植物分类学报 46 (5): 651–657 (2008)
Journal of Systematics and Evolution (formerly Acta Phytotaxonomica Sinica)
doi: 10.3724/SP.J.1002.2008.08029
http://www.plantsystematics.com
濒危植物四药门花的自花授粉
1,2
12
顾 垒 1张奠湘*
(中国科学院华南植物园 广州 510650) (中国科学院研究生院 北京 100049)
Autogamy of an endangered species: Loropetalum subcordatum
(Hamamelidaceae)
1,2
1
Lei GU 1Dian-Xiang ZHANG*
(South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China)
2
(Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract The reproductive biology of Loropetalum subcordatum was studied. The floral phenology, pollen histochemistry, pollen-ovule ratio (P/O), pollen viability and floral visitors were investigated and determined. Assisted pollination experiments were carried out to examine the breeding system of L. subcordatum. Scanning electron microscopy (SEM) and fluorescence microscopy (FM) were employed to check the pollen germination and the growth of pollen tubes. Results were obtained as follows: (1) The flowering period of L. subcordatum was from September to the next February with a peak at September–October; the longevity of a single flower was 4–6 days. (2) L. subcordatum was protogynous, and pollen grains could be found on self-stigmata when the anthers opened 12–24 h after petals unrolling. (3)The pollen viability (MTT test) maintained for ca. 26 hours; the pollen was starchless; the P/O was 8420±720.86 (n=10); no nectar secretion was observed. (4) Thrips (Thrips sp.) were the only floral visitors observed but which seldom moved among inflorescences, thus played limited role in polli-nation. (5) Fruit sets of untreated bagged (5.30±1.83%) and hand assisted cross pollinated flowers (6.67±1.91%) were not significantly different from that of open flowers (4.79±1.45%). (6) SEM and FM observations proved that pollen germinated on self-stigmata and pollen tubes growed in self-styles. The results indicated that L. sub-cordatum was facultatively autogamous and without apomixes. The possibility of outcrossing and the protogyny might indicate that the species was originally a crosser. Flowers pollinated in September–October usually start ovule growth in next summer, and set mature fruits in next October (after the next flowering peak), suggesting the occurrence of retard embryo development. The possibility that autogamy in Hamamelidaceae could have been developed from fly pollination was also discussed.
Key words autogamy, Hamamelidaceae, Loropetalum subcordatum.
摘要 观测了四药门花Loropetalum subcordatum的开花物候、开花动态和访花者; 对其花粉组织化学、花粉胚珠比和花粉活力进行了检测; 通过人工控制授粉实验检测了其繁育系统; 使用扫描电子显微镜(SEM)观察了自花花粉在柱头上的萌发情况并使用荧光显微镜观察了花粉管在花柱中的生长情况。结果表明: 四药门花花期为9月至次年2月, 其中9–10月为开花高峰期; 单花花期4–6 d; 雌蕊先熟, 开花时柱头即有活性, 并持续到花谢; 花药于开花后12–24 h内开裂, 并能直接落置自花柱头; 离体花粉寿命约26 h, 花粉为非淀粉型, 花粉胚珠比为8420±720.86 (n=10); 无花蜜分泌。未观察到任何外来的访花者, 仅见到生活在头状花序中的蓟马Thrips sp., 且未见到蓟马在花间积极迁飞, 表明蓟马不是其有效的传粉者。无处理套网和辅助异株授粉的结实率(5.30%±1.83%/6.67%±1.91%)与自然对照(4.79%±1.45%)差异均不显著(P=0.847/0.616), 扫描电镜观察证明自花花粉能在柱头上顺利萌发, 荧光显微镜观察证明花粉管能在24 h内生长到花柱基部, 说明四药门花是自花传粉, 不存在无融合生殖。四药门花存在雌蕊先熟现象并且仍有异交可能, 说明其祖先类型曾经是异交植物。花谢后子房于次年夏天才开始膨大而果实于10月间开花高峰期后成熟, 说明存在胚发育延迟的现象。本文还讨论了金缕梅科Hamamelidaceae中自花传粉由蝇类传粉演化而来的可能性。
关键词 自花传粉; 金缕梅科; 四药门花 ———————————
2008-03-03收稿, 2008-06-04收修改稿。
* 通讯作者(Author for correspondence. E-mail: [email protected])。
652
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
金缕梅科Hamamelidaceae植物是研究金缕梅类Hamamelids系统发育的核心类群之一, 也是探讨被子植物起源与早期分化的重要类群(Zhang & Lu, 1995)。全科共30属140种, 分布于新旧大陆的亚热带和温带地区(Zhang et al., 2003)。该科植物的形态特征高度分化, 包含很多单种属、寡种属和大量的特有种(Li et al., 1999), 因此传粉方式也可能具有很高的多样性。长期以来, 对金缕梅科的研究集中于系统演化方面, 对其传粉生物学关注甚少。目前仅见对Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)的报道, 二者均是异交植物, 大量开花而结实率极低, 主要传粉者是双翅目Diptera昆虫。作为一个广泛分布而高度分化的类群, 金缕梅科传粉方式的分化尚有待深入研究。
四药门花Loropetalum subcordatum (Benth.) Oliv. (Zhang et al., 2003)属于金缕梅科最大的亚科Hamamelidae, 最初被Bentham在1861年以Tetra- thyrium subcordatum的名称发表。在相当长的一段时间内, 大多数学者都根据花基数的差别将四药门花属Tetrathyrium Benth.与檵木属Loropetalum R. Br. ex Rchb.区分开(Chun, 1934; Chang, 1961, 1979), 而Oliver (1883)则根据花瓣形态的相似将二者归并。Endress (1989)将四药门花属和檵木属置于同一个亚族Loropetalinae中, 并认为这二者的亲缘关系非常接近(Endress, 1993)。Feng等(1999)基于形态学特征和ITS序列对Loropetalum-Tetrathyrium复合体进行了分类修订, 并分析了其在金缕梅科中的系统位置, 结果支持Oliver将四药门花归并入檵木属的处理。
四药门花最早发现于香港, 并一度被认为仅限香港分布, 后来在广西龙州(Chang, 1979)和贵州茂兰(转引自Feng et al., 1999)等地相继发现。本种因分布狭窄数量稀少被IUCN (World Conservation Monitoring Centre, 1998)列为稀有种(rare), 而同属的檵木Loropetalum chinense (R. Br.) Oliv. 却是广泛分布于我国中部、南部和西南部乃至日本和印度的一个常见种(Chang, 1979)。四药门花和檵木的形态特征尤其是花部特征非常相似(Feng et al., 1999), 而分布和数量都有极大不同。研究四药门花的传粉生物学能够为探讨其濒危机制及制订合理的保护
措施提供依据。此外, 金缕梅科中具有带状花瓣的类群很多(包括檵木属), 而系统位置和传粉方式各有不同, 研究四药门花的传粉生物学也可以为深入了解金缕梅科传粉方式的分化积累资料。基于以上目的, 我们研究了四药门花的开花动态、花粉和柱头活力、花粉胚珠比和花粉组织化学、访花者及其行为、繁育系统和结实率限制因素。
1 材料和方法
1.1 研究材料和研究地点
四药门花为常绿灌木或小乔木, 零星分布于香港、广西、贵州, 近年来在广东的一些沿海丘陵地区也有发现。本研究所在的五桂山即是新近发现的四药门花分布点。
野外观察和试验在广东省中山市五桂山林场水源林(22˚25′ N, 113˚25′ E, 海拔150 m)开展。四药门花在当地的常绿阔叶林中沿溪流两岸生长, 主要伴生植物有山油柑Acronychia pedunculata (L.) Miq.、假苹婆Sterculia lanceolata Cav.、大头茶Gordonia axillaris (Roxb.) Dietr.、鸭脚木Schefflera octophylla (Lour.) Harms、山杜英Elaeocarpus sylvestris (Lour.) Poir.、岭南山竹子Garcinia ob-longifolia Champ. ex Benth.、变叶树参Dendropanax proteus (Champ.) Benth.、露兜草Pandanus aus-trosinensis T. L. Wu、九节Psychotria rubra (Lour.) Poir.、猪笼草Nepenthes mirabilis (Lour.) Druce等。 1.2 开花动态和访花者的观察
2006年10月15日至25日标记花蕾膨大的花序, 连续观察其花序和单花的开花动态, 包括花瓣张开、花药开裂、柱头变色和凋谢的过程。同时连续观察访花者, 采集不同时期的花序, 用乙酸乙酯熏蒸后收集其中的蓟马, 干燥后供鉴定并以扫描电镜观察其携带花粉情况。此外从2006年10月到2007年11月间定期前往研究地点观察其居群水平上的开花动态和果实成熟情况。
1.3 花粉活力和柱头活力的检测
花粉活力和柱头可授性均采用MTT法检测(Dafni, 1992), 经MTT处理后变为蓝黑色的花粉和柱头有活力, 不变色或黄褐色的则无活力。从刚开裂的花药中收集花粉保存, 每隔1 h取一份用MTT处理, 并于显微镜下统计着色与未着色的花粉数
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
653
量。从花瓣张开时起采集不同阶段的花用MTT处理其柱头, 并统计变色与未变色柱头的数量(n=10)。 1.4 花粉组织化学和花粉胚珠比的检测
采集新鲜花粉, 用IKI和苏丹IV检测花粉的储存物质类型, 花粉中的淀粉在IKI溶液中变褐色, 脂类物质在苏丹IV溶液中呈现红色(Dafni, 1992)。采集刚开放而花药未开裂的花用FAA固定备用。在实验室中将单个花药移入一个有刻度的离心管, 捣碎, 加入乳酸酚溶液混匀并定容至1 mL, 用旋涡振荡器振荡60 s后, 吸取1 μL花粉悬浮液于载玻片上, 头被雄蕊紧紧包围, 在不破坏雄蕊的情况下只有穿过其间的空隙才能接触到柱头(图1: B)。 2.2 开花动态
四药门花的花期为9月至次年2月, 其中9–10月为开花高峰期, 之后为零星开放; 有时刚刚凋谢的花序所在的叶腋会长出新的花序继续开放。在一个头状花序中, 下方的花会先开放, 但整个花序的开花时间都相隔不远, 并且在一天中没有特定的开花时间。花瓣完全伸展开需要6–24 h, 此时柱头已有活性。开花后12–24 h间花药开裂, 同一朵花内花药在显微镜下统计花粉数, 每个花药重复10次。胚珠数为固定的2个。花粉胚珠比用花粉量除以胚珠数得出。
1.5 人工控制授粉实验
为了检测四药门花的繁育系统和结实率限制因素, 我们设立了如下3种处理并分别统计了结实率: (1)自然对照组, 标记花序, 不做任何处理; (2)无处理套网组, 标记未开花序, 套网, 待花谢后除去网袋; (3)套网人工辅助异株授粉组, 标记初开花序, 取异株花粉于水中制成悬浊液, 滴在被标记花序上, 套网, 待花谢后除去网袋。四药门花的花小而密集, 且柱头被雄蕊包围, 不可能在不破坏柱头或子房的情况下去雄。网袋使用150目的尼龙滤布(孔径0.105 mm)制作, 以确保隔离体积较小的访花者。 1.6 自花花粉萌发情况的检测
为了排除无融合生殖的可能性, 我们标记了一批未开花序, 在其花药开裂24 h后采下用FAA固定, 部分用扫描电镜(SEM)观察自花花粉在柱头上的萌发情况, 其余取整条花柱用无色苯胺蓝溶液染色并压片, 在荧光显微镜(FM)下观察花粉管在花柱中的生长。
2 结果
2.1 花部形态
四药门花的头状花序生于当年生新枝的叶腋, 每个花序有两性花19.10±0.35朵(n=20) (图1: A)。花基数5, 少数为4; 萼筒长约1.5 mm, 被星状毛, 萼片长约2 mm; 花瓣带状, 长25.35±3.18 mm (n=20), 白色; 雄蕊长约2 mm, 药隔前端突出约0.5 mm; 退化雄蕊垫状, 黄绿色, 二叉分裂; 花柱长约0.5 mm, 柱头掌状浅裂。需要特别注意的是, 自然状态下柱
开裂基本同步, 在一天中也没有特定的开裂时间。
图1 A. 四药门花的花序。B. 切除1枚萼片的花, 箭头所示为被雄蕊和花瓣包围的柱头。C. 在柱头上萌发的自花花粉, 箭头所示为花粉管。D. 花粉管在花柱中的生长情况。E. 生活在花序中的蓟马成虫。F. 蓟马身上携带的花粉。
Fig. 1. A, Inflorescences of Loropetalum subcordatum. B, A single flower with one sepal removed; arrows show the stigmas surrounded by stamens and petals. C, Pollen grains germinating on self-stigma (SEM); arrows show pollen tubes. D, Pollen tubes in a style (FM). E, A mature thrips (Thrips sp.) found in an inflorescence. F, Pollen grains carried by a thrips.
654
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
花药开裂后, 柱头上即可见到自花花粉。单花花期为4–6 d (n=20), 花瓣脱落时可见柱头变色。花瓣凋谢后, 整个头状花序还会在枝条上保留很长时间, 在其脱落或子房开始膨大之前都无法判断传粉是否成功。此外, 整个开花过程都没有花蜜分泌, 只散发出很淡的香气。 2.3 花粉和柱头活力、花粉组织化学和花粉胚珠比
经MTT检测, 花药刚开裂时花粉即有活力(>90%), 离体花粉活力可持续约26 h, 之后迅速衰减。花瓣展开时柱头即有活力, 并一直持续到花瓣脱落为止。
经IKI和苏丹IV检测, 四药门花的花粉为非淀粉型(starchless, 定义按照Baker & Baker, 1979)。单个花药的花粉量为3368±288.34 (n=10), 胚珠数为固定的2个。以每朵花5枚雄蕊计, 其花粉胚珠比为8420±720.86 (n=10)。 2.4 人工控制授粉实验
花谢以后子房的发育呈停滞状态, 到次年夏天才开始膨大, 果实于10月间开花高峰期后成熟。由于无法判断发育停滞的子房中胚珠是否受精, 结实率以最终成熟的果实数量统计。如表1所示, 四药门花的自然结实率相当低, 而无处理套网和人工辅助异株授粉的结实率与自然对照组差异也不显著, 说明四药门花是自交亲和的。扫描电镜观察发现自花花粉在柱头上可以顺利萌发(图1: C)。荧光显微镜观察证实花粉管在花粉落置柱头24 h后就能生长到花柱底部(图1: D)。 2.5 访花者
实验中未观察到任何外来的访花者, 只有为数众多的蓟马Thrips sp. (Thripidae)生活在花中。未开放的花序中没有蓟马, 在开放的花序(包括花药未开裂和花药已开裂的)中我们捕捉到了蓟马的幼龄、老龄若虫和成虫(图1: E), 经扫描电镜观测发现了附着在蓟马身上的四药门花花粉(图1: F)。蓟马在花
表1 四药门花的结实率 Table 1 Fruit set of Loropetalum subcordatum 处理
Treatment 自然对照 Open
无处理套网 Untreated bagged 辅助异株授粉 Assisted cross pollination
花朵数
Flower number
序中的活动主要为采食花粉, 由于发现了幼龄若虫, 应该还有繁殖行为。但是观察中极少发现蓟马飞出花序, 也没有见到蓟马在植株之间迁移。由于实验期间均为晴好天气, 我们模拟了降雨, 即将水滴入花序, 此时可观察到蓟马纷纷出逃。这说明阴雨天气蓟马在花序中的活动可能减少。
3 讨论
很多植物的自花授粉是自发完成的(Faegri & van der Pijl, 1979), 其花部结构使得花粉在不借助任何外力的情况下即能传播到自花柱头上。四药门花就具备这样的花部结构, 由于花药位置高于柱头并且将柱头紧紧包围, 花药开裂后在柱头上即可见到自花花粉。虽然有雌蕊先熟的现象, 但柱头在整个单花花期内都有活性, 所以单花中雌性和雄性的活性时期没有时间隔离。有些具备类似花部结构的植物以强烈的自交不亲和避免了自花传粉, 例如蝶形花科Papilionaceae和山龙眼科Proteaceae的一些类群, 但人工控制授粉实验证明四药门花可以自交结实。开花和花药开裂在一天中没有固定的节律, 暗示四药门花不依赖按一定时间规律活动的传粉者, 并且四药门花也不分泌可做为传粉报酬的花蜜。此外, 花粉能在自花柱头上顺利萌发, 进一步表明四药门花是自交亲和的, 排除了无融合生殖的可能性。以上这些特征构成了典型的自花授粉综合征(Faegri & van der Pijl, 1979)。人工辅助异株授粉的结实率(6.67%±1.91%)略高于自然对照(4.79%± 1.45%), 但差异不显著, 说明四药门花可能也存在异交。此外四药门花并不具备大到可以包裹住雄蕊和柱头的花被片, 授粉也并非在开花前进行; 虽然观察到的访花蓟马迁飞不活跃, 但不能排除在某种情况下在花间迁移的可能, 因而还有促进异交的可能, 所以四药门花的繁育系统是兼性自花传粉
显著性 结实率
Significance of deviation Fruit-set ratio
(P) (±SE, %)
382 18 4.79±1.45 –
果实数
Fruit number
383 21 5.30±1.83 0.847
189 12 6.67±1.91 0.616
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
655
(facultative autogamy)。金缕梅科中的很多植物都被认为是风媒传粉的(Zhang & Lu, 1995), 但这些植物都有不同程度的单性花分化和花被片缺失, 而且柱头都很发达。四药门花具有完整的两性花, 柱头很小并被花被片和雄蕊包围, 接触到风力传播的花粉的可能性非常小。因此四药门花不可能存在风媒传粉现象。
成功的自花传粉植物的自然结实率约为85% Pellmyr (1985)认为极高的花粉/胚珠比可能是对有效传粉者收集花粉的过程中所造成绝大部分花粉损失的补偿, 这一推论对四药门花并不适用。我们观察到的仅有的访花者是蓟马, 而四药门花的花部结构也决定了只有蓟马这么小的访花者才可能接触到柱头。有报道指蓟马(统称, 包括其他的缨翅目昆虫)为一些植物传粉(Sakai, 2001; Moog et al., 2002; Hall, 2004), 但大多数研究者承认蓟马并不是(Weins et al., 1987), 而四药门花的自然结实率仅有4.79%±1.45%, 远低于前者, 也远低与同属同样具有自花授粉习性的檵木(未发表数据)。由于四药门花自交亲和并且花粉可以无障碍地传播到自花柱头上, 所以结实率不受花粉量或传粉者的限制; 自交与人工辅助异交的结实率差异不显著, 说明资源限制应该是结实率的主要限制因素。四药门花的自然分布间断而狭窄, 居群规模都很小, 长期的自交可能导致其居群内遗传多样性过低, 即使能够异株传粉, 效果也和自交区别不大, 这也可能是四药门花的异交结实率低(人工辅助异株授粉结实率仅有6.67%±1.91%)的原因。在野外观察中极少发现四药门花的小苗, 说明其居群自然更新能力很差, 从另一方面暗示了可能存在近交衰退。近交衰退作为物种濒危机制的重要假说已有很多报道(Bonnell & Selander, 1974; Ledig et al., 1997), 我们也正在开展四药门花的居群遗传结构研究以验证这一猜想。
Cruden (1977)对花粉/胚珠比与繁育系统的相关性的研究表明, 自花传粉植物的花粉/胚珠比应该比较低。四药门花的花粉/胚珠比为8420±720.86, 远远高于Cruden (1977)所统计的专性自花传粉(27.7±3.1)和兼性自花传粉(168.5±22.1)植物。我们在对金缕梅科植物花粉/胚珠比的研究(未发表)中发现, 在繁育系统相同的前提下, 金缕梅科植物的花粉/胚珠比普遍比Cruden (1977)用以推断繁育系统的标准高了1–2个数量级, 但仍然表现出随着异交程度提高而提高的趋势。这一现象符合Preston (1986)的观点, 即没有一个固定的将花粉/胚珠比与繁育系统匹配的标准, 任何包含花粉/胚珠比的研究一定要基于其自有的标准之上。Vasek和Weng (1988)也认为评价繁育系统的标准要建立在科(或者族)的水平上, 不能混用其他类群的标准。在整个金缕梅科的背景下, 四药门花的花粉/胚珠比是比较低的, 与其兼性自交的繁育系统相对应。
有效的传粉者。我们在野外观察中没有发现蓟马在植株间积极迁飞, 在扫描电镜下对蓟马的观察结果亦表明其携带花粉的能力很差, 加上贫弱的飞行能力及对恶劣天气的敏感, 即使能为四药门花传递异花花粉, 作用也相当微弱。因此四药门花在自然条件下可能缺乏有效的异株传粉者。He等(2000)对木根麦冬Ophiopogon xylorrhizus Wang & Tai繁殖生物学的报道认为, 缺乏有效传粉者、异交没有保障可能是该种出现自交的原因。我们认为四药门花也有类似现象。
四药门花秋季开花而果实于次年成熟, 从花谢到子房开始膨大之间有很长的发育停滞时期, 说明存在延迟受精或胚发育延迟现象。Sogo和Tobe (2006)认为延迟受精存在几种不同的类型, 如花粉管在花柱底部的生长速度下降、授粉时胚珠尚未发育完全等, 从传粉到受精之间可能间隔4天到一年以上。延迟受精现象在金缕梅科中已有多例报道, 如Hamamelis virginiana L. (Shoemaker, 1905)和山白树Sinowilsonia henryi Hemsl. (Endress, 1977)传粉和受精之间的间隔都大于4天, 而四川蜡瓣花Corylopsis willmottiae Rehd. & Wils.被认为是授粉时胚珠尚未成熟(Endress, 1977; Endress & Iger-sheim, 1999)。四药门花花柱很短, 花粉管在授粉24 h后即可生长到花柱底部, 并且花谢后柱头很快枯萎, 因此不可能存在由花粉管生长速度缓慢导致的受精延迟, 但受精后胚发育停滞的细节尚有待进一步研究。
目前金缕梅科植物的传粉生物学研究仅见于Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)两个种, 二者的花部特征均符合蝇类传粉综合征(myophily syndrome, Faegri & van der Pijl, 1979), 并且主要的传粉者都是双翅目昆虫。双花木属Disanthus Maxim.
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
655
(facultative autogamy)。金缕梅科中的很多植物都被认为是风媒传粉的(Zhang & Lu, 1995), 但这些植物都有不同程度的单性花分化和花被片缺失, 而且柱头都很发达。四药门花具有完整的两性花, 柱头很小并被花被片和雄蕊包围, 接触到风力传播的花粉的可能性非常小。因此四药门花不可能存在风媒传粉现象。
成功的自花传粉植物的自然结实率约为85% Pellmyr (1985)认为极高的花粉/胚珠比可能是对有效传粉者收集花粉的过程中所造成绝大部分花粉损失的补偿, 这一推论对四药门花并不适用。我们观察到的仅有的访花者是蓟马, 而四药门花的花部结构也决定了只有蓟马这么小的访花者才可能接触到柱头。有报道指蓟马(统称, 包括其他的缨翅目昆虫)为一些植物传粉(Sakai, 2001; Moog et al., 2002; Hall, 2004), 但大多数研究者承认蓟马并不是(Weins et al., 1987), 而四药门花的自然结实率仅有4.79%±1.45%, 远低于前者, 也远低与同属同样具有自花授粉习性的檵木(未发表数据)。由于四药门花自交亲和并且花粉可以无障碍地传播到自花柱头上, 所以结实率不受花粉量或传粉者的限制; 自交与人工辅助异交的结实率差异不显著, 说明资源限制应该是结实率的主要限制因素。四药门花的自然分布间断而狭窄, 居群规模都很小, 长期的自交可能导致其居群内遗传多样性过低, 即使能够异株传粉, 效果也和自交区别不大, 这也可能是四药门花的异交结实率低(人工辅助异株授粉结实率仅有6.67%±1.91%)的原因。在野外观察中极少发现四药门花的小苗, 说明其居群自然更新能力很差, 从另一方面暗示了可能存在近交衰退。近交衰退作为物种濒危机制的重要假说已有很多报道(Bonnell & Selander, 1974; Ledig et al., 1997), 我们也正在开展四药门花的居群遗传结构研究以验证这一猜想。
Cruden (1977)对花粉/胚珠比与繁育系统的相关性的研究表明, 自花传粉植物的花粉/胚珠比应该比较低。四药门花的花粉/胚珠比为8420±720.86, 远远高于Cruden (1977)所统计的专性自花传粉(27.7±3.1)和兼性自花传粉(168.5±22.1)植物。我们在对金缕梅科植物花粉/胚珠比的研究(未发表)中发现, 在繁育系统相同的前提下, 金缕梅科植物的花粉/胚珠比普遍比Cruden (1977)用以推断繁育系统的标准高了1–2个数量级, 但仍然表现出随着异交程度提高而提高的趋势。这一现象符合Preston (1986)的观点, 即没有一个固定的将花粉/胚珠比与繁育系统匹配的标准, 任何包含花粉/胚珠比的研究一定要基于其自有的标准之上。Vasek和Weng (1988)也认为评价繁育系统的标准要建立在科(或者族)的水平上, 不能混用其他类群的标准。在整个金缕梅科的背景下, 四药门花的花粉/胚珠比是比较低的, 与其兼性自交的繁育系统相对应。
有效的传粉者。我们在野外观察中没有发现蓟马在植株间积极迁飞, 在扫描电镜下对蓟马的观察结果亦表明其携带花粉的能力很差, 加上贫弱的飞行能力及对恶劣天气的敏感, 即使能为四药门花传递异花花粉, 作用也相当微弱。因此四药门花在自然条件下可能缺乏有效的异株传粉者。He等(2000)对木根麦冬Ophiopogon xylorrhizus Wang & Tai繁殖生物学的报道认为, 缺乏有效传粉者、异交没有保障可能是该种出现自交的原因。我们认为四药门花也有类似现象。
四药门花秋季开花而果实于次年成熟, 从花谢到子房开始膨大之间有很长的发育停滞时期, 说明存在延迟受精或胚发育延迟现象。Sogo和Tobe (2006)认为延迟受精存在几种不同的类型, 如花粉管在花柱底部的生长速度下降、授粉时胚珠尚未发育完全等, 从传粉到受精之间可能间隔4天到一年以上。延迟受精现象在金缕梅科中已有多例报道, 如Hamamelis virginiana L. (Shoemaker, 1905)和山白树Sinowilsonia henryi Hemsl. (Endress, 1977)传粉和受精之间的间隔都大于4天, 而四川蜡瓣花Corylopsis willmottiae Rehd. & Wils.被认为是授粉时胚珠尚未成熟(Endress, 1977; Endress & Iger-sheim, 1999)。四药门花花柱很短, 花粉管在授粉24 h后即可生长到花柱底部, 并且花谢后柱头很快枯萎, 因此不可能存在由花粉管生长速度缓慢导致的受精延迟, 但受精后胚发育停滞的细节尚有待进一步研究。
目前金缕梅科植物的传粉生物学研究仅见于Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)两个种, 二者的花部特征均符合蝇类传粉综合征(myophily syndrome, Faegri & van der Pijl, 1979), 并且主要的传粉者都是双翅目昆虫。双花木属Disanthus Maxim.
656
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
是现存金缕梅科中最原始的一个属(Zhang & Lu, 1995), 而双花木亚科Disanthoideae和金缕梅亚科亲缘关系较近, 二者可能来源于一个共同祖先(Pan et al., 1991); 在我们的研究中也发现多数金缕梅科植物都带有一些适合蝇类传粉的花部特征(未发表), 四药门花也具备蝇类传粉综合征中的一些性状, 如花白色、花瓣狭长等等。这说明在金缕梅亚科及其近缘类群中, 蝇类传粉可能是一个较为原始的性状, 该亚科中其他的传粉模式如自花授粉、蜂类传粉和风媒传粉可能都是由蝇类传粉演化而来。相对其他传粉昆虫, 蝇类的传粉能力较低(Larson et al., 2001), 这对金缕梅科植物可能是一种选择压力。Wyatt (1984)认为花粉数和胚珠数在进化中受不同的选择压力影响; 对于胚珠数固定为2个的金缕梅亚科植物来说, 低效率的传粉者带来的选择压力可能使之倾向于产生更多的花粉; 同时自花传粉也作为对有效传粉者缺乏的补偿而出现。鉴于金缕梅科中不依赖传粉者的传粉方式如风媒传粉在多个分支中出现了平行演化(Li et al., 1999), 有效传粉者缺乏的选择压力在金缕梅科植物繁育系统和传粉模式的演化中很可能是普遍存在的, 而四药门花的自花授粉可能也是这种选择压力的产物。 致谢 本研究蒙广东省中山市五桂山林场提供研究地点和野外协助; 华南农业大学童晓立教授鉴定昆虫; 罗中莱协助野外实验并参与论文初稿讨论。国家自然科学基金(30570314)和中国科学院知识创新工程(KSCX2-YW-Z-027)对本研究提供资助。在此一并致谢。
参考文献
Anderson GJ, Hill JD. 2002. Many to flower, few to fruit: the
reproductive biology of Hamamelis virginiana (Hamame- lidaceae). American Journal of Botany 89: 67–78.
Baker HG, Baker I. 1979. Starch in angiosperm pollen grain and
its evolutionary significance. American Journal of Botany 66: 591–600.
Bonnell ML, Selander RK. 1974. Elephant seals: genetic
variation and near extinction. Science 184: 908–909.
Chang H-T (张宏达). 1961. Additions to the hamamelidaceous
flora of China, III. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni (中山大学学报) (4): 51–57.
Chang H-T (张宏达). 1979. Hamamelidaceae. In: Flora
Republicae Popularis Sinicae (中国植物志). Beijing: Science Press. 35 (2): 68–73.
Chun W-Y (陈焕镛). 1934. Flora of Kwangtung. Sunyatsenia 1
(4): 245–247.
Cruden RW. 1977. Pollen-ovule ratios: a conservative indicator
of breeding systems in flowering plants. Evolution 31: 32–46.
Dafni A. 1992. Pollination ecology: a practical approach.
Oxford, London: Oxford University Press.
Endress PK. 1977. Evolutionary trends in the Hamamelidales-
Fagales group. Plant Systematics and Evolution (Supplement) 1: 321–347.
Endress PK. 1989. A supragenetic taxonomic classification of
the Hamamelidaceae. Taxon 38: 371–378.
Endress PK. 1993. Hamamelidaceae. In: Kubitzki K, Rohwer J,
Bittrich V eds. The families and genera of vascular plants. Berlin: Springer-Verlag. 2: 326.
Endress PK, Igersheim A. 1999. Gynoecium structure and
evolution of the basal eudicots. Botanical Journal of the Linnean Society 130: 305–393.
Feng Y-X (俸宇星), Chen Z-D (陈之端), Wang X-Q (汪小全),
Pan K-Y (潘开玉), Hong D-Y (洪德元). 1999. A taxonomic revision of the Loropetalum-Tetrathyrium complex and its systematic position in the Hamamelidaceae, based on morphology and ITS sequence data. Taxon 48: 689–700.
Faegri K, van der Pijl L. 1979. The principles of pollination
ecology. 3rd ed. Rev. New York: Pergamon Press.
Hall JA, Walter GH, Bergstrom DM, Machin P. 2004.
Pollination ecology of the Australian cycad Lepidozamia peroffskyana (Zamiaceae). Australian Journal of Botany 52: 333–343.
He T-H (何田华), Rao G-Y (饶广远), You R-L (尤瑞麟). 2000.
Reproductive biology of Ophiopogon xylorrhizus (Liliaceae s.l.): an endangered endemic of Yunnan, Southwest China. Australian Journal of Botany 48: 101–107.
Larson BMH, Kevan PG, Inouye DW. 2001. Flies and flowers:
taxonomic diversity of anthophiles and pollinators. The Canadian Entomologist 133: 439–465.
Ledig FT, Jacob-Cervantes V, Hodgskiss PD, Eguiluz-Piedra T.
1997. Recent evolution and divergence among populations of a rare Mexican endemic, Chihuahua spruce, following Holocene climatic warming. Evolution 51: 1815–1827. Li J-H, Bogle AL, Klein AS. 1999. Phylogenetic relationships
of the Hamamelidaceae inferred from sequences of internal transcribed spaces (ITS) of nuclear ribosome DNA. American Journal of Botany 86: 1027–1037.
Moog U, Fiala B, Federle W, Maschwitz U. 2002. Thrips
pollination of the dioecious ant plant Macaranga hullettii (Euphorbiaceae) in Southeast Asia. American Journal of Botany 89: 50–59.
Oliver D. 1883. Loropetalum subcordatum (Benth.) Oliv.
Hooker’s Icones Plantarum 15: 13–14, t. 1417.
Pan K-Y (潘开玉), Lu A-M (路安民), Wen J (文军). 1991. A
systematic study on the genus Disanthus Maxim. (Hamamelidaceae). Cathaya 3: 1–28.
Pellmyr O. 1985. Pollination ecology of Cimicifuga arizonica
(Ranunculaceae). Botanical Gazette 146: 404–412.
Preston RE. 1986. Pollen-ovule ratios in the Cruciferae.
American Journal of Botany 73: 1732–1740.
Sakai S. 2001. Thrips pollination of androdioecious Castilla
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
elastica (Moraceae) in a seasonal tropical forest. American Journal of Botany 88: 1527–1534.
Shoemaker DN. 1905. On the development of Hamamelis
virginiana. Botanical Gazette 39: 248–266.
Sogo A, Tobe H. 2006. Delayed fertilization and pollen-tube
growth in pistils of Fagus japonica (Fagaceae). American Journal of Botany 93: 1748–1756.
Vasek FC, Weng V. 1988. Breeding systems of Clarkia sect.
Phaeostoma (Onagraceae): I. Pollen-ovule ratios. Systematic Botany 13: 336–350.
Wiens D, Calvin CL, Wilson CA, Davern CI, Frank D, Seavey
SR. 1987. Reproductive success, spontaneous embryo 657
subcordatum. In: IUCN 2007. 2007 IUCN Red List of Threatened Species [online]. Available from www.iucnredlist.org [accessed 21 December 2007].
Xiao Y-A (肖宜安), He P (何平), Li X-H (李晓红). 2004.
Floral syndrome and breeding system of the endangered plant Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes. Acta Phytoecologica Sinica (植物生态学报) 28: 333–340.
Zhang Z-Y (张志耘), Lu A-M (路安民). 1995. Hamamelid-
aceae: Geographic distribution, fossil history and origin. Acta Phytotaxonomica Sinica (植物分类学报) 33: 313–339. Zhang Z-Y (张志耘), Chang H-T (张宏达), Endress PK. 2003.
abortion, and genetic load in flowering plants. Oecologia 77: 501–509.
World Conservation Monitoring Centre. 1998. Tetrathyrium
Hamamelidaceae. In: Wu ZY, Raven PH eds. Flora of China. Beijing: Science Press; St. Louis: Missouri Botanical Garden Press. 9: 18–42.
植物分类学报 46 (5): 651–657 (2008)
Journal of Systematics and Evolution (formerly Acta Phytotaxonomica Sinica)
doi: 10.3724/SP.J.1002.2008.08029
http://www.plantsystematics.com
濒危植物四药门花的自花授粉
1,2
12
顾 垒 1张奠湘*
(中国科学院华南植物园 广州 510650) (中国科学院研究生院 北京 100049)
Autogamy of an endangered species: Loropetalum subcordatum
(Hamamelidaceae)
1,2
1
Lei GU 1Dian-Xiang ZHANG*
(South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China)
2
(Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract The reproductive biology of Loropetalum subcordatum was studied. The floral phenology, pollen histochemistry, pollen-ovule ratio (P/O), pollen viability and floral visitors were investigated and determined. Assisted pollination experiments were carried out to examine the breeding system of L. subcordatum. Scanning electron microscopy (SEM) and fluorescence microscopy (FM) were employed to check the pollen germination and the growth of pollen tubes. Results were obtained as follows: (1) The flowering period of L. subcordatum was from September to the next February with a peak at September–October; the longevity of a single flower was 4–6 days. (2) L. subcordatum was protogynous, and pollen grains could be found on self-stigmata when the anthers opened 12–24 h after petals unrolling. (3)The pollen viability (MTT test) maintained for ca. 26 hours; the pollen was starchless; the P/O was 8420±720.86 (n=10); no nectar secretion was observed. (4) Thrips (Thrips sp.) were the only floral visitors observed but which seldom moved among inflorescences, thus played limited role in polli-nation. (5) Fruit sets of untreated bagged (5.30±1.83%) and hand assisted cross pollinated flowers (6.67±1.91%) were not significantly different from that of open flowers (4.79±1.45%). (6) SEM and FM observations proved that pollen germinated on self-stigmata and pollen tubes growed in self-styles. The results indicated that L. sub-cordatum was facultatively autogamous and without apomixes. The possibility of outcrossing and the protogyny might indicate that the species was originally a crosser. Flowers pollinated in September–October usually start ovule growth in next summer, and set mature fruits in next October (after the next flowering peak), suggesting the occurrence of retard embryo development. The possibility that autogamy in Hamamelidaceae could have been developed from fly pollination was also discussed.
Key words autogamy, Hamamelidaceae, Loropetalum subcordatum.
摘要 观测了四药门花Loropetalum subcordatum的开花物候、开花动态和访花者; 对其花粉组织化学、花粉胚珠比和花粉活力进行了检测; 通过人工控制授粉实验检测了其繁育系统; 使用扫描电子显微镜(SEM)观察了自花花粉在柱头上的萌发情况并使用荧光显微镜观察了花粉管在花柱中的生长情况。结果表明: 四药门花花期为9月至次年2月, 其中9–10月为开花高峰期; 单花花期4–6 d; 雌蕊先熟, 开花时柱头即有活性, 并持续到花谢; 花药于开花后12–24 h内开裂, 并能直接落置自花柱头; 离体花粉寿命约26 h, 花粉为非淀粉型, 花粉胚珠比为8420±720.86 (n=10); 无花蜜分泌。未观察到任何外来的访花者, 仅见到生活在头状花序中的蓟马Thrips sp., 且未见到蓟马在花间积极迁飞, 表明蓟马不是其有效的传粉者。无处理套网和辅助异株授粉的结实率(5.30%±1.83%/6.67%±1.91%)与自然对照(4.79%±1.45%)差异均不显著(P=0.847/0.616), 扫描电镜观察证明自花花粉能在柱头上顺利萌发, 荧光显微镜观察证明花粉管能在24 h内生长到花柱基部, 说明四药门花是自花传粉, 不存在无融合生殖。四药门花存在雌蕊先熟现象并且仍有异交可能, 说明其祖先类型曾经是异交植物。花谢后子房于次年夏天才开始膨大而果实于10月间开花高峰期后成熟, 说明存在胚发育延迟的现象。本文还讨论了金缕梅科Hamamelidaceae中自花传粉由蝇类传粉演化而来的可能性。
关键词 自花传粉; 金缕梅科; 四药门花 ———————————
2008-03-03收稿, 2008-06-04收修改稿。
* 通讯作者(Author for correspondence. E-mail: [email protected])。
652
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
金缕梅科Hamamelidaceae植物是研究金缕梅类Hamamelids系统发育的核心类群之一, 也是探讨被子植物起源与早期分化的重要类群(Zhang & Lu, 1995)。全科共30属140种, 分布于新旧大陆的亚热带和温带地区(Zhang et al., 2003)。该科植物的形态特征高度分化, 包含很多单种属、寡种属和大量的特有种(Li et al., 1999), 因此传粉方式也可能具有很高的多样性。长期以来, 对金缕梅科的研究集中于系统演化方面, 对其传粉生物学关注甚少。目前仅见对Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)的报道, 二者均是异交植物, 大量开花而结实率极低, 主要传粉者是双翅目Diptera昆虫。作为一个广泛分布而高度分化的类群, 金缕梅科传粉方式的分化尚有待深入研究。
四药门花Loropetalum subcordatum (Benth.) Oliv. (Zhang et al., 2003)属于金缕梅科最大的亚科Hamamelidae, 最初被Bentham在1861年以Tetra- thyrium subcordatum的名称发表。在相当长的一段时间内, 大多数学者都根据花基数的差别将四药门花属Tetrathyrium Benth.与檵木属Loropetalum R. Br. ex Rchb.区分开(Chun, 1934; Chang, 1961, 1979), 而Oliver (1883)则根据花瓣形态的相似将二者归并。Endress (1989)将四药门花属和檵木属置于同一个亚族Loropetalinae中, 并认为这二者的亲缘关系非常接近(Endress, 1993)。Feng等(1999)基于形态学特征和ITS序列对Loropetalum-Tetrathyrium复合体进行了分类修订, 并分析了其在金缕梅科中的系统位置, 结果支持Oliver将四药门花归并入檵木属的处理。
四药门花最早发现于香港, 并一度被认为仅限香港分布, 后来在广西龙州(Chang, 1979)和贵州茂兰(转引自Feng et al., 1999)等地相继发现。本种因分布狭窄数量稀少被IUCN (World Conservation Monitoring Centre, 1998)列为稀有种(rare), 而同属的檵木Loropetalum chinense (R. Br.) Oliv. 却是广泛分布于我国中部、南部和西南部乃至日本和印度的一个常见种(Chang, 1979)。四药门花和檵木的形态特征尤其是花部特征非常相似(Feng et al., 1999), 而分布和数量都有极大不同。研究四药门花的传粉生物学能够为探讨其濒危机制及制订合理的保护
措施提供依据。此外, 金缕梅科中具有带状花瓣的类群很多(包括檵木属), 而系统位置和传粉方式各有不同, 研究四药门花的传粉生物学也可以为深入了解金缕梅科传粉方式的分化积累资料。基于以上目的, 我们研究了四药门花的开花动态、花粉和柱头活力、花粉胚珠比和花粉组织化学、访花者及其行为、繁育系统和结实率限制因素。
1 材料和方法
1.1 研究材料和研究地点
四药门花为常绿灌木或小乔木, 零星分布于香港、广西、贵州, 近年来在广东的一些沿海丘陵地区也有发现。本研究所在的五桂山即是新近发现的四药门花分布点。
野外观察和试验在广东省中山市五桂山林场水源林(22˚25′ N, 113˚25′ E, 海拔150 m)开展。四药门花在当地的常绿阔叶林中沿溪流两岸生长, 主要伴生植物有山油柑Acronychia pedunculata (L.) Miq.、假苹婆Sterculia lanceolata Cav.、大头茶Gordonia axillaris (Roxb.) Dietr.、鸭脚木Schefflera octophylla (Lour.) Harms、山杜英Elaeocarpus sylvestris (Lour.) Poir.、岭南山竹子Garcinia ob-longifolia Champ. ex Benth.、变叶树参Dendropanax proteus (Champ.) Benth.、露兜草Pandanus aus-trosinensis T. L. Wu、九节Psychotria rubra (Lour.) Poir.、猪笼草Nepenthes mirabilis (Lour.) Druce等。 1.2 开花动态和访花者的观察
2006年10月15日至25日标记花蕾膨大的花序, 连续观察其花序和单花的开花动态, 包括花瓣张开、花药开裂、柱头变色和凋谢的过程。同时连续观察访花者, 采集不同时期的花序, 用乙酸乙酯熏蒸后收集其中的蓟马, 干燥后供鉴定并以扫描电镜观察其携带花粉情况。此外从2006年10月到2007年11月间定期前往研究地点观察其居群水平上的开花动态和果实成熟情况。
1.3 花粉活力和柱头活力的检测
花粉活力和柱头可授性均采用MTT法检测(Dafni, 1992), 经MTT处理后变为蓝黑色的花粉和柱头有活力, 不变色或黄褐色的则无活力。从刚开裂的花药中收集花粉保存, 每隔1 h取一份用MTT处理, 并于显微镜下统计着色与未着色的花粉数
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
653
量。从花瓣张开时起采集不同阶段的花用MTT处理其柱头, 并统计变色与未变色柱头的数量(n=10)。 1.4 花粉组织化学和花粉胚珠比的检测
采集新鲜花粉, 用IKI和苏丹IV检测花粉的储存物质类型, 花粉中的淀粉在IKI溶液中变褐色, 脂类物质在苏丹IV溶液中呈现红色(Dafni, 1992)。采集刚开放而花药未开裂的花用FAA固定备用。在实验室中将单个花药移入一个有刻度的离心管, 捣碎, 加入乳酸酚溶液混匀并定容至1 mL, 用旋涡振荡器振荡60 s后, 吸取1 μL花粉悬浮液于载玻片上, 头被雄蕊紧紧包围, 在不破坏雄蕊的情况下只有穿过其间的空隙才能接触到柱头(图1: B)。 2.2 开花动态
四药门花的花期为9月至次年2月, 其中9–10月为开花高峰期, 之后为零星开放; 有时刚刚凋谢的花序所在的叶腋会长出新的花序继续开放。在一个头状花序中, 下方的花会先开放, 但整个花序的开花时间都相隔不远, 并且在一天中没有特定的开花时间。花瓣完全伸展开需要6–24 h, 此时柱头已有活性。开花后12–24 h间花药开裂, 同一朵花内花药在显微镜下统计花粉数, 每个花药重复10次。胚珠数为固定的2个。花粉胚珠比用花粉量除以胚珠数得出。
1.5 人工控制授粉实验
为了检测四药门花的繁育系统和结实率限制因素, 我们设立了如下3种处理并分别统计了结实率: (1)自然对照组, 标记花序, 不做任何处理; (2)无处理套网组, 标记未开花序, 套网, 待花谢后除去网袋; (3)套网人工辅助异株授粉组, 标记初开花序, 取异株花粉于水中制成悬浊液, 滴在被标记花序上, 套网, 待花谢后除去网袋。四药门花的花小而密集, 且柱头被雄蕊包围, 不可能在不破坏柱头或子房的情况下去雄。网袋使用150目的尼龙滤布(孔径0.105 mm)制作, 以确保隔离体积较小的访花者。 1.6 自花花粉萌发情况的检测
为了排除无融合生殖的可能性, 我们标记了一批未开花序, 在其花药开裂24 h后采下用FAA固定, 部分用扫描电镜(SEM)观察自花花粉在柱头上的萌发情况, 其余取整条花柱用无色苯胺蓝溶液染色并压片, 在荧光显微镜(FM)下观察花粉管在花柱中的生长。
2 结果
2.1 花部形态
四药门花的头状花序生于当年生新枝的叶腋, 每个花序有两性花19.10±0.35朵(n=20) (图1: A)。花基数5, 少数为4; 萼筒长约1.5 mm, 被星状毛, 萼片长约2 mm; 花瓣带状, 长25.35±3.18 mm (n=20), 白色; 雄蕊长约2 mm, 药隔前端突出约0.5 mm; 退化雄蕊垫状, 黄绿色, 二叉分裂; 花柱长约0.5 mm, 柱头掌状浅裂。需要特别注意的是, 自然状态下柱
开裂基本同步, 在一天中也没有特定的开裂时间。
图1 A. 四药门花的花序。B. 切除1枚萼片的花, 箭头所示为被雄蕊和花瓣包围的柱头。C. 在柱头上萌发的自花花粉, 箭头所示为花粉管。D. 花粉管在花柱中的生长情况。E. 生活在花序中的蓟马成虫。F. 蓟马身上携带的花粉。
Fig. 1. A, Inflorescences of Loropetalum subcordatum. B, A single flower with one sepal removed; arrows show the stigmas surrounded by stamens and petals. C, Pollen grains germinating on self-stigma (SEM); arrows show pollen tubes. D, Pollen tubes in a style (FM). E, A mature thrips (Thrips sp.) found in an inflorescence. F, Pollen grains carried by a thrips.
654
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
花药开裂后, 柱头上即可见到自花花粉。单花花期为4–6 d (n=20), 花瓣脱落时可见柱头变色。花瓣凋谢后, 整个头状花序还会在枝条上保留很长时间, 在其脱落或子房开始膨大之前都无法判断传粉是否成功。此外, 整个开花过程都没有花蜜分泌, 只散发出很淡的香气。 2.3 花粉和柱头活力、花粉组织化学和花粉胚珠比
经MTT检测, 花药刚开裂时花粉即有活力(>90%), 离体花粉活力可持续约26 h, 之后迅速衰减。花瓣展开时柱头即有活力, 并一直持续到花瓣脱落为止。
经IKI和苏丹IV检测, 四药门花的花粉为非淀粉型(starchless, 定义按照Baker & Baker, 1979)。单个花药的花粉量为3368±288.34 (n=10), 胚珠数为固定的2个。以每朵花5枚雄蕊计, 其花粉胚珠比为8420±720.86 (n=10)。 2.4 人工控制授粉实验
花谢以后子房的发育呈停滞状态, 到次年夏天才开始膨大, 果实于10月间开花高峰期后成熟。由于无法判断发育停滞的子房中胚珠是否受精, 结实率以最终成熟的果实数量统计。如表1所示, 四药门花的自然结实率相当低, 而无处理套网和人工辅助异株授粉的结实率与自然对照组差异也不显著, 说明四药门花是自交亲和的。扫描电镜观察发现自花花粉在柱头上可以顺利萌发(图1: C)。荧光显微镜观察证实花粉管在花粉落置柱头24 h后就能生长到花柱底部(图1: D)。 2.5 访花者
实验中未观察到任何外来的访花者, 只有为数众多的蓟马Thrips sp. (Thripidae)生活在花中。未开放的花序中没有蓟马, 在开放的花序(包括花药未开裂和花药已开裂的)中我们捕捉到了蓟马的幼龄、老龄若虫和成虫(图1: E), 经扫描电镜观测发现了附着在蓟马身上的四药门花花粉(图1: F)。蓟马在花
表1 四药门花的结实率 Table 1 Fruit set of Loropetalum subcordatum 处理
Treatment 自然对照 Open
无处理套网 Untreated bagged 辅助异株授粉 Assisted cross pollination
花朵数
Flower number
序中的活动主要为采食花粉, 由于发现了幼龄若虫, 应该还有繁殖行为。但是观察中极少发现蓟马飞出花序, 也没有见到蓟马在植株之间迁移。由于实验期间均为晴好天气, 我们模拟了降雨, 即将水滴入花序, 此时可观察到蓟马纷纷出逃。这说明阴雨天气蓟马在花序中的活动可能减少。
3 讨论
很多植物的自花授粉是自发完成的(Faegri & van der Pijl, 1979), 其花部结构使得花粉在不借助任何外力的情况下即能传播到自花柱头上。四药门花就具备这样的花部结构, 由于花药位置高于柱头并且将柱头紧紧包围, 花药开裂后在柱头上即可见到自花花粉。虽然有雌蕊先熟的现象, 但柱头在整个单花花期内都有活性, 所以单花中雌性和雄性的活性时期没有时间隔离。有些具备类似花部结构的植物以强烈的自交不亲和避免了自花传粉, 例如蝶形花科Papilionaceae和山龙眼科Proteaceae的一些类群, 但人工控制授粉实验证明四药门花可以自交结实。开花和花药开裂在一天中没有固定的节律, 暗示四药门花不依赖按一定时间规律活动的传粉者, 并且四药门花也不分泌可做为传粉报酬的花蜜。此外, 花粉能在自花柱头上顺利萌发, 进一步表明四药门花是自交亲和的, 排除了无融合生殖的可能性。以上这些特征构成了典型的自花授粉综合征(Faegri & van der Pijl, 1979)。人工辅助异株授粉的结实率(6.67%±1.91%)略高于自然对照(4.79%± 1.45%), 但差异不显著, 说明四药门花可能也存在异交。此外四药门花并不具备大到可以包裹住雄蕊和柱头的花被片, 授粉也并非在开花前进行; 虽然观察到的访花蓟马迁飞不活跃, 但不能排除在某种情况下在花间迁移的可能, 因而还有促进异交的可能, 所以四药门花的繁育系统是兼性自花传粉
显著性 结实率
Significance of deviation Fruit-set ratio
(P) (±SE, %)
382 18 4.79±1.45 –
果实数
Fruit number
383 21 5.30±1.83 0.847
189 12 6.67±1.91 0.616
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
655
(facultative autogamy)。金缕梅科中的很多植物都被认为是风媒传粉的(Zhang & Lu, 1995), 但这些植物都有不同程度的单性花分化和花被片缺失, 而且柱头都很发达。四药门花具有完整的两性花, 柱头很小并被花被片和雄蕊包围, 接触到风力传播的花粉的可能性非常小。因此四药门花不可能存在风媒传粉现象。
成功的自花传粉植物的自然结实率约为85% Pellmyr (1985)认为极高的花粉/胚珠比可能是对有效传粉者收集花粉的过程中所造成绝大部分花粉损失的补偿, 这一推论对四药门花并不适用。我们观察到的仅有的访花者是蓟马, 而四药门花的花部结构也决定了只有蓟马这么小的访花者才可能接触到柱头。有报道指蓟马(统称, 包括其他的缨翅目昆虫)为一些植物传粉(Sakai, 2001; Moog et al., 2002; Hall, 2004), 但大多数研究者承认蓟马并不是(Weins et al., 1987), 而四药门花的自然结实率仅有4.79%±1.45%, 远低于前者, 也远低与同属同样具有自花授粉习性的檵木(未发表数据)。由于四药门花自交亲和并且花粉可以无障碍地传播到自花柱头上, 所以结实率不受花粉量或传粉者的限制; 自交与人工辅助异交的结实率差异不显著, 说明资源限制应该是结实率的主要限制因素。四药门花的自然分布间断而狭窄, 居群规模都很小, 长期的自交可能导致其居群内遗传多样性过低, 即使能够异株传粉, 效果也和自交区别不大, 这也可能是四药门花的异交结实率低(人工辅助异株授粉结实率仅有6.67%±1.91%)的原因。在野外观察中极少发现四药门花的小苗, 说明其居群自然更新能力很差, 从另一方面暗示了可能存在近交衰退。近交衰退作为物种濒危机制的重要假说已有很多报道(Bonnell & Selander, 1974; Ledig et al., 1997), 我们也正在开展四药门花的居群遗传结构研究以验证这一猜想。
Cruden (1977)对花粉/胚珠比与繁育系统的相关性的研究表明, 自花传粉植物的花粉/胚珠比应该比较低。四药门花的花粉/胚珠比为8420±720.86, 远远高于Cruden (1977)所统计的专性自花传粉(27.7±3.1)和兼性自花传粉(168.5±22.1)植物。我们在对金缕梅科植物花粉/胚珠比的研究(未发表)中发现, 在繁育系统相同的前提下, 金缕梅科植物的花粉/胚珠比普遍比Cruden (1977)用以推断繁育系统的标准高了1–2个数量级, 但仍然表现出随着异交程度提高而提高的趋势。这一现象符合Preston (1986)的观点, 即没有一个固定的将花粉/胚珠比与繁育系统匹配的标准, 任何包含花粉/胚珠比的研究一定要基于其自有的标准之上。Vasek和Weng (1988)也认为评价繁育系统的标准要建立在科(或者族)的水平上, 不能混用其他类群的标准。在整个金缕梅科的背景下, 四药门花的花粉/胚珠比是比较低的, 与其兼性自交的繁育系统相对应。
有效的传粉者。我们在野外观察中没有发现蓟马在植株间积极迁飞, 在扫描电镜下对蓟马的观察结果亦表明其携带花粉的能力很差, 加上贫弱的飞行能力及对恶劣天气的敏感, 即使能为四药门花传递异花花粉, 作用也相当微弱。因此四药门花在自然条件下可能缺乏有效的异株传粉者。He等(2000)对木根麦冬Ophiopogon xylorrhizus Wang & Tai繁殖生物学的报道认为, 缺乏有效传粉者、异交没有保障可能是该种出现自交的原因。我们认为四药门花也有类似现象。
四药门花秋季开花而果实于次年成熟, 从花谢到子房开始膨大之间有很长的发育停滞时期, 说明存在延迟受精或胚发育延迟现象。Sogo和Tobe (2006)认为延迟受精存在几种不同的类型, 如花粉管在花柱底部的生长速度下降、授粉时胚珠尚未发育完全等, 从传粉到受精之间可能间隔4天到一年以上。延迟受精现象在金缕梅科中已有多例报道, 如Hamamelis virginiana L. (Shoemaker, 1905)和山白树Sinowilsonia henryi Hemsl. (Endress, 1977)传粉和受精之间的间隔都大于4天, 而四川蜡瓣花Corylopsis willmottiae Rehd. & Wils.被认为是授粉时胚珠尚未成熟(Endress, 1977; Endress & Iger-sheim, 1999)。四药门花花柱很短, 花粉管在授粉24 h后即可生长到花柱底部, 并且花谢后柱头很快枯萎, 因此不可能存在由花粉管生长速度缓慢导致的受精延迟, 但受精后胚发育停滞的细节尚有待进一步研究。
目前金缕梅科植物的传粉生物学研究仅见于Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)两个种, 二者的花部特征均符合蝇类传粉综合征(myophily syndrome, Faegri & van der Pijl, 1979), 并且主要的传粉者都是双翅目昆虫。双花木属Disanthus Maxim.
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
655
(facultative autogamy)。金缕梅科中的很多植物都被认为是风媒传粉的(Zhang & Lu, 1995), 但这些植物都有不同程度的单性花分化和花被片缺失, 而且柱头都很发达。四药门花具有完整的两性花, 柱头很小并被花被片和雄蕊包围, 接触到风力传播的花粉的可能性非常小。因此四药门花不可能存在风媒传粉现象。
成功的自花传粉植物的自然结实率约为85% Pellmyr (1985)认为极高的花粉/胚珠比可能是对有效传粉者收集花粉的过程中所造成绝大部分花粉损失的补偿, 这一推论对四药门花并不适用。我们观察到的仅有的访花者是蓟马, 而四药门花的花部结构也决定了只有蓟马这么小的访花者才可能接触到柱头。有报道指蓟马(统称, 包括其他的缨翅目昆虫)为一些植物传粉(Sakai, 2001; Moog et al., 2002; Hall, 2004), 但大多数研究者承认蓟马并不是(Weins et al., 1987), 而四药门花的自然结实率仅有4.79%±1.45%, 远低于前者, 也远低与同属同样具有自花授粉习性的檵木(未发表数据)。由于四药门花自交亲和并且花粉可以无障碍地传播到自花柱头上, 所以结实率不受花粉量或传粉者的限制; 自交与人工辅助异交的结实率差异不显著, 说明资源限制应该是结实率的主要限制因素。四药门花的自然分布间断而狭窄, 居群规模都很小, 长期的自交可能导致其居群内遗传多样性过低, 即使能够异株传粉, 效果也和自交区别不大, 这也可能是四药门花的异交结实率低(人工辅助异株授粉结实率仅有6.67%±1.91%)的原因。在野外观察中极少发现四药门花的小苗, 说明其居群自然更新能力很差, 从另一方面暗示了可能存在近交衰退。近交衰退作为物种濒危机制的重要假说已有很多报道(Bonnell & Selander, 1974; Ledig et al., 1997), 我们也正在开展四药门花的居群遗传结构研究以验证这一猜想。
Cruden (1977)对花粉/胚珠比与繁育系统的相关性的研究表明, 自花传粉植物的花粉/胚珠比应该比较低。四药门花的花粉/胚珠比为8420±720.86, 远远高于Cruden (1977)所统计的专性自花传粉(27.7±3.1)和兼性自花传粉(168.5±22.1)植物。我们在对金缕梅科植物花粉/胚珠比的研究(未发表)中发现, 在繁育系统相同的前提下, 金缕梅科植物的花粉/胚珠比普遍比Cruden (1977)用以推断繁育系统的标准高了1–2个数量级, 但仍然表现出随着异交程度提高而提高的趋势。这一现象符合Preston (1986)的观点, 即没有一个固定的将花粉/胚珠比与繁育系统匹配的标准, 任何包含花粉/胚珠比的研究一定要基于其自有的标准之上。Vasek和Weng (1988)也认为评价繁育系统的标准要建立在科(或者族)的水平上, 不能混用其他类群的标准。在整个金缕梅科的背景下, 四药门花的花粉/胚珠比是比较低的, 与其兼性自交的繁育系统相对应。
有效的传粉者。我们在野外观察中没有发现蓟马在植株间积极迁飞, 在扫描电镜下对蓟马的观察结果亦表明其携带花粉的能力很差, 加上贫弱的飞行能力及对恶劣天气的敏感, 即使能为四药门花传递异花花粉, 作用也相当微弱。因此四药门花在自然条件下可能缺乏有效的异株传粉者。He等(2000)对木根麦冬Ophiopogon xylorrhizus Wang & Tai繁殖生物学的报道认为, 缺乏有效传粉者、异交没有保障可能是该种出现自交的原因。我们认为四药门花也有类似现象。
四药门花秋季开花而果实于次年成熟, 从花谢到子房开始膨大之间有很长的发育停滞时期, 说明存在延迟受精或胚发育延迟现象。Sogo和Tobe (2006)认为延迟受精存在几种不同的类型, 如花粉管在花柱底部的生长速度下降、授粉时胚珠尚未发育完全等, 从传粉到受精之间可能间隔4天到一年以上。延迟受精现象在金缕梅科中已有多例报道, 如Hamamelis virginiana L. (Shoemaker, 1905)和山白树Sinowilsonia henryi Hemsl. (Endress, 1977)传粉和受精之间的间隔都大于4天, 而四川蜡瓣花Corylopsis willmottiae Rehd. & Wils.被认为是授粉时胚珠尚未成熟(Endress, 1977; Endress & Iger-sheim, 1999)。四药门花花柱很短, 花粉管在授粉24 h后即可生长到花柱底部, 并且花谢后柱头很快枯萎, 因此不可能存在由花粉管生长速度缓慢导致的受精延迟, 但受精后胚发育停滞的细节尚有待进一步研究。
目前金缕梅科植物的传粉生物学研究仅见于Hamamelis virginiana L. (Anderson & Hill, 2002)和长柄双花木Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes H. T. Chang (Xiao et al., 2004)两个种, 二者的花部特征均符合蝇类传粉综合征(myophily syndrome, Faegri & van der Pijl, 1979), 并且主要的传粉者都是双翅目昆虫。双花木属Disanthus Maxim.
656
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷5期
是现存金缕梅科中最原始的一个属(Zhang & Lu, 1995), 而双花木亚科Disanthoideae和金缕梅亚科亲缘关系较近, 二者可能来源于一个共同祖先(Pan et al., 1991); 在我们的研究中也发现多数金缕梅科植物都带有一些适合蝇类传粉的花部特征(未发表), 四药门花也具备蝇类传粉综合征中的一些性状, 如花白色、花瓣狭长等等。这说明在金缕梅亚科及其近缘类群中, 蝇类传粉可能是一个较为原始的性状, 该亚科中其他的传粉模式如自花授粉、蜂类传粉和风媒传粉可能都是由蝇类传粉演化而来。相对其他传粉昆虫, 蝇类的传粉能力较低(Larson et al., 2001), 这对金缕梅科植物可能是一种选择压力。Wyatt (1984)认为花粉数和胚珠数在进化中受不同的选择压力影响; 对于胚珠数固定为2个的金缕梅亚科植物来说, 低效率的传粉者带来的选择压力可能使之倾向于产生更多的花粉; 同时自花传粉也作为对有效传粉者缺乏的补偿而出现。鉴于金缕梅科中不依赖传粉者的传粉方式如风媒传粉在多个分支中出现了平行演化(Li et al., 1999), 有效传粉者缺乏的选择压力在金缕梅科植物繁育系统和传粉模式的演化中很可能是普遍存在的, 而四药门花的自花授粉可能也是这种选择压力的产物。 致谢 本研究蒙广东省中山市五桂山林场提供研究地点和野外协助; 华南农业大学童晓立教授鉴定昆虫; 罗中莱协助野外实验并参与论文初稿讨论。国家自然科学基金(30570314)和中国科学院知识创新工程(KSCX2-YW-Z-027)对本研究提供资助。在此一并致谢。
参考文献
Anderson GJ, Hill JD. 2002. Many to flower, few to fruit: the
reproductive biology of Hamamelis virginiana (Hamame- lidaceae). American Journal of Botany 89: 67–78.
Baker HG, Baker I. 1979. Starch in angiosperm pollen grain and
its evolutionary significance. American Journal of Botany 66: 591–600.
Bonnell ML, Selander RK. 1974. Elephant seals: genetic
variation and near extinction. Science 184: 908–909.
Chang H-T (张宏达). 1961. Additions to the hamamelidaceous
flora of China, III. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni (中山大学学报) (4): 51–57.
Chang H-T (张宏达). 1979. Hamamelidaceae. In: Flora
Republicae Popularis Sinicae (中国植物志). Beijing: Science Press. 35 (2): 68–73.
Chun W-Y (陈焕镛). 1934. Flora of Kwangtung. Sunyatsenia 1
(4): 245–247.
Cruden RW. 1977. Pollen-ovule ratios: a conservative indicator
of breeding systems in flowering plants. Evolution 31: 32–46.
Dafni A. 1992. Pollination ecology: a practical approach.
Oxford, London: Oxford University Press.
Endress PK. 1977. Evolutionary trends in the Hamamelidales-
Fagales group. Plant Systematics and Evolution (Supplement) 1: 321–347.
Endress PK. 1989. A supragenetic taxonomic classification of
the Hamamelidaceae. Taxon 38: 371–378.
Endress PK. 1993. Hamamelidaceae. In: Kubitzki K, Rohwer J,
Bittrich V eds. The families and genera of vascular plants. Berlin: Springer-Verlag. 2: 326.
Endress PK, Igersheim A. 1999. Gynoecium structure and
evolution of the basal eudicots. Botanical Journal of the Linnean Society 130: 305–393.
Feng Y-X (俸宇星), Chen Z-D (陈之端), Wang X-Q (汪小全),
Pan K-Y (潘开玉), Hong D-Y (洪德元). 1999. A taxonomic revision of the Loropetalum-Tetrathyrium complex and its systematic position in the Hamamelidaceae, based on morphology and ITS sequence data. Taxon 48: 689–700.
Faegri K, van der Pijl L. 1979. The principles of pollination
ecology. 3rd ed. Rev. New York: Pergamon Press.
Hall JA, Walter GH, Bergstrom DM, Machin P. 2004.
Pollination ecology of the Australian cycad Lepidozamia peroffskyana (Zamiaceae). Australian Journal of Botany 52: 333–343.
He T-H (何田华), Rao G-Y (饶广远), You R-L (尤瑞麟). 2000.
Reproductive biology of Ophiopogon xylorrhizus (Liliaceae s.l.): an endangered endemic of Yunnan, Southwest China. Australian Journal of Botany 48: 101–107.
Larson BMH, Kevan PG, Inouye DW. 2001. Flies and flowers:
taxonomic diversity of anthophiles and pollinators. The Canadian Entomologist 133: 439–465.
Ledig FT, Jacob-Cervantes V, Hodgskiss PD, Eguiluz-Piedra T.
1997. Recent evolution and divergence among populations of a rare Mexican endemic, Chihuahua spruce, following Holocene climatic warming. Evolution 51: 1815–1827. Li J-H, Bogle AL, Klein AS. 1999. Phylogenetic relationships
of the Hamamelidaceae inferred from sequences of internal transcribed spaces (ITS) of nuclear ribosome DNA. American Journal of Botany 86: 1027–1037.
Moog U, Fiala B, Federle W, Maschwitz U. 2002. Thrips
pollination of the dioecious ant plant Macaranga hullettii (Euphorbiaceae) in Southeast Asia. American Journal of Botany 89: 50–59.
Oliver D. 1883. Loropetalum subcordatum (Benth.) Oliv.
Hooker’s Icones Plantarum 15: 13–14, t. 1417.
Pan K-Y (潘开玉), Lu A-M (路安民), Wen J (文军). 1991. A
systematic study on the genus Disanthus Maxim. (Hamamelidaceae). Cathaya 3: 1–28.
Pellmyr O. 1985. Pollination ecology of Cimicifuga arizonica
(Ranunculaceae). Botanical Gazette 146: 404–412.
Preston RE. 1986. Pollen-ovule ratios in the Cruciferae.
American Journal of Botany 73: 1732–1740.
Sakai S. 2001. Thrips pollination of androdioecious Castilla
顾垒, 张奠湘: 濒危植物四药门花的自花授粉
elastica (Moraceae) in a seasonal tropical forest. American Journal of Botany 88: 1527–1534.
Shoemaker DN. 1905. On the development of Hamamelis
virginiana. Botanical Gazette 39: 248–266.
Sogo A, Tobe H. 2006. Delayed fertilization and pollen-tube
growth in pistils of Fagus japonica (Fagaceae). American Journal of Botany 93: 1748–1756.
Vasek FC, Weng V. 1988. Breeding systems of Clarkia sect.
Phaeostoma (Onagraceae): I. Pollen-ovule ratios. Systematic Botany 13: 336–350.
Wiens D, Calvin CL, Wilson CA, Davern CI, Frank D, Seavey
SR. 1987. Reproductive success, spontaneous embryo 657
subcordatum. In: IUCN 2007. 2007 IUCN Red List of Threatened Species [online]. Available from www.iucnredlist.org [accessed 21 December 2007].
Xiao Y-A (肖宜安), He P (何平), Li X-H (李晓红). 2004.
Floral syndrome and breeding system of the endangered plant Disanthus cercidifolius Maxim. var. longipes. Acta Phytoecologica Sinica (植物生态学报) 28: 333–340.
Zhang Z-Y (张志耘), Lu A-M (路安民). 1995. Hamamelid-
aceae: Geographic distribution, fossil history and origin. Acta Phytotaxonomica Sinica (植物分类学报) 33: 313–339. Zhang Z-Y (张志耘), Chang H-T (张宏达), Endress PK. 2003.
abortion, and genetic load in flowering plants. Oecologia 77: 501–509.
World Conservation Monitoring Centre. 1998. Tetrathyrium
Hamamelidaceae. In: Wu ZY, Raven PH eds. Flora of China. Beijing: Science Press; St. Louis: Missouri Botanical Garden Press. 9: 18–42.