖2 灌木鐵線蓮自然狀態(tài)和光照處理1 h和5 h后的花粉萌發(fā)率Fig.2 Pollen germination rate of C. fruticosa with natural condition and after exposed to solar radiation for 1 h and 5 h

2.4 結(jié)籽率和種子形態(tài)

灌木鐵線蓮的結(jié)籽率在自然狀態(tài)下為(82.6 ± 8.6)%，而在花朵上舉處理后的結(jié)籽率[(58.8 ± 19.8)%]顯著下降(P<0.05)；在種子形態(tài)方面，花朵人工上舉處理后灌木鐵線蓮種子的宿存花柱長度顯著下降(P<0.05)，而種子大小體積和千粒重則沒有顯著差異(P>0.05)(表4)。

3 討 論

3.1 灌木鐵線蓮繁育系統(tǒng)特征

去雄后自然授粉狀態(tài)下灌木鐵線蓮具有較高的結(jié)籽率，而且與自然狀態(tài)下結(jié)籽率沒有顯著性差異，表明自然狀態(tài)下灌木鐵線蓮以異交為主，P/O比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。從單花套袋實(shí)驗(yàn)來看，灌木鐵線蓮?fù)戤惢ㄊ诜劬哂休^高的結(jié)籽率，表明其自交親和；不去雄套袋狀態(tài)下具有結(jié)籽，說明灌木鐵線蓮存在自交現(xiàn)象。由于灌木鐵線蓮花藥在成熟過程中具有向外圍伸展現(xiàn)象，這就在很大程度上避免了主動(dòng)自交的發(fā)生，另外我們發(fā)現(xiàn)灌木鐵線蓮花內(nèi)具有螞蟻、薊馬等小型昆蟲，而套袋實(shí)驗(yàn)無法隔離此類小型昆蟲，因而我們推測其自交可能是由于花內(nèi)的小型昆蟲活動(dòng)造成的花內(nèi)協(xié)助自交。由小型昆蟲引起的花內(nèi)協(xié)助自交現(xiàn)象在線葉龍膽(Gentianafarreri)中也曾有報(bào)道[28]，盡管有學(xué)者認(rèn)為由于近郊衰退的存在，兼具自交和異交的混合交配系統(tǒng)只是由完全異交向完全自交的過渡[29]，然而由于具有繁殖保證效應(yīng)(reproductive assurance)和自動(dòng)選擇優(yōu)勢(automatic selection advantage)，混合交配系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定存在[30]。

在套網(wǎng)試驗(yàn)(去雄套網(wǎng)和不去雄套網(wǎng))中，灌木鐵線蓮都有較高結(jié)籽率，表明灌木鐵線蓮具有除蟲媒以外的其他傳粉媒介。灌木鐵線蓮具有5片花萼組成的開放式花結(jié)構(gòu)，不存在花瓣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為風(fēng)媒提供了條件，因而推測風(fēng)媒作用在灌木鐵線蓮的繁殖貢獻(xiàn)上起到重要作用。盡管我們沒有對(duì)灌木鐵線蓮的風(fēng)媒作用進(jìn)行驗(yàn)證，但風(fēng)媒存在于具有類似花結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的同科烏頭屬植物中[31]，這種兼具蟲媒、風(fēng)媒和自交的混合交配系統(tǒng)顯然是植物一種有效的繁殖保障策略。

表4 灌木鐵線蓮結(jié)籽率及種子形態(tài)

3.2 訪花昆蟲

花的輕微改變，例如大小、形態(tài)、花色等，都會(huì)影響到訪花者對(duì)植物花朵的訪問[32]，而花朝向和角度的變化也會(huì)影響傳粉者種類組成和訪問頻率[15, 33]。在本研究中，灌木鐵線蓮自然狀態(tài)和花朵上舉處理后的訪花昆蟲種類發(fā)生變化：兩種大型訪花者(切葉峰和黃胸木蜂)在花朝向改變后不再訪花，而胡蜂開始訪花，這是對(duì)以上結(jié)論的證實(shí)。然而，盡管在訪花者種類組成上有變化，但灌木鐵線蓮主要訪花昆蟲(東亞無墊蜂和中華蜜蜂)在花的兩種狀態(tài)下都訪花，并且其訪花頻率和單花訪問停留時(shí)間在花朝向改變前后也沒有顯著差異，因此推測灌木鐵線蓮花朵朝向的變化并不會(huì)影響到其主要訪花昆蟲(東亞無墊蜂和中華蜜蜂)對(duì)其繁殖成功的貢獻(xiàn)，進(jìn)而說明灌木鐵線蓮花朵下垂現(xiàn)象并沒有起到增加傳粉者吸引力的作用。在花朵朝向發(fā)生變化(花朵上舉)后，體型較小的訪花昆蟲，如黑青小蜂、黑帶蚜蠅和長尾管食蚜蠅，其種類組成沒有變化，但單花停留時(shí)間顯著增長，這可能是由于花朵上舉后增加了花朵內(nèi)部溫度[34]，進(jìn)而為小型昆蟲提供了更佳的棲息場所。

3.3 雨水沖刷處理

雨水是一種影響植物繁殖成功的重要環(huán)境因子，雨水沖刷會(huì)降低花藥和柱頭上花粉的數(shù)量和質(zhì)量[21, 35]，同時(shí)也會(huì)稀釋花蜜，進(jìn)而降低花雄性和雌性適合度[14, 20]。因此，任何避免雨水沖刷的機(jī)制在進(jìn)化上都具有較強(qiáng)的選擇優(yōu)勢[14]?；ǘ湎麓宫F(xiàn)象作為一種比較常見的防雨現(xiàn)象在很多研究中已經(jīng)得到證實(shí)[14-15, 20]。本文研究結(jié)果也證實(shí)了上述現(xiàn)象，盡管沒有驗(yàn)證花粉質(zhì)量是否會(huì)下降，但花朝向改變(花朵上舉)后，灌木鐵線蓮花粉數(shù)量顯著下降。蘭州北山地區(qū)降水量 327.7 mm，但是降雨集中在7～9月，這正是灌木鐵線蓮盛花期，因此不可避免受到較強(qiáng)程度雨水沖刷影響。灌木鐵線蓮的花朵下垂，使得花被(萼片)形成一種“傘”狀結(jié)構(gòu)，這作為一種重要的防雨機(jī)制在灌木鐵線蓮與環(huán)境的適應(yīng)上具有重要意義。

3.4 花粉活力

花粉是植物繁殖的重要功能單元，卻極容易受到環(huán)境影響，例如高溫[36]、水分缺失[37]、UV-B輻射[23, 38]等，進(jìn)而會(huì)降低花粉活力，影響其在柱頭上的萌發(fā)[23]。因此，對(duì)于不具有花粉保護(hù)措施的植物而言，花粉暴露于陽光直射之下(尤其是強(qiáng)紫外輻射陽光)會(huì)造成較強(qiáng)程度的花粉破壞[13]。在本研究中，相對(duì)自然狀態(tài)，灌木鐵線蓮花朝向改變后的花粉活力(以花粉萌發(fā)率表示)在陽光直射下顯著下降，并且隨著陽光直射時(shí)間增長而下降，這表明灌木鐵線蓮的花朵下垂現(xiàn)象能有效降低陽光直射對(duì)花粉的破壞。盡管不清楚陽光直射對(duì)灌木鐵線蓮花粉破壞的原因具體是哪種因子(高溫、水分流失和強(qiáng)UV-B輻射等)，但無疑花朵下垂現(xiàn)象作為一種保護(hù)措施避免了陽光直射對(duì)花粉的破壞。灌木鐵線蓮花期7～8月，此時(shí)也正是蘭州北山地區(qū)最強(qiáng)光照時(shí)期，正如Zhang 等[13]所指出，陽光輻射在花結(jié)構(gòu)進(jìn)化中起到了重要推動(dòng)作用，而灌木鐵線蓮的花朵下垂現(xiàn)象也無疑是強(qiáng)光照的選擇壓力下植物與環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)果。

3.5 結(jié)籽率和種子性狀

花朝向改變顯著降低灌木鐵線蓮結(jié)籽率。這種花上舉處理后子代生產(chǎn)降低現(xiàn)象在其他物種中也有報(bào)道，例如Sun和Yao證實(shí)寶興百合(Liliumduchartrei)花朵下垂要比花朵上舉具有更高的結(jié)籽率[15]，Wang等也通過對(duì)地錦苗(Corydalissheareri)的人工控制實(shí)驗(yàn)得到了相同的結(jié)論[33]，他們同時(shí)也證實(shí)出現(xiàn)結(jié)籽率下降的原因是傳粉者的變化和訪花頻率下降，也就是花粉輸入降低。在本研究中，花朝向的改變并未影響灌木鐵線蓮的主要傳粉昆蟲，說明對(duì)于上舉花朵而言，傳粉者的變化這一因素不大可能是灌木鐵線蓮坐果率降低的主要原因。但是本研究發(fā)現(xiàn)花朵上舉處理后會(huì)造成灌木鐵線蓮花粉數(shù)量和質(zhì)量的顯著下降，而這種花粉折扣很有可能是造成其結(jié)籽率下降的主要原因。當(dāng)然，花朝向變化造成結(jié)籽率下降也有可能與花粉和胚珠敗育等因素有關(guān)[20, 35, 39]，但對(duì)于灌木鐵線蓮而言，花朵下垂現(xiàn)象無疑可以提高其結(jié)籽率，進(jìn)而提高其雌性適合度，而這種現(xiàn)象作為一種穩(wěn)定的環(huán)境適應(yīng)策略得以保留和固定。

種子大小的變異會(huì)影響種子擴(kuò)散和種子萌發(fā)，進(jìn)而影響種群更新[40]。研究表明環(huán)境變化(營養(yǎng)供給、生境差異等)會(huì)影響種子大小[40-41]，這種繁殖體大小差異體現(xiàn)了植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)策略。然而本研究中灌木鐵線蓮的種子體積大小和千粒重在兩種狀態(tài)下(自然狀態(tài)和人工上舉狀態(tài))都不存在顯著差異，其原因可能是植物在環(huán)境不利狀態(tài)下(上舉處理)的結(jié)籽率下降，而這種降低結(jié)籽現(xiàn)象可以保障成熟種子具有更多的能量供給，增加了成熟種子活力，進(jìn)而保障了種子繁殖成功。另外，灌木鐵線蓮花朵上舉后，其種子宿存花柱的長度顯著下降，由于較長的宿存花柱會(huì)增加空氣阻力，因而其長度下降必然會(huì)降低種子傳播距離，進(jìn)而降低灌木鐵線蓮種群更新和種群擴(kuò)張能力，降低了其繁殖適合度。

綜上所述，灌木鐵線蓮自交親和，自然狀態(tài)下不存在花粉限制，其成功繁殖主要依賴異交，但花內(nèi)小型昆蟲活動(dòng)會(huì)造成協(xié)助自交，同時(shí)灌木鐵線蓮也極有可能存在風(fēng)媒現(xiàn)象；灌木鐵線蓮的主要傳粉者為東亞無墊蜂和中華蜜蜂，而這兩種傳粉昆蟲在灌木鐵線蓮花朝向改變前后的訪花頻率和單花停留時(shí)間沒有發(fā)生變化，因此花朵下垂現(xiàn)象在吸引傳粉昆蟲角度上不存在顯著優(yōu)勢；雨水沖刷會(huì)造成灌木鐵線蓮花粉數(shù)量顯著下降，同時(shí)陽光直射下其花粉活力也顯著下降，因此花朵下垂有效保護(hù)了花粉數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而提高了雄性適合度；花朝向改變(花朵上舉)后，灌木鐵線蓮結(jié)籽率顯著下降，說明花朵下垂顯著提高了其雌性適合度；種子大小和千粒重在花朵上舉處理后沒有變化，但宿存花柱長度顯著降低，說明花朵上舉會(huì)降低灌木鐵線蓮種群更新和擴(kuò)張能力?？傊嗄捐F線蓮花朵下垂現(xiàn)象并沒有顯著吸引傳粉者，但是顯著提高了花粉數(shù)量和質(zhì)量，并提高了結(jié)籽率和成熟種子的散播能力，進(jìn)而提高了雄性適合度和雌性適合度，這種適合度的提高作為一種有效的環(huán)境適應(yīng)策略保障了灌木鐵線蓮的繁殖成功。

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(編輯:潘新社)

Breeding System Characters and the Adaptive Significances of Downward Orientation Flowers inClematisfruticosaTurcz.

HOU Qinzheng, REN Yulan, WEN Jing, ZHAO Dongguang, WANG Siyuan

(College of Life Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)

In this study, we tested the breeding system characters ofClematisfruticosaTurcz., which were selected in the natural population at Lanzhou Beishan. And also, by changing flower direction from facing down to up, we studied the visited insect attracting, pollen quantity and quality changing, seed setting ratio changing, and the seed characters ofC.fruticosa. The results showed that:(1) in natural, the P/O ofC.fruticosawas 9 579.5, which showed out an obligate cross-pollination breeding system; bagging experiment results showed that theC.fruticosawas self-compatible, and had a mixed breeding system which combined with selfing and crossing, but no apomixes was tested. (2) The main pollinators ofC.fruticosawereAmegillaparhypateandApiscerana; after flowers artificially erected. The visit frequencies and stay time/visit/flower did not differ significantly with the natural, but the pollen numbers after rainwash decreased significantly, and as well as the pollen vitality after exposed to solar radiation, which indicated that flower direction changing could decrease the male fitness. (3) After the flower direction changed, the seed setting ratio ofC.fruticosadecreased greatly, and the persistent styles of the downwards flowers were significantly longer than that of upwards, but the seed sizes and seed weights did not differ significantly, which indicated that the flower direction changing could decrease the female fitness, and also could influence the seed dispersal ofC.fruticosa. The results suggested that the flower drooping ofC.fruticosacould not influence the effective pollinators, but could significantly increase the male and female fitness, which may act as an effective adaptive strategy for the reproductive success ofC.fruticosa.

ClematisfruticosaTurcz.; downward orientation flowers; breeding system; flower orientation changing

1000-4025(2016)11-2283-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.11.2283

2016-07-19;修改稿收到日期:2016-08-23

國家自然科學(xué)基金(31360064); 甘肅省省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科

侯勤正(1984-)，男，副教授，主要從事植物傳粉生態(tài)學(xué)研究。E-mail：hou_qzh@163.com

Q944.3

A