連翹花柱二型的繁育系統(tǒng)特征研究

孫淑范，李佳欣，孫霞玲，郭 杰，張 勃

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，蘭州 730070)

植物繁育系統(tǒng)是指控制一個種群異交或自交相對頻率的各種生理和形態(tài)機(jī)制[1]，代表了影響后代遺傳組成的所有有性特征[2]。這些特征主要包括花部綜合特征、各性器官的壽命、花開放式樣、自交親和程度以及交配系統(tǒng)等[3]。植物花柱二型是一類受遺傳控制的花多態(tài)現(xiàn)象，指在一個種群中同時存在柱頭高度與花藥位置交互異位的兩種花型個體[4]，即長柱型與短柱型。長柱型花的柱頭位于花冠筒口，花藥位于花冠筒中部；相反，短柱型花的花藥位于花冠筒口，而柱頭位于花冠筒中部[5-6]。

植物花柱異型性系統(tǒng)的演化及其適應(yīng)性是植物進(jìn)化生態(tài)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的主要問題?；ㄖ椭参锎菩坌云鞴俚慕换ナ綄?yīng)特征，有利于型間(異型)授粉的發(fā)生，傳統(tǒng)地被認(rèn)為是一種在花形態(tài)上避免自交的機(jī)制[7]。但是，后來的研究表明多數(shù)花柱二型植物可以通過生理上的自交不親和避免自交[8-9]，而兩花型間的柱頭和花藥的精確對位，能通過花粉在傳粉者身上的隔離有效降低型內(nèi)花粉的沉積，提高型間的傳粉效率，促進(jìn)兩花型的雌、雄性適合度實現(xiàn)[10-12]。因此，植物花柱二型的進(jìn)化主要是為了避免雌雄功能的干擾[13]，是一種將雌、雄性適合度最大化的適應(yīng)機(jī)制[13-14]，從某種意義上可認(rèn)為是植物性別分化的一種初級形式[15]。

連翹(Forsythiasuspensa)為木犀科連翹屬落葉灌木，花兩性，是典型的花柱二型植物[16]。前人對連翹的研究主要集中在其生物學(xué)活性和藥理作用[17-18]以及繁育栽培技術(shù)等方面[19]，對其繁殖生物學(xué)和進(jìn)化生態(tài)學(xué)研究鮮有報道[20]。Ruan[16]對連翹花柱二型的花部結(jié)構(gòu)及交配系統(tǒng)特征進(jìn)行了研究，但并未對其適應(yīng)意義作更深入的研究與探討。本研究通過檢測連翹的交配系統(tǒng)，比較兩花型的胚珠產(chǎn)量、花粉質(zhì)量及活力特性，分析了不同花型個體雌雄性別的繁殖投入及功能性別分化，探討了花柱二型連翹的繁育系統(tǒng)特征及其進(jìn)化意義。具體地，回答以下2個問題：(1) 連翹花柱二型表現(xiàn)出怎樣的交配系統(tǒng)特征？(2) 兩花型的雌、雄性繁殖投入及繁殖成效是否發(fā)生分異？

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究以人工種植的連翹(Forsythiasuspensa)為試材，其兩型個體的花部結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗區(qū)內(nèi)，長柱型與短柱型個體呈混合分布狀態(tài)，且兩型個體的數(shù)量比值接近1∶1。

A.長柱型花；B.短柱型花；st.柱頭；an.花藥

1.2 試驗方法

1.2.1 交配系統(tǒng)檢測在健康且花期一致的盛花期植株上選擇發(fā)育正常的待開放花蕾(未散粉)若干(> 260朵)，標(biāo)記并套袋。兩花型單株上均設(shè)置自交、型內(nèi)異交和型間異交3種不同的人工授粉處理，每處理各60朵花；同時，標(biāo)記60朵花作為對照(開放授粉)。另外，兩花型植株上各另選20朵花，在開放前套袋，判斷其是否存在主動自交現(xiàn)象。開花后1個月，統(tǒng)計各處理的坐果率。

1.2.2 花柱二型連翹花的胚珠計數(shù)隨機(jī)摘取盛花期亟待開放的兩花型連翹花蕾各200～300朵。帶回實驗室在解剖鏡下進(jìn)行胚珠計數(shù)。

1.2.3 花藥含水量及花粉干重測定在盛花期，隨機(jī)選取兩花型植株各10株，采集含苞待放的花蕾。每20～30朵花為一個樣，共采集28個樣(兩花型各14個)。每個樣剝?nèi)∥撮_裂的花藥，稱其總鮮重；再將其置于已干燥并稱重的可密封稱量瓶中并稱量總重；將裝有花藥的密封稱量瓶在65～75 ℃的條件下烘8～10 h，恒重后稱量總干重；然后，將烘干后的花藥轉(zhuǎn)入30～50目的漏篩中用無水乙醇洗滌5～6次，清洗掉花粉粒后，將花粉囊殼裝入稱量瓶(已稱重)并在75 ℃的條件下烘5 h，恒重后稱其干重。最后，計算花粉干重及花藥含水量。

單枚花藥的花粉干重(mg)= 單枚花藥的干重-單枚花粉囊殼干重

花藥含水量(%)=(花藥鮮重-花藥干重)/花藥鮮重×100%

1.2.4 花粉活力和壽命的測定在開花期分批隨機(jī)采集即將開放的小花(兩花型各不少于30朵)，共采集3批。用鑷子剝?nèi)』ㄋ?，待檢測。

采用0.5% MTT染色法。用解剖針針尖蘸取少量之前采集到的花粉置于載玻片上，加1滴MTT溶液，在光學(xué)顯微鏡下觀察，統(tǒng)計有生活力(被染成紅色的花粉)和無生活力(未被染色的花粉)的花粉粒百分率。鏡檢觀察時，每朵花的花藥取3個樣，每個樣選取3個視野，每個視野至少含40粒以上花粉，每隔6～12 h測定其花粉活力，直到花粉全部失去活性為止。

1.3 數(shù)據(jù)處理

不同花型單花胚珠數(shù)、花藥鮮重、花粉干重以及花藥含水量間的差異用一般線性模型(linear model,LM)進(jìn)行分析，花型為固定因子。各處理坐果率為坐果數(shù)與各處理總花數(shù)的比值，處理間的差異性用卡方檢驗(Chi-Square)分析。兩花型花粉活力及其花粉壽命的差異(通過花型與花粉離體時間的互作項檢測)采用廣義混合線性模型(generalized linear mixed model,GLM)進(jìn)行分析，其中花型和離體時間(小時)為固定因子，采樣批次為隨機(jī)因子。所有統(tǒng)計分析應(yīng)用R2.14.0軟件[21]進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 連翹胚珠產(chǎn)量、花粉質(zhì)量及活力的型間差異

連翹長柱型與短柱型花的胚珠數(shù)量、花藥鮮重和含水量以及花粉干重均存在顯著差異(圖2)。長柱型個體(n = 215)的單花胚珠數(shù)量為(26.86 ± 0.37)個，顯著高于短柱型(n = 210)的(24.19 ± 0.43) (t = 4.72，P< 0.001；圖2，A)。短柱型花(n = 15)的單花花藥鮮重為(4.95 ± 0.07)mg，花粉干重為(0.60 ± 0.02)mg，均顯著高于長柱型個體(n = 14)的(3.41 ± 0.13)mg (t =10.87，P< 0.001；圖2，B)與(0.47 ± 0.02)mg(t = 4.17，P< 0.001；圖2，D)。此外，兩花型個體皆具有較高的花藥含水量(> 70%)，并存在顯著的型間差異，短柱型個體(n = 15)的花藥含水量為(75.97 ± 0.82)%，顯著高于長柱型(n = 14)的(73.18 ± 0.61)%(t = 2.68，P= 0.01；圖2，C)。

**.P < 0.01；***.P < 0.001；下同

連翹兩花型花的花粉活力及其壽命表現(xiàn)出明顯的型間差異(圖3)。兩花型個體的花粉活力均隨離體時間增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，但其隨時間的變化格局存在顯著差異(P= 0.002)。兩型個體的花粉活力均在散粉6 h后達(dá)到最高(80.12%)，隨后逐漸降低，在離體72 h后降至20%(圖3)。長柱型個體花的花粉活力在剛散粉時為(64.34 ± 5.59)%，散粉后20 h內(nèi)一直維持在70%以上；短柱型個體花的花粉活力在剛散粉時與長柱型相當(dāng)(71.62 ± 5.89)%，散粉后20 h降至50%?？傮w上，在散粉后10～32 h內(nèi)，長柱型個體花的花粉活力顯著高于短柱型的(P< 0.001)。

圖3 連翹兩型花的花粉活力及其壽命(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Viability and longevity of pollens in two sexual morphs of F. suspensa (mean ± SE)

2.2 不同授粉處理對兩花型坐果率的影響

不同授粉處理對連翹兩花型個體的坐果率有顯著影響(圖4，A、B)。2年的研究結(jié)果均顯示，兩型個體間授粉的坐果率最高，自然授粉的坐果率居中，型內(nèi)異交和自交的坐果率最低，兩年度均低于10%。另外，在同一交配方式下，分別以兩花型個體為母本其坐果率也存在顯著差別。型間授粉時，以短柱型個體為母本的坐果率兩年度分別為(88.52 ± 4.67)%和(77.78 ± 7.73)%，顯著高于以長柱型個體為母本(P< 0.001，χ2= 7.322；P= 0.03，χ2= 4.943)。但是，在自然授粉條件下，以長柱型作母本的坐果率高于短柱型的，兩年度中僅一年差異顯著(P= 0.03，χ2= 4.807)。

Ⅰ. 型間異交；Ⅱ. 型內(nèi)異交；Ⅲ. 自交；Ⅳ. 自然授粉；A，第1年；B，第2年

3 討 論

3.1 連翹花粉壽命及其含水量特性的型間分異

植物的花粉含水量與花粉活力和花粉壽命密切相關(guān)，因此能影響植物的傳粉效率及繁殖對策的選擇[22]。依據(jù)Firon等[22]有關(guān)花粉含水量與花粉耐脫水性關(guān)系理論，含水量低于30%的花粉為“部分脫水型”花粉(partially dehydrated pollen,PDP)，也稱為“耐干旱型花粉”(desiccation tolerant)；而含水量高于30%的花粉為“部分水合”花粉(partially hydrated pollen,PHP)，也稱為 “脫水敏感型花粉”(desiccation sensitive)。大多數(shù)脫水敏感型花粉缺乏保水機(jī)制，其活力壽命相對較短，若這類花粉未能及時落置到柱頭，將會迅速脫水死亡。本研究結(jié)果表明，連翹兩花型花藥含水量均高于70%，為脫水敏感型花粉；相比較而言，長柱型花粉含水量顯著低于短柱型，相應(yīng)地，長柱型個體的花粉活力總體高于短柱型，并能在高活力水平維持相對較長的時間，表明花粉含水量可能對花粉活力和壽命維持有顯著影響。此外，花粉活力與壽命的型間差異也可能與兩型花結(jié)構(gòu)的差異有關(guān)。連翹長柱型花的花藥隱藏于花冠筒內(nèi)部，其花粉不易被帶出完成授粉，水分也不易散失；短柱型的花藥暴露于花冠筒之上，花粉易于散出，同時其水分散失更快。因此，短柱型花的花粉需要有相對較高的含水量來維持其花粉活力，而長柱型花的花粉雖然含水量較低，但因其水分不易散失，具有相對更長的壽命，如此可以彌補其授粉機(jī)會相對較低的不足，從而保障其雄性適合度的實現(xiàn)。

3.2 連翹花柱二型的繁殖成效與功能性別分化

花柱異型被認(rèn)為是植物雌雄異體性別分化的中間形態(tài)，其主要功能是為避免完全花的雌雄性功能干擾[23-24]。當(dāng)花柱二型植物兩花型間的傳粉(花粉流)不對等或繁殖成效存在差異時，其性分配格局將發(fā)生變化[25]，即繁殖資源在兩性功能上的相對投入出現(xiàn)型間差異，最終可能導(dǎo)致二者的功能性別出現(xiàn)分化[26-29]。一般認(rèn)為，長柱型個體因柱頭凸出能更有效地接受花粉，表現(xiàn)為偏雌的(female-biased)性別功能，短柱型個體比長柱型更容易輸出花粉，表現(xiàn)為偏雄的(male-biased)性別功能[30-31]。本研究表明，連翹短柱型個體的單花花粉產(chǎn)量(干重)顯著高于長柱型，而單花的胚珠數(shù)顯著低于長柱型；也就是說，花粉質(zhì)量(花粉干重)與胚珠比在兩型間存在明顯差異，短柱型個體相對于長柱型具有偏雄的繁殖投入，即偏雄的潛在功能性別(potential functional gender)；長柱型個體相對短柱型具有偏雌的繁殖投入，即偏雌的潛在功能性別[32]。

本研究顯示，連翹與多數(shù)花柱二型植物類似，具有自交和型內(nèi)交配不親和系統(tǒng)(heteromorphic incompatibility)[33-34]；兩花型個體的雌性繁殖成效存在顯著的型間差異，并隨傳粉環(huán)境改變而發(fā)生變化。在開放授粉條件下，長柱型連翹作為母本的雌性繁殖成效顯著高于短柱型；也就是說，長柱型連翹個體主要通過胚珠實現(xiàn)其適合度，而短柱型更多地通過提供花粉實現(xiàn)其適合度。有研究顯示，花柱二型植物在花粉限制(或訪花頻率較低)的情況下，兩型間的花粉傳遞更多的由短柱型授于長柱型[35-37]，即長柱型個體更易于接受花粉而實現(xiàn)雌性適合度[27,38]。因此，長柱型連翹相對較高的雌性繁殖成效，可能與開放授粉條件下的花粉限制有關(guān)。相反地，在人工授粉條件下，長柱型連翹作為母本，其坐果率顯著低于短柱型個體。這可能是因為長柱型個體較短柱型產(chǎn)生更多的胚珠，在人工輔助(充分)授粉條件下，其所有胚珠能實現(xiàn)受精并發(fā)育；如此情況下，長柱型個體較短柱型個體更容易發(fā)生營養(yǎng)資源匱缺，從而導(dǎo)致落果[39]，降低其坐果率。無論如何，花柱二型植物兩花型間繁殖成效和功能性別的分異并未表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。例如，茜草科植物Arcytophylllum屬的近10個物種，其短柱型個體具有較高的結(jié)籽率，表現(xiàn)出偏雌的功能性別，而長柱型個體能更有效地輸出花粉，表現(xiàn)出偏雄的功能性別[40]。同樣地，該科植物Palicoureademissa[41]、紫草科琴頸草屬植物Amsinckiagrandiflora[42]、虎耳草科植物Jepsoniamalvifolia[43-44]以及報春花屬植物Primulaobconica[32,45]等，兩花型個體間也表現(xiàn)出類似的功能性別分化。