沙生植物倒披针叶虫实交配系统的研究

周娟，刘彤*，汤景光 ，崔向阳

（1石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003；2新疆生产建设兵团第十四师224团农业科，新疆 和田 848100）

繁育系统是指代表所有影响后代遗传组成的有性特征的总和[1]，主要包括花形态特征、花的开放式样、花各部位的寿命、传粉者种类和频率、自交亲和程度和交配系统，其中交配系统是核心[2]。交配系统的时空动态基本上是由遗传控制的花的特征决定，如花粉/胚珠值、花形态、花粉大小、自交亲和的程度等[3]。植物繁育系统是影响生殖后代遗传组成和适合度的主要因素，而交配系统的定量测定已经成为繁育系统研究中的一个重要部分[4-9]。

在干旱区荒漠、半荒漠及盐碱地上分布的植物，为了适应严酷环境而形成了各种适应荒漠的特征，其中繁育系统为其种群的延续起到了重要作用。例如地肤属（KochiaRoth）木地肤（Kochia prostrata）的繁育系统为异交自交混合型繁殖系统[10]；石竹科（Caryophyllaceae） 裸果木属 （Gymnocarpos） 裸果木（Gymnocarpos przewalskii）的繁育系统为兼性异交类型且需要传粉者[11]。十字花科（Brassicaceae）早春短命植物甘新念珠芥（Neotorularia korolkovii）和宽翅菘蓝（Isatis violascens）主要以自花传粉的方式进行交配[12]。罂粟科（Papaveraceae sp.）角茴香属（Hypecoum）的早春沙生短命植物角茴香(Hypecoum erectumL.)为混合式繁育系统[13]。紫草科（Boraginaceae）鹤虱属（LappulaV.Wolf）的两形果鹤虱（Lappula duplicicarpa）和异形狭果鹤虱（L.semiglabra）为混合式交配系统[14]。荒漠地区植物的繁育系统不存在一致性，即使属于同一科属，不同种的植物的繁育系统也存在一定差异。

倒披针叶虫实 (C.Lehmannianum)为藜科虫实属一年生早春短命植物，在古尔班通古特沙漠主要生长于沙丘的中部和上部沙面呈活化状态的区域，且分布广泛，重要值仅次于沙漠建群种白梭梭(Haloxylon persicum)，是一类极具开发价值的沙生植物[15-17]。但是，目前关于该物种的繁育系统研究较少，尤其是对其生活周期中关键阶段的花粉活力、柱头可授性等方面的研究尚鲜见报道。因此，本研究对倒披针叶虫实繁育系统进行研究，揭示其在沙漠环境下所采取的繁殖策略及其广布原因，以期为保护和开发该植物资源提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于古尔班通古特南缘，新疆生产建设兵团第八师148团沙漠，该区属温带干旱荒漠气候。全年平均气温5-7℃，夏季炎热，极端高温可达40℃以上，冬季酷寒而漫长，极端低温可达-40℃以下。冬季一般积雪深度10-30 cm，使得该区土壤墒情和水热配置良好，为短命植物的生长发育提供了良好的条件。年降水量70-150 mm，年蒸发量为2000-2800 mm，为降水量的10倍以上。实验时间为5月初至6月初，从倒披针叶虫实开花到生育期结束。

1.2 方法

1.2.1 花部特征观测

开花时，在10个处于盛花期的植株上随机选取20朵小花，使用解剖镜对其花部特征进行解剖观测并拍照，统计分析不同植株上的小花在形态特征上是否存在差异。

1.2.2 花粉活力及柱头可授性观测

1.2.2.1 花粉活力的变化

于盛花期的某天 6：30-18：30，每隔 1 h取 1次花粉，对处于同一发育状态的单花进行花粉活力日变化的测定。具体方法是取花药放置在载玻片上，用解剖针将其戳破，使花粉散出，滴0.5%TTC的染液，迅速盖上盖玻片，放入内有湿滤纸的培养皿中，在黑暗条件下放置2 h，4次重复，每个重复观测5个视野，被染成红色(活力较强)和淡红色(活力较弱)的为有活力花粉，无色的则为无活力的花粉。有活力花粉的比率（%）＝（红色花粉数目＋淡红色花粉数目）/观察花粉总数目×100%。

1.2.2.2 柱头的可授性检验

采用过氧化氢-联苯胺法检验柱头可授性。具体做法是在盛花期某天6：30-16：30，每隔 1 h取1次同样发育状态的柱头，将其柱头浸入盛有反应液（体积比为1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水＝4∶11∶22）的凹形载玻片的凹陷处进行检测。若柱头具有可授性，则周围出现蓝色并有大量气泡产生。

1.2.3 花粉－胚珠比(P/O)的测定

按照Cruden[18]的方法，选取花药尚未开裂的花10个，用FAA固定，带回实验室。取每朵花的所有花药，分别置于若干载玻片上，在体视显微镜下用解剖针去除花药壁，使花粉散出，做成水装片，置于显微镜下观察，统计花粉量之和，共10个重复。取雌蕊在体视显微镜下用解剖针划开，计数胚珠数，重复10次。用平均单花花粉量除以平均单花胚珠数即得P/O值。

1.2.4 杂交指数的估算

参照 Dafni[19]的标准进行杂交指数（Outcross index，OCI）的估算和繁育系统的评判：花朵或花序直径<1 mm记为0；1≤x<2 mm记为 1；2≤x<6 mm记为2；x≥6 mm记为3；花药开裂时间与柱头可授期之间的时间间隔，同时或雌蕊先熟记为0，雄蕊先熟记为1；柱头与花药的空间位置，同一高度记为0，空间分离记为1。三者之和为OCI值，当OCI＝0时，繁育系统为闭花受精；OCI＝1时，繁育系统为专性自交；OCI＝2时，繁育系统为兼性自交；OCI＝3时，繁育系统为自交亲和，有时需传粉者；OCI＝4时，繁育系统为部分自交亲和、异交，需要传粉者。

1.2.5 授粉实验

由于倒披针叶虫实穗状花序中的花较小，去雄很困难。因此，在实验时，我们选取生长势基本一致的植株10个，并在每植株相同部位上标记大小基本一致且即将开放的穗状花序2个（共20个），将这些花序分成2组（每组10个）进行如下处理：（a）不套袋，自然传粉，检测其结实率；（b）开花前套羊皮纸袋，检测自花传粉条件下的结实率。

1.2.6 数据分析

利用统计分析软件SPSS15.0对所测数据进行处理分析。首先用Kolmogorov-Smirnov检验各组数据的正态性，经检验各组数据均符合正态分布后，进行方差齐次性检验。使用Excel 2003软件绘制曲线图。

2 结果与分析

2.1 花部特征观测

倒披针叶虫实花期一般从5月上旬开始，6月上旬结束，花序自下向上渐次开花。解剖发现小花在形态特征上有些许差异，主要体现在雄蕊个数上。实验过程中，在解剖镜下观察到了具有3枚雄蕊和罕见的具有4枚雄蕊的植株个体。普通的倒披针叶虫实雄蕊数量为1到3枚，普遍为3枚。

图1 单花发育的形态特征Fig.1 Flower morphology ofC.lehmannianum

2.2 花粉活力及柱头可授性

倒披针叶虫实花的花粉活力动态变化曲线图（图2）显示：当太阳还未升起，温度很低湿度很大时，花粉活力最低只有 26%；在早 9：30时，温度湿度都较为适宜，花粉活力达到最高峰为93.8%；活力高峰后3 h时内的花粉活力均在70%以上，随后花粉活力开始缓慢下降。柱头可授性在6：30-7：30无可授性，9：30-10：30时可授性最强，此后逐渐减弱。倒披针叶虫实花的花粉活力与柱头可授期具有高度的同步性，其花粉活力最高时期正是柱头的最佳可授期。

图2 倒披针叶虫实花粉活力的日变化Fig 2 The daily change of pollen viability ofC.lehmannianum

表1 倒披针叶虫实柱头可授性变化Tab.1 The variety of stigma receptivity ofC.lehmannianum

2.3 P/O值估算

倒披针叶虫实平均单花花粉数量为1906粒，胚珠1枚，故P/O值为1906±510。依据Cruden[18]的标准，P/O为244.7-2588.0时，繁育系统为兼性异交类型。

2.4 OCI的估算参照

根据Dafni[19]的标准，倒披针叶虫实单花直径测定值为1.8-2.5 mm，分值为2，花药开裂与柱头可授期之间时间间隔和柱头和花药在空间上的相对位置分值均为0，相加所得的OCI值为2，表明倒披针叶虫实的繁育系统为兼性自交类型。

2.5 授粉试验

倒披针叶虫实套袋后的结实率为（54.75±4.2）%，说明倒披针叶虫实自交亲和，且自交结实率很高；自然状态下的结实率为（91.69±5.7）%，二者在P<0.05水平差异显著，可能说明自然状态下有更多的授粉机会，异交会大大提高其结实率。所以结合P/O比和OCI值，可以确定倒披针叶虫实为兼性自交，自交繁殖成功成功率很高，异交为辅，更能提高结实率、个体间遗传多样性和后代适合度。

3 结论与讨论

在古尔班通古特沙漠，倒披针叶虫实主要分布在流动和活化沙丘上，受风沙等因素影响，植株选择合适时间完成授粉过程显得格外重要。研究表明，倒披针叶虫实的最佳可授期在9：30-10：30，温度、湿度、照度达到了授粉的最适宜条件，花粉活力迅速增高，同时柱头可授性增强，完成授粉过程，而此时正是沙漠风小、湿度大的时间，是倒披针叶虫实授粉的最佳时期。随后随着太阳的升起，温度增高、湿度下降，花粉和柱头活力均逐渐下降。古尔班通古特沙漠沙尘暴多发时段在15：00-23：00时，傍晚是活动高峰[20]，因此倒披针叶虫实在 9：30-10：30时达到同步高峰，成功规避沙尘暴，增加了在不可预测环境中授粉的机会与效率，从而保障生殖成功。

同样受风沙等因素的影响，倒披针叶虫实为提高其繁殖成功，应该是一个常自交物种。本研究通过对比OCI值表明其的繁育系统为兼性自交，通过授粉试验得出自交率高达54.75%，自然情况下结实率为91.69%，显著高于大多数植物[21]，这在自然界中极其罕见。另一方面，倒披针叶虫实进入花期时，花序自下而上展开，进行渐次开花，Bullock等[22]指出，与大量同时开花相比，渐次开花使得植株可以更灵活地控制花、果之间的资源分配。此物种还具有边开花边结实的特性，即花序顶端为花期，而下部已经坐果，这与大多数植物花果期分离的现象有所区别[23]。本研究发现，倒披针叶虫实高的自交率为其花序连续开放，高的结实率提供了保证。

同时发现倒披针叶虫实也是一个兼性自交的植物，P/O值为 1906±510，根据 Cruden[18]的标准，P/O值的降低意味着近交程度的升高，推测其交配方式属于兼性异交。荒漠植物倒披针叶虫实种群个体在沙漠中分布极不均匀，常成群，成簇，成块或斑点地密集分布，是典型的集群分布，在流动沙丘的中上部密度最大[15]。倒披针叶虫实种群空间分布以聚集斑块形式分布更有助于同一区域内的植株个体互相之间传播花粉。在这种高密度的种群分布状况下，植株产生更多花粉和花药，通过提高P/O值，有效争取异交的可能性，提高结实率，提高个体间遗传多样性。若有个别种子萌发时远离斑块向外扩散，植株也可采用自交的方式保证一定的结实率，这种独特的交配系统是其在古尔班通古特沙漠能广泛分布的重要原因之一。

本研究还发现，部分植株小花在雄蕊个数上存在差异，大部分小花具有3枚雄蕊和少部分具有4枚雄蕊。倒披针叶虫实雄蕊为1-(3)，即雄蕊数量为1到3枚，普遍为3枚，尚未有文献未针对具有4枚雄蕊的个体进行描述。此次发现的具有4枚雄蕊的小花也许是局域种群内少数个体产生变异，也可能在此物种中广泛存在，这还有待于进一步探索。

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