萬 琦，趙楠楠，張明如，李清香，張婷宇，蔡益杭

（浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300）

繁育系統(tǒng)指所有影響后代遺傳組成有性特征的總和[1]，主要包括花部形態(tài)特征、花各部位的壽命、花的開放式樣、傳粉者種類和訪問頻率、自交親和程度和交配系統(tǒng)。植物的上述有性特征與傳粉者以及傳粉行為共同影響繁殖后代遺傳組成和適應(yīng)性。因此，繁育系統(tǒng)是影響植物居群遺傳多樣性及地理分布最關(guān)鍵的生物學(xué)性狀之一[2]，繁育系統(tǒng)研究在花的適應(yīng)性、物種形成機(jī)制和瀕危植物保育方面具有重要價(jià)值[3]。玉鈴花Styrax obassia屬于安息香科Styracaceae安息香屬Styrax落葉小喬木或灌木，花朵清香，樹姿優(yōu)美，果實(shí)、木材和蟲癭均具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是非常珍貴具有潛力的園林綠化觀賞與經(jīng)濟(jì)樹種。玉鈴花在中國的分布區(qū)北至遼寧東南部，向南可見于河南、山東、安徽和浙江等地[4]，多處于野生狀態(tài)，尚未開展有效人工擴(kuò)繁并合理利用。受人類活動(dòng)干擾、自然生境破壞和傳粉者行為影響，加之種子萌發(fā)困難等原因，玉鈴花野生植株稀少，種群零星分布[5]，天然更新過程受阻。對(duì)安息香科另一物種黃梅秤錘樹Sinojackia huangmeiensis有性繁殖的研究發(fā)現(xiàn)：其繁育類型以異交為主，部分自交親和且需要傳粉者；單株較大的開花量可維持居群的自然更新，部分自交親和也為其提供一定生殖保障[6]。玉鈴花繁育系統(tǒng)與黃梅秤錘樹可能存在一定共性，推測(cè)植株數(shù)量可能受到所分布群落結(jié)構(gòu)的影響，繁育系統(tǒng)和訪花者的行為受氣候條件影響。目前，有關(guān)玉鈴花的研究集中于育苗技術(shù)和組織培養(yǎng)[7]、種子休眠破解[8-9]、遺傳多樣性AFLP分析[10]和藥用價(jià)值[11]等方面，尚無繁育系統(tǒng)的觀察研究報(bào)道。本研究通過定點(diǎn)觀察(測(cè))玉鈴花引種植株，從花部結(jié)構(gòu)、開花動(dòng)態(tài)和繁育系統(tǒng)角度，揭示其生物學(xué)特性，探討其天然更新困難可能存在的障礙，以期為玉鈴花雜交育種、生境保護(hù)提供理論依據(jù)，同時(shí)為城市園林綠化應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與材料

試驗(yàn)于2021年 3—6月進(jìn)行。試驗(yàn)材料為引種至浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū) (30°15′54″N，119°43′19″E，海拔101.3 m)露地栽培的處于半自然狀態(tài)的玉鈴花。栽植地為平坦溝谷，亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為 17.8 ℃，年均降水量為 1 613.9 mm，無霜期為 237 d，年日照時(shí)數(shù)為 1 765.6 h。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 研究方法

1.2.1 花部結(jié)構(gòu)及開花進(jìn)程觀察 選定 5 株樣株，每日觀察開花進(jìn)程并拍照記錄。按照 DAFNI[12]的標(biāo)準(zhǔn)，確定始花期、盛花期和末花期。盛花期隨機(jī)選擇尚待開放的花序30個(gè)，掛牌標(biāo)記，測(cè)量記錄花序長度(mm)和花蕾數(shù)(個(gè))，每日觀察花序發(fā)育情況，直至花瓣脫落，確定單花序和單花開放時(shí)間；隨機(jī)選取單花30朵，掛牌標(biāo)記后定點(diǎn)觀察，用游標(biāo)卡尺測(cè)定花冠直徑(mm)、花柱長度(mm)、花絲長度(mm)等指標(biāo)。在Stemi 508體式顯微鏡下，對(duì)花朵進(jìn)行實(shí)體解剖，觀察子房和胚珠等構(gòu)造。

1.2.2 花粉活力與柱頭可授性檢測(cè) 以玉鈴花單花開放前 1 d 為檢測(cè)起點(diǎn)，收集開放前 1 d、開放第 1、2、3、4和5天的不同個(gè)體混合花粉。選用2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法[12]評(píng)定花粉活力，選用聯(lián)苯胺-過氧化氫法[13]檢測(cè)柱頭可授性。

1.2.3 花粉胚珠比 (pollen-ovule ratio，P/O)測(cè)定 隨機(jī)采集花藥尚未開裂的花蕾，剝離雌蕊與雄蕊。在體式顯微鏡下用解剖針輕輕劃開子房，統(tǒng)計(jì)單花胚珠數(shù)(個(gè))；采集對(duì)應(yīng)單花的全部花藥，用光學(xué)顯微鏡統(tǒng)計(jì)花粉粒數(shù)量(個(gè))。重復(fù)3次，取平均值。平均單花花粉粒總數(shù)=平均花粉粒數(shù)量×1 000；P/O=平均單花花粉?？倲?shù)/平均胚珠數(shù)。依據(jù)CRUDEN[14]標(biāo)準(zhǔn)，確定玉鈴花繁育系統(tǒng)類型。

1.2.4 雜交指數(shù) (outcrossing index，OCI)估算 隨機(jī)選取 30 朵花，測(cè)定單花直徑 (mm)、雌雄蕊空間高度差(mm)及雌雄蕊成熟時(shí)間間隔。依據(jù)DAFNI標(biāo)準(zhǔn)[12]，確定OCI 值，評(píng)判玉鈴花的繁育系統(tǒng)類型。

1.2.5 昆蟲訪花情況觀察 盛花期，晴朗天氣下連續(xù)1周每天觀察樣樹的昆蟲訪花情況，拍照記錄各種訪花昆蟲種類、訪花行為、訪問時(shí)間、單花停留時(shí)間、單次連續(xù)訪花朵數(shù)等。

1.3 數(shù)據(jù)分析

借助Excel 2019處理原始數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤；利用Origin 2019制圖。使用佳能M6觀察拍攝玉鈴花開花植株和花部結(jié)構(gòu)照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 花部綜合特征

玉鈴花為腋生或頂生總狀花序，花序長(13.29±0.66) cm，含(25.3±1.8)朵花；生長初期花序梗和花序軸密被短絨毛，但隨著其生長，下部毛漸漸退化，直至無毛；花梗長(5.61±0.20) mm，稍向下彎；花萼杯狀，長(5.68±0.12) mm，寬(4.28±0.05) mm，上端有5～6個(gè)三角形萼齒；花梗至花萼筒均密被灰黃色星狀短絨毛；花冠直徑為(17.37±0.50) mm，花瓣白色，4～6瓣，常見5，橢圓形，長(16.51±0.19) mm，寬(6.47±0.13) mm，花蕾期花瓣呈覆瓦狀排列；雄蕊7～11，常見9，基部貼生于花冠，花絲扁平，上下幾乎等寬，長(10.17±0.15) mm，花藥2室，以其背部貼生花絲，橢圓型，花藥長(4.01±0.10) mm，寬(0.97±0.02) mm；花柱與略膨大子房連接，子房3室，半下位或下位，胚珠(12.8±0.7)枚(表1)。

表1 玉鈴花花部器官數(shù)量特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the quantitative characteristics of floral organs of Styrax obassia

2.2 開花動(dòng)態(tài)

玉鈴花花芽膨大期始于3月15—20日，花芽葉芽同期，顯蕾期為3月21日—4月15日，花序逐漸伸長，花蕾逐漸膨大(圖1A～F)，始花期為4月15－18日，盛花期為4月19—26日，末花期為4月27日—5月2日，花冠凋落，隨后成功授粉的子房逐漸膨大，雌蕊干枯敗落進(jìn)入幼果期(圖1J～L)。花期持續(xù)約 15 d，單花花期 3～5 d。

玉鈴花開花過程大致分為5個(gè)時(shí)期(圖1M)。①包裹期：花萼包裹著花蕾，上端分5個(gè)小型三角形萼裂齒；②退化期：花蕾逐漸膨大，花瓣慢慢伸長，花萼退化成杯狀托住花冠，此時(shí)雄蕊藏于花冠中；③微綻期：花瓣微微綻開，可見黃色的花藥和嫩綠色柱頭，花粉囊微縱裂，少量花粉散出；④展開期：花瓣張開角度加大，花藥柱頭全部露出，柱頭高于雄蕊，花粉囊開裂變大，散出花粉增多；⑤完全展開期：花瓣完全展開，花粉囊縱列增大，散出花粉量逐漸變少到散盡，花藥顏色變淡。

玉鈴花花序開花的順序由內(nèi)至外(圖1G～I(xiàn))，整個(gè)開花過程受天氣和溫度影響較大，晴天和氣溫較高時(shí)，花瓣展開速度和散粉速度快，整個(gè)開花持續(xù)時(shí)間較短；陰天、雨天或氣溫稍低，花瓣開放速度趨慢，開花持續(xù)時(shí)間較長。

圖1 玉鈴花開花動(dòng)態(tài)Figure 1 Flowering dynamics of Styrax obassia

2.3 花粉活力與柱頭可授性

統(tǒng)計(jì)花粉粒染色率發(fā)現(xiàn)：開花前1 d，玉鈴花花粉活力達(dá)74.00%，開花第1天降至50.80%，第2天更低，僅為37.60%，隨后持續(xù)降低，直到花瓣脫落，花粉殆盡，花粉活力為0。用聯(lián)苯胺-過氧化氫法檢測(cè)柱頭可授性，結(jié)合圖2可知：開花前1 d，柱頭部分具有可授性，此后可授性呈增強(qiáng)趨勢(shì)，至開花第2天，達(dá)到最強(qiáng)，隨后逐漸下降，開花第5天，柱頭已無可授性。

圖2 玉鈴花花朵發(fā)育階段柱頭可授性的變化Figure 2 Dynamics of stigma acceptability for S. obassia flowers during development

2.4 花粉胚珠比 (P/O)

對(duì)花蕾中花藥花粉粒和子房胚珠的統(tǒng)計(jì)可知：玉鈴花單花花粉量為(8 080.0±739.8)粒，胚珠數(shù)量為(12.8±0.7)粒，P/O為(646.30±64.35)。依據(jù)CRUDEN的標(biāo)準(zhǔn)，玉鈴花有性繁育系統(tǒng)為兼性異交。

2.5 雜交指數(shù) (OCI)的估算

玉鈴花成熟花朵直徑為(17.37±0.49) mm，＞6 mm，OCI記為3；花朵開放前1 d花粉?；钚宰顝?qiáng)，柱頭部分可授，花藥開裂時(shí)間和柱頭可授性具有高度同步性，OCI記為0；所觀察的30朵成熟花的柱頭位置均高于雄蕊花藥，雄蕊花藥與柱頭間空間分離明顯，雄蕊雌蕊高度差為(2.50±0.16) mm，OCI記為1。由此判定玉鈴花開放花朵OCI值為4，其有性繁育系統(tǒng)為異交且部分自交親和，需要傳粉者，屬于兼性異交，估算結(jié)果與P/O一致。

2.6 訪花昆蟲及訪花行為

盛花期觀察到的訪花昆蟲主要有蜜蜂科Apidae的中華蜜蜂Apis cerana、蟻科Formicidae的日本弓背蟻Camponotus japonicus、蝽科Pentatomidae的稻棘緣蝽Cletus punctiger和花薊馬Frankliniella intonsa等。其中，日本弓背蟻、中華蜜蜂出現(xiàn)頻率最高，稻棘緣蝽除了盛花期第1天出現(xiàn)外，之后未觀察到。

觀察發(fā)現(xiàn)：8:00—12:00，中華蜜蜂數(shù)量和訪花次數(shù)都處在較高水平，隨后減少，至17:00，沒有中華蜜蜂采蜜。訪花時(shí)，中華蜜蜂頭部朝下，足部抓住花瓣邊沿，頭部和胸部的絨毛可粘取花粉，伸長口器吸食花蜜，采完1朵花后攜帶花粉采食另1朵，觸及柱頭完成授粉(圖3 A～C)。中華蜜蜂收集花粉時(shí)，后足絨毛沾滿花粉，好似“花粉筐”，有利于傳粉(圖3 D)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：中華蜜蜂的單花停留時(shí)間為7.5 s，單次連續(xù)訪花數(shù)9朵，單序停留時(shí)間約1.4 min。日本弓背蟻(圖3 E)出現(xiàn)頻率也較高，其單花停留時(shí)間為27.5 s，單序停留時(shí)間約3.0 min，但是由于日本弓背蟻體型很小，有研究認(rèn)為其腹腺分泌物含抗生素可降低花粉活力，并且其作為無翅訪問者，具有重復(fù)訪花、花序行為，易促進(jìn)自花授粉的發(fā)生[15]，因此螞蟻傳粉作用較小。甲蟲等其他種類昆蟲，僅吸取子房上部花被管內(nèi)的花蜜，稻棘緣蝽刺吸植物莖葉(圖3 F)，喜好中午時(shí)趴在花筒上吸食汁液，而花薊馬多集于花內(nèi)取食，兩者對(duì)玉鈴花傳粉無太大作用，甚至?xí)斐苫ǘ湮?，阻礙傳粉。

圖3 昆蟲訪花行為Figure 3 Visiting behavior of insects

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 玉鈴花開花特性及傳粉適應(yīng)性 植物的花部特征、傳粉特性和繁育系統(tǒng)是相互適應(yīng)的[16]，此種適應(yīng)性大多體現(xiàn)在2個(gè)方面，其一為花部結(jié)構(gòu)、形態(tài)的適應(yīng)，其二為傳粉者行為的適應(yīng)。玉鈴花花朵潔白，花冠直徑＞6 mm，花藥黃色耀眼，具清香氣味，具有較強(qiáng)的吸引昆蟲特性， 與江南牡丹草Gymnospermium kiangnanense[17]花部表現(xiàn)出的泛化傳粉類型特征相似。玉鈴花為總狀花序，花朵數(shù)量較多，自下而上開花，與1年生水生植物冠果草Sagittaria guyanensis的開花順序一致[18]；單花花期約5 d，整個(gè)花序壽命長達(dá)15 d，這種花序開花不同步，且花朵耀眼、數(shù)量大的特性，有助于延長傳粉昆蟲的訪花時(shí)間和增加植物完成異花授粉的成功率，是植物長期適應(yīng)不穩(wěn)定傳粉環(huán)境的表現(xiàn)，與ZHAO等[19]發(fā)現(xiàn)的花形態(tài)、大小對(duì)傳粉者多樣性和選擇性有顯著影響，且花展示和數(shù)量越多、選擇性越強(qiáng)的研究結(jié)論一致。

玉鈴花在浙江境內(nèi)的野生居群零星狀分布，天然更新受阻，主要原因可能是傳粉昆蟲數(shù)量和種類較少。本研究發(fā)現(xiàn)：中華蜜蜂是玉鈴花的主要傳粉昆蟲，體型與其單花大小相適宜，兩者存在供食與授粉的互惠關(guān)系；中華蜜蜂訪花次數(shù)和時(shí)間與花粉活力、柱頭可授性最強(qiáng)的時(shí)間一致。可見，玉鈴花有性繁育主要依賴中華蜜蜂傳粉的異交。觀察還發(fā)現(xiàn)：大量的日本弓背蟻和花薊馬在玉鈴花花朵上出現(xiàn)，但這些昆蟲體型小，易出現(xiàn)重復(fù)訪花行為，增加自花授粉可能性，很難形成有效傳粉[20]。此外，外界干擾會(huì)影響傳粉者的行為，其中天氣的干擾影響程度較為突出，特別是陰雨天氣，使得昆蟲傳粉行為受到一定抑制。如在花期遭遇連續(xù)數(shù)天陰雨的山地生境，玉鈴花花期會(huì)延長，符合RATHCKE[21]的研究結(jié)論，即在傳粉者稀少或者不穩(wěn)定生境時(shí)，植物會(huì)通過延長花期來提高生殖成功率。本研究中，玉鈴花花藥不同步開裂，將花粉活力從5 d延長至6～7 d，可視為對(duì)傳粉者行為受限時(shí)的適應(yīng)。

3.1.2 玉鈴花繁育系統(tǒng) 花粉/胚珠比和雜交指數(shù)被廣泛用于植物繁育系統(tǒng)的研究[22-23]。根據(jù) DAFNI雜交指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，玉鈴花繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和，屬于需要傳粉者類型；依據(jù)GRUDEN花粉/胚珠比測(cè)定結(jié)果，玉鈴花繁育系統(tǒng)屬于兼性異交，與安息香科另一植物黃梅秤錘樹的研究結(jié)論一致[6]。在玉鈴花開花過程中，單花尺度的雄蕊和雌蕊始終處于空間分離，柱頭高于花藥，不利于自花授粉，有利于柱頭接受異花授粉；同時(shí)，花粉活力和柱頭可授性的強(qiáng)弱具有一定的時(shí)間間隔，因此避免了同花自交現(xiàn)象的發(fā)生。但是花朵開放花藥散粉時(shí)，柱頭已經(jīng)具有可授性，其花粉活力與柱頭可授性存在一段時(shí)間重疊，使得玉鈴花在時(shí)間上又具備自交的可能性。從單株水平看，玉鈴花整株同時(shí)開放的花朵數(shù)量多，且單序分2～3段開放，花朵發(fā)育期又不同，在受到外界昆蟲訪花者及風(fēng)力的作用下，也會(huì)出現(xiàn)同株同花和同株異花授粉，即植物自交。植物自交是被子植物進(jìn)化的普遍趨勢(shì)，是植物在惡劣環(huán)境中保證繁育成功的一種適應(yīng)機(jī)制[24]。如花期降雨導(dǎo)致傳粉受阻時(shí)，玉鈴花選擇自花授粉。因此，自花授粉為適應(yīng)不斷變化的生境提供了一定生殖保障，但是自交是否會(huì)對(duì)后代適合度造成影響，還有待進(jìn)一步研究。

有效的授粉可使植株結(jié)實(shí)，但果實(shí)內(nèi)只有少量種子可以萌發(fā)形成新的植株。安息香科植物如秤錘樹屬Sinojackia、長果安息香屬Changiostyrax等大多已經(jīng)瀕危[25]，棲息地被破壞、人為砍伐是直接原因，而植物種子外果皮堅(jiān)硬、胚乳內(nèi)源抑制物多、種子萌發(fā)率低也是重要原因。玉鈴花同其他安息香科植物存在一定共性，即種皮厚、種子存在休眠，因此，玉鈴花在浙江省的生存現(xiàn)狀需要引起足夠重視與并提供有效保護(hù)。

3.2 結(jié)論

玉鈴花為總狀花序，單花序開花由基部向先端分2～3區(qū)段開放，單花開花持續(xù)3～5 d，花期為4月中旬至5月初；玉鈴花花朵潔白、花藥黃色具芬芳?xì)馕毒鶠槲齻鞣劾ハx的花部特征，主要傳粉昆蟲為中華蜜蜂、日本弓背蟻等小型昆蟲，體型與單花大小、花部結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，玉玲花與傳粉昆蟲存在供食與授粉的互惠關(guān)系；玉鈴花昆蟲訪花的時(shí)間與花粉活力、柱頭可授性最強(qiáng)的時(shí)間一致；花粉胚珠比為(646.30±64.35)，雜交指數(shù)為4，證實(shí)其授粉方式為依賴?yán)ハx媒介為主的異交類型，繁育系統(tǒng)為異交且部分自交親和。