別鵬飛,唐 婷,胡進(jìn)耀,,*,蔣 煒
1 綿陽師范學(xué)院,生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點實驗室,綿陽 621000 2 綿陽市蜀創(chuàng)農(nóng)業(yè)科技有限公司,綿陽 621000
距瓣尾囊草(Urophysarochkii)屬于毛茛科(Ranunculaceae)尾囊草屬(UrophysaUlbr)植物。世界上尾囊草屬的植物僅有兩種,分別是尾囊草和距瓣尾囊草,全部自然分布在我國境內(nèi),而距瓣尾囊草僅在江油市涪江上游區(qū)段有少量分布[1-2]。同時該物種富含芳香類油脂,花瓣和葉片顏色隨時間不斷變化,花期很長(一般為頭年12月至次年4月),且是冬季開花植物,因此具有潛在的藥用價值和園林觀賞價值[3- 5]。
胡進(jìn)耀等對江油武都水庫距瓣尾囊草的生長環(huán)境、播種和移栽實驗、群落土壤理化特征和生物學(xué)特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明原生土最適宜其種子萌發(fā)和生長[4- 6]。張云香對距瓣尾囊草進(jìn)行了種子散布及萌發(fā)特性研究[7],結(jié)果表明距瓣尾囊草對環(huán)境依賴性強的生殖過程以及種群生殖能力低下是其處于瀕危狀態(tài)的主要原因之一。王金錫[8-9]、劉彬[10]等對其進(jìn)行了相關(guān)的文獻(xiàn)考證及生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特性與群落分析,蘇澤源等根據(jù)以上研究總結(jié)提出了關(guān)于距瓣尾囊草“搶救性遷地移植保護(hù)方案”[11]。以上研究為進(jìn)一步對距瓣尾囊草的研究提供了極有價值的資料,但這些研究限于群落特征等方面的研究。距瓣尾囊草目前野外僅有2026株存活,其中本實驗點向家溝種群約有322株,占15.89%[8]。要保護(hù)該極小種群物種,首先要厘清其生殖生態(tài)學(xué)特性,了解其生殖能力低下的原因。
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,主要包括花形態(tài)特征、花的開放式樣、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[12]。植物開花的時間分布、繁育系統(tǒng)與花部特征對其生殖成功與否起決定性作用[13-15],同時也影響植物的遺傳多樣性及其分布格局[16]。瀕危植物在片斷化生境中,每個小的居群中由于遺傳多樣性的喪失等原因,使其具有很高的滅絕風(fēng)險[17-18]。而繁育系統(tǒng)又是影響植物居群遺傳多樣性的最關(guān)鍵的生物學(xué)因素之一,對植物的花部特征與繁育系統(tǒng)特性的深入研究對瀕危植物的保護(hù)及開發(fā)利用具有指導(dǎo)作用[19-20]。因此,要保護(hù)該極小種群物種,首先要解決的科學(xué)問題是研究清楚該物種的開花物候和繁育系統(tǒng)。以期從生殖生態(tài)學(xué)角度探索其可能存在的瀕危原因。為保護(hù)和利用該物種提供科學(xué)依據(jù)。
距瓣尾囊草對環(huán)境要求較高,現(xiàn)僅發(fā)現(xiàn)4個小種群。本實驗選擇江油地區(qū)的永勝鎮(zhèn)向家溝作為試驗點(圖1),其地理位置31°59′14.6″N、104°51′01.8″ E,坡度85°,坡向北偏西20°,海拔910—970 m。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),具有冬暖春早、夏長秋短、無霜期長、雨量充沛、四季分明、雨熱同季、地域變化明顯的氣候特點。生長區(qū)域平均年降水量1143.2 mm。
距瓣尾囊草生長在山中部石灰質(zhì)崖壁較濕潤處,伴生植物主要由鐵線蕨(Adiantumcapillusveneris)、報春花(Primulamalacoides)、淫羊藿(EpimediumdavidiiFranch)等,距瓣尾囊草種群呈集聚型分布。
1.2.1開花物候及花部綜合特征
在2011年和2012年的花蕾期,在不同種群中隨機選取50株距瓣尾囊草植株進(jìn)行標(biāo)記,每株1個花序。為了觀察單花花期,每2—3天觀察1次花蕾,直至花朵開放?;ǘ溟_放后,每1天觀察1次,直至花朵脫落或成為果實。每次觀測均注意記錄花朵開放、花粉散出、柱頭伸長等,并記錄花朵形狀、大小、顏色和它們的時空動態(tài),尤其注意柱頭與花藥的位置。對該種群的花序進(jìn)行連續(xù)觀察,記錄花在花序上的開花動態(tài)過程,空間排列狀況等,每天記錄當(dāng)天開花的數(shù)目,凋落或結(jié)果的花朵數(shù)目,每天計算當(dāng)天開花率,累積開花率。用下列公式表示花序內(nèi)花朵開放百分率:
花序內(nèi)花朵開放百分率=某一特定日期的開花數(shù)目/(開放花朵+未開放花蕾+凋落或結(jié)果的花朵)
另外按照Dafni和Maués[22]所述標(biāo)準(zhǔn)描述觀測地點距瓣尾囊草的種群開花進(jìn)程并記錄其開始的時間:①開始開花;②25%以下的植株開花;③50%以上的植株開花;④25%以下的植株尚處于花期,余者已經(jīng)凋謝;⑤開花末期(少于10%的植株仍在開花)。
1.2.2花粉活力的動態(tài)
8:30—18:30每隔3 h分別采集不同發(fā)育時期的新鮮花備用。參照Dafni[21]的實驗方法,采用TTC法測定(將新鮮花粉置于載玻片上,同時用火加熱致死的花粉作對照)花粉活力。將開花后不同時期的花粉撒在載玻片上,滴加1—2滴0.5%TTC溶液(2,3,5-triphenyl tetrazolium chloride),迅速蓋上蓋玻片,置入墊有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中,放在25℃黑暗條件下培養(yǎng)2 h左右。在顯微鏡下觀察,若花粉變紅則表明有活力,若紅色很淺或無變化或變黑色則表明無活性。統(tǒng)計全部花粉中紅色花粉所占比例(每片載玻片上的花粉數(shù)>500粒,重復(fù)5朵花)。以染色率表示花粉的活力百分率,即有活力花粉的比率=紅色花粉數(shù)/觀察花粉總數(shù)×100%。
1.2.3柱頭可授性的動態(tài)
采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定距瓣尾囊草雌花的柱頭可授性[22],直到無活力為止。具體步驟為:(1)隨機標(biāo)記開花前一天的花朵,開花后每天10:00—11:00從每株上各取新鮮花朵,去除花的各部分僅剩下雌蕊(柱頭);(2)將其放入凹玻片的凹槽中并在解剖鏡下調(diào)整好視野;(3)加了聯(lián)苯胺-過氧化氫溶液(1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水=4∶11∶22,體積比)于凹槽中,并立即觀察;(4)若柱頭具有可授性,則柱頭表現(xiàn)過氧化物酶活性,其周圍發(fā)生反應(yīng),呈現(xiàn)藍(lán)色并伴有大量氣泡出現(xiàn),此時認(rèn)真觀察并記錄其活力情況;否則無氣泡產(chǎn)生且不變藍(lán),對比確定自然條件下柱頭顏色的變化與柱頭可授性的相關(guān)規(guī)律。
1.2.4花粉-胚珠比(Pollen-ovule ratio, P/O)的估算
隨機摘取花蕾50朵(每株最多2朵)花藥尚未開裂固定于FAA,按照Pias和Guotian的方法[23]統(tǒng)計單花花粉粒粒數(shù)。將每朵花的子房置于載玻片上,在40倍解剖鏡下進(jìn)行解剖,在載玻片上滴1滴蒸餾水,將子房置于其中。細(xì)心解剖將胚珠從胎座中解開,觀察并計數(shù)。依據(jù)Cruden[24]的標(biāo)準(zhǔn),P/O為18.1—39.0時,繁育系統(tǒng)為專性自交;P/O為31.9—396.0時,繁育系統(tǒng)為兼性自交;P/O為244.7—2588.0時,繁育系統(tǒng)為兼性異交;P/O為2108.0—195525.0時,繁育系統(tǒng)為專性異交;P/O值的降低意味著近交程度的升高,P/O值的升高伴隨著遠(yuǎn)交程度的上升。
1.2.5雜交系數(shù)(Out-crossing index, OCI)的估算
按照Dafni的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行花序直徑;花朵大小及開花行為測量及繁育系統(tǒng)的評判。具體方法:(1)花朵或花序直徑<1 mm記為0;1—2 mm記為1;2—6 mm記為2;>6 mm記為3。(2)花藥開裂時間與柱頭可授期之間的時間間隔,同時或雌蕊先熟記為0;雄蕊先熟記為1。(3)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。評判標(biāo)準(zhǔn)為,OCI=0時,繁育系統(tǒng)為閉花受精;OCI=1時,繁育系統(tǒng)為專性自交(Obligate autogamy);OCI=2時,繁育系統(tǒng)為兼性自交(Facultative autogamy);OCI=3時,繁育系統(tǒng)為自交親和有時需要傳粉者;OCI=4時,繁育系統(tǒng)為部分自交親和,異交,需要傳粉者。
隨機選擇50朵花,對距瓣尾囊草花的直徑以及開花后雌雄蕊時空分布的情況進(jìn)行測量,計算出距瓣尾囊草的雜交指數(shù),對照Dafni標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果作為其繁育系統(tǒng)的另一指標(biāo)。
1.2.6繁育系統(tǒng)的鑒定
在野外對花進(jìn)行下述7種處理:(1)對照組,不套袋、不去雄、自由傳粉,用于檢測自然條件下的傳粉情況。(2)自發(fā)的自花傳粉,開花前套硫酸紙袋,不去雄,檢測是否存在自交。(3)同株異花傳粉,去雄套硫酸紙袋,同株異花之間人工授粉,檢測是否存在同株異花式自交及是否親和(檢測能否受精結(jié)實)。(4)異株異花授粉,去雄、用不同植株相同類型的花粉進(jìn)行人工授粉,然后套袋,檢測雜交是否親和。(5)自然條件下的異花授粉,去雄不套袋,自由傳粉,與前面4項的結(jié)果比較,檢測座果狀況是否受采粉者限制以及各種授粉方式所占的比例。(6)去雄、套網(wǎng)袋,檢測風(fēng)媒傳粉的效果。(7)去雄和去雌套硫酸紙袋不授粉,檢測是否有無融合生殖現(xiàn)象。
1.2.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件檢驗變量之間是否存在差異,并用Excel軟件進(jìn)行繪圖。
根據(jù)2011年和2012年野外實驗觀察發(fā)現(xiàn),距瓣尾囊草為夏枯型植物。8月上旬距瓣尾囊草開始返青生長,10月初開始形成花芽,12月上旬花芽開始萌動并逐步膨大,這個過程持續(xù)時間較長,一般為1個月左右,然后經(jīng)歷開花、凋謝,到花絕大部分凋謝時,開花物候結(jié)束(圖2)。
圖2 開花進(jìn)程Fig.2 The flowering process
從種群第一朵花到最后一朵花凋謝即為種群的花期。從(表1)花的開花進(jìn)程可以看出距瓣尾囊草整個種群的花期為120 d左右,隨著氣溫不斷升高,光照不斷加強,距瓣尾囊草一般在2月中下旬開花速度明顯加快,達(dá)到50%以上。
觀察結(jié)果表明,距瓣尾囊草單花開花無固定時間,單花開花持續(xù)時間7—15 d不等,以12 d出現(xiàn)的頻率最高(圖3),平均單花花期為(11.18±1.64)d?;ɡ倨诨ㄝ嗥3实G色或淡紫色,花序上的花朵為互生?;ㄩ_放時,花萼片陸續(xù)張開,萼片顏色發(fā)生變化,由淡綠色變?yōu)榘咨蛱焖{(lán)色(淡紫色),同一花序上一般都是頂端的花朵最先開放。晴天花蕾多在中午前后開放,這可能與開花當(dāng)天的氣溫有關(guān)?;ㄩ_放時,柱頭明顯高于花藥的位置。花柱在花期伸長不明顯;而花絲在開花當(dāng)天或第2天開始伸長,直至花藥開始裂開,花粉散出。所有花絲中內(nèi)輪的花絲先伸長且其上的花藥首先散出花粉。單花期依其形態(tài)和散粉特征可分為4個時期:散粉前期—開花當(dāng)天至花藥開裂前,花萼開裂,露出雄蕊群和雌蕊群,內(nèi)輪花絲開始伸長;散粉初期—開花第4—6天,花萼片完全展開,內(nèi)輪花絲伸長高于柱頭,5—7個花藥開裂;散粉盛期—開花第7—10天,大部分花藥開裂,柱頭彎曲;散粉末期—第11—15天,花藥全部開裂或枯死,且花藥中的花粉全部散出,花萼片開始凋落,柱頭變?yōu)榈仙?/p>
表1 距瓣尾囊草的開花進(jìn)程(日/月/年)
圖3 單花開放持續(xù)時間頻率分布Fig.3 The frequency distribution of single flower longevity of Urophysa rochkii
通過使用改良的TTC法測定不同散粉時間花粉的活力。距瓣尾囊草在花朵未開放前花粉沒有活力?;ㄋ庨_裂后第1天花粉活力達(dá)到94.8%,第2天為90.3%,第3天為81.6%,以后花粉活力逐漸降低。研究結(jié)果表明,距瓣尾囊草在花藥開裂后的第4天,花粉活力降至62.9%,此后其花粉活力明顯減弱。
花藥散粉后2 d內(nèi),距瓣尾囊草的柱頭無可授性,柱頭成柱狀且柱頭的位置略高于雄蕊群,綠色。散粉第3天,柱頭展開并向花藥彎曲,此時雄蕊的位置高于柱頭,柱頭變?yōu)樽暇G色,表現(xiàn)出一定的可授性。散粉第4—5天,柱頭可授性最強,柱頭彎曲程度增大且柱頭完全埋于雌蕊群中。此后,柱頭可授性逐漸減弱,直至散粉后的第8天,柱頭變成紫色,失去可授性(表2)。
表2 距瓣尾囊草的花粉活力、柱頭可授性及其形態(tài)特征
+表示柱頭具有可授性;++表示柱頭具有較強可授性;-表示花粉失活或柱頭不具可授性
測量了20朵距瓣尾囊草的花,其單花花藥數(shù)、單花花粉量、單花胚珠數(shù)及花粉胚珠比如(表3)所示。
表3 距瓣尾囊草花粉胚珠比(P/O)統(tǒng)計
距瓣尾囊草花粉量每朵花平均為(42969.8±13604)粒,胚珠數(shù)每花平均為45.7±5.6,P/O值每花平均為938.5±250,按照Cruden的標(biāo)準(zhǔn),距瓣尾囊草的有性繁育系統(tǒng)為兼性異交。
測量得出,距瓣尾囊草花直徑為(19.26±2.80) mm,距瓣尾囊草具有明顯的雌雄蕊異熟現(xiàn)象。距瓣尾囊草花藥開裂時間與柱頭的可授期之間的時間間隔為雌蕊先熟,柱頭與花藥位置不在同一高度。按照Dafni的標(biāo)準(zhǔn),距瓣尾囊草的OCI=4,即距瓣尾囊草的繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和、需要傳粉者(表4)。
表4 距瓣尾囊草雜交指數(shù)觀測結(jié)果
由圖4可以看出,自然對照的40個距瓣尾囊草花序結(jié)實率為78.94%,直接套袋結(jié)實率為5.71%;去雄套網(wǎng)袋的結(jié)實率為13.16%;去雄套袋和去雌套袋,均不結(jié)實;人工同株異花授粉的結(jié)實和人工異株異花授粉的結(jié)實率都比較高,達(dá)到80%以上,略高于自然結(jié)實率;自然條件下異花授粉(去雄不套袋)的結(jié)實率為67.5%遠(yuǎn)高于去雄、套網(wǎng)袋的結(jié)實率。
對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明:自然結(jié)實、去雄人工同株異花授粉、去雄人工異株異花授粉三者之間無顯著差異,都高于去雄不套袋,且四者都極顯著高于直接套袋處理和去雄套網(wǎng)袋處理的結(jié)實率(P<0.01);而直接套袋處理和去雄套網(wǎng)袋處理的結(jié)實率都極顯著大于去雄套袋和去雌套袋(P<0.01)。
圖4 距瓣尾囊草7種不同處理方式的結(jié)實率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.4 Mean (±SD) seed set of 7 different treatments of the Urophysa rochkii不同字母表示差異顯著 (P<0.05)
傳粉的成功依賴于較強活力的花粉與較高可受性柱頭的相遇,生境不同,花粉活力與柱頭可受性及二者的相遇期都會隨之而變化[25]。本文對距瓣尾囊草的開花物候、花粉活性、柱頭可授性以及繁育系統(tǒng)的鑒定做了初步研究,為下一步對其傳粉生態(tài)學(xué)研究以及探究距瓣尾囊草繁育系統(tǒng)特性與其瀕危原因之間的關(guān)系提供材料和依據(jù)。
開花物候是植物重要的生活史特征之一[26],也是植物生殖生態(tài)研究的一個重要內(nèi)容[27-28],它主要研究植物開花式樣與非生物因子間的關(guān)系以及植物開花的遺傳基礎(chǔ)和自然選擇。探討其適應(yīng)意義[26,29],可表現(xiàn)在群落、科、屬、種、種群、個體、花序和單花等多個水平上,植物個體或群體的開花物候可以用一系列參數(shù)如開花數(shù)、開花時間和開花持續(xù)時間等來量化,這些參數(shù)能顯著影響植物的生殖成功[30]。一些研究表明,開花物候不僅與植物類群的系統(tǒng)發(fā)生及遺傳特性有關(guān)[31],而且與環(huán)境條件有密切聯(lián)系[32- 34]。對距瓣尾囊草開花物候的觀察表明,距瓣尾囊草花期較長,花期一般從第一年的12月上旬開始,一直持續(xù)到第二年的4月中下旬。開花時間長,且表現(xiàn)出明顯的開花不同步性。這種開花持續(xù)時間長且開花不同步不僅可以保證植株在較長時間內(nèi)都能成功完成傳粉受精過程而保證生殖成功,而且也可以降低花期惡劣的自然環(huán)境如倒春寒對其生殖成功造成的不良影響,這是距瓣尾囊草長期適應(yīng)環(huán)境影響所形成的一種生殖策略。正如焦培培等對瀕危植物矮沙冬青開花物候的研究以及周正立等對瀕危植物胡楊、灰葉胡楊開花物候的研究也支持了這一觀點[35-36]。野外實驗觀察還發(fā)現(xiàn),不同生長環(huán)境的距瓣尾囊草開花時間也不同步,一般生長在崖壁高處的開花時間都早于生長在崖壁下面的,這可能是由于光照時間和光照強度的不同,導(dǎo)致開花不同步。
植物花粉的活力與壽命因植物種及環(huán)境條件不同而有所差異:如海棗花粉可維持活性數(shù)月至一年;茄的花粉在夏季只能存活1 d,在冬季能維持3 d[37];芍藥的花粉活力可持續(xù)半個月以上[38];刺五加植株的花粉活力在開花之初較高,但3 d后迅速下降,4 d后大部分失去活力[25]。而柱頭可授期是花朵成熟過程中的一個重要時期,它能在很大程度上影響自花傳粉率、開花不同階段的傳粉成功率、各種傳粉者的相對重要性、雄性和雌性功能之間的相互干擾、不同基因型的花粉之間的競爭以及配子體選擇的機會等等[21]。不同植物的柱頭可授期所持續(xù)的時間從幾天到十幾天不等,花朵的年齡、一天內(nèi)的不同時間段以及柱頭分泌物的有無等對其均有影響[28]。本文研究結(jié)果表明,距瓣尾囊草花粉活力較高時期與柱頭可授性較高的時期不一致,同一朵花的柱頭可授性較強期和花粉活力較高期基本沒有重疊,表明距瓣尾囊草存在雌雄異熟現(xiàn)象,進(jìn)一步證明其傳粉機制是以異花傳粉為主,是避免自交的一種適應(yīng)性機制。
自然界絕對自交或雜交的植物類群很少,大多是兩者兼而有之并采取混合交配的繁殖對策模式[39]。對繁育系統(tǒng)的多樣化及其作用模式和機制的研究,是理解植物各類群進(jìn)化的一個重要基礎(chǔ)[40]。本實驗測定了距瓣尾囊草單花花粉胚珠比(P/O)為938.5±250,按照Cruden的花粉胚珠比(P/O)的標(biāo)準(zhǔn)劃分,距瓣尾囊草的有性繁育系統(tǒng)為兼性異交。按照Dafni的標(biāo)準(zhǔn),距瓣尾囊草的雜交系數(shù)OCI=4,即距瓣尾囊草的繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和、需要傳粉者。
在不穩(wěn)定的環(huán)境中植物會通過改變一些生態(tài)機制來保證生殖成功,比如植物常常會改變自身繁殖策略,包括植物對雌雄性資源投入的權(quán)衡[41-42]。而P/O值是衡量植物對雄性資源分配量的一個指標(biāo)[43]。本研究表明距瓣尾囊草的單花花粉量較大,而胚珠相對較少,P/O值較高。這可能是由于距瓣尾囊草的生境特殊性因素限制了訪花昆蟲的活動,使訪花昆蟲的種類和數(shù)量減少,從而限制距瓣尾囊草的有效傳粉,但其雄性資源投入的增長,是其適應(yīng)環(huán)境從而保證生殖成功的有效對策。
一般而言,自交不親和、雌雄異位和雌雄異熟被認(rèn)為是促進(jìn)異交、避免自交的重要機制[44- 46]。在異花傳粉者不足等選擇壓力下,一些物種能夠演化出自交親和或依賴自交的種群和個體[47- 49]。為了生存的需要,生物往往發(fā)展出一整套必要的生殖補償機制,保證物種繁衍的順利進(jìn)行[50]。本研究結(jié)果表明:自然對照的結(jié)實率遠(yuǎn)高于直接套袋結(jié)實率,說明距瓣尾囊草存在自交親和現(xiàn)象,可以自發(fā)傳粉;去雄、套網(wǎng)袋的結(jié)實率為13.16%,說明其存在風(fēng)媒傳粉的方式;去雄套袋和去雌套袋均不結(jié)實,說明不存在無融合生殖現(xiàn)象;人工同株異花授粉和人工異株異花授粉的結(jié)實率都略高于自然結(jié)實率,說明其繁育系統(tǒng)以異花傳粉為主,可能存在傳粉限制或花粉干擾;自然條件下異花授粉(去雄、不套袋)的結(jié)實率遠(yuǎn)高于去雄、套網(wǎng)袋的結(jié)實率,表明其在授粉過程中需要傳粉者,其結(jié)實率受到傳粉者的限制。以上結(jié)論還不能充分說明距瓣尾囊草的繁育系統(tǒng)特性是其致瀕原因之一,需要結(jié)合傳粉生態(tài)學(xué)等實驗進(jìn)一步驗證說明。對于距瓣尾囊草混合型繁育系統(tǒng),關(guān)于其權(quán)重比例及后代的生活力有待進(jìn)一步研究。這種具兼性交配系統(tǒng)的現(xiàn)象在毛茛科其他植物,如獨葉草、頓裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、小花草玉梅(Anemonerivularis)中葉存在[51]。
致謝:感謝江油市林業(yè)局蘇澤源高級工程師對實驗的幫助。