梁瓊月 劉長(zhǎng)秋 陸奇豐 鄧 濤 蔡 博*

（1.廣西師范大學(xué)珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，桂林 541001；2.廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，桂林 541006）

大多數(shù)被子植物的有性繁殖過(guò)程都需要?jiǎng)游镌L(fǎng)花者進(jìn)行花粉的傳播，然而目前傳粉者數(shù)量和種類(lèi)下降已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)普遍顯現(xiàn)的生態(tài)問(wèn)題［1］。這可能直接影響野生或栽培植物的繁殖和種群維持。傳粉不足或缺失也被認(rèn)為是威脅珍稀瀕危、狹域分布植物的生存和種群更新的一個(gè)可能因素［2］。對(duì)于遷地保護(hù)的植物來(lái)說(shuō)，在引種地如果缺乏原生境的傳粉動(dòng)物，則可能導(dǎo)致自然傳粉失敗，有性途徑繁殖新個(gè)體則需要及時(shí)進(jìn)行人工授粉［3］。理論上，具有比較特化的花特征的植物可能在原生境發(fā)生變化或移栽到新生境時(shí)更容易遇到傳粉不足的問(wèn)題，而具有相對(duì)泛化的花特征和傳粉系統(tǒng)的植物可能不易遭遇傳粉不足［4］。

秋海棠屬（Begonia）植物物種極為豐富，多為狹域分布物種［5］，其中廣西秋海棠（B.guangxiensis）為多年生草本植物，廣西特有種，主要分布于中國(guó)廣西都安與靖西，生長(zhǎng)范圍狹窄，數(shù)量稀少。種群分布于海拔200～300 m的陰濕石壁、林下和山洞中，花期1—3 月，果期3—5 月。廣西秋海棠的花朵粉紅鮮艷（圖1），葉片獨(dú)特多姿，株型端莊挺拔，有著很高的觀(guān)賞價(jià)值與園林應(yīng)用潛力，其莖葉也有良好的藥用和食用價(jià)值［6］。

圖1 廣西秋海棠的花朵與訪(fǎng)花昆蟲(chóng)A.蜜蜂；B.食蚜蠅Fig.1 Flowers and visiting insects of B.guangxiensisA.Honeybee；B.Hoverfly

廣西秋海棠是吳征鎰等［7］于1997 年發(fā)表于植物分類(lèi)學(xué)報(bào)的新種，其性系統(tǒng)為單性同株，這與大多數(shù)具有單性花的秋海棠屬植物類(lèi)似，因此不能進(jìn)行自動(dòng)自花傳粉，交配系統(tǒng)為自交親和或不親和。這種性系統(tǒng)在整個(gè)被子植物中出現(xiàn)的頻率只有5%左右，且大多數(shù)以大型風(fēng)媒植物為主，動(dòng)物傳粉的種類(lèi)較少［8］。秋海棠屬的傳粉生物學(xué)只在少數(shù)熱帶美洲與非洲產(chǎn)的物種有報(bào)道［9-12］。而國(guó)內(nèi)關(guān)于秋海棠屬植物的報(bào)道和研究主要集中在資源狀況調(diào)查、觀(guān)賞特性評(píng)價(jià)等方面［6，13-15］，在傳粉生物學(xué)方面還幾乎沒(méi)有研究，僅田代科等［16］報(bào)道過(guò)上海辰山植物園引種的某些本屬植物的訪(fǎng)花昆蟲(chóng)，但沒(méi)有座果等繁殖成功度的指標(biāo)。交配系統(tǒng)方面，僅見(jiàn)有B.integerrima和B.itatinensis［17］被報(bào)道為自交不親和。由于廣西秋海棠分布范圍狹窄，原始生境受到開(kāi)荒、修路和割飼草等人為活動(dòng)的威脅，近年來(lái)研究人員從自然原生地陸續(xù)引種一定數(shù)量的野生植株，栽培于各類(lèi)人工植物園中。

秋海棠屬植物花結(jié)構(gòu)開(kāi)放，花被片一般為白色至深淺不同的粉色或紅色，無(wú)明顯管狀構(gòu)造，雄蕊數(shù)量多而聚合成一個(gè)團(tuán)，呈鮮黃色，可以歸入“花粉花”這一綜合征［18］。這類(lèi)植物的傳粉者可能是采集花粉的各種蜂類(lèi)或蠅類(lèi)，即傳粉方式較泛化；也可能因?yàn)樘厥獾男螒B(tài)而僅適應(yīng)特殊種類(lèi)的花粉采集者進(jìn)行傳粉，即傳粉方式較特化［19］。

本研究的目的是檢驗(yàn)狹域分布植物廣西秋海棠的交配系統(tǒng)、傳粉者類(lèi)型以及在自然生境和人工生境中的繁殖成功度。通過(guò)調(diào)查研究自然和人工生境中廣西秋海棠居群，比較不同環(huán)境中該物種生長(zhǎng)性狀和傳粉昆蟲(chóng)，回答以下3個(gè)問(wèn)題：（1）廣西秋海棠的自然有性繁殖能力在自然和人工居群是否有顯著不同？（2）廣西秋海棠的傳粉是否必需自然生境的特殊傳粉昆蟲(chóng)？（3）廣西秋海棠是否自交親和？本研究有助于豐富本屬植物傳粉生態(tài)學(xué)的認(rèn)知，揭示傳粉需求是否是導(dǎo)致該物種狹域分布的潛在因素，為該物種的保育工作提供指導(dǎo)性建議。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

人工生境研究地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，地處25°1′N(xiāo)，110°17′E。海拔180～300 m，氣候溫和，雨量充沛，年平均降雨量為1 900 mm，年平均日照1 550 h 以上，年平均氣溫18.8 °C，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。

自然生境研究地點(diǎn)位于廣西河池市都安縣東廟鄉(xiāng)弄工村弄校屯，地處23°93′N(xiāo)，108°10′E，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，同時(shí)受境內(nèi)巖溶山區(qū)地貌影響，季風(fēng)明顯，四季分明。年平均氣溫21.4 ℃，年平均降雨量約為1 700 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 開(kāi)花生物學(xué)特征

對(duì)廣西秋海棠的單花花期進(jìn)行觀(guān)察和記錄。在人工生境中選取10 株個(gè)體，每個(gè)植株選取雌雄單花各1 朵，在花朵打開(kāi)前使用吊牌進(jìn)行標(biāo)記，每天同一時(shí)間進(jìn)行一次觀(guān)察并記錄花朵生長(zhǎng)情況直至凋謝。

在自然生境和人工生境依據(jù)廣西秋海棠種群數(shù)量的實(shí)際情況選取一定數(shù)量的植株（20～30株），進(jìn)行花部形態(tài)特征的測(cè)定，每個(gè)個(gè)體測(cè)量1朵雌花和1朵雄花。統(tǒng)計(jì)每株植物的雌雄花比例，測(cè)量植物的花朵直徑、花藥長(zhǎng)、花藥直徑、花柱長(zhǎng)和柱頭直徑并記錄花冠顏色。

1.2.2 繁育系統(tǒng)測(cè)定

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(kāi)放式樣、花各部位的壽命、傳粉者種類(lèi)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［20］。通過(guò)對(duì)廣西秋海棠進(jìn)行雜交指數(shù)的估算，并開(kāi)展授粉試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)座果率，以探討其繁育特性和繁殖機(jī)制。

1.2.2.1 雜交指數(shù)估算

根據(jù)Dafni［21］提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雜交指數(shù)outcrossing index（OCI）估算。（1）花朵的直徑（d）：d＜1 mm、1 mm≤d≤2 mm、2 mm＜d≤6 mm、d＞6 mm，分別記為0、1、2、3；（2）柱頭可授期與雄蕊同時(shí)成熟或雌蕊先成熟記為0，雄蕊先成熟記為1；（3）柱頭與花藥的位置在同一高度記為0，兩者空間分離不在同一高度記為1。以上三者之和為OCI值。OCI=0時(shí)，植物的繁育系統(tǒng)為閉花受精；OCI=1為專(zhuān)性自交；OCI=2為兼性自交；OCI=3為自交親和，有時(shí)需要傳粉者；OCI≥4 為部分自交親和、異交，需要傳粉者［22-23］。

1.2.2.2 授粉試驗(yàn)

根據(jù)廣西秋海棠單性同株的性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開(kāi)展3 組授粉處理用以檢驗(yàn)交配系統(tǒng)和自然傳粉的效果。（1）對(duì)照：只進(jìn)行掛牌操作。（2）異交：取其他植株的花粉對(duì)目標(biāo)雌花進(jìn)行授粉。（3）自交：取同株植物的花粉進(jìn)行授粉。在開(kāi)花前使用尺寸為5 cm×5 cm、孔徑為0.3 mm 的尼龍網(wǎng)袋對(duì)目標(biāo)雌花進(jìn)行套袋處理，并使用吊牌標(biāo)記，待花朵打開(kāi)后取下網(wǎng)袋授粉，授粉完成再把花序重新套住。以上處理中，對(duì)照在兩地生境均有開(kāi)展，其余兩處理在人工生境進(jìn)行。待植物進(jìn)入果期時(shí)統(tǒng)計(jì)各處理的座果率，座果率=果實(shí)數(shù)量/花數(shù)量×100%。

1.2.3 訪(fǎng)花昆蟲(chóng)觀(guān)察

訪(fǎng)花者觀(guān)察選在廣西秋海棠的盛花期進(jìn)行，其中人工生境訪(fǎng)花昆蟲(chóng)觀(guān)察開(kāi)始于2021 年2 月末和2022 年3 月初，而自然生境于2022 年2 月末開(kāi)展，訪(fǎng)花觀(guān)察時(shí)間均為7～10 d。在進(jìn)行訪(fǎng)花昆蟲(chóng)觀(guān)察時(shí)，均以0.5 h為一個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段結(jié)束后換另一組花（50～100 朵）進(jìn)行觀(guān)察，每天平均觀(guān)察3～6 h。2021 年人工生境廣西秋海棠累計(jì)觀(guān)察30.5 h，2022年人工生境為26.0 h，自然生境47.0 h。觀(guān)察期間詳細(xì)記錄訪(fǎng)花者的種類(lèi)和訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)。所有觀(guān)察活動(dòng)均在沒(méi)有降雨時(shí)進(jìn)行。

1.2.4 種子的萌發(fā)測(cè)定

以授粉試驗(yàn)得到的自交與異交的種子作為萌發(fā)試驗(yàn)的材料，其中異交果實(shí)6 個(gè)，自交果實(shí)12個(gè)，每個(gè)果實(shí)隨機(jī)挑選出100 粒種子，分別置于墊有2 層濾紙、直徑為100 mm 的一次性塑料培養(yǎng)皿中。每日定時(shí)澆1次純凈水，澆水量以澆透濾紙為準(zhǔn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程在培養(yǎng)條件為20 ℃無(wú)光照11 h、27 ℃光照13 h 的光/暗周期交替的智能型光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行。

種子萌發(fā)以出現(xiàn)露白為標(biāo)記，每日同一時(shí)間記錄培養(yǎng)皿中種子發(fā)芽的數(shù)量，直至所有種子連續(xù)3 d 無(wú)新萌發(fā)［24］。發(fā)芽試驗(yàn)一共進(jìn)行40 d。發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)量/供試種子數(shù)量×100%。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS Office 與IBM SPSS Statistics 25對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析方對(duì)座果率與發(fā)芽率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（α=0.05，下同）；不同處理間的座果率差異使用LSD最小顯著性差異法進(jìn)行字母標(biāo)記；對(duì)訪(fǎng)花昆蟲(chóng)比例進(jìn)行交叉表卡方檢驗(yàn)；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)廣西秋海棠雌花和雄花的單花持續(xù)時(shí)間與除雌花直徑外的花朵表型性狀進(jìn)行分析，其中雌雄花數(shù)量比的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為算數(shù)平方根后進(jìn)行分析。兩地生境雌花直徑的比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)進(jìn)行分析。廣西秋海棠雌花和雄花的單花持續(xù)時(shí)間與花朵表型性狀大小及發(fā)芽率的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。作圖使用Origin 2018與Microsoft Excel 2010。

2 結(jié)果

2.1 廣西秋海棠的開(kāi)花生物學(xué)特征

廣西秋海棠的花期集中在2 月中旬至3 月下旬，自然生境的花期開(kāi)始時(shí)間比人工生境早7～10 d。人工生境中廣西秋海棠的單花持續(xù)時(shí)間普遍在8 d以上，其中雌花平均單花持續(xù)時(shí)間（11.35±0.75）d顯著長(zhǎng)于雄花（9.20±0.42）d（P＝0.022）。

在廣西秋海棠花朵的表型性狀（表1）中，廣西秋海棠兩地生境的花冠顏色均為粉白色；自然生境的雌雄花數(shù)量比、雌花直徑和柱頭直徑顯著大于人工生境，而人工生境的雄花直徑則顯著大于自然生境；其余花朵表型性狀在兩個(gè)生境中無(wú)明顯差異。

表1 廣西秋海棠花朵表型性狀Table 1 Phenotypic traits in flowers of B.guangxiensis

2.2 廣西秋海棠的繁育系統(tǒng)測(cè)定

2.2.1 雜交指數(shù)估算

廣西秋海棠的雌花與雄花的花朵直徑均大于6 mm（表1），記為3；雄蕊先熟，記為1；柱頭與花藥空間分離，記為1，相加得到OCI值≥4，因此廣西秋海棠的繁育系統(tǒng)為部分自交親和、異交、需要傳粉者。

2.2.2 授粉試驗(yàn)

人工生境中對(duì)照分別與自交和異交的座果率之間存在顯著差異（P=0.019），對(duì)照1 的座果率顯著低于自交（P=0.043）與異交（P=0.009）處理。自交與異交（P=0.562）、對(duì)照2（P=0.518）之間座果率均無(wú)顯著差異（圖2）。

圖2 廣西秋海棠不同授粉處理的座果率對(duì)照1 為人工生境；對(duì)照2 為自然生境；不同小寫(xiě)字母代表各處理間差異顯著（P＜0.05）Fig.2 Proportion fruit set in different pollination treatments of B.guangxiensisControl 1 is the artificial habitat’s control；Control 2 is the natural habitat’s control；Different lowercase letters represent significant differences among treatment（sP＜0.05）

2.3 廣西秋海棠的訪(fǎng)花昆蟲(chóng)觀(guān)察

2021年人工生境訪(fǎng)花觀(guān)察中發(fā)現(xiàn)了2類(lèi)訪(fǎng)花昆蟲(chóng)，分別為蜂類(lèi)（中華蜜蜂（Apis cerana）與萃熊蜂（Bombus eximius））和食蚜蠅（黑帶食蚜蠅（Episyrphus balteatus）與刺腿食蚜蠅（Ischiodon scutellaris）），2類(lèi)昆蟲(chóng)均訪(fǎng)問(wèn)雌花與雄花，用腿或身體的腹面接觸雄蕊，在訪(fǎng)問(wèn)雌花時(shí)也用這些部位接觸柱頭。2022年人工生境和自然生境觀(guān)察到的訪(fǎng)花昆蟲(chóng)均為蜜蜂和食蚜蠅（圖1）。2021—2022 年廣西秋海棠兩地生境訪(fǎng)花昆蟲(chóng)比例之間具有極顯著差異（P＜0.001）（圖3）。2022 年廣西秋海棠訪(fǎng)花昆蟲(chóng)訪(fǎng)問(wèn)雌花的比例較低，人工生境中蜜蜂沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)雌花，可能是由于訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)過(guò)少導(dǎo)致的偶然現(xiàn)象（圖4）。2021年在人工生境沒(méi)有統(tǒng)計(jì)訪(fǎng)花昆蟲(chóng)訪(fǎng)問(wèn)雌花的次數(shù)，但也明顯觀(guān)察到熊蜂存在訪(fǎng)問(wèn)雌花的現(xiàn)象。由于熊蜂訪(fǎng)問(wèn)單花的時(shí)間很短，故沒(méi)有拍攝到訪(fǎng)花照片。

圖3 2021—2022年廣西秋海棠訪(fǎng)花昆蟲(chóng)比例括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表總訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)Fig.3 Proportion of visiting insects in B.guangxiensis from 2021-2022The numbers in parentheses indicates total visits

圖4 2022年廣西秋海棠訪(fǎng)花昆蟲(chóng)訪(fǎng)問(wèn)雌花與雄花的比例Fig.4 Ratio of female to male flowers visited by insects of B.guangxiensis in 2022

2.4 廣西秋海棠的種子萌發(fā)測(cè)定

在自交的12 個(gè)培養(yǎng)皿中，只有1 個(gè)無(wú)種子發(fā)芽，其余培養(yǎng)皿均有發(fā)芽種子，發(fā)芽率最高為57%；異交的6 個(gè)培養(yǎng)皿全部發(fā)芽，發(fā)芽率最高為37%，最低為7%。通過(guò)對(duì)比得出自交（33.25±4.96）%與異交（21.67±5.00）%發(fā)芽率水平?jīng)]有顯著差異（P=0.162）。

3 討論

廣西秋海棠早春開(kāi)花，具有較長(zhǎng)的單花花期，兩生境中花冠大小表現(xiàn)出一定差異。物種自交授粉后座果良好，且自交得到的種子發(fā)芽能力不弱于異交。在自然生境和人工生境中訪(fǎng)花昆蟲(chóng)比例有明顯的差異，但均為采集花粉的昆蟲(chóng)。該物種在兩生境中均能實(shí)現(xiàn)順利的自然繁殖，盡管自然座果率略低于人工補(bǔ)充授粉。

廣西秋海棠早春開(kāi)花的特點(diǎn)在國(guó)產(chǎn)秋海棠屬中并不常見(jiàn)。在氣溫較低的季節(jié)，開(kāi)花的植物常面臨傳粉昆蟲(chóng)稀少的問(wèn)題［25］，這一點(diǎn)與本文觀(guān)測(cè)到訪(fǎng)花次數(shù)無(wú)論在哪種生境都比較低的事實(shí)相符。與此相對(duì)應(yīng)的是該植物具有較長(zhǎng)的單花花期，這與之前學(xué)者提出的“單花花期與訪(fǎng)問(wèn)頻率呈反比”的設(shè)想相符，即延長(zhǎng)單花花期可以在傳粉者稀少時(shí)增加傳粉成功的概率［26-27］。雌花花期更長(zhǎng)也符合之前在被子植物里觀(guān)察到的趨勢(shì)［28］。我們注意到本研究是我們了解的秋海棠屬單花花期的第一次報(bào)道，將來(lái)有必要在更多本屬物種中研究單花花期的長(zhǎng)度和訪(fǎng)問(wèn)頻率以及繁殖成功的關(guān)系。

廣西秋海棠具有明顯適應(yīng)采集花粉的昆蟲(chóng)的花綜合征，這與秋海棠屬植物屬于“花粉花”這一傳粉綜合征［18］保持一致。廣西秋海棠花朵報(bào)酬沒(méi)有花蜜，吸引傳粉者的只有花粉，其雄花具有花粉獎(jiǎng)勵(lì)，雌花則不產(chǎn)生任何傳粉者獎(jiǎng)勵(lì)，且雌雄花比例差距較大（自然生境約為2∶5，人工生境3∶10），這些特點(diǎn)均與之前報(bào)道的秋海棠屬植物［29］類(lèi)似。在熱帶美洲和非洲報(bào)道過(guò)的秋海棠傳粉昆蟲(chóng)主要是蜂類(lèi)［9-12］，而在本研究以及田代科等［16］的觀(guān)察中，食蚜蠅也是常見(jiàn)的訪(fǎng)花者，并且能夠訪(fǎng)問(wèn)雌花。蜂類(lèi)與食蚜蠅的傳粉效率需要進(jìn)一步定量評(píng)估，但這至少說(shuō)明亞洲秋海棠屬的傳粉系統(tǒng)可能與美洲有差異。這種差異是否在更廣尺度上存在以及它可能對(duì)秋海棠屬花進(jìn)化產(chǎn)生的影響都需要更多的研究工作。

野生植物在引種到新的環(huán)境中，有時(shí)會(huì)因?yàn)槿狈线m的傳粉者而遭遇繁殖困難，這與花特征過(guò)分特化有關(guān)［30-31］。但另一方面引種后可以成功進(jìn)行自然有性繁殖的例子也很常見(jiàn)［32］。盡管廣西秋海棠在不同生境不同年份的訪(fǎng)花昆蟲(chóng)比例有所差異，花冠大小在不同生境也表現(xiàn)出一定差異，但人工生境與自然生境自然對(duì)照的座果率無(wú)顯著差異，表明兩地廣西秋海棠的自然有性繁殖能力無(wú)差別，無(wú)論在自然生境還是人工生境，廣西秋海棠植株都能正常地進(jìn)行授粉、繁殖后代。同時(shí)考慮到不同類(lèi)型的花粉采集昆蟲(chóng)均有訪(fǎng)問(wèn)雌花、接觸柱頭的行為，可以得出廣西秋海棠的傳粉并不依賴(lài)自然生境中的特殊傳粉昆蟲(chóng)的結(jié)論，即它是一種較為泛化的傳粉方式，能被各種不同的花粉采集昆蟲(chóng)傳粉。本研究的結(jié)果表明至少對(duì)于這個(gè)物種來(lái)說(shuō)，傳粉需求在自然生境是能夠得到充分滿(mǎn)足，且其傳粉昆蟲(chóng)屬于常見(jiàn)而廣布的類(lèi)型，因此傳粉不足不是導(dǎo)致該物種狹域分布的原因（圖2）。秋海棠屬植物花特征種間變化很小，因此推測(cè)這種相對(duì)泛化的傳粉方式可能至少在亞洲秋海棠屬植物中廣泛存在，引種后可能普遍很容易進(jìn)行自然的有性繁殖。

根據(jù)Dafni［21］提出的標(biāo)準(zhǔn)，廣西秋海棠的雜交指數(shù)OCI≥4，其繁育系統(tǒng)部分自交親和、異交、需要傳粉者。同時(shí)授粉試驗(yàn)結(jié)果也表明自交與異交之間座果率無(wú)顯著差異，兩處理下種子的發(fā)芽率也無(wú)顯著差異，說(shuō)明廣西秋海棠植株自交親和，當(dāng)種群植株數(shù)量較少時(shí)也能順利繁殖，但仍需授粉媒介來(lái)完成授粉。自交親和性在其他多種秋海棠中均有報(bào)道［29］，但B.integerrima和B.itatinensis［17］等物種也記錄了自交不親和現(xiàn)象。然而交配系統(tǒng)在這個(gè)屬中的種間分布格局和進(jìn)化路徑仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)缺乏了解。