木棉雄蕊特征与其繁殖策略的关系分析

罗晓滔，胡世俊，马焕成

(西南林业大学西南地区生物多样性保育国家林业局重点实验室，云南 昆明 650224)

木棉是生长在热带、亚热带地区的大叶型乔木，高10～25 m。树干挺直，基部密生瘤刺防止动物侵入。木棉外观随季节变化展现不同的景象，木棉花桔红色，先开花后长叶，树形颇具阳刚之美，是行道树、园庭观赏树首选。产于云南、四川、贵州、广东、福建和台湾等亚热带省区。目前国内外对木棉的研究主要集中在栽培技术管理、组织培养、生态绿化、遗传多样性等方面，对其繁育系统相关研究仅限于木棉嫁接繁育、种植繁育技术和花部形态特征与传粉者行为等方面[1-3]。关于繁殖生态学方面针对外部环境及时间变化对木棉生长繁殖的影响研究相对较少，对木棉花雄蕊特征的研究将有助于理解木棉生长环境与时间变化对木棉生长繁殖的影响，因此显得尤为重要。

植物繁育系统通过花部式样、花开方式、雄蕊雌蕊开放先后及持续时间与不同的交配系统综合影响后代遗传组成的有性性别特征。交配系统是植物繁育系统的核心。在锦葵目木棉科植物中，目前国内外学者多注重研究经济植物，如榴莲、瓜栗属、猴面包的花开特征及繁育系统。对繁育系统的全面研究有助于把握植物花开特性与传粉种类、气候特征的协同关系。木棉每年2—3月开花，5月末果实成熟后飘絮完成结实过程。其间干季没有叶片情形下完成结果过程的木棉繁殖是一项值得深入研究的课题。本研究对木棉雄蕊形态特征、花体活性等进行深入研究，旨在了解该物种在干热河谷的适应性，进一步明确其繁殖特性，为该物种保育、生态利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

实验在云南省红河州个旧市保和乡冷墩村木棉试验基地进行，该地属干热河谷，南亚热带季风气候。木棉为该地主要优势乔木树种，研究材料选自木棉自然种群。

1.2 形态指标测量

在自然条件下，随机选取15株木棉，每棵分别选取2颗尚未开放的花苞进行标记，连续观察并记录花蕾生长、花开动态。在上午时间选择盛花期木棉对部分完全开放的花进行花部形态指标测定。利用游标卡尺测量木棉花的花托直径、花瓣长和宽、雌蕊长度、外层雄蕊长度、内高层雄蕊长度、内低层雄蕊长度，计算变异系数，分析这些器官变异大小。

用镊子将花药取出放入离心管中，常温干燥48 h后存放4℃冰箱。在导电胶上将其均匀分布，置于金属载物台上，用常规真空喷镀法喷金90 s后在扫描电镜下观察花药形态，选取有代表性的视野进行拍照。

1.3 单花花粉量与花粉活力

单花花份量参照路国辉等[4]学者的方法，随机选取10株植株，每株选取3朵开放但花药尚未开裂的花，取出花药解剖，将外轮花药和内轮花药置于离心管中，注入蒸馏水至1 ml。振荡60 s后吸取1 μL花粉液均匀地滴于载玻片，显微镜下观察花粉数量。

于2019年3月中旬上午10时，随机选取10株植株，每株各选取3朵半开放、花药尚未裂开的花，用解剖针刺破花药取出花粉粒，置于培养皿中备用。利用氯化三苯基四氮唑染色法(TTC法)测定相对湿度为60%、20%时花粉活力。同时在湿度一定时，分别测定温度为25℃、30℃、35℃及40℃时12 h内花粉活力。

1.4 数据分析方法

所有数据运用SPSS21.0求均值、标准差分析，结合Duncan′s复极差法进一步确保数据的真实性。

2 结果与分析

2.1 木棉花形态特征

木棉花雄蕊特征量见表1。

表1 木棉花部形态指标的描述性分析

木棉花花朵较大，盛开时平均直径超过44 mm。花部结构形态数值变异系数相对较小，如雌蕊长相对均匀，变异系数仅4.48%，其次是花瓣长、花托直径、花瓣宽和内高层雄蕊变异系数分别为5.52%、7.35%、8.31%和9.53%。虽然与生殖关系最密切的雌蕊变异系数较小，但是与生殖关系同样重要的雄蕊变异系数相对较大，其内低层雄蕊变异系数为19.15%。同时可以发现：在变异系数方面，内低层雄蕊(0.139 3)>内高层雄蕊(0.095 3)>外层雄蕊(0.055 8)，木棉花的3层雄蕊外层较为整齐，内低层雄蕊长短变化较大。木棉二轮花药电镜图如图1。

a：外轮花药，b：内低层花药，c：内高层花药

木棉各轮花药形态具有明显差异。木棉外轮花药与花丝呈全着药，内低层花药与花丝呈个字着药，内高层花药与花丝呈底着药并聚拢。

2.2 花粉活力

2.2.1不同湿度下花粉活力

木棉花平均单花花粉量为141 065粒。对木棉花粉进行活性研究，结果表明，湿度为60%的花粉活性高于湿度为20%的活性，且湿度为60%活粉活性随时间下降趋势较湿度为20%的活性平缓。在湿度条件较好的情况下(60%)，高层雄蕊的活力最强，外层花粉活力最低，而当湿度降低后(20%)，低层的花粉活力下降速率不及高层的迅速(图2)。

图2 不同湿度下木棉花粉活力

2.2.2不同温度下花粉活力

不同温度下花粉活力如图3所示。

由图3可知，在温度分别为25℃，30℃，35℃及40℃时，在温度上升过程中，木棉花粉活性处于上升趋势；当温度达到40℃时，木棉花粉活力开始下降，且随时间的延长活力迅速下降，可见，温度为35℃时，木棉花粉活力最高。湿度对花粉活力的影响结果类似，当温度适宜的情况下(30℃，35℃)，高层雄蕊的活力最强，外层花粉活力最低，而当温度不适宜的情况下(25℃，40℃)，低层花粉活力下降速率不及高层的迅速，甚至超过高层花粉活力。

图3 不同温度下的木棉花粉活力

3 讨论

3.1 木棉花部形态与繁殖关系

干热河谷热量充足，水分缺乏，气温全年较高。在以干热为显著特点的干热河谷，木棉是当地群落的优势种或常见种，木棉对当地气候具有较为良好的适应性，较适于在干热河谷环境中生长、繁殖[5]。木棉对干热河谷地区生态环境恢复、水土保持与产业发展具有重要作用。近年来，在对木棉的各项研究中，对木棉花部形态结构以及对花部各器官生态功能的研究甚少。木棉为异花授粉植物，其传粉生物主要为鸟类，昆虫等，雄蕊长短变化可能有利于不同传粉生物传粉效率的提高和增强适应性。异交传粉机制的多样性是花结构和传粉媒介相互适应的结果，为适应昆虫的传粉，植物形成与授粉昆虫活动规律相协调的开花动态、花部形态[6-8]。木棉花量大，在单株和群体水平上开花同步性强，属于“大量、集中式开放”模式，这种模式能吸引更多的鸟类、昆虫访花传粉，保障植株的生殖成功，这些均是虫媒花的典型特征，和野外传粉目科繁育系统一致，木棉雄蕊繁盛期有利于吸引昆虫。

3.2 木棉形态对繁殖的影响

雄蕊变异系数变化明显，雄蕊花粉成熟时间层次感明显，利于长时间传粉，这与其他木棉科植物有一定差异。所以，木棉雄蕊成熟期只要有昆虫活跃就能有充足的花粉。除此之外，木棉花期较长，花期与干热河谷区昆虫活跃期一致，利于虫媒传播。王慧(2017)、郝佳波(2015)、王盼盼(2017)等认为植物形态与花粉数量均能够促进异交，花朵越大、花朵形状和花粉量等均是吸引传粉生物的重要因素[9-11]。木棉的花序为伞房花序，花内轮花丝上部分2叉，中间10枚雄蕊较短，不分叉，外轮雄蕊多数，集成5束，每束花丝10枚以上，较长。同一生长环境下，不同株木棉花形态上变异相对较小，花朵形状与生殖影响可以忽略，但与植物生殖密切相关的内层雄蕊变异系数较大，内低层雄蕊(0.099 3)>内高层雄蕊(0.095 3)>外层雄蕊(0.055 8)，木棉的3层雄蕊外层较为整齐，内低层雄蕊长短变化较大。从花型、雄蕊和雌蕊的关系上来看，木棉花雄蕊与繁殖关系更为密切。木棉雄蕊与繁殖关系的研究与菊科、木兰科、千屈菜科等科目植物繁殖相关研究一致。何燕红(2015)分析了孔雀草(菊科)的花开特性和繁育系统，认为孔雀草外围的3～4轮舌状花可以有效吸引昆虫，增强植物繁育能力[12]。招礼军(2015)分析了灰木莲(木兰科)的花开特性和繁育系统，灰木莲群体花期较长，个体开花时间30d左右，雌蕊先成熟，失去授粉技能后雄蕊花药才开始裂开散粉。通过实验观察发现，雄蕊长(17.4 mm)远远大于雌蕊(11.8 mm)，雄蕊传粉活力和天数均明显高于雌蕊[13]。刘龙昌等(2015)针对紫薇花(千屈菜科)花部综合特征和繁育系统进行研究发现，不同花色的紫薇花雄蕊对于繁育系统的影响较大。其中，长雄蕊花粉活性明显高于短雄蕊[14]。传粉过程中，紫薇花主要利用雄蕊的形态、颜色和花粉量实现繁育，雄蕊的特性在很大程度上影响到结实率和结籽数。基于3种不同科目雄蕊形态分析发现：雄蕊花部形态、颜色等对繁育系统影响较大，木棉雄蕊特征、形态对于木棉繁育系统影响较大。木棉的3层雄蕊外层较为整齐，内低层雄蕊长短变化较大，各层花药之间有一定间隔，且此间隔随木棉花期的变化发生改变，形态变异有利于吸引多样化的传粉生物，是植物提高生殖适合度的有效方式。形态变异对传粉生物的影响结果与国内众多学者的研究一致[15-16]。

花药电镜图片表明，木棉各轮花药在其结构和花药着丝方式上皆有很大差异，研究木棉花药壁发育过程中细胞如何分化以及各层花药间形态结构上差异有助于实现功能上的分化，花药结构与花粉散布以及与适应性间有何联系有待进一下深入研究。

3.3 花粉活力对繁殖的影响

在湿度为60%，温度为35℃时，木棉花粉活性最强，这是木棉适应环境多样性变化的重要体现。同时，木棉高层雄蕊的花药个体大、花粉数量多，是干热河谷环境下传粉繁殖最主要的花粉源。植物传粉系统主要包括花粉、柱头和传粉媒介3个部分。其中，花粉活力保持时间长可以提高植物传粉成功率。李建军等(2019)运用TTC法和联苯胺—过氧化氢法研究了红白忍冬繁育系统及传粉特性，明确了花粉活力决定了传粉生物的结实率。吴阳清(2015)在菊科植物繁育系统和杂交后代遗传分析中对勋章菊在自然环境下花粉活力与繁育系统和杂交F1遗传多样性进行了探究，研究结果显示：勋章菊花粉活力对繁殖系统和遗传系统均有较大影响。因此，干热河谷条件下木棉繁殖中，雄蕊花粉活力与温度、湿度息息相关，适应这一特定环境下木棉的繁育。

对木棉花粉进行活性初步研究表明，在湿度为60%，温度为35℃时，木棉花粉活性最强，花粉活性比率最高可接近80%，高于25 ℃下的花粉活力最大值，这表明35℃左右的温度有利于花粉保持较高的活力，实验地木棉花期时平均气温为20℃左右，局部河谷最高气温25℃以上，较高的气温下，最外层的花粉在高温下活力较高，这与干热河谷温度较高的环境条件相适应。从研究结果看，高层雄蕊在相对湿度60%，温度30℃、35℃的适宜环境下保持了较高的花粉活力，而当湿度降低至20%时，温度偏离最适宜温度区间后，低层花粉活力下降速率低于高层下降速率，并且活性高于高层花粉活力。出现此种情况可以考虑是木棉抵御干热气候环境变化差异的重要途径。

面对干热河谷温差较大环境时，底层花药花粉活力较高，可以考虑此为逆境条件下高层花药受损后的后备花粉源。当然，若要证实此假设，尤其要理解木棉为何选择干旱季节且树上几乎没有叶片的情况下来完成开花结实的这种繁殖策略还需要开展更进一步的研究。