揚子毛茛的傳粉研究

馬博俊

摘 要 毛茛科（Ranunculaceae）屬于真雙子葉植物分支的原始類群，它的雌蕊群擁有離生心皮，而在毛茛屬（Ranunculus）植物內(nèi)一個雌蕊群內(nèi)的心皮數(shù)可以達到幾十個。前人的研究表明，具有離生心皮雌蕊群的植物，其繁殖結(jié)果會受到柱頭授粉均一性的影響，而這一影響會很大地妨礙這些植物的后代延續(xù)。毛茛科毛茛屬植物雖然具有多離生心皮雌蕊群，但是它們的有性繁殖能力卻非常強大。本研究以毛茛屬的一種植物揚子毛茛（Ranunculus sieboldii）為實驗對象，通過觀察它的傳粉過程，花粉管生長過程以及結(jié)實情況，旨在弄清揚子毛茛的繁殖結(jié)構(gòu)特點與傳粉者活動對于結(jié)實率的影響，從而探索這類離生心皮雌蕊群植物的繁殖保障機制。

關(guān)鍵詞 傳粉 結(jié)實率 離生心皮雌蕊群 揚子毛茛

中圖分類號：R284.1 文獻標(biāo)識碼：A

在被子植物的繁殖中，傳粉過程處于十分重要的地位，它直接影響了植物后代的產(chǎn)生。對于具有多心皮雌蕊群的植物而言，心皮離生會造成傳粉過程中花粉在柱頭間分配不均，使得同一雌蕊群內(nèi)到達胚珠的花粉管也會出現(xiàn)差異，進而導(dǎo)致結(jié)實率下降。在自然狀態(tài)下植物如何保證花內(nèi)柱頭的高授粉率以及當(dāng)柱頭授粉率不能保障的情況下如何產(chǎn)生足夠多的具有競爭力的子代是非常值得關(guān)注的問題。在雙子葉多心皮植物鵝掌楸（ Liriodendron chinense）中的研究表明，其雌蕊群中的低授粉率直接導(dǎo)致了低結(jié)實率。而單子葉多心皮類群澤瀉科中，結(jié)實率高于柱頭授粉率則是另一種更為值得注意的事實：自然狀態(tài)下，小慈姑（Sagittaria potamogetifola）的柱頭授粉率為80%～85%，結(jié)實率卻接近100%，進一步研究發(fā)現(xiàn)，“花粉管再分配” 作為一種繁殖保障機制在其中起著重要作用。此外，閉花授粉通常被認為是一種提高傳粉效率的機制，因而是保障有性生殖成功的另一途徑。

毛茛科屬于真雙子葉植物分支的原始類群，它的雌蕊群擁有離生心皮，而在毛茛屬植物內(nèi)一個雌蕊群內(nèi)的心皮數(shù)可以達到幾十個。雖然毛茛屬植物的雌蕊群也擁有大量的離生心皮，但是這些植物的結(jié)實率卻并不低，這說明在毛茛屬植物內(nèi)，可能存在一些繁殖保障機制，通過這些機制，它們避免了離生心皮雌蕊群的繁殖缺陷。本研究通過選取一種在華中地區(qū)大量分布的毛茛屬植物揚子毛茛為研究對象，通過研究它的繁殖結(jié)構(gòu)和繁殖過程，來弄清揚子毛茛的繁殖結(jié)構(gòu)特點與傳粉者活動對于結(jié)實率的影響，從而探索這種離生心皮雌蕊群植物的繁殖保障機制。

1材料與方法

1.1昆蟲訪花行為的觀察

在實驗區(qū)域中確定20朵花進行觀察，以每15min為一個時間統(tǒng)計單位，記錄訪花昆蟲種類，用數(shù)碼相機進行拍照，并記錄不同昆蟲訪花時間以及昆蟲在花朵上的停留區(qū)域和行為。

1.2揚子毛茛柱頭落粉率和花粉管生長觀察

在晴朗的天氣下，在兩個不同的居群中隨機選取100個花苞，一直到這些花凋謝，選取45朵從花開放到花瓣凋謝一直處于晴朗天氣下的花，將它的整個雌蕊群剝離下來，用冰盒儲存，立即轉(zhuǎn)移至室內(nèi)。然后在解剖鏡下對這些雌蕊群進行觀察，統(tǒng)計落有花粉的雌蕊群個數(shù)，計算它們占總數(shù)的百分比。另在這些雌蕊群中隨機選取20個落有花粉的個體，對每個雌蕊群上所有柱頭進行顯微觀察，記錄落有花粉的柱頭數(shù)，并計算落粉柱頭占每個雌蕊群總柱頭的百分比。然后再選取5個落有花粉的雌蕊群，將它們的所有雌蕊全部剝離并混合在一起，從這些雌蕊中隨機選取50個用卡諾固定液（75%無水乙醇加25%冰乙酸）固定24小時后，在顯微鏡下用明場觀察它們的柱頭，記錄每個柱頭上的花粉數(shù)目，計算平均數(shù)。

在一個揚子毛茛居群中選取10個不同的植株，對60個花苞進行套袋，待花開放后進行人工異花授粉，為保證實驗結(jié)果不受昆蟲傳粉的影響，授粉后仍舊套袋，于授粉后12h回收花朵，將花被和雄蕊群去除后，用FAA固定雌蕊群24小時以上。固定材料經(jīng)過2%NaOH透明2h，然后進行徒手切片，經(jīng)過蒸餾水洗后，再放置在苯胺藍染液中染色3小時，然后取出材料再經(jīng)過蒸餾水洗后置于Olympus熒光顯微鏡下用紫外激發(fā)光進行觀察，主要觀察花粉的萌發(fā)情況和花粉管在雌蕊中的生長情況。

1.3揚子毛茛結(jié)實情況統(tǒng)計

在同一個居群中，選取10個處于花蕾期的植株分為兩組，對第一組5個植株的花苞進行套袋處理，待花開放后授以異株花粉，然后繼續(xù)套袋知道所有花的花瓣全部凋謝，然后取下袋子待果實成熟；第二組5個植株的花苞不做任何處理，在自然狀態(tài)下等所有花轉(zhuǎn)變成為成熟果實。然后先以植株為單位，統(tǒng)計植株結(jié)實的百分比，然后從各組中分別選取20個成熟的果實，將所有小果進行剝離，在體視顯微鏡下統(tǒng)計每個果實上為發(fā)育心皮的數(shù)目和成熟小果的數(shù)目，然后計算成熟小果數(shù)與原先雌蕊群總心皮數(shù)的比值，作為每朵花的結(jié)實率。

2結(jié)果與分析

2.1訪花昆蟲種類與它們的訪花行為

經(jīng)鑒定，揚子毛茛的訪花昆蟲分屬于膜翅目和雙翅目。主要為蜂類（包括東方蜜蜂屬Apis，熊蜂屬Bombus等）和蠅類（黑帶食蚜蠅屬Episyrphus，蠅屬Musca）。蜂類的訪花高峰期期主要出現(xiàn)在上午10點和下午3點左右；蠅類的訪花高峰期期主要出現(xiàn)在上午11點左右。蜂類昆蟲在每朵花上停留的時間相對較短，平均約4秒左右。它們一般停留在花的中央，收集雄蕊釋放的花粉，偶爾取食花瓣基部的花蜜。蠅類昆蟲在每朵花上停留的時間相對較長，停留時間從幾秒鐘到幾分鐘時間不等。它們有時停留在花中央?yún)^(qū)域，有時停留在花瓣上。它們在花上有時會一動不動，有時會取食花蜜或花粉。

2.2揚子毛茛的柱頭落粉率與花粉管生長情況

在45朵統(tǒng)計的揚子毛茛花中，落有花粉的花數(shù)為42，占有93.3%的比例。而在每朵花內(nèi)，平均的柱頭落粉率達到了81？.5%（n=20）。在柱頭上授粉后，在30分鐘內(nèi)花粉就能萌發(fā)，然后花粉管沿花柱道向子房區(qū)生長，經(jīng)過3-6個小時花粉管就能到達胚珠附近，每個雌蕊里面，只有1條花粉管能到達胚珠，而所有的花粉管生長被限制在一個心皮內(nèi)。花粉管生長情況見下圖示。

圖1：揚子毛茛雌蕊群和單雌蕊內(nèi)花粉管生長：A，雌蕊群內(nèi)花粉管的萌發(fā)與生長；B，單個雌蕊內(nèi)花粉管的生長。標(biāo)尺等于250 m。

2.3結(jié)實率統(tǒng)計

通過對比套袋處理的結(jié)實率和自然狀態(tài)下的結(jié)實率，我們發(fā)現(xiàn)兩種情況下植株結(jié)實率非常接近，也即在晴朗的天氣下，一個植株上幾乎所有的花都有昆蟲進行傳粉并且都能結(jié)實（前期實驗已經(jīng)排除單性結(jié)實的可能）；而自然狀態(tài)下單花結(jié)實率對比人工授粉條件下有明顯下降，但是平均水平仍然高于80%。

表1：揚子毛茛結(jié)實率統(tǒng)計

3討論

揚子毛茛是一種相對原始的被子植物，它的雌蕊群都具有大量離生心皮。這種雌蕊群結(jié)構(gòu)會使得結(jié)實情況很容易受到柱頭授粉不一致的影響。然而我們在結(jié)實率的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下?lián)P子毛茛的結(jié)實率比人工授粉的結(jié)實率并不會差太多，這一結(jié)果表明自然的傳粉過程或后期花粉管生長過程能夠保證揚子毛茛的后代產(chǎn)生。然而通過我們的花粉管實驗，揚子毛茛的雌蕊群中并不存在“花粉管雌蕊外生長”這一現(xiàn)象，因為花粉管雌蕊外生長被認為在離生心皮雌蕊群中一種主要的傳粉后繁殖保障機制，那么在揚子毛茛中保證結(jié)實率的機制就主要存在于傳粉過程之中。

揚子毛茛雖然具有不定數(shù)雄蕊群和離生心皮雌蕊群這些原始的繁殖結(jié)構(gòu)，但是它的花瓣擁有鮮艷的顏色，并且在花瓣上擁有蜜腺，能夠較持續(xù)第地分泌吸引昆蟲的蜜液，加上相對較長的單花期，揚子毛茛的一朵花能夠在開放時期吸引較多的訪花者。另外在揚子毛茛的一朵花中，雄蕊群和雌蕊群都位于花的中央?yún)^(qū)域，這樣較多的訪花昆蟲能夠把大量的花粉帶至雌蕊群上，并且能夠保證一個雌蕊群內(nèi)大部分柱頭都能接受到花粉。這樣在揚子毛茛的傳粉過程結(jié)束后，雌蕊群內(nèi)柱頭上花粉落置的不均一性將會大大降低，結(jié)實率自然不會受很大的影響。

在很多原始的離生心皮被子植物中，它們的結(jié)實率很容易受到傳粉環(huán)境的影響，這樣它們的適應(yīng)能力也非常有限[7]。一些離生心皮被子植物因為具有花粉管雌蕊外生長機制而避免了這一繁殖缺陷，然而花粉管雌蕊外生長要求心皮為不完全封閉結(jié)構(gòu)以及雌蕊群處于相對潮濕的環(huán)境，這實際上也限制了這些植物的分布，如這些植物一般生長在水環(huán)境中或雨林中。而毛茛屬植物通過強化傳粉過程，直接減輕了柱頭花粉不均一落置狀況，從而幫助這些植物提高結(jié)實率，能更好地適應(yīng)環(huán)境。前面的大量的研究表明，傳粉過程的變化與花部特征的進化存在很大的聯(lián)系，在毛茛屬中，我們看到，正是由于花部特性與傳粉過程的協(xié)同作用，保障了植物的繁殖過程，因此也很可能推動了毛茛科植物的進化。要明確這種協(xié)同作用在毛茛科植物進化過程中的地位，我們還需要今后在整個毛茛科中對繁殖結(jié)構(gòu)和繁殖過程進行系統(tǒng)研究。

參考文獻

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