多伞阿魏的繁育系统及其生态适应性

赵晓依 王仲科 李桂芳 吕新华 赵文勤 庄 丽

(石河子大学生命科学院，新疆植物药资源利用教育部重点实验室，石河子 832003)

植物生殖生态学是研究植物的繁殖与其它环境条件间相互关系及机理的科学。它涉及多个领域，是生态学的研究热点之一[1～2]。生殖系统是研究植物繁殖生态学的核心，它能控制植物种内和种间的基因流，是研究种群结构、遗传多样性、栽培和物种保护的重要参数[3～4]，在濒危植物的保护方面起到重大而深远的作用。多伞阿魏隶属于伞形科(Apiaceae)阿魏属(FerulaL.)，是新疆特有的类短命植物，具有消积杀虫、耐干旱盐碱和保持水土等特点，对改善荒漠区生态环境具有重要的现实意义，在新疆有着其独特的经济价值及生态学地位。近年来，由于人为地大肆破坏，使得阿魏的分布区域愈来愈小[5～6]。因此，保护并扩大阿魏的种群数量，成为我们当前所面临的刻不容缓的问题。

目前，国外常把目光集中在阿魏的基因分析及化学成分方面[7～10]，而国内的研究则仅集中在几种阿魏，如新疆阿魏(Ferulasinkiangensis)、阜康阿魏(Ferulafukanensis)、荒地阿魏(Ferulasyreitschikowii)的相关研究上，而对于多伞阿魏的探讨相对较少，繁育系统方面更是鲜有报道[11～16]。因此，为了给阿魏属植物增添更加直观的图像资料，了解多伞阿魏对环境的适应机制，同时为保护阿魏属的物种多样性提供理论基础，本次实验以多伞阿魏为研究对象，探究了其繁育系统与生存环境的相互关系，为今后该物种的人工扩繁提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究种群和地点

多伞阿魏是新疆特有的多年生类短命植物。花序为伞形花序，多个单伞形花序连续轮生的在相同的分枝上，形成复伞形花序，产生双悬果[17]。研究地点位于石河子市郊区的阿魏滩(85°57′52.9″E,44°12′43.3″N)，海拔583 m，土壤是沙砾土。该研究区年均气温为8.1℃，年均降水量为215.9 mm，年蒸发量为1 054 mm(数据来自中国气象网)，属于温带大陆性干旱气候。该地区干旱少雨，因此天然植被稀疏，群落结构简单，植被类型多为耐旱性植物，植株矮小，多伞阿魏为主要优势种，伴生种有准噶尔猪毛菜(Salsoladshungarica)，新疆绢蒿(Seriphidiumkaschgaricum)，角果藜(Ceratocarpusarenarius)等[18]。

1.2 实验方法

1.2.1 开花动态和花部形态解剖

随机标记10个相距大于1 m的未开放花序，对其开花动态进行连续观察并记录；采集花序上处于开花当天的小花10朵，测量其花冠直径、花瓣长度和宽度、雄蕊长度、柱头高度、柱头至花药之间的距离等指标[18]，计算均值；对单花进行解剖，用体视解剖镜(OLYMPUS SZX12,COLYMPUS Co.,Tokyo,Japan)对花部特征拍照。

1.2.2 柱头可授性和花粉活力

参照Dafni[19]等的方法，取处于不同花期的柱头，将其置于凹面载玻片上，滴加联苯胺—过氧化氢(1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水=4∶11∶22)溶液，检测柱头可授性，每个花期重复3遍。若柱头具可授性，则柱头周围的反应液呈现蓝色并有大量气泡出现，根据气泡数的多少确定其柱头可授性的强弱[20]。

采集开花当天不同时间段(8:00～20:00)的两性花，用0.5%的2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色，置于25°C恒温箱中30 min左右，在光学显微镜(Olympus BX51)下观察统计花粉的染色情况，每个视野观察的花粉数不少于30粒，每个观察重复3遍[21]。

1.2.3 异交指数(OCI)、花粉—胚珠比(P/O)和人工授粉实验

随机采集10朵花药未裂开的两性花，剥出花药，放入10个1 mL离心管中，加入0.1 mL 10%的HCl解离，然后用微量进液器取1 μL于载玻片上，在显微镜下统计花粉数，然后在体视显微镜下解剖并统计10朵小花的胚珠数，最后计算P/O值[22]。根据Dafni[23]的评判标准测定杂交指数(OCI)，以判断植株的授粉方式[24]。人工授粉实验于2017年5月15日～2017年5月30日期间进行。随机选取5株大小相近，相距大于1 m的花序，根据Radford等[25]的方法设计实验对照，记录结实数。

1.2.4 访花昆虫

用自制捕虫瓶捕捉停留于花上的昆虫，保存并带回实验室请昆虫分类专家鉴别。访花昆虫的图像用Canon Kiss X8i,Rebel T6i(Canon Inc.,Tokyo,Japan)观察记录。连续3天用捕虫瓶统计从8:00～20:00的昆虫数量，绘制图表。

1.3 数据处理

本次实验获得的数据均使用WPS软件处理图像，绘制图表，用SPSS19.0进行数据分析。

2 结果

2.1 开花动态和花部形态解剖

多伞阿魏于2017年5月中旬出现花蕾，5月底花期结束。根据其开花动态，将其两性花的花期划分为6个时期：第1时期，花蕾呈青色，花瓣向内卷，花药蜷缩于花瓣下，柱头原基向下形成凹陷(图1:a)；第2时期，花颜色由青转黄，花瓣略微张开，花丝逐渐伸直变长使花药渐渐脱离花瓣，此过程中花药会出现个别的开裂，柱头原基逐渐发育，凹陷消失(图1:b、i、j)；第3时期，花朵完全开放，呈现辐射对称，花丝伸直，花药完全开裂，柱头原基发育成并列的两枚柱头(图1:c、h、k、l)；第4时期，花瓣和雄蕊完全脱落，柱头逐渐伸长并分离，子房开始发育(图1:d)；第5时期，两柱头完全分离形成180°，子房变宽变长(图1:e)；第6时期，柱头完全枯萎，子房逐渐成熟(图1:f)。

两性花的雄蕊和花瓣各5枚，离生，子房下位，上被疏软的毛，两室，每室有1胚珠，花柱2，基部膨大(图1:d、g、h)。每5～20朵单花组成一个单伞形花序，3～10个单伞形花序轮生在相同的分枝上形成了密集的复伞形花序。单花直径约4 mm，单伞形花序直径约2 cm。单花持续开放时间为7～10 d，整个花序的开花时间则根据花序大小能持续10～15 d。

图1 多伞阿魏的花部形态特征 a～f.多伞阿魏的开花动态；g,h.雄蕊和花瓣；i～l.雄蕊发育动态 a,b,i,j,k,l在40倍物镜下观察；c,d,e,f在25倍物镜下观察；g,h在20倍物镜下观察Fig.1 The floral morphological characteristics for the Ferula ferulaeoides a-f. Flowering dynamics of F.ferulaeoides; g-h. Stamens and petals; i-l. Development dynamics of stamens a,b,i,j,k,l magnified 40 times; c,d,e,f magnified 25 times; g,h magnified 20 times

相关性Pearson花瓣Petal(mm)子房Ovary(mm)长Length宽Width长Length宽Width雄蕊Stamen(mm)柱头Stigma(mm)异位距离Herkogamy(mm)单花直径Diameter of flower(mm)花瓣Petal长Length10.624-0.373-0.0820.3140.2710.085-0.252宽Width0.6241-0.553-0.641∗0.3410.642∗0.5190.176子房Ovary长Length-0.373-0.55310.683∗-0.109-0.3490.199-0.076宽Width-0.082-0.641∗0.683∗10.127-0.552-0.049-0.288雄蕊Stamen0.3140.341-0.1090.12710.1420.5680.118柱头Stigma0.2710.642∗-0.349-0.5520.14210.337-0.389异位距离Herkogamy0.0850.5190.199-0.0490.5680.33710.373单花直径Diameter of flower-0.2520.176-0.076-0.2880.118-0.3890.3731均值Average1.46±0.0651.02±0.0332.38±0.0671.44±0.0282.67±0.0811.03±0.0382.56±0.0663.41±0.046

*P<0.05

2.2 柱头可授性和花粉活力

多伞阿魏两性花的雄蕊长于雌蕊和花瓣，雌雄蕊间存在一定的异位距离(垂直距离为2.56±0.066 mm)(表1)。5枚花药在花朵完全开放前依次开裂，花朵完全开放时全部完成开裂(图1:c)，此时花粉活力在一天中的变化趋势是先增强在减弱；12:00时，花粉活力达到最强，为82.33%，13:00～16:00期间，花粉活力减弱速度较慢，且活力均保持在60%以上(图2)。花药完全散粉时柱头处于第3时期，此时柱头不具可授性，第4时期和第6时期柱头部分具有可授性，第5时期的柱头可授性达到最强(表2)。

图2 开花当天花粉活力的变化Fig.2 The changes of pollen viability on the first day of anthesis

Table 2 Stigma receptivity at different stages ofF.ferulaeoides

花期Florescence柱头可授性Stigma receptivity出现气泡Bubbles appear变成蓝色Turning blue第3时期The third period+/--第4时期The fourth period+++/-第5时期The fifth period++++第6时期The sixth period++/-

注：+.具可授性；+/-.部分具可授性；++.具强可授性；-.不具可授性

Note:+.Stigmas have receptivity; +/-.Some stigmas have receptivity,some have not; ++.Stigmas have the strongest receptivity; -.Stigmas have no receptivity

2.3 花粉—胚珠比(P/O)、异交指数(OCI)和人工授粉实验

由表3可以看出，多伞阿魏的P/O是2 080±46.667，数值处于244.7～2 588.0，说明繁育方式为兼性异交。根据Dafni的评判标准计算得出OCI是4，评判结果为异交，部分自交亲和，需要传粉者。在人工授粉实验中，对照用以检测植株自然状态的传粉情况，自然套袋能够检测植株是否具有自发的自交能力，异花授粉套袋可以检测植株杂交是否亲和，自花授粉套袋可以检测植株是否能发生自交，去雄套袋能够检测植株是否有无融合生殖。结果显示，多伞阿魏无生殖融合现象，自然授粉率高，为72.52%，可发生杂交和自交，结果率分别是65.83%和37.02%。综合以上三个指标，判断多伞阿魏的繁殖方式为兼性异交，存在部分自交亲和，需要传粉者。

表3 两性花的花粉/胚珠比(P/O)

表4 根据Dafni的标准判断多伞阿魏的繁殖类型

Table 4 According to the standard of Dafni to determine the reproductive type ofF.ferulaeoides

项目Items多伞阿魏Ferula ferulaeoides单花直径Diameter of the flower2～6mm=2花药散粉和柱头可授期之间的时间间隔Temporal separation of anther dehiscence and stigma receptivity雄蕊先熟=1Protandry=1柱头与花药之间的空间间隔Spatial positioning of stigma to anthers空间分隔=1Spatially separated=1杂交指数OCI values=4繁育系统类型Type of breeding system异交,部分自交亲和,需要传粉者Outcrossing,partially self-compatible,demand for pollinators

注：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，有时需要传粉者；OCI=4时，繁育系统为异交为主，部分自交亲和且需要传粉者。

Note:OCI=0;Cleistogamy,OCI=1;Ob1igate autogamy,OCI=2;Facuhative autogamy,OCI=3;Self-compatible,Sometimes need pollinators,OCI=4;Outcrossing,partially self-compatible,demand for pollinators.

2.4 访花昆虫

对连续3天捕捉的昆虫进行鉴别，分别鉴定出14种访花昆虫，其中双翅目昆虫有4种，共35只，膜翅目昆虫也有4种，共54只，数量最多，而鳞翅目和半翅目的昆虫数量较少(表6和图3)。在盛花期，访花昆虫的日活动规律为：11:00～12:00出现一个高峰，访花昆虫总量达到一天中的最大；16:00～17:00出现一个次高峰，总体呈现双峰曲线(图4)。不同访花昆虫的日活动规律略微存在差异，蜜蜂科的多在13:00之前出现，蝇科喜欢在12:00～16:00出现，蠼螋科则在8:00～9:00和19:00～20:00两个时间段出现。

表5 多伞阿魏的人工授粉实验

Table 5 Seed sets ofF.ferulaeoidesunder different treatments(P<0.01)

处理TestsNNFRS(%)对照Control(natural conditions)44432272.52自然套袋Unmanipulated and bagged22000异花授粉套袋Intraspecific crossing and bagged31921065.83自花授粉套袋Self-pollination and bagged2087737.02去雄套袋Emasculated and bagged26000总计Total1451609

注：N.样本数目；NF.结果数；RS.结果率

Note:N.Number of samples; NF.Number of fruit sets; RS.Percentage reproductive success

表6 多伞阿魏的访花昆虫

图3 多伞阿魏的访花昆虫 A.姬蜂；B.蜜蜂；C.青蜂；D.蟹蛛；E.夜蛾；F.蠼螋Fig.3 Pollinator of F.ferulaeoides A.Ichneumon; B.Honeybee; C.Cuckoo wasp; D.Crab spider; E.Noctuid; F.Earwig

图4 访花昆虫日活动规律Fig.4 Diurnal foraging activities of principal pollinators

3 讨论

3.1 花部形态与传粉的生态适应性

植物间花粉的有效传递很大程度上取决植物对传粉者觅食行为的操纵以及传粉者的种类[26]。

花和花序对传粉者觅食行为的操纵，是在与传粉者相互作用时表现出来。植物靠花和花序的外部特征吸引昆虫，同时提供花粉和花蜜作为“奖励”。这些“奖励”的多少不仅会影响昆虫的传粉效率，还可能影响花粉的萌发[27～28]。本次的野外实验观察到，多伞阿魏的花序呈伞形，是醒目的黄色，单花体积小数量多，结构简单，开放时能产生大量花粉并有特殊香气；子房上的盘状蜜腺完全暴露在空气中，花开放时分泌花蜜。明亮的颜色及丰富的花粉可以帮植物吸引对颜色敏感且喜食花粉的昆虫，特殊的香气能够吸引嗅觉灵敏的昆虫，而暴露的蜜盘则为各种口器喜爱花蜜的昆虫提供了食物。综合上述特征可以发现，多伞阿魏的花利用视觉、嗅觉及味觉等多种方面来引诱和扩大传粉者的数量与种类，为提高传粉效率打下了重要的基础。这与大量已有的实验结论相似[29～30]。

通过对传粉者的调查发现，多伞阿魏的传粉者有双翅目、膜翅目、鞘翅目、革翅目、半翅目、鳞翅目和蜘蛛目。其中，双翅目与膜翅目占主要地位。一天之中访花昆虫的活动规律呈双峰曲线，11:00～12:00点昆虫量最大，此时花粉活力也最强，能有效地增加植物的授粉率。此外，访花昆虫的种类也会随花期发生变化，花朵开放前期以喜食花粉的昆虫为主，而花朵开放后期以喜食花蜜的昆虫为主。有许多研究显示，双翅目和膜翅目的昆虫授粉对象十分广泛，是多种植物的主要传粉者[31～33]。本研究通过追踪已知的传粉者发现，几乎所有种类的昆虫都在两种或两种以上的植物上停留过，选择的对象具有普遍性。由此我们推测，广泛型的传粉者是保证多伞阿魏在自然条件下拥有较高繁殖率的重要生物因素之一。

3.2 繁育系统及其生态适应性

繁育系统能够影响物种的遗传多样性，是植物保护的重要内容[34]。实验结果显示，多伞阿魏的花有雌雄异位和雌雄异熟的现象，P/O值为2 080±46.667，OCI值为4，自然条件授粉、人工杂交授粉和人工自交授粉的结实率分别是72.52%、65.83%和37.02%，说明其繁殖方式为兼性异交，存在自交部分亲和。此结果与李新蓉[35]的研究结果一致。为了避免自交占主导地位，植物进化出雌雄异熟和雌雄异位等策略来减小自交的可能性[36]。多伞阿魏在野生条件下是以异交为主要繁殖方式，这样就很大程度上避免自交引起的近交衰退。但由于伞形花序和花序开放的特点，许多伞形科植物又都会出现自交亲和的现象[22]。达尔文认为，自交的适合度优势在于，当异交的机会存在时，异交繁殖占据优势，一但异交无法完成时，就会通过自交保障种子的产生[37]。因此，兼备自花传粉的个体在传粉者稀少时，将比专性异交的个体多一些选择优势[38]。多伞阿魏生长于荒滩，时常会面临环境因素或人为因素的干扰影响正常异交，而部分的自交亲和可以让植物在一定程度上适应这些不稳定的传粉环境，最终能够产生后代。另外，有研究报道阿魏属植物存在两性花和雄花同株[22]，而多伞阿魏花序中的雄性花是否在植物繁育系统适应环境过程中起重要作用，还有待实验进一步探讨。