孫淑范，駱望龍，張勃

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1859年，達(dá)爾文[1]提出植物花豐富的多樣性是自然選擇不斷積累的結(jié)果[2].許多研究表明，被子植物的繁殖特征，尤其是蟲媒傳粉植物花部表型特征豐富的多樣性在很大程度上是由傳粉者介導(dǎo)(pollinator-mediated)的自然選擇而引起[3-5].因此，研究植物種群內(nèi)花性狀的變異性及其與傳粉者的互作關(guān)系成為理解植物花的多樣性分化及其進(jìn)化意義的重要途徑.植物受傳粉者選擇驅(qū)動(dòng)的花表型進(jìn)化中，有2類性狀比較關(guān)鍵：一類是與植物的花吸引力有關(guān)的性狀，如花大小、花展示和花報(bào)酬等[6]，這些性狀能通過影響傳粉者訪花頻率影響個(gè)體的適合度，從而容易受到選擇；另一類是花部結(jié)構(gòu)性狀，特別是雌、雄蕊的空間布置(如柱頭位置)以及花冠結(jié)構(gòu)等，這些性狀能通過與傳粉者的機(jī)械互作影響傳粉效率而受到選擇[7].因此，這2類性狀通常作為植物花表型適應(yīng)性及其功能研究的目標(biāo)性狀.

鼠尾草(Salvia)是唇形科(Labiatae)最大的一個(gè)屬，有近1 000個(gè)物種，廣泛分布在新舊世界[8-9].絕大多數(shù)鼠尾草屬物種具有高度特化的杠桿狀雄蕊結(jié)構(gòu)(lever-like stamens)[10]，因其與傳粉昆蟲互作形成了精巧的背部傳粉機(jī)制(dorsal pollination)，被認(rèn)為是激發(fā)該屬植物物種分化和適應(yīng)性輻射過程的

關(guān)鍵性狀(key innovation)[11].因此，鼠尾草屬植物成為了花適應(yīng)性進(jìn)化研究的理想類群之一[12].本研究以分布在我國(guó)青藏高原橫斷山區(qū)的毛地黃鼠尾草(S.digitaloides)為對(duì)象，通過觀測(cè)花性狀的變異性及其對(duì)傳粉昆蟲訪花行為的影響，探討了該屬植物花表型的適應(yīng)性及可能的進(jìn)化生態(tài)學(xué)過程，以期回答如下2個(gè)問題：在自然居群中，毛地黃鼠尾草的花表型性狀的變異程度有多大，主要發(fā)生在個(gè)體間還是個(gè)體內(nèi)；花表型的變異對(duì)其傳粉者的訪花行為是否產(chǎn)生影響，即傳粉者是否存在訪花偏好.

1 材料與方法

1.1 花部性狀測(cè)量與結(jié)果

本研究以分布在滇西北麗江玉龍雪山的毛地黃鼠尾草為試材.花部性狀的測(cè)量，參照張勃等[13]的方法.盛花期，隨機(jī)選擇毛地黃鼠尾草個(gè)體(>150)，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量其花性狀.測(cè)量性狀包括雄蕊杠桿長(zhǎng)度、下臂高度、花冠長(zhǎng)、冠腹高、冠口高、冠口寬以及柱頭高度、柱頭水平距離和柱頭探出花冠距離9個(gè)花部結(jié)構(gòu)性狀，如圖1所示.同時(shí)，統(tǒng)計(jì)單株小花數(shù)并測(cè)量其花序長(zhǎng).每株測(cè)量4～5朵花，其平均值作為單株花性狀的表型值.

A：花的側(cè)面圖；B：雄蕊杠桿放大圖；C：花冠口正面圖；Ceh： 冠口高；cew：冠口寬；cl：花冠長(zhǎng)；ct：冠腹高；lah：杠桿高；se：柱頭探出距離(柱探)；shd：柱頭水平距離(柱平)；sll：雄蕊杠桿度；sth：柱頭到花冠口下沿的距離(柱高).A：Side view of a flower；B：Enlarged view of stamen lever；C：Front view of a flower；Ceh：Corolla entrance height；Cew：Corolla entrance width；cl：Corolla length；ct：Corolla thickness；lah：Stamen lower arm height；se：Style exsertion；shd：Stigma horizontal distance from lower arm；sll：Stamen lever length；sth：Stigma height.圖1 毛地黃鼠尾草的花形態(tài)及其花性狀測(cè)量Figure 1 Flower construction andmorphometrics in Salvia digitaloides

1.2 傳粉者及其訪花偏好觀測(cè)

在毛地黃鼠尾草種群的盛花期，調(diào)查所有的訪花昆蟲，并帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定.訪花觀察期間，隨機(jī)跟蹤正在訪花的傳粉昆蟲，觀察其訪花行為.如果傳粉昆蟲訪問一朵花后，緊接著飛向另一朵花，但是當(dāng)其接近下一朵花的花冠口后，隨即又飛離，被視為訪花有偏好.若這兩朵花屬于同一株，被認(rèn)為是株內(nèi)訪花偏好；若屬不同株，則被認(rèn)為是株間訪花偏好.在此期間，同時(shí)摘取拜訪花和下一朵未訪花，測(cè)量其花部性狀，包括花冠長(zhǎng)、花冠口大小以及雄蕊的下臂高度4個(gè)性狀.

1.3 花蜜產(chǎn)量測(cè)量

在盛花期，隨機(jī)選取含苞待放的花(>100)進(jìn)行套袋.套袋次日，選擇已開放的花，待24 h后，同時(shí)測(cè)量其花蜜產(chǎn)量和花部結(jié)構(gòu)性狀(包括花冠長(zhǎng)、冠口寬、冠口高和雄蕊下臂高).花蜜量用毛細(xì)管法進(jìn)行測(cè)量.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)據(jù)用R軟件[14]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.花蜜產(chǎn)量與花部性狀的關(guān)系以及傳粉者拜訪花與未訪花之間的差異性(即訪花偏好)用R 軟件一般線性模型(LM)完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 毛地黃鼠尾草花部性狀及其變異性

毛地黃鼠尾草的花性狀表型值及其變異系數(shù)如表1所示.總體上，該物種花性狀在不同個(gè)體間的變異程度明顯大于個(gè)體內(nèi)，各性狀之間的變異性存在明顯差異，在所測(cè)量的12個(gè)花性狀中，花蜜量的變異系數(shù)最大，為44.99，小花數(shù)次之，為29.46.在花部結(jié)構(gòu)性狀中，有關(guān)柱頭位置性狀的變異程度相對(duì)較大，柱高、柱頭水平距離與柱頭探出距離在個(gè)體間的變異系數(shù)分別為18.90、19.07和24.34；其他花部結(jié)構(gòu)性狀如冠長(zhǎng)、冠口大小的變異程度最小其變異系數(shù)小于11%.

表1 毛地黃鼠尾草的花性狀及其變異系數(shù)

2.2 傳粉昆蟲及其訪花偏好

毛地黃鼠尾草種群的傳粉者包括弗里熊蜂(Bombusfriseanus)、稀熊蜂(B.infrequens)和偽猛熊蜂(B.personatus)3個(gè)物種.弗里熊蜂占所有熊蜂訪花頻率的65%，是其主要的傳粉者.該熊蜂在訪花時(shí)，對(duì)不同性狀的花存在明顯的訪花偏好，結(jié)果如圖2所示.當(dāng)傳粉者在同株(花序)內(nèi)訪花時(shí)，拜訪花的平均花冠長(zhǎng)、冠口寬和冠口高分別為(32.58±0.29) mm、(6.73± 0.08) mm和(5.25± 0.06) mm，顯著大于同期未訪花的性狀值(圖2-A～C，n=116，P<0.001)，而同期拜訪花與未訪花的下臂高無顯著差異(圖2-D，n=116，P=0.117).當(dāng)傳粉者在不同個(gè)體間訪花時(shí)，其拜訪花與未訪花的花冠長(zhǎng)、冠口寬、冠口高以及下臂高無顯著差異.

圖2 毛地黃鼠尾草傳粉者拜訪花與未訪花的花部性狀比較Figure 2 Difference in floral traits between probed and nou-probed flowers in S.digitaloides

2.3 花蜜量與花部結(jié)構(gòu)性狀的關(guān)系

毛地黃鼠尾草花部結(jié)構(gòu)性狀與花蜜產(chǎn)量之間的關(guān)系如圖3所示.在所測(cè)量的花性狀中，花冠長(zhǎng)(圖3-A)、冠口寬(圖3-B)、冠口高(圖3-C)及冠腹高(圖3-D)與花蜜產(chǎn)量之間均具有明顯相關(guān)性.其中，花冠長(zhǎng)和冠腹高與花蜜產(chǎn)量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(n=106，P=0.005，0.002)，相關(guān)系數(shù)分別為0.274和0.295.冠口大小，即冠口寬和冠口高與花蜜產(chǎn)量存在近顯著的相關(guān)關(guān)系，二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.187和0.197.其余花部性狀，如杠桿長(zhǎng)、下臂高、柱高、柱平和柱探等與花蜜產(chǎn)量之間不存在相關(guān)性.

3 討論

花是被子植物的繁殖器官，其豐富的多樣性被認(rèn)為是通過自然選擇不斷積累的結(jié)果[1].由達(dá)爾文自然選擇理論模型可知，植物與其適合度相關(guān)的性狀存在可遺傳變異是該物種通過自然選擇不斷進(jìn)化的基礎(chǔ).研究發(fā)現(xiàn)，植物花39%的變異為可遺傳變異，且不同花性狀具有不同的遺傳力[15].本研究表明，毛地黃屬尾草的花部性狀無論在個(gè)體內(nèi)還是個(gè)體間均存在很大的變異性，各性狀的變異程度也表現(xiàn)不同.所測(cè)量的花性狀中，花蜜量的變異程度最大，花數(shù)量次之；花部結(jié)構(gòu)性狀中，有關(guān)柱頭位置的花性狀，如柱頭探出距離和柱頭高度，其變異性明顯高于其它花結(jié)構(gòu)性狀.這與Gresswell[16]的研究結(jié)果相類似.總體上，毛地黃鼠尾草的大部分花性狀在個(gè)體內(nèi)的變異程度明顯小于個(gè)體間，表明該物種的花表型性狀盡管存在較大的可塑性，但個(gè)體間相對(duì)更大的遺傳變異反映出該物種能通過自然選擇而不斷進(jìn)化的潛力.

植物的花與其傳粉者的互作是被子植物進(jìn)化的重要推動(dòng)力[17-18].一方面，花部特征(如花報(bào)酬)對(duì)傳粉者具有吸引作用；另一方面，花部結(jié)構(gòu)對(duì)傳粉者有機(jī)械適應(yīng)性.因此，花部性狀的變異能引起傳粉效率的個(gè)體差異而受到選擇，即花表型會(huì)在傳粉者驅(qū)動(dòng)下向適應(yīng)其傳粉實(shí)現(xiàn)的特定方向進(jìn)化[19].研究發(fā)現(xiàn)，很多植物的花部性狀，如花大小和花蜜量等，能引起傳粉者的訪花偏好而受到強(qiáng)烈的選擇[20-21].本研究表明，毛地黃鼠尾草的花蜜產(chǎn)量與花冠長(zhǎng)、花冠口大小和花冠腹高度3個(gè)性狀之間存在顯著的正向相關(guān)性；相應(yīng)地，傳粉昆蟲(弗里熊蜂Bumblefriseanus)對(duì)較長(zhǎng)花冠和較大冠口的花表現(xiàn)出明顯的訪花偏好.一方面，傳粉昆蟲可能會(huì)通過花(冠口)大小區(qū)分花報(bào)酬的多少，故而對(duì)不同大小的花表現(xiàn)出訪花偏好；另一方面，鼠尾草特化的雄蕊杠桿花結(jié)構(gòu)對(duì)傳粉昆蟲有一定的阻攔和篩選作用[12,22]，相對(duì)較小的花，尤其是小冠口花能增加傳粉者的訪花代價(jià)，相反的，大冠口的花更易于吸取花蜜而受到傳粉者的青睞，因此，傳粉者對(duì)相對(duì)較大的花表現(xiàn)出訪花偏好.另外，本研究顯示，傳粉熊蜂的訪花偏好主要表現(xiàn)在植株個(gè)體內(nèi)不同的花之間，而并非不同個(gè)體間，這很可能是由于傳粉熊蜂訪花記憶能力的局限性所致[23].也就是說，訪花期間，當(dāng)熊蜂在鼠尾草不同個(gè)體間移動(dòng)時(shí)，由于耗費(fèi)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)丟失對(duì)不同花大小的比較記憶，從而在不同個(gè)體間未表現(xiàn)出明顯的訪花偏好.

圖3 不同花性狀與花蜜量的關(guān)系Figure 3 Relationship ofnectar productionwith floralstructural traits in S.digitaloides