周娟，劉彤*，湯景光 ，崔向陽(yáng)

（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十四師224團(tuán)農(nóng)業(yè)科，新疆 和田 848100）

繁育系統(tǒng)是指代表所有影響后代遺傳組成的有性特征的總和[1]，主要包括花形態(tài)特征、花的開(kāi)放式樣、花各部位的壽命、傳粉者種類和頻率、自交親和程度和交配系統(tǒng)，其中交配系統(tǒng)是核心[2]。交配系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)基本上是由遺傳控制的花的特征決定，如花粉/胚珠值、花形態(tài)、花粉大小、自交親和的程度等[3]。植物繁育系統(tǒng)是影響生殖后代遺傳組成和適合度的主要因素，而交配系統(tǒng)的定量測(cè)定已經(jīng)成為繁育系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要部分[4-9]。

在干旱區(qū)荒漠、半荒漠及鹽堿地上分布的植物，為了適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境而形成了各種適應(yīng)荒漠的特征，其中繁育系統(tǒng)為其種群的延續(xù)起到了重要作用。例如地膚屬（KochiaRoth）木地膚（Kochia prostrata）的繁育系統(tǒng)為異交自交混合型繁殖系統(tǒng)[10]；石竹科（Caryophyllaceae） 裸果木屬 （Gymnocarpos） 裸果木（Gymnocarpos przewalskii）的繁育系統(tǒng)為兼性異交類型且需要傳粉者[11]。十字花科（Brassicaceae）早春短命植物甘新念珠芥（Neotorularia korolkovii）和寬翅菘藍(lán)（Isatis violascens）主要以自花傳粉的方式進(jìn)行交配[12]。罌粟科（Papaveraceae sp.）角茴香屬（Hypecoum）的早春沙生短命植物角茴香(Hypecoum erectumL.)為混合式繁育系統(tǒng)[13]。紫草科（Boraginaceae）鶴虱屬（LappulaV.Wolf）的兩形果鶴虱（Lappula duplicicarpa）和異形狹果鶴虱（L.semiglabra）為混合式交配系統(tǒng)[14]?；哪貐^(qū)植物的繁育系統(tǒng)不存在一致性，即使屬于同一科屬，不同種的植物的繁育系統(tǒng)也存在一定差異。

倒披針葉蟲(chóng)實(shí) (C.Lehmannianum)為藜科蟲(chóng)實(shí)屬一年生早春短命植物，在古爾班通古特沙漠主要生長(zhǎng)于沙丘的中部和上部沙面呈活化狀態(tài)的區(qū)域，且分布廣泛，重要值僅次于沙漠建群種白梭梭(Haloxylon persicum)，是一類極具開(kāi)發(fā)價(jià)值的沙生植物[15-17]。但是，目前關(guān)于該物種的繁育系統(tǒng)研究較少，尤其是對(duì)其生活周期中關(guān)鍵階段的花粉活力、柱頭可授性等方面的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究對(duì)倒披針葉蟲(chóng)實(shí)繁育系統(tǒng)進(jìn)行研究，揭示其在沙漠環(huán)境下所采取的繁殖策略及其廣布原因，以期為保護(hù)和開(kāi)發(fā)該植物資源提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于古爾班通古特南緣，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師148團(tuán)沙漠，該區(qū)屬溫帶干旱荒漠氣候。全年平均氣溫5-7℃，夏季炎熱，極端高溫可達(dá)40℃以上，冬季酷寒而漫長(zhǎng)，極端低溫可達(dá)-40℃以下。冬季一般積雪深度10-30 cm，使得該區(qū)土壤墑情和水熱配置良好，為短命植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的條件。年降水量70-150 mm，年蒸發(fā)量為2000-2800 mm，為降水量的10倍以上。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5月初至6月初，從倒披針葉蟲(chóng)實(shí)開(kāi)花到生育期結(jié)束。

1.2 方法

1.2.1 花部特征觀測(cè)

開(kāi)花時(shí)，在10個(gè)處于盛花期的植株上隨機(jī)選取20朵小花，使用解剖鏡對(duì)其花部特征進(jìn)行解剖觀測(cè)并拍照，統(tǒng)計(jì)分析不同植株上的小花在形態(tài)特征上是否存在差異。

1.2.2 花粉活力及柱頭可授性觀測(cè)

1.2.2.1 花粉活力的變化

于盛花期的某天 6：30-18：30，每隔 1 h取 1次花粉，對(duì)處于同一發(fā)育狀態(tài)的單花進(jìn)行花粉活力日變化的測(cè)定。具體方法是取花藥放置在載玻片上，用解剖針將其戳破，使花粉散出，滴0.5%TTC的染液，迅速蓋上蓋玻片，放入內(nèi)有濕濾紙的培養(yǎng)皿中，在黑暗條件下放置2 h，4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)觀測(cè)5個(gè)視野，被染成紅色(活力較強(qiáng))和淡紅色(活力較弱)的為有活力花粉，無(wú)色的則為無(wú)活力的花粉。有活力花粉的比率（%）＝（紅色花粉數(shù)目＋淡紅色花粉數(shù)目）/觀察花粉總數(shù)目×100%。

1.2.2.2 柱頭的可授性檢驗(yàn)

采用過(guò)氧化氫-聯(lián)苯胺法檢驗(yàn)柱頭可授性。具體做法是在盛花期某天6：30-16：30，每隔 1 h取1次同樣發(fā)育狀態(tài)的柱頭，將其柱頭浸入盛有反應(yīng)液（體積比為1%聯(lián)苯胺∶3%過(guò)氧化氫∶水＝4∶11∶22）的凹形載玻片的凹陷處進(jìn)行檢測(cè)。若柱頭具有可授性，則周?chē)霈F(xiàn)藍(lán)色并有大量氣泡產(chǎn)生。

1.2.3 花粉－胚珠比(P/O)的測(cè)定

按照Cruden[18]的方法，選取花藥尚未開(kāi)裂的花10個(gè)，用FAA固定，帶回實(shí)驗(yàn)室。取每朵花的所有花藥，分別置于若干載玻片上，在體視顯微鏡下用解剖針去除花藥壁，使花粉散出，做成水裝片，置于顯微鏡下觀察，統(tǒng)計(jì)花粉量之和，共10個(gè)重復(fù)。取雌蕊在體視顯微鏡下用解剖針劃開(kāi)，計(jì)數(shù)胚珠數(shù)，重復(fù)10次。用平均單花花粉量除以平均單花胚珠數(shù)即得P/O值。

1.2.4 雜交指數(shù)的估算

參照 Dafni[19]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雜交指數(shù)（Outcross index，OCI）的估算和繁育系統(tǒng)的評(píng)判：花朵或花序直徑<1 mm記為0；1≤x<2 mm記為 1；2≤x<6 mm記為2；x≥6 mm記為3；花藥開(kāi)裂時(shí)間與柱頭可授期之間的時(shí)間間隔，同時(shí)或雌蕊先熟記為0，雄蕊先熟記為1；柱頭與花藥的空間位置，同一高度記為0，空間分離記為1。三者之和為OCI值，當(dāng)OCI＝0時(shí)，繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI＝1時(shí)，繁育系統(tǒng)為專性自交；OCI＝2時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性自交；OCI＝3時(shí)，繁育系統(tǒng)為自交親和，有時(shí)需傳粉者；OCI＝4時(shí)，繁育系統(tǒng)為部分自交親和、異交，需要傳粉者。

1.2.5 授粉實(shí)驗(yàn)

由于倒披針葉蟲(chóng)實(shí)穗狀花序中的花較小，去雄很困難。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們選取生長(zhǎng)勢(shì)基本一致的植株10個(gè)，并在每植株相同部位上標(biāo)記大小基本一致且即將開(kāi)放的穗狀花序2個(gè)（共20個(gè)），將這些花序分成2組（每組10個(gè)）進(jìn)行如下處理：（a）不套袋，自然傳粉，檢測(cè)其結(jié)實(shí)率；（b）開(kāi)花前套羊皮紙袋，檢測(cè)自花傳粉條件下的結(jié)實(shí)率。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS15.0對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。首先用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)的正態(tài)性，經(jīng)檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布后，進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)。使用Excel 2003軟件繪制曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花部特征觀測(cè)

倒披針葉蟲(chóng)實(shí)花期一般從5月上旬開(kāi)始，6月上旬結(jié)束，花序自下向上漸次開(kāi)花。解剖發(fā)現(xiàn)小花在形態(tài)特征上有些許差異，主要體現(xiàn)在雄蕊個(gè)數(shù)上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在解剖鏡下觀察到了具有3枚雄蕊和罕見(jiàn)的具有4枚雄蕊的植株個(gè)體。普通的倒披針葉蟲(chóng)實(shí)雄蕊數(shù)量為1到3枚，普遍為3枚。

圖1 單花發(fā)育的形態(tài)特征Fig.1 Flower morphology ofC.lehmannianum

2.2 花粉活力及柱頭可授性

倒披針葉蟲(chóng)實(shí)花的花粉活力動(dòng)態(tài)變化曲線圖（圖2）顯示：當(dāng)太陽(yáng)還未升起，溫度很低濕度很大時(shí)，花粉活力最低只有 26%；在早 9：30時(shí)，溫度濕度都較為適宜，花粉活力達(dá)到最高峰為93.8%；活力高峰后3 h時(shí)內(nèi)的花粉活力均在70%以上，隨后花粉活力開(kāi)始緩慢下降。柱頭可授性在6：30-7：30無(wú)可授性，9：30-10：30時(shí)可授性最強(qiáng)，此后逐漸減弱。倒披針葉蟲(chóng)實(shí)花的花粉活力與柱頭可授期具有高度的同步性，其花粉活力最高時(shí)期正是柱頭的最佳可授期。

圖2 倒披針葉蟲(chóng)實(shí)花粉活力的日變化Fig 2 The daily change of pollen viability ofC.lehmannianum

表1 倒披針葉蟲(chóng)實(shí)柱頭可授性變化Tab.1 The variety of stigma receptivity ofC.lehmannianum

2.3 P/O值估算

倒披針葉蟲(chóng)實(shí)平均單花花粉數(shù)量為1906粒，胚珠1枚，故P/O值為1906±510。依據(jù)Cruden[18]的標(biāo)準(zhǔn)，P/O為244.7-2588.0時(shí)，繁育系統(tǒng)為兼性異交類型。

2.4 OCI的估算參照

根據(jù)Dafni[19]的標(biāo)準(zhǔn)，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)單花直徑測(cè)定值為1.8-2.5 mm，分值為2，花藥開(kāi)裂與柱頭可授期之間時(shí)間間隔和柱頭和花藥在空間上的相對(duì)位置分值均為0，相加所得的OCI值為2，表明倒披針葉蟲(chóng)實(shí)的繁育系統(tǒng)為兼性自交類型。

2.5 授粉試驗(yàn)

倒披針葉蟲(chóng)實(shí)套袋后的結(jié)實(shí)率為（54.75±4.2）%，說(shuō)明倒披針葉蟲(chóng)實(shí)自交親和，且自交結(jié)實(shí)率很高；自然狀態(tài)下的結(jié)實(shí)率為（91.69±5.7）%，二者在P<0.05水平差異顯著，可能說(shuō)明自然狀態(tài)下有更多的授粉機(jī)會(huì)，異交會(huì)大大提高其結(jié)實(shí)率。所以結(jié)合P/O比和OCI值，可以確定倒披針葉蟲(chóng)實(shí)為兼性自交，自交繁殖成功成功率很高，異交為輔，更能提高結(jié)實(shí)率、個(gè)體間遺傳多樣性和后代適合度。

3 結(jié)論與討論

在古爾班通古特沙漠，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)主要分布在流動(dòng)和活化沙丘上，受風(fēng)沙等因素影響，植株選擇合適時(shí)間完成授粉過(guò)程顯得格外重要。研究表明，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)的最佳可授期在9：30-10：30，溫度、濕度、照度達(dá)到了授粉的最適宜條件，花粉活力迅速增高，同時(shí)柱頭可授性增強(qiáng)，完成授粉過(guò)程，而此時(shí)正是沙漠風(fēng)小、濕度大的時(shí)間，是倒披針葉蟲(chóng)實(shí)授粉的最佳時(shí)期。隨后隨著太陽(yáng)的升起，溫度增高、濕度下降，花粉和柱頭活力均逐漸下降。古爾班通古特沙漠沙塵暴多發(fā)時(shí)段在15：00-23：00時(shí)，傍晚是活動(dòng)高峰[20]，因此倒披針葉蟲(chóng)實(shí)在 9：30-10：30時(shí)達(dá)到同步高峰，成功規(guī)避沙塵暴，增加了在不可預(yù)測(cè)環(huán)境中授粉的機(jī)會(huì)與效率，從而保障生殖成功。

同樣受風(fēng)沙等因素的影響，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)為提高其繁殖成功，應(yīng)該是一個(gè)常自交物種。本研究通過(guò)對(duì)比OCI值表明其的繁育系統(tǒng)為兼性自交，通過(guò)授粉試驗(yàn)得出自交率高達(dá)54.75%，自然情況下結(jié)實(shí)率為91.69%，顯著高于大多數(shù)植物[21]，這在自然界中極其罕見(jiàn)。另一方面，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)進(jìn)入花期時(shí)，花序自下而上展開(kāi)，進(jìn)行漸次開(kāi)花，Bullock等[22]指出，與大量同時(shí)開(kāi)花相比，漸次開(kāi)花使得植株可以更靈活地控制花、果之間的資源分配。此物種還具有邊開(kāi)花邊結(jié)實(shí)的特性，即花序頂端為花期，而下部已經(jīng)坐果，這與大多數(shù)植物花果期分離的現(xiàn)象有所區(qū)別[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，倒披針葉蟲(chóng)實(shí)高的自交率為其花序連續(xù)開(kāi)放，高的結(jié)實(shí)率提供了保證。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)倒披針葉蟲(chóng)實(shí)也是一個(gè)兼性自交的植物，P/O值為 1906±510，根據(jù) Cruden[18]的標(biāo)準(zhǔn)，P/O值的降低意味著近交程度的升高，推測(cè)其交配方式屬于兼性異交?；哪参锏古樔~蟲(chóng)實(shí)種群個(gè)體在沙漠中分布極不均勻，常成群，成簇，成塊或斑點(diǎn)地密集分布，是典型的集群分布，在流動(dòng)沙丘的中上部密度最大[15]。倒披針葉蟲(chóng)實(shí)種群空間分布以聚集斑塊形式分布更有助于同一區(qū)域內(nèi)的植株個(gè)體互相之間傳播花粉。在這種高密度的種群分布狀況下，植株產(chǎn)生更多花粉和花藥，通過(guò)提高P/O值，有效爭(zhēng)取異交的可能性，提高結(jié)實(shí)率，提高個(gè)體間遺傳多樣性。若有個(gè)別種子萌發(fā)時(shí)遠(yuǎn)離斑塊向外擴(kuò)散，植株也可采用自交的方式保證一定的結(jié)實(shí)率，這種獨(dú)特的交配系統(tǒng)是其在古爾班通古特沙漠能廣泛分布的重要原因之一。

本研究還發(fā)現(xiàn)，部分植株小花在雄蕊個(gè)數(shù)上存在差異，大部分小花具有3枚雄蕊和少部分具有4枚雄蕊。倒披針葉蟲(chóng)實(shí)雄蕊為1-(3)，即雄蕊數(shù)量為1到3枚，普遍為3枚，尚未有文獻(xiàn)未針對(duì)具有4枚雄蕊的個(gè)體進(jìn)行描述。此次發(fā)現(xiàn)的具有4枚雄蕊的小花也許是局域種群內(nèi)少數(shù)個(gè)體產(chǎn)生變異，也可能在此物種中廣泛存在，這還有待于進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wyatt R.Pollinator-plant interactions and the evolution of breeding systems[J].Pollination Biology，1983，51(95):403-418.

[2] 何亞平，劉建全.植物繁育系統(tǒng)研究的最新進(jìn)展和評(píng)述[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，27(2):151-163.He Y P，Liu J Q.A review on recent advances in the studiesofplantbreedingsystem [J].Acta Phytoecologica Sinica，2003，27(2):151-163.

[3] Lloyd D G，Barrett S C H.Floral biology:studies on floral evolution in animal-pollinated plants[J].The Quarterly Review of Biology，1996，78(4):104-105.

[4] 張大勇，姜新華.植物交配系統(tǒng)的進(jìn)化、資源分配對(duì)策與遺傳多樣性[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25(2):130-143.Zhang D Y，Jiang X H.Mating system evolution，resource allocation，and genetic diversity in plants[J].Acta Phytoecologica Sinica，2001，25(2):130-143.

[5] Du W，Huang L J，Wang X F.Deceit pollination and the effect of deforestation on reproduction in dioeciousSchisandra sphenanthera(Schisandraceae)in central China[J].Journal of Systematics and Evolution，2012，50(1):36-44.

[6] Rausher M D.Selfing，local mate competition，and reinforcement[J].The American Naturalist，2017，189(2):87-104.

[7] CarleialS，Delgado SalinasA，DomínguezC A，etal.Reflexed flowers inAeschynomene amorphoides(Fabaceae:Faboideae):a mechanism promoting pollination specializati-on？[J].Botanical Journal of the Linnean Society，2015，177(4):657-666.

[8] 劉海軍，莊麗，張莉，等.多傘阿魏生殖生物學(xué)特性的初步研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，31(4):403-407.Liu H J，Zhuang L，Zhang L，et al.A preliminary study on the characteristics of productive biology ofFerula ferulaeoides[J].Journal of Shihezi University(Natural Science)，2013，31(4):403-407.

[9] Chalcoff V R，Aizen M A.Pollination unpredictability and ovule number in a South-Andean Proteaceae along a rainfall gradient[J].Australian Journal of Botany，2016，64(1):8-14.

[10] 郭紅超，嚴(yán)成，魏巖.木地膚的開(kāi)花動(dòng)態(tài)與花粉活力及柱頭可授性研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23(4):87-93.Guo H C，Yan C，Wei Y.Study on the flowering dynamic，pollen viability and stigma receptivity ofKochia prostrate[J].Acta Prataculturae Sinica，2014，23(4):87-93.

[11] 李新蓉，唐欣，付文潔.荒漠孑遺植物裸果木的花部特征及繁育系統(tǒng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35(10):2592-2598.Li X R，Tang X，F(xiàn)u W J.Floral syndrome and breeding system ofGymnocarpos przewalskiiMaxim[J].Chinese Journal of Ecology，2016，35(10):2592-2598.

[12] 馬生軍，譚敦炎.短命植物甘新念珠芥(Neotorularia korolkovii)和寬翅菘藍(lán)(Isatis violascens)的物候與性表達(dá)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(2):486-496.Ma S J，Tan D Y.Phenology and sex expression of Junggar desert ephemeralsNeotorularia korolkoviiandIsatis violascens(Brassicaceae)[J].Acta Ecologica Sinica，2007，27(2):486-496.

[13] 楊?yuàn)櫫?，周永萍，施翔，?短命植物角茴香的開(kāi)花物候與生殖特征[J].西北植物學(xué)報(bào)，2016，36(9):1855-1863.Yang S L，Zhou Y P，Shi X，et al.The flowering phenology and productive features of the ephemeral plantHypecoum erectumL.[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2016，36(9):1855-1863.

[14] 趙學(xué)杰，譚敦炎，李新蓉.兩種鶴虱屬短命植物的繁育系統(tǒng)及其對(duì)荒漠環(huán)境的適應(yīng)[J].中國(guó)沙漠，2008，28(2):294-300.Zhao X J，Tan D Y，Li X R.Breeding system of two Ephemeral species of Lappula and their Adaptations to desert environment[J].Journal of Desert Research，2008，28(2):294-300.

[15]張榮，劉彤.古爾班通古特沙漠南部植物多樣性及群落分類[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(19):6056-6066.Zhang R，Liu T.Plant species diversity and community classification in the southern Gurbantunggut Desert[J].Acta Ecologica Sinica，2012，32(19):6056-6066.

[16] 陳正霞，劉彤，何文琴，等.古爾班通古特沙漠5種優(yōu)勢(shì)分布一年生植物種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境的依賴性[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，32(6):743-749.Chen Z X，Liu T，He W Q，et al.Five dominant distribution of annual plant seeds in Gurbantunggut Desert on the germination of environment dependence[J].Journal of Shihe zi University(Natural Science)，2014，32(6):743-749.

[17] 陳正霞，劉彤，劉尊馳，等.沙生植物倒披針葉蟲(chóng)實(shí)在古爾班通古特沙漠的分布[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(13):4064-4073.Chen Z X，Liu T，Liu Z C，et al.Spatial and temporal distribution characteristics of ephemeralCorispermum lehmannianumin the Gurbantunggut Desert[J].Acta Ecologica Sinica，2016，36(13):4064-4073.

[18] Cruden R W.Pollen-ovule ratios:a conservative indicator of breeding systems in flowering plants[J].Evolution，1977，31(1):32.

[19] Dafni A.Pollination ecology[M].New York:Oxfod University Press，1992，59-89.

[20] 王秋香，李紅軍.新疆近20a風(fēng)災(zāi)研究[J].中國(guó)沙漠，2003，23(5):545-548.Wang Q X，Li H J.Analysis on gale disasters of Xinjiang in recent 20 years[J].Journal of Desert Research，2003，23(5):545-548.

[21] 任明迅，姜新華，張大勇，等.植物繁殖生態(tài)學(xué)的若干重要問(wèn)題[J].生物多樣性，2012，20(3):241-249.Ren M X，Jiang X H，Zhang D Y.Some important questions in plant reproductive ecology[J].Biodiversity Science，2012，20(3):241-249.

[22] Bullock S H，Beach J H，Bawa K S.Episodic flowering and sexual dimorphism inGuarea rhopalocarpain a Costa Rican rain forest[J].Ecology，1983，64(4):851-861.

[23]Sato T.Size-dependent sex allocation in hermaphroditic plants:the effects of resource pool and self-incompatibility[J].Journal of Theoretical Biology，2004，227(2):265-275.