野生觀賞植物黃金鳳的繁殖生物學研究

曹孟會，邵琳亞，張穎，劉婕，左鵬飛，汪瓊，黃海泉，黃美娟

(西南林業大學園林園藝學院/國家林業和草原局西南風景園林工程技術研究中心/云南省功能性花卉資源及產業化技術工程研究中心/西南林業大學園林園藝花卉研發中心，云南 昆明 650224)

野生觀賞植物是處于野生或半野生狀態、未在園林中普遍應用的一類具有觀賞價值的植物，作為自然寶庫中的精華，其潛在的種質資源利用價值難以估量。 生境多樣化的野生觀賞植物作為地球生態系統的重要組成部分，是能夠反映區域環境演變和生物多樣性層次的重要群體[1]。 我國是世界觀賞植物原產地8 大起源分布中心，在世界生物多樣性領域擁有突出的話語權，其中野生觀賞植物約有113 科523 屬，因此被親切地贊譽為“世界園林之母”[2]。 野生觀賞植物不斷被利用于綠化和園林領域，在經濟、社會、生態和文化等多方面產生了綜合效益。 隨著對野生觀賞植物重要性的認知逐漸加強，人們對其相關研究也在不斷深入。

鳳仙花屬(Impatiens)和水角屬(Hydrocera)共同構成了鳳仙花科。 1753年建立的鳳仙花屬作為被子植物中少數幾個物種量超過1000 的世界性大屬[3]，主要分布于歐亞大陸、非洲的熱帶與亞熱帶高海拔(＞500 m)高原及山地地區，少數生活于歐洲、北美和東亞的溫帶地區。 中國是世界鳳仙花5 大起源分布中心之一，約有280 種鳳仙花屬植物，除I. balsamina、I. walleriana、I. usambarensis外均為野生種[4]；其鳳仙花屬植物主體分布于第一階梯的青藏高原，而位于第三階梯的廣大平原地區種類相對較少。 因此，中國鳳仙花屬植物在地理上的分布具有明顯的區域性，即各個省、直轄市、自治區均有分布，但大多數是西南狹域分布的特有種，其中云南省的種類最多；石灰巖地區的特有性則更為突出，堪稱“一山一種、一洞一種、一弄一種”[5]。 中國特有野生觀賞植物黃金鳳(Impatiens siculifer)又被稱為廣西水指甲，具有兩側對稱狀黃色花冠，花形奇特、花色明亮、花香淡雅，廣泛分布于云南、廣西、貴州等省、自治區，主要生長在海拔800 ～2500 m 的草叢、山谷及潮濕密林中[6]，具有良好的開發和利用價值。

植物繁殖生物學是以植物生殖這一生命過程為核心，將生態系統中植物和環境之間的相互作用與相互適應關系有機地結合在一起[7]，深刻揭示了生態系統中能量、基因的信息傳遞規律，是一門研究植物繁殖行為特征和過程以及探索自然規律與植物相互關系的學科，其中，開花物候學、繁育系統、傳粉生物學、植物孢粉學、傳粉策略5 個方面[8]從不同角度解釋了繁殖生物學的具體內涵意義。 近年來關于鳳仙花屬植物繁育系統、傳粉策略等相關繁殖生物學的研究逐漸增加。 田建平[9]于2004年首次提出花蜜搶竊者的作用:可能與植物居群花期的提早結束有關；首次探究匍匐鳳仙花與傳粉昆蟲相互適應和協同進化問題；同時認為對特殊生存環境的選擇、種子萌發率低及生態位缺失等因素導致了匍匐鳳仙花只在一定區域存在。 2009年肖樂希[10]研究了華鳳仙、瑤山鳳仙花、山地鳳仙花和湖南鳳仙花的花部特征與繁育系統的關系，證實花部結構在繁殖中與其長短和相對位置有關，對繁殖成功的影響存在區別，肯定了翼瓣對于繁殖成功的重要性。 2011年毛志斌等[11]研究指出側穗鳳仙花能通過特別的花部器官結構來避免自交。 2014年鐘云芳[12]提出人工授粉能明顯提高結實率，自然結實率在高海拔地區相對較低，存在較強的生殖限制；同年，還通過調查發現海南鳳仙花的授粉昆蟲主要為黃黑無墊蜂和綠條無墊蜂[13]。 2014年李艷紅等[14]研究發現盛花期紅雉鳳仙花大量自交導致的花粉質量限制而不是數量限制可能是其結籽率低的主要原因之一。 2021年鐘楠蝶等[15]試驗發現異色紗網袋套蜜距的花朵被傳粉者訪問的頻率差異顯著，紗網袋顏色對傳粉者的停留時間無顯著影響，觀測時間段對目標花朵被訪問頻率和單花停留時間的影響均顯著，為隔離盜蜜者以及研究盜蜜對植物與傳粉者互利共生關系的影響提供了重要的方法參考。

2004年14 種鳳仙花屬植物作為珍惜瀕危植物被列入IUCN 世界自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄，2020年鳳仙花屬植物被新增選為第七批中華人民共和國植物新品種保護名錄(林草部分)，鳳仙花屬植物的種質資源保護工作越來越受到人們的關注。 開展黃金鳳的繁殖生物學研究，對于探究其有性繁殖過程和系統進化的演化趨勢具有積極意義，同時可為鳳仙花屬野生觀賞種黃金鳳種質資源的育種擴繁、花期調控、引種馴化等保護與開發工作提供理論指導與科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

試驗材料為野外采集的黃金鳳種子栽培養護后形成的成年植株，播種時間為2020年6月21日，種子采集地為云南省紅河州屏邊縣大圍山(103°41′47″E，22°56′37″N)。 觀測地點位于昆明市西南林業大學樹木園(102°46′5″E，25°3′58″N)。

1.2 研究方法

1.2.1 開花物候學 于花芽萌動期從不同黃金鳳植株上選取30 朵花芽進行標記，每0.50 d 統計1 次發育狀況，記錄不同發育階段的持續時間和單花發育進程。

1.2.2 植物孢粉學 (1)花粉生活力和柱頭可授性:采用TTC 染色法[16]測定花粉生活力。 采用聯苯胺-過氧化氫法[17]測定柱頭可授性。

(2)花蜜量和含糖量:使用微量進樣器(10 μL)深入花距中(圖1)抽取花蜜，記錄花蜜量。將花蜜注入1.50 mL EP 管中，使用手持折光儀(0～80%)[18]測量含糖量。

1.2.3 繁育系統 (1)花粉-胚珠比和雜交指數:在室內用鑷子夾取花藥，置于1.50 mL 離心管中，用50%酒精制成花粉懸浮液；用滴管吸打混勻后，利用血球計數板統計花粉粒數目。 解剖子房統計胚珠數，計算單花花粉數與胚珠數之比，即為P/O 值。 按照Cruden[19]和Dafni 等[20]的方法測定雜交指數，即為OCI。

(2)繁育類型:共分為5 種[19，20]，分別為閉花受精型(P/O ＝2.70 ～5.40，OCI ＝0)、專性自交型(P/O＝18.10 ～39.00，OCI ＝1)、兼性自交型(P/O ＝31.90～396.00，OCI ＝2)、兼性異交型(P/O ＝244.70～588.70，OCI ＝3)、專性異交型(P/O ＝608.00～19525.00，OCI≥4)。

1.2.4 傳粉生物學 (1)授粉試驗:在花芽萌動期標定30 朵花芽，于現蕾期對其進行6 種授粉處理[20]，統計結實率。

(2)傳粉通道:使用游標卡尺(mm)分別測量雄蕊到翼瓣凸起的距離(通道長度)、2 朵翼瓣中段直線距離(通道寬度)以及翼瓣到唇瓣檐部與距部接壤處的距離(通道高度)，見圖1。

圖1 黃金鳳的花部示意圖和傳粉通道

1.2.5 傳粉策略 在盛花期標定30 朵花冠，于9—18 時(單位時間為1 h)觀察并統計傳粉蟲媒種類及數量，記錄其訪花時間、訪花方式與訪花頻率，持續進行7 d。

1.3 數據統計分析

利用SPSS 22 軟件采用單因素方差分析法進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 開花物候學

通過對黃金鳳物候期的觀察發現，其花期在7—9月，開花進程分為花芽萌發期、花蕾期、初花期、盛花期、末花期、結實期6 個時段，共持續37.00～55.00 d；單花期持續5.00～10.50 d(表1 和圖2)，規定開花進程各時段的發育程度為0.25 ～10.00。在花芽萌發期，黃金鳳的花芽由原來的近似三角形逐漸膨大、彎曲并最終演變為花蕾；花蕾期花蕾繼續膨大，花萼微張，花距彎曲程度加劇；初花期花藥未發生開裂；盛花期花藥開裂并向外散播花粉；末花期雄蕊群脫落，柱頭開始出現；結實期果實形成，體積逐漸膨大，最終爆裂散播種子。

表1 黃金鳳的開花物候學

圖2 黃金鳳的開花進程

2.2 植物孢粉學

2.2.1 花粉生活力和柱頭可授性 花蕾期黃金鳳的花粉已具備較高生活力，柱頭具備較弱可授性；初花期花粉生活力最高(＞90%)，柱頭具備較強可授性，部分花朵的柱頭已經開始響應成花誘導信號，在后續開放過程中花粉生活力隨花期推進遞減；盛花期柱頭進入最強可授期；末花期花粉生活力最低(＜5%)，柱頭失去可授性(表2)。 花粉生活力與柱頭可授性的結果總體均呈現倒“U”型態勢，但最高值所處時期不同，可據此推斷黃金鳳屬于雄蕊先熟植物。

表2 黃金鳳的花粉生活力和柱頭可授性

2.2.2 花蜜量和含糖量 黃金鳳的單花花蜜量為(0.52±0.08) μL，花蜜含糖量為33.50%。 其唇瓣囊部深度相比其他種類鳳仙花較長，在符合自身繁殖策略的同時可滿足昆蟲的傳粉動機。

2.3 繁育系統

2.3.1 花粉-胚珠比和雜交指數 于盛花期對30朵黃金鳳進行測定，測得單花花粉量為5189.60粒，單花胚珠數為7.50，由此可知單花花粉-胚珠比為691.95。

2.3.2 繁育類型 黃金鳳花朵直徑平均值為25.17 mm，記為3；柱頭在開花前一天就具有可授性，記為1；花藥合生在子房上部，記為0。 綜上可知黃金鳳的P/O 為691.95、OCI 為4，表明其為專性異交型，特征為部分自交親和，需要傳粉者。

2.4 傳粉生物學

2.4.1 授粉試驗 黃金鳳的蒴果為條形，頂端鈍。 自然狀態下的結實率小于人工授粉的結實率，且授粉方式不同其結實率差異較大(表3)，表明黃金鳳在自然狀態下的有性繁殖可能受到花粉限制以及缺乏有效的傳粉蟲媒，其繁育系統以異交型為主，不存在無融合生殖。

表3 黃金鳳人工授粉試驗結果

2.4.2 傳粉通道 黃金鳳作為雌雄異熟的兩性花，雄蕊脫落后柱頭才會外顯，其通道長度為(13.10±0.12) mm、寬度為(6.82±0.25) mm、高度為(4.88±0.36) mm，適宜中小體型昆蟲順利通行。

2.5 傳粉策略

黃金鳳的傳粉蟲媒主要有6 類:膜翅目蜂類、膜翅目蟻類、鱗翅目蝶類、鱗翅目蛾類、雙翅目蠅類、鞘翅目甲蟲類，其中，黃熊蜂(Bombus flavescens)訪花次數最多，三條熊蜂(Bombus trifasciatus)次之，訪花時間主要分布在9—18 時(圖3)。膜翅目蜂類訪花時停靠在旗瓣上，然后伸出口器來吸取花蜜，具有訪花速度快、訪花頻率高等特性，停留時間為2～6 s，使用手持放大鏡可看到其腹部的絨毛均勻分布著黃金鳳的花粉。 膜翅目蟻類、鱗翅目蝶類和蛾類經常在不同種類花朵間游走，停留時間約10 ～20 s。 雙翅目蠅類借助長吻深入唇瓣內部吸食花蜜，對黃金鳳的傳粉作用較小，停留不超過8 s。 體型較大的鞘翅目甲蟲類同樣通過游走來推動傳粉，一般停留5～7 s。

圖3 傳粉昆蟲的訪花情況

3 討論與結論

3.1 花部構造對傳粉策略的影響

植物憑借整體花器官構造和開放式樣吸引蟲媒[21]進行花粉擴散來主導生殖場景，為蟲媒傳粉途徑的產生創造了有力條件。 黃金鳳為總狀花序，整體美化效果優，增強了對傳粉蟲媒的吸引力。 蟲媒花的花冠通常呈左右對稱狀、花色明亮[22]。 黃金鳳具有左右對稱狀黃色花，符合蟲媒花標準，其傳粉通道長度為(13.10±0.12) mm、寬度為(6.82±0.25) mm、高度為(4.88±0.36) mm，適宜中小體型昆蟲順利通行。 黃金鳳的有效傳粉昆蟲為膜翅目蜂類的黃熊蜂和三條熊蜂，其在進入花朵內部后擠壓內壁所產生的反作用力增強了與花藥接觸的成功率，有利于進行異花傳粉。 黃金鳳的花距較長，可能會增大蟲媒獲取花蜜的困難程度，從而形成一種特殊協同進化關系，推動黃金鳳的花部構造不斷演化，以與蟲媒的傳粉方式相協調。

3.2 黃金鳳的繁殖策略

黃金鳳的花果期在7 ～9月，分為花芽萌發期、花蕾期、初花期、盛花期、末花期、結實期6 個時期，初花期花粉生活力最高(92.21%)，盛花期柱頭進入最強可授期，為持續開花式樣，同時其單花花蜜量為(0.52±0.08) μL，含糖量為33.50%，符合自身繁殖策略，滿足昆蟲的傳粉動機。 雄蕊先熟是促進異交的重要繁殖機制。 黃金鳳作為雄蕊先熟植物，自然授粉途徑為異花授粉，兩者結合共同增強其子代育性及種群的傳播范圍，提高了繁育成功率，有利于系統演化的不斷發展。 人工授粉試驗中黃金鳳沒有產生無融合生殖現象，其繁育系統特征為部分自交親和，需要傳粉者；而同屬植物側穗鳳仙花則通過避免自花授粉的機制加大蟲媒授粉的概率[9]，水金鳳繁育類型則為兼性異交[23]。 說明自交與異交都是鳳仙花屬植物的有效繁殖機制。

實際觀測發現黃金鳳的野外種群規模較小，推測可能由以下幾種因素所導致:易受到花粉限制；缺乏有效的傳粉媒介；種子較小，種莢在受到外部作用力時會迅速爆炸裂開，進行遠距離傳播比較困難。 因此，黃金鳳的保護與開發工作要著重加強對傳粉者的保護，解除傳粉者限制，探明生殖發育規律，并將分株、扦插、組織培養等無性繁殖方式作為有性繁殖的補償機制，制定出一套繁殖對策以更好地促進黃金鳳遺傳多樣性與有效種群面積的擴展。