玉鈴花開花動態與繁育系統特征

萬 琦，趙楠楠，張明如，李清香，張婷宇，蔡益杭

（浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

繁育系統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。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性。因此，繁育系統是影響植物居群遺傳多樣性及地理分布最關鍵的生物學性狀之一[2]，繁育系統研究在花的適應性、物種形成機制和瀕危植物保育方面具有重要價值[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，樹姿優美，果實、木材和蟲癭均具有重要的經濟價值，是非常珍貴具有潛力的園林綠化觀賞與經濟樹種。玉鈴花在中國的分布區北至遼寧東南部，向南可見于河南、山東、安徽和浙江等地[4]，多處于野生狀態，尚未開展有效人工擴繁并合理利用。受人類活動干擾、自然生境破壞和傳粉者行為影響，加之種子萌發困難等原因，玉鈴花野生植株稀少，種群零星分布[5]，天然更新過程受阻。對安息香科另一物種黃梅秤錘樹Sinojackia huangmeiensis有性繁殖的研究發現：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]。玉鈴花繁育系統與黃梅秤錘樹可能存在一定共性，推測植株數量可能受到所分布群落結構的影響，繁育系統和訪花者的行為受氣候條件影響。目前，有關玉鈴花的研究集中于育苗技術和組織培養[7]、種子休眠破解[8-9]、遺傳多樣性AFLP分析[10]和藥用價值[11]等方面，尚無繁育系統的觀察研究報道。本研究通過定點觀察(測)玉鈴花引種植株，從花部結構、開花動態和繁育系統角度，揭示其生物學特性，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、生境保護提供理論依據，同時為城市園林綠化應用推廣提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與材料

試驗于2021年 3—6月進行。試驗材料為引種至浙江農林大學東湖校區 (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的玉鈴花。栽植地為平坦溝谷，亞熱帶季風氣候，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，年日照時數為 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 花部結構及開花進程觀察 選定 5 株樣株，每日觀察開花進程并拍照記錄。按照 DAFNI[12]的標準，確定始花期、盛花期和末花期。盛花期隨機選擇尚待開放的花序30個，掛牌標記，測量記錄花序長度(mm)和花蕾數(個)，每日觀察花序發育情況，直至花瓣脫落，確定單花序和單花開放時間；隨機選取單花30朵，掛牌標記后定點觀察，用游標卡尺測定花冠直徑(mm)、花柱長度(mm)、花絲長度(mm)等指標。在Stemi 508體式顯微鏡下，對花朵進行實體解剖，觀察子房和胚珠等構造。

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

1.2.3 花粉胚珠比 (pollen-ovule ratio，P/O)測定 隨機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，統計單花胚珠數(個)；采集對應單花的全部花藥，用光學顯微鏡統計花粉粒數量(個)。重復3次，取平均值。平均單花花粉粒總數=平均花粉粒數量×1 000；P/O=平均單花花粉粒總數/平均胚珠數。依據CRUDEN[14]標準，確定玉鈴花繁育系統類型。

1.2.4 雜交指數 (outcrossing index，OCI)估算 隨機選取 30 朵花，測定單花直徑 (mm)、雌雄蕊空間高度差(mm)及雌雄蕊成熟時間間隔。依據DAFNI標準[12]，確定OCI 值，評判玉鈴花的繁育系統類型。

1.2.5 昆蟲訪花情況觀察 盛花期，晴朗天氣下連續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、訪問時間、單花停留時間、單次連續訪花朵數等。

1.3 數據分析

借助Excel 2019處理原始數據，計算平均值與標準誤；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構照片。

2 結果與分析

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 玉鈴花花部器官數量特征統計Table 1 Statistics on the quantitative characteristics of floral organs of Styrax obassia

2.2 開花動態

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，雌蕊干枯敗落進入幼果期(圖1J～L)。花期持續約 15 d，單花花期 3～5 d。

玉鈴花開花過程大致分為5個時期(圖1M)。①包裹期：花萼包裹著花蕾，上端分5個小型三角形萼裂齒；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至外(圖1G～I)，整個開花過程受天氣和溫度影響較大，晴天和氣溫較高時，花瓣展開速度和散粉速度快，整個開花持續時間較短；陰天、雨天或氣溫稍低，花瓣開放速度趨慢，開花持續時間較長。

圖1 玉鈴花開花動態Figure 1 Flowering dynamics of Styrax obassia

2.3 花粉活力與柱頭可授性

統計花粉粒染色率發現：開花前1 d，玉鈴花花粉活力達74.00%，開花第1天降至50.80%，第2天更低，僅為37.60%，隨后持續降低，直到花瓣脫落，花粉殆盡，花粉活力為0。用聯苯胺-過氧化氫法檢測柱頭可授性，結合圖2可知：開花前1 d，柱頭部分具有可授性，此后可授性呈增強趨勢，至開花第2天，達到最強，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)

對花蕾中花藥花粉粒和子房胚珠的統計可知：玉鈴花單花花粉量為(8 080.0±739.8)粒，胚珠數量為(12.8±0.7)粒，P/O為(646.30±64.35)。依據CRUDEN的標準，玉鈴花有性繁育系統為兼性異交。

2.5 雜交指數 (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花粉粒活性最強，柱頭部分可授，花藥開裂時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，其有性繁育系統為異交且部分自交親和，需要傳粉者，屬于兼性異交，估算結果與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、中華蜜蜂出現頻率最高，稻棘緣蝽除了盛花期第1天出現外，之后未觀察到。

觀察發現：8:00—12:00，中華蜜蜂數量和訪花次數都處在較高水平，隨后減少，至17:00，沒有中華蜜蜂采蜜。訪花時，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，后足絨毛沾滿花粉，好似“花粉筐”，有利于傳粉(圖3 D)。統計發現：中華蜜蜂的單花停留時間為7.5 s，單次連續訪花數9朵，單序停留時間約1.4 min。日本弓背蟻(圖3 E)出現頻率也較高，其單花停留時間為27.5 s，單序停留時間約3.0 min，但是由于日本弓背蟻體型很小，有研究認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，具有重復訪花、花序行為，易促進自花授粉的發生[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的花蜜，稻棘緣蝽刺吸植物莖葉(圖3 F)，喜好中午時趴在花筒上吸食汁液，而花薊馬多集于花內取食，兩者對玉鈴花傳粉無太大作用，甚至會造成花朵萎蔫，阻礙傳粉。

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

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 玉鈴花開花特性及傳粉適應性 植物的花部特征、傳粉特性和繁育系統是相互適應的[16]，此種適應性大多體現在2個方面，其一為花部結構、形態的適應，其二為傳粉者行為的適應。玉鈴花花朵潔白，花冠直徑＞6 mm，花藥黃色耀眼，具清香氣味，具有較強的吸引昆蟲特性， 與江南牡丹草Gymnospermium kiangnanense[17]花部表現出的泛化傳粉類型特征相似。玉鈴花為總狀花序，花朵數量較多，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，整個花序壽命長達15 d，這種花序開花不同步，且花朵耀眼、數量大的特性，有助于延長傳粉昆蟲的訪花時間和增加植物完成異花授粉的成功率，是植物長期適應不穩定傳粉環境的表現，與ZHAO等[19]發現的花形態、大小對傳粉者多樣性和選擇性有顯著影響，且花展示和數量越多、選擇性越強的研究結論一致。

玉鈴花在浙江境內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量和種類較少。本研究發現：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系；中華蜜蜂訪花次數和時間與花粉活力、柱頭可授性最強的時間一致。可見，玉鈴花有性繁育主要依賴中華蜜蜂傳粉的異交。觀察還發現：大量的日本弓背蟻和花薊馬在玉鈴花花朵上出現，但這些昆蟲體型小，易出現重復訪花行為，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。如在花期遭遇連續數天陰雨的山地生境，玉鈴花花期會延長，符合RATHCKE[21]的研究結論，即在傳粉者稀少或者不穩定生境時，植物會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，可視為對傳粉者行為受限時的適應。

3.1.2 玉鈴花繁育系統 花粉/胚珠比和雜交指數被廣泛用于植物繁育系統的研究[22-23]。根據 DAFNI雜交指數標準，玉鈴花繁育系統為異交、部分自交親和，屬于需要傳粉者類型；依據GRUDEN花粉/胚珠比測定結果，玉鈴花繁育系統屬于兼性異交，與安息香科另一植物黃梅秤錘樹的研究結論一致[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，花粉活力和柱頭可授性的強弱具有一定的時間間隔，因此避免了同花自交現象的發生。但是花朵開放花藥散粉時，柱頭已經具有可授性，其花粉活力與柱頭可授性存在一段時間重疊，使得玉鈴花在時間上又具備自交的可能性。從單株水平看，玉鈴花整株同時開放的花朵數量多，且單序分2～3段開放，花朵發育期又不同，在受到外界昆蟲訪花者及風力的作用下，也會出現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化的普遍趨勢，是植物在惡劣環境中保證繁育成功的一種適應機制[24]。如花期降雨導致傳粉受阻時，玉鈴花選擇自花授粉。因此，自花授粉為適應不斷變化的生境提供了一定生殖保障，但是自交是否會對后代適合度造成影響，還有待進一步研究。

有效的授粉可使植株結實，但果實內只有少量種子可以萌發形成新的植株。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硬、胚乳內源抑制物多、種子萌發率低也是重要原因。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狀需要引起足夠重視與并提供有效保護。

3.2 結論

玉鈴花為總狀花序，單花序開花由基部向先端分2～3區段開放，單花開花持續3～5 d，花期為4月中旬至5月初；玉鈴花花朵潔白、花藥黃色具芬芳氣味均為吸引傳粉昆蟲的花部特征，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、花部結構相適應，玉玲花與傳粉昆蟲存在供食與授粉的互惠關系；玉鈴花昆蟲訪花的時間與花粉活力、柱頭可授性最強的時間一致；花粉胚珠比為(646.30±64.35)，雜交指數為4，證實其授粉方式為依賴昆蟲媒介為主的異交類型，繁育系統為異交且部分自交親和。