总状凤仙花的花部特征和繁育系统研究

曹孟会，李文祥，刘 松，李芹梅，贾 颜，李 茜，闻永慧，黄海泉，黄美娟

（西南林业大学 园林园艺学院/国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心/云南省功能性花卉资源及产业化技术工程研究中心/园林园艺花卉研发中心，云南 昆明 650224）

【研究意义】早在1753年林奈（Linnaeus）就已经建立了凤仙花属[1]，其种类已超过1 000种[2]。凤仙花属植物的5 个世界初生起源中心已被确认，即热带非洲（110 种）、马达加斯加（170～190 种）、印度南部和斯里兰卡（150种）、东喜马拉雅（120种）和东南亚（300种）[3]。中国凤仙花属植物在地理上的分布具有明显的区域性：绝大多数为我国西南地区分布的特有种类；滇黔桂石灰岩地区的特有性则更为显著[4]。凤仙花属植物通常生活于林下、路旁沟渠、河流沿岸等地。凤仙花属植物以花色多样化和具有两侧对称花为主要特征，被认为是“双子叶的兰科植物”[5]。总状凤仙花（Impatiens racemosa）具有两侧对称状黄色花冠，花色明亮醒目，花香清新淡雅，主要分布于云南省、西藏自治区、印度、不丹和尼泊尔等地区[6]，生长在海拔1 700～2 400 m的林下及路旁沟渠。在园林中总状凤仙花可用作花坛花镜的镶边植物或室内盆栽植物，同时其植株的各个部分皆可入药，具有很好的开发和利用价值。【前人研究进展】目前国内关于凤仙花属植物花部特征和繁育系统的研究仅有极少数报道：毛志斌等[7]研究指出侧穗凤仙花能够通过特殊的花部器官结构来避免自交；肖乐希等[8-9]探究了华凤仙、瑶山凤仙花、湖南凤仙花、山地凤仙花等4种凤仙花的花部特征、传粉者种类和访花特性，提出花被片结构在繁殖中的作用与其大小程度和相对位置有关；田建平[10]首次阐述和探讨了匍匐凤仙花与传粉昆虫相互适应和协同进化的问题；李艳红等[11]则通过研究红雉凤仙花结籽的花粉限制发现了花粉的一系列特性。【本研究切入点】然而迄今对总状凤仙花的研究主要集中在生存环境与经典形态分类方面，其繁育研究尚未见相关报道，野生种质资源的相关开发利用工作仍处于起步阶段。【拟解决的关键问题】本研究以总状凤仙花为研究对象，对其花部形态和繁殖生物学进行探究，以期为总状凤仙花及其他野生凤仙花的种质资源保护与开发、引种驯化、花期调控、杂交育种和新品种培育等工作奠定坚实基础。

1 材料与方法

1.1 研究材料

材料为通过野生总状凤仙花种子繁育的植株，种子采集于云南省昆明市轿子雪山（26.084 87°N，102.864 02°E），播种地点位于云南省昆明市西南林业大学树木园（25.066 26°N，102.768 24°E），播种时间为2020年5月6日。

1.2 研究方法

1.2.1 花部形态与发育动态观察 于花芽萌动期从不同植株上选取30 个花芽进行观察，记载单花发育进程，包括开花、雄蕊脱落及花瓣整体凋谢的整个过程。在花芽阶段每2天统计1次发育状况，开花后每隔12 h 观察1 次，记录花部形态变化，直至凋谢。参照钟云芳等[12]的方法在盛花期使用游标卡尺测量花部大小，同时记录不同发育阶段的持续时间。总状凤仙花的花部示意图见图1。

1.2.2 花粉生活力和柱头可授性测定 花粉生活力的测定采用TTC染色法[13]，柱头可授性的测定采用联苯胺-过氧化氢法[14]。

1.2.3 花粉-胚珠比和杂交指数测定 参照Cruden[15]和Dafni[16]的方法观察并计录花粉-胚珠比，并通过杂交指数来判断繁育系统类型。

1.2.4 传粉通道测定 测量翼瓣与唇瓣檐部底端的距离（通道长度）、翼瓣间的距离（通道宽度）及花药末端与基部裂片的距离（通道高度）（图1）。

图1 总状凤仙花的花部示意图及传粉通道Fig.1 Flower part sketch map and pollination channel in Impatiens racemose

1.2.5 花蜜量和含糖量测定 使用微量进样器（5 μL）和手持折光仪（0～80%）测定花蜜量和含糖量。

1.2.6 授粉试验 于盛花期进行6种授粉处理[17]，即自然授粉、自然自交授粉、无融合生殖、自花授粉、同株异花授粉和异株异花授粉（表1）。

表1 总状凤仙花的授粉试验Tab.1 Pollination test of Impatiens racemosa

1.2.7 传粉昆虫及访花行为 持续7 d采用李帅杰等[18]的方法于09:00—18:00观察传粉昆虫种类及个数并记录其访花时间长度、访花方式和访花频率。

2 结果与分析

2.1 花部形态与发育动态

总状凤仙花为一年生草本植物，花梗纤细，通常5～10朵花簇生于叶腋，呈黄色或淡黄色；旗瓣离生，适合昆虫的停靠；翼瓣的基部裂片呈圆形，上部裂片呈斧形；作为底部萼片的唇瓣，其檐部呈漏斗状，口部朝上，基部具距。旗瓣长度为3.31～7.15 mm，宽度为2.47～6.35 mm；翼瓣长度为10.83～15.75 mm，宽度为3.74～7.40 mm；唇瓣长度为18.17～26.06 mm，口部宽度为3.20～6.51 mm，唇瓣囊深度为3.51～9.12 mm。5 枚雄蕊合生围绕在子房周围，花丝呈线形，花药顶端呈钝状；雌蕊子房5 室，每子房室中胚珠数≥1。花部具体形态指标如下（表2）。

表2 总状凤仙花的花部形态指标Tab.2 Floral morphological index of Impatiens racemosa

通过对总状凤仙花的物候期进行观察发现总状凤仙花的花期为6—9 月，分为花芽萌动期、现蕾期、初花期、盛花期、末花期、结实期6个时期，共持续48～50 d。单花期一般持续8～10 d。在花芽萌动期总状凤仙花的花芽不断分化形成花蕾，一般持续5～7 d；现蕾期两枚花萼片张开产生缝隙，花距出现；初花期花药未裂；盛花期花药开裂散粉；末花期柱头出现；结实期果实开始形成，不断膨大，最终发生爆裂，至此花发育周期完成（表3和图2）。

图2 总状凤仙花的开放进程Fig.2 Flowering process of Impatiens racemosa

表3 总状凤仙花的花发育动态时序性变化Tab.3 Dynamic temporal changes of flower development in Impatiens racemosa

2.2 花粉生活力和柱头可授性

在现蕾期（-1 d）总状凤仙花的花粉已有较高生活力；初花期（0 d）花粉生活力最高，超过90%；后续开放过程中花粉活力随着时间推移开始下降，末花期（5 d）花粉生活力最低，小于10%（表4）。在现蕾期（-1 d）总状凤仙花已经出现闭花授粉现象，此时柱头具备较弱的可授性；初花期（0～1 d）部分花朵柱头开始进行对开花信号的响应，经测具有较强可授性；盛花期（2～3 d）柱头开始进入最强可授期；盛花期（3～4 d）只有部分柱头具有可授性；末花期（5 d）部分花朵的柱头已发育成熟，不再具备可授性（表4）。花粉生活力与柱头可授性的结果均呈现“先上升后下降”的趋势，但两者的最高值所处于的单花期不同，由此证明总状凤仙花是雄蕊先熟植物。

表4 总状凤仙花的花粉生活力和柱头可授性Tab.4 Pollen viability and stigma receptivity of Impatiens racemosa

2.3 花粉-胚珠比和杂交指数

通过对30 朵总状凤仙花进行测定，测得单花花粉量为5 242 粒，单花胚珠数为9～10 粒，由此可知单花花粉-胚珠比为551.79。根据Cruden[15]的划分标准推断总状凤仙花的繁育类型可能为兼性异交。总状凤仙花的花冠直径在11.51～22.90 mm，平均值为18.70 mm，记为3；总状凤仙花的柱头在开花前一天就具有可授性，记为1；花药合生在子房上部，记为0。综上可知杂交指数为4，因此总状凤仙花的繁育系统为异交型，特征为部分自交亲和、需要传粉者。

2.4 传粉通道

总状凤仙花是雌雄异熟的两性花，雌蕊群在发育初期被花丝包裹，在雄蕊脱落后柱头显露出来并呈现出一定程度的下垂。经测量，通道长度为（15.73±0.62）mm，通道高度为（5.30±0.17）mm，通道宽度为（7.83±0.40）mm，结果符合小型昆虫的传粉需求。

2.5 花蜜量和含糖量

经测量总状凤仙花的单花花蜜量为（0.39±0.04）μL，含糖量为19.50%，主要满足小型传粉昆虫的采蜜需求，符合自身的繁育及保护策略。

2.6 授粉试验

总状凤仙花的蒴果为线状或狭棒状，顶端有锐尖。由表5 可知，不同授粉处理下总状凤仙花的结实率依次为：73.33%，0.00%，0.00%，87.00%，83.33%，93.33%。异株异花授粉处理的结实率最高，达93.33%。总状凤仙花不存在无融合生殖。同株异花授粉与异株异花授粉的结实率差别较小表明其自交亲和。自然状态下套袋与不套袋的处理结果差距较大，说明自然状态下总状凤仙花的有性繁殖受到花粉限制和缺乏有效的传粉媒介，以异交为主。

表5 总状凤仙花的授粉试验结果Tab.5 Breeding test results of Impatiens racemosa

2.7 传粉昆虫及访花行为

总状凤仙花的传粉昆虫主要有3 类：膜翅目蜂类、膜翅目蚁类和双翅目蝇类。访花昆虫中蜂类的三条熊蜂（Bombus tri⁃fasciatus）数量最多。访花昆虫的访花时间在09:00—17:00 均有分布，18:00 则未见昆虫进行授粉活动（图3）。蜂类的三条熊蜂访花时，会优先停靠在花色明亮的花朵上吸取花蜜，具有移动速度快、访花频率高等特点；蚁类则经常深入花朵内部进行游走；蝇类对总状凤仙花的传粉作用较小，其行为属于盗蜜。蜂类的三条熊蜂作为总状凤仙花最有效的传粉者一般在单花上停留2～5 s，蚁类停留时间约20～30 s，蝇类则停留不超过10 s。

图3 昆虫的访花情况Fig.3 Flower visiting statistics of insects

3 结论与讨论

3.1 总状凤仙花的花部特征对虫媒的影响

认识植物的花部特征可以从单花的整体花部构造和开花式样（即某段时间内开花量、开花类型和排列方式等）等方面着手，两者同时为虫媒途径的产生创造了条件。总状凤仙花为总状花序，花序簇生现象使单花的叠加效应更加显著，优化了花部的整体美观效果，增强了对昆虫的吸引力。虫媒花的花冠具有明显的两侧对称性、内部包含繁殖器官，同时花色明亮醒目，花香清新淡雅，具有花蜜腺[19]。总状风仙花具有两侧对称状黄色花冠，微香，具蜜腺，符合虫媒花特征。总状凤仙花的有效传粉昆虫为蜂类的三条熊蜂。三条熊蜂吸食花蜜时首先会停靠在联合翼瓣形成特殊平台上，通过唇瓣囊部利用口器吸食花距中的花蜜，身体需向花内部挤压，增加了头部与花药接触的机会，同时可以利用特有的传粉结构（花粉篮和腹毛刷等）使花粉附着到三条熊蜂布满绒毛的身体上，进行不同花朵间的传粉。总状凤仙花唇瓣花距较长，增大传粉昆虫的采蜜难度，延长接触时间，提高传粉成功率，形成了花部形态特征与虫媒的特殊协同合作关系。试验中还发现部分总状凤仙花的花距远端部分被蚁类等昆虫啃食，造成花蜜外流，此现象可能会增加其他传粉昆虫在花朵上的停留时间。总状凤仙花的花器官结构、花色、花香和花蜜量等特性不断演化与三条熊蜂的传粉方式相适应，使三条熊蜂对植物花部特征进行更多有目的性的选择。

3.2 总状凤仙花的繁殖生物学

繁育系统使植物的适应性、物种形成机制和濒危植物保护学三者间的联系日益加深，对植物的遗传多样性和相关演化趋势具有重要意义。植物远缘杂交的成本较高且成活力较低，而近缘杂交会导致育性的衰退[20]，因此有必要进行繁殖生物学的相关研究。总状凤仙花的繁育系统类型主要为异交型。雄蕊先熟是促进异交的重要繁殖机制。总状凤仙花在开放之前柱头已具可授性，而花粉也已有较强的生活力。花朵开放初期在柱头具备可授性的同时可以进行有效散粉，从而能够更好地推进异株异花授粉，增强其后代的育性及环境适应能力，保证了其可以进行长期的成功繁殖和不断演化。自然状态下总状凤仙花自交结实率为73.33%，而同属的侧穗凤仙花则通过避免自花授粉的机制[7]，加大昆虫授粉的几率，两者共同说明了自交与异交传粉机制都是总状凤仙花一种长期演化所产生的有效繁殖机制。

3.3 总状凤仙花的繁殖补偿机制

环境会影响植物的繁殖过程，反过来处于不稳定环境中的植物则会通过生态响应来保证生长繁殖的成功，这些响应常常被称为繁殖策略的改变[21]。总状凤仙花的种群规模一般较小，能够吸引到的传粉者有限，其有性繁殖过程易受到花粉限制和缺乏有效的传粉媒介。经观测发现，生境中的总状凤仙花种子较小，且结实后受到种荚的作用力会发生迅速爆裂，难以吸引动物等帮助种子进行远距离传播，自然状态下扩散区域比较有限。植物往往可以演变出一系列繁殖补偿机制[22]来推动繁殖过程的顺利进行，总状凤仙花也不例外。总状凤仙花的植株基部在顶部完成花发育周期后会重新开始新一轮的发育，可以作为一种有性繁殖补偿机制，除此之外还存在无性繁殖补偿机制，保障种群繁殖的能力：脱离母株的整段花序部分在适宜的条件下能够完成繁殖。这些繁殖补偿机制增强了总状凤仙花种群繁殖的能力。