不同生境中喜旱蓮子草雄蕊雌化的發(fā)生及其在花序內(nèi)的分布模式

張日謙，何孟瑩，錢(qián)美嬌，張 雪，劉依琳，宛傳捷，張 震,2

（1安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)不斷發(fā)展，國(guó)際交流、人口流動(dòng)持續(xù)推進(jìn)，為外來(lái)物種的傳播創(chuàng)造了有利條件。由于人為引入和自然擴(kuò)散等，中國(guó)生物入侵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，已成為遭遇外來(lái)入侵生物危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1-2]。

喜旱蓮子草俗稱水花生、革命草，是一種多年生宿根性雜草，可水陸兩棲，廣泛分布于農(nóng)田、水塘中，生命力和適應(yīng)性強(qiáng)。主要通過(guò)根、莖進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)繁殖，繁殖力強(qiáng)[3-4]。由于喜旱蓮子草在全球傳播泛濫，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，是世界公認(rèn)的惡性入侵植物[5]。

雄蕊雌化，指雄蕊發(fā)生突變而轉(zhuǎn)化成為類似于雌蕊結(jié)構(gòu)的一種現(xiàn)象[6]。近年來(lái)，隨著學(xué)者對(duì)雄蕊雌化現(xiàn)象的不斷探索，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象存在于多種植物中，如辣椒、水稻、喜旱蓮子草、油菜[7-10]。據(jù)前人研究推測(cè)，雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生可能主要由花器官間同源異型轉(zhuǎn)換、外界環(huán)境影響、基因突變所引起的突變體等3種原因引起。但雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生是否受其他基因調(diào)控或其他外界因子影響還有待進(jìn)一步的研究[11]。

陳倬[9]在1964年就對(duì)喜旱蓮子草的雄蕊雌化現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，該現(xiàn)象在喜旱蓮子草中廣泛存在。目前，關(guān)于喜旱蓮子草的研究多集中在其形態(tài)特征、遺傳特性、高度可塑性及生物、化學(xué)防治方法和開(kāi)發(fā)利用等方面，而對(duì)于該入侵植物的雄蕊雌化的發(fā)生機(jī)理尚未開(kāi)展深入研究[12]。本研究主要研究喜旱蓮子草在不同水陸生境及同一花序內(nèi)不同位置的雄蕊雌化現(xiàn)象，以期補(bǔ)充該入侵植物的入侵理論，從而為其綜合防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

喜旱蓮子草于2019年10月中上旬取自安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，包括農(nóng)田（旱生環(huán)境）、池塘邊（濕生環(huán)境）、池塘（水生環(huán)境）等3種生境。于不同生境喜旱蓮子草中各隨機(jī)挑選出20個(gè)花序，共60個(gè)花序作為研究材料。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的保存 在長(zhǎng)勢(shì)良好的旱生、半旱生、水生喜旱蓮子草植株中，取若干花帶回實(shí)驗(yàn)室，將其根據(jù)取樣地點(diǎn)及生境標(biāo)號(hào)分別放入FAA固定液中直接保存。

1.2.2 花序位置的劃分 將喜旱蓮子草花序內(nèi)花的位置從底部到頂部，分為底部花、中部花和頂部花3種，根據(jù)（實(shí)際花位置-1）/（總花數(shù)-1）計(jì)算相對(duì)花位置，均等分出花序中的底部花、中部花和頂部花，以量化喜旱蓮子草花在花序內(nèi)的分布模式[13]。

1.2.3 解剖及觀測(cè) 使用解剖鑷和解剖針對(duì)花序內(nèi)花進(jìn)行解剖，輕輕剝除花被，避免雌雄蕊被一起剝離，用解剖針在雌雄蕊基部將其撥出，保證其具有較好的完整性，將其置于解剖鏡下觀察。根據(jù)觀察到的不同程度的雄蕊雌化現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)3種生境中喜旱蓮子草花序內(nèi)底部、中部和頂部花中各種形態(tài)雄蕊的種類和數(shù)量；根據(jù)每朵花中完全雌化雄蕊的數(shù)量，統(tǒng)計(jì)3種生境中喜旱蓮子草花序內(nèi)底部、中部和頂部花中發(fā)生各種雄蕊雌化頻率花的種類和數(shù)量。

1.3 指標(biāo)計(jì)算

共設(shè)定3種生境條件，每種生境有20個(gè)重復(fù)，測(cè)定每朵花中各種類型雄蕊的數(shù)量，按照其雄蕊雌化程度，計(jì)算3種生境及3種花序位置上每朵花中雄蕊的平均雌化程度，即雄蕊雌化程度（D）；計(jì)算3種生境及3種花序位置上每朵花中發(fā)生完全雌化雄蕊出現(xiàn)的頻率，即雄蕊雌化頻率（F）。計(jì)算如式（1）～（2）。

式（1）中，S為雄蕊種數(shù)，di為雌化程度i的雄蕊的雌化程度，Ni為雌化程度i的雄蕊的個(gè)數(shù)，N為各種雄蕊的總數(shù)。式（2）中，S為雄蕊種數(shù)，fi為雌化頻率i的花的雌化頻率，Nj為雌化程度j的雄蕊的個(gè)數(shù)，N為各種花的總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 23.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 喜旱蓮子草的雄蕊雌化現(xiàn)象

早在20世紀(jì)60年代，陳倬[9]就指出喜旱蓮子草雄蕊雌化具有漸進(jìn)的過(guò)渡現(xiàn)象，除正常的具藥雄蕊和已經(jīng)雌化的雄蕊，還有多種未完全轉(zhuǎn)化仍處于過(guò)渡階段的雄蕊。根據(jù)本次觀察得到的結(jié)果，將不同雄蕊雌化程度區(qū)分為7種雄蕊雌化類型，分別是正常具藥雄蕊（類型1）；雄蕊花藥頂部衍生出一柱頭（類型2）；花藥消失，頂部?jī)H有一柱頭（類型3）；雄蕊花絲開(kāi)始膨大，子房和子房柄逐漸形成（類型4）；雄蕊花絲膨大為近似子房大小，花柱較細(xì)，雌蕊形成（類型5）；雌蕊完全形成，花柱粗細(xì)較正常（類型6）；雌蕊完全形成，花柱較粗，且可觀察到分支（類型7）。

正常喜旱蓮子草花中具有5枚雄蕊和1枚雌蕊，野外生長(zhǎng)的喜旱蓮子草雄蕊雌化現(xiàn)象較普遍，其雄蕊經(jīng)雌化會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴挥迫颷14]。觀察結(jié)果顯示，喜旱蓮子草花具有多態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)花中雌化雄蕊的數(shù)目，可以將觀察結(jié)果區(qū)分為6種不同雌化頻率，如表1。

表1 喜旱蓮子草不同花類型的雄蕊雌化頻率

調(diào)查表明喜旱蓮子草大部分雄蕊發(fā)生了雌化現(xiàn)象（圖1），且主要以完全雌化的雄蕊為主，其中處于雄蕊雌化過(guò)渡階段的種類雖多，但數(shù)量較少。喜旱蓮子草的花也大部分發(fā)生了雌化現(xiàn)象，正常兩性花數(shù)量較少，且大部分花中有多枚雌蕊發(fā)生了完全雌化，甚至5枚雄蕊完全發(fā)生了雌化現(xiàn)象。

圖1 喜旱蓮子草各種類型花及雄蕊的數(shù)量

2.2 不同生境及花序位置中喜旱蓮子草的雄蕊雌化程度

通過(guò)對(duì)旱生、濕生、水生3種生境中各種雄蕊類型進(jìn)行多度統(tǒng)計(jì)，旱生和濕生生境中均可觀察到各種雄蕊類型，水生生境中除類型1未觀察到，其他類型均可觀察到（表2）。

表2 3種生境及花序位置中各種雄蕊類型的多度分析

根據(jù)喜旱蓮子草雄蕊雌化程度的差異，將7種雄蕊類型按照雄蕊雌化程度由低到高劃分為6種程度，其中類型1～5分別對(duì)應(yīng)于程度1～5，類型6～7都已完全雌化，只在花柱粗細(xì)上存在差異，因此將類型6～7統(tǒng)一歸于程度6。計(jì)算每朵花的平均雄蕊雌化程度，得到表3。

表3 表明，不同生境中喜旱蓮子草的雄蕊雌化程度差異性顯著，其中水生生境中最高，為5.5032，旱生生境中最低為5.2066，水生生境顯著高于旱生生境中喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化程度，水生生境和濕生生境間、旱生與濕生生境間喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化程度雖然差異不顯著，但是從旱生到濕生到水生生境中，喜旱蓮子草花的雄蕊雌化程度有上升趨勢(shì)。在不同花序位置中，喜旱蓮子草的雄蕊雌化程度差異性不顯著，其中花序頂部雄蕊雌化程度最高（5.3268），花序底部與花序頂部雄蕊雌化程度相近（5.3194），花序中部雄蕊雌化程度略低（5.3039）。

表3 3種生境及花序位置中的雄蕊雌化程度

圖2 表明，3種生境中，水生生境中喜旱蓮子草完全發(fā)生雌化的雄蕊（類型6、7）所占比例最高，為66.74%，其次是濕生生境（64.82%），旱生生境中最低（61.53%）。且水生生境中無(wú)正常具藥雄蕊，即雄蕊全部發(fā)生了一定程度的雌化，而濕生生境及旱生生境中仍有少量具藥雄蕊，分別占比為4.94%和4.04%。在不同花序位置中，大部分雄蕊已完全發(fā)生雌化，僅有少量（近3%）的具藥雄蕊，花序頂部、中部及底部各類型雄蕊所占比例相近。

圖2 3種生境及花序位置中各種雄蕊類型數(shù)量對(duì)比

2.3 不同生境及花序位置中喜旱蓮子草的雄蕊雌化頻率

喜旱蓮子草雄蕊雌化過(guò)程中，除正常具藥雌蕊，還產(chǎn)生了一部分輕微雌化而雌蕊未形成的過(guò)渡類型（即類型2、3、4），其未完全轉(zhuǎn)化為雌蕊，雌化特征不明顯，因此不將其統(tǒng)計(jì)為雌化雄蕊，故僅將已有雌蕊形成的雄蕊（類型5、6、7）統(tǒng)計(jì)為雌化雄蕊，得到表4。

表4 3種生境及花序位置中各種花類型的多度分析

根據(jù)一朵花中雌化雄蕊的數(shù)量將各種類型花劃分為6種類型，分別為具0枚雌化雄蕊（類型1）、具1枚雌化雄蕊（類型2）、具2枚雌化雄蕊（類型3）、具3枚雌化雄蕊（類型4）、具4枚雌化雄蕊（類型5）、具5枚雌化雄蕊（類型6）。統(tǒng)計(jì)各種類型花所占比例，即同一生境（或同一位置）中同一類型個(gè)體數(shù)占該生境（或位置）中各類型個(gè)體總數(shù)的比例，如圖3。

圖3 表明，3種生境中的喜旱蓮子草花類型6（完全雌化花），水生生境所占比例最高，為46.98%；濕生生境所占比例略高于旱生生境，分別為33.53%和30.51%。另外，類型1（正常兩性花）在水生生境中未被發(fā)現(xiàn)，而旱生生境和濕生生境中分別占到了5.12%和5.93%。在不同的花序位置中，各類型花在花序的頂部、中部和底部所占比例總體較為均勻，以類型5和類型6居多。

圖3 3種生境及花序位置中各種花類型數(shù)量對(duì)比

表5 表明，3種生境中喜旱蓮子草的雄蕊雌化頻率差異性顯著，其中水生生境中最高，為86.75%；旱生生境中最低，為76.17%。3種生境中喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化頻率為水生＞濕生＞旱生。水生生境中喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化頻率顯著高于旱生生境和濕生生境；旱生生境與濕生生境間喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化頻率雖然差異不顯著，但呈上升趨勢(shì)。不同花序位置間喜旱蓮子草一朵花的雄蕊雌化頻率差異性不顯著，其中花序底部最高（80.96%），花序中部居中（79.52%），花序底部最低（79.56%）。花序中部與花序頂部雄蕊雌化頻率相近。

表5 3種生境及花序位置中的雄蕊雌化頻率 %

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)喜旱蓮子草的雄蕊雌化現(xiàn)象十分普遍，與陳倬[9]的研究一致，且在雄蕊水平和花水平上均表現(xiàn)出較高的雌化程度，而在雄蕊雌化過(guò)程中未完全雌化的個(gè)體可能主要是未滿足雌化所需的生理?xiàng)l件。

前人研究報(bào)道，喜旱蓮子草的雌化雄蕊雖然在形態(tài)上與雌蕊相近，但其子房?jī)?nèi)僅為一空腔、無(wú)胚珠，因此這種轉(zhuǎn)化并非一種完全的轉(zhuǎn)化，造成的雄蕊敗育意味著有性生殖能力的衰退[15]。喜旱蓮子草的遺傳多樣性在中國(guó)極低，已有研究證實(shí)入侵中國(guó)的喜旱蓮子草基因型來(lái)源于同一克隆個(gè)體，其大量克隆繁殖可能是造成喜旱蓮子草在中國(guó)擴(kuò)散的原因[16-17]。雖然喜旱蓮子草無(wú)性繁殖較為普遍，但是也有關(guān)于其有性繁殖產(chǎn)生種子的報(bào)道，有研究表明喜旱蓮子草產(chǎn)生種子的比例有6.5%[18]。這種開(kāi)花多但種子少的現(xiàn)象存在于多種植物中，前人報(bào)道不結(jié)實(shí)的花具有潛在的生殖功能。因此喜旱蓮子草兩性花可能也具有潛在的生殖功能[19-20]。

本研究中，所取的喜旱蓮子草均來(lái)源于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)，盡量避免了除生境類型以外其他因素的干擾。研究結(jié)果表明，喜旱蓮子草的雄蕊雌化程度及雄蕊雌化頻率在水生、濕生、旱生3種生境中有顯著差異，且從水生到濕生到旱生生境中，喜旱蓮子草的雄蕊雌化程度及雄蕊雌化頻率不斷下降，說(shuō)明喜旱蓮子草的有性生殖能力的退化，可能與喜旱蓮子草在不同生境中對(duì)水分的耐受性有關(guān)。水生生境較陸生生境喜旱蓮子草的形態(tài)，其莖稈粗、空腔大、節(jié)間長(zhǎng)、總?cè)~面積大，因此水生生境中的植株具有更大的個(gè)體，已有研究表明，植物采取小的植物個(gè)體傾向于雄性，大的個(gè)體植物傾向于雌性的性分配策略，與本研究中水生生境更有利于雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生，促進(jìn)喜旱蓮子草進(jìn)行無(wú)性繁殖，降低其有性生殖能力的結(jié)果相符[21-23]。根莖是喜旱蓮子草重要的繁殖器官，對(duì)適應(yīng)缺氧且水淹的水生和濕生生境極其重要，因此在這類環(huán)境中喜旱蓮子草更傾向于選擇無(wú)性繁殖策略[24-25]。因此，喜旱蓮子草的雄蕊雌化現(xiàn)象更趨向于在水分充足的環(huán)境中發(fā)生。

世界上大多數(shù)開(kāi)花植物是雌雄同體[26]，性分配理論通過(guò)對(duì)有性繁殖中雌雄功能的資源合理分配，選擇出最佳的分配方式[27]。花序內(nèi)性器官數(shù)量及質(zhì)量的變化通常都被認(rèn)為是性別表達(dá)的改變，一種常見(jiàn)的變化模式表明基向開(kāi)花植物對(duì)花序基部的資源投資趨于雄性，花序頂部趨于雌性，而頂向開(kāi)花植物與之相反，這種性分配模式是由花序內(nèi)位置效應(yīng)引起的[28-30]。喜旱蓮子草是一種雌雄同體的兩性花植物[9]，本研究對(duì)喜旱蓮子草不同花序位置雄蕊雌化現(xiàn)象發(fā)生的研究結(jié)果表明，喜旱蓮子草花序從下至上的雄蕊雌化頻率和程度均無(wú)差異顯著性，即頂部與基部并無(wú)性別偏向性，與喜旱蓮草主要通過(guò)無(wú)性繁殖來(lái)擴(kuò)大種群，其雖具有兩性器官但有性繁殖現(xiàn)象卻極少見(jiàn)的研究結(jié)果相一致。張秀艷曾報(bào)道該植物的有性繁殖現(xiàn)象，但有性生殖并非其繁殖和擴(kuò)散的主要方式，故不符合上述變化模式[17,18]。

綜上所述，本研究通過(guò)開(kāi)展探究不同生境及不同花序位置上雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生，揭示了喜旱蓮子草的雄蕊雌化現(xiàn)象普遍存在，該現(xiàn)象在雄蕊和花的水平上雄蕊雌化程度均較高。結(jié)果表明喜旱蓮子草更傾向于在水生生境中發(fā)生雄蕊雌化現(xiàn)象，造成有性繁殖的退化，促進(jìn)其無(wú)性繁殖擴(kuò)大種群，增強(qiáng)其在入侵地的入侵能力。此外，還發(fā)現(xiàn)了喜旱蓮子草在不同花序位置上雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生并無(wú)顯著差異，表明該現(xiàn)象在花序內(nèi)的發(fā)生呈相對(duì)均勻的分布模式，不同花序位置上并無(wú)性別偏向性，不符合有性繁殖資源分配特征，與其進(jìn)入中國(guó)后主要通過(guò)無(wú)性繁殖增強(qiáng)其入侵能力有關(guān)。本研究補(bǔ)充了喜旱蓮子草的入侵理論，為該入侵植物的綜合防治提供了理論依據(jù)。但本研究所使用的喜旱蓮子草取自10月中上旬（花期末），而喜旱蓮子草花期為5—10月。喜旱蓮子草的雄蕊雌化發(fā)生是否會(huì)隨開(kāi)花時(shí)間分異還有待進(jìn)一步研究。為深入研究喜旱蓮子草雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生，還需通過(guò)室內(nèi)模擬或野外定期采樣等方法研究其雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生與花期的關(guān)系。另外為進(jìn)一步確定影響喜旱蓮子草雄蕊雌化現(xiàn)象發(fā)生的環(huán)境因子，還需要針對(duì)水分等單一因子對(duì)該現(xiàn)象發(fā)生所產(chǎn)生的影響開(kāi)展研究，揭示喜旱蓮子草雄蕊雌化現(xiàn)象的發(fā)生與環(huán)境因子的相互關(guān)系。