火把花的繁殖生物学研究

黄妹英 ,段云博 ,梁琼月 ,黄仕训 ,陈 哲 ,刘长秋*

(1 广西师范大学 生命科学学院,广西桂林 541001;2 中国科学院 广西植物研究所,广西桂林 541006;3 中国科学院 昆明植物研究所,昆明 650201)

大多数被子植物的有性繁殖依赖动物传粉,其中鸟类传粉现象在热带和亚热带相对常见和广布[1]。鸟媒植物常为艳丽的红色或橘色、无气味、花蜜丰富而稀薄并具有明显的管状构造,即“鸟媒综合征”[2]。中国鸟媒研究相对滞后,有关鸟类访花或传粉的报道在2010年后才陆续出现,主要涉及杜鹃花属(Rhododendron)、红花荷属(Rhodoleia)、山茶属(Camellia)、樱属(Cerasus)、米团花属(Leucosceptrum)和枇杷属(Eriobotrya)等类群[3-9],还有很多疑似鸟媒的物种待发现。深入了解中国植物与鸟类传粉者的互作将促进人们对鸟类和植物的生态功能的认知,也为自然科普活动和观鸟游等提供背景知识。另外,鸟媒植物常因其艳丽的花色而成为颇受青睐的园林植物。国外引进的植物可能带来潜在的生态威胁,因此园林植物运用“本土化”是一个趋势[10]。因此,选取本土鸟媒植物进行园林应用必然是更好的选择,这就需要对本土植物与访花鸟类的互作有基本的了解。火把花(Colquhounia coccinea)为唇形科(Lamiaceae)火把花属(Colquhounia)灌木,其花特征符合鸟媒综合征的描述,且一些具有吸蜜习性的雀形目鸟类常出现在火把花植株上,因此推测该植物能够吸引鸟类取食花蜜并可能由访花的鸟类进行花粉传播。同时,火把花具有颜色艳丽、花展示大和花期长等特点,且通常为1～2 m 高的灌木,为兼具观赏价值和引鸟作用的优良园林植物。目前,有关火把花属植物的研究很少,除前人对几种火把花属植物腺毛的次生代谢产物的研究[11-13]外,鲜见有关该属植物繁殖生物学方面的研究。因此有必要对火把花的繁殖生物学进行初步摸索,为将来利用提供背景知识。本研究为弄清火把花的访花动物物种及比例并检验其传粉作用,尤其是在自然生境和人工生境中是否有引鸟作用,对火把花的开花生物学特征进行定量分析,检验火把花的交配系统,包括自交亲和程度和自动自花传粉的能力,检测不同授粉处理种子的发芽能力。

1 材料和方法

1.1 研究地概况

研究地点位于云南省大理白族自治州鹤庆县西邑镇和中国科学院昆明植物研究所。位于鹤庆县西邑镇的研究地为自然生境,地处100°9′E、26°13′N,海拔2 407 m,该地区属于亚热带季风气候,年平均气温16.5℃,年平均降水量918.7 mm。位于昆明植物研究所的研究地为人工生境,地处102°44′E、25°08′N,海拔1 966 m,该地区也属于亚热带季风气候,年平均气温14.9℃,年平均降水量约为1 000.5 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 开花物候及花部综合特征观测

在2021年9—11月和2022年9—11月对火把花进行群体花期观察。随机选取10株火把花个体,每个体选取3朵未开放的花蕾,在花朵打开前使用吊牌进行标记,每天同一时间观察其开花状态并记录花朵开放及凋谢的时间。

使用游标卡尺测量花冠筒长度和花冠筒开口直径,样本量分别来自不同植株的45,60朵花。花蜜的体积和浓度分别使用直径为1 mm 的玻璃微毛细管、手持式测糖仪(Bellingham&Stanley,0～50%)进行测量,样本量为40,每个样本来自不同植株上随机的3朵花。将采集到的花蜜保存在75%酒精中,储存于1.5 m L 离心管,使用高效液相色谱仪(HPLC)对花蜜糖组成[蔗糖/(葡萄糖+果糖)]进行分析,样本量为19。

1.2.2 访花动物观察

访花动物观察选在火把花的盛花期且天气晴朗时进行,其中自然生境的访花动物观察开始于2021年10月中旬和2022年10月初,累计观察时长分别是52 h、40 h。而人工生境的访花动物观察开始于2022年10月中旬,累计观察时长20 h。在进行访花动物观察时,均以每1 h为1个观察时间段,每个时间段随机选取1个植株上一定数量(30～60朵)开放的花朵作为观察对象,每个时间段结束后换另一组花继续观察,观察期间详细记录访花者的种类、行为和访花次数。

1.2.3 授粉试验

随机选取20个火把花植株,在每个植株上开展5组授粉处理(每组处理10朵花),用以检验火把花的交配系统以及鸟类和昆虫在传粉上的作用。(1)对照:只进行挂牌操作。(2)自动自花授粉:使用细网纱袋(孔径为0.3 mm×0.3 mm,下同)套住花蕾,用以排除所有访花者,后续不进行任何授粉处理。(3)异交:取其他植株的花粉进行授粉操作。(4)自交:取同株植物的花粉进行授粉操作。在开花前使用细网纱袋对花蕾进行套袋处理,待花朵打开后取下网袋进行授粉,授粉完成后再把花序重新套住。(5)排除鸟类:在开花前使用网材(孔径为30 mm×30 mm)将花蕾套住直到花朵凋谢,隔离鸟但允许昆虫的访问。对所有的授粉处理进行挂牌、标记,待花朵凋谢后将网袋和网材取下。于果实成熟期统计各处理的座果率(果实数/花朵数×100%)。

1.2.4 种子萌发试验

将每组授粉处理的火把花种子作为萌发试验材料,以检验不同授粉处理对种子发芽率的影响。其中对照种子231粒,异交种子235粒,自交种子196粒,排除鸟类种子235粒。将各组授粉处理的种子分别置于装有1%琼脂、直径为100 mm 的一次性塑料培养皿中,并放到培养条件为光13 h(25℃)/暗11 h(15℃)交替的智能型光照培养箱中进行培养。每天定时浇1次纯净水,每个培养皿2～3滴。种子萌发以出现露白为标记,每日同一时间记录培养皿中种子发芽个数,直至所有种子连续3 d无新发芽种子。发芽率=发芽种子数/供试种子数×100%。

1.2.5 统计分析

利用WPS Office和R 3.5.0进行数据处理和统计分析。采用具有二项分布的广义线性混合模型[14]对不同授粉处理的座果率和种子发芽率进行统计分析,以个体作为随机效应,按花数加权座果数、种子数加权发芽数(P<0.05)。火把花的单花花期、花结构性状和花蜜特征、座果率及发芽率的统计数据用平均值±标准误表示。用Origin 2021和WPS Office软件作图。

2 结果与分析

2.1 开花动态

火把花的花期为9月初至11月底,10月1日左右达到盛花期,单花持续时间(9.6±0.6)d。单花开花过程表现为:花蕾期花蕾先逐渐膨大,接着花蕾慢慢变蓬松,花瓣打开;花朵打开后花药开裂而暴露出花粉,大约1 d后柱头开始从花冠筒底部伸出且柱头裂片张开,随后达到可授性,花朵达到盛开状态;花朵在盛开状态后逐渐枯萎,接着整个花冠枯萎直至掉落,花萼宿存。花冠颜色从花冠伸出到盛花期无明显变化,花冠枯萎后为暗红色。在花冠枯萎的过程中,柱头和花药的距离也明显增加(图1,A)。

A.不同时期花部形态的变化(从上到下:雄花期、柱头伸出、花朵枯萎);B.花朵解剖图。图1 火把花的花部特征A.Morphological changes of flowers in different periods(Top to bottom,the male stage of flowering.the stigma extended.the flowers withered).B.The anatomical drawing of flower.Fig.1 Floral traits of C.coccinea

2.2 花部综合特征

火把花花序为轮伞花序,6～20 朵花;花冠唇形,橘红色,花朵无气味;花冠筒向外弯曲,从上到下明显收缩,花筒底部稍微膨胀,用于贮藏花蜜;雄蕊4,前对较长,为二强雄蕊;花柱略与雄蕊等长,柱头尖端浅裂(图1,A、B)。火把花花冠筒长度较短,为(19.1±0.3)mm,开口较狭窄,能分泌较丰富和稀薄的花蜜,且花蜜中蔗糖含量所占比例为(19.5±0.0)%(表1),因此,火把花的花蜜中己糖占主导。

表1 火把花的花结构性状和花蜜特征Table 1 Floral structure traits and nectar characteristics of C.coccinea

2.3 访花动物的种类、比例及访花行为

2021年自然生境访花观察发现5种访花动物,分别是灰腹绣眼鸟(Zosterops palpebrosus)、中华蜜蜂(Apis cerana)、棕肛凤鹛(Yuhina occipitalis)、蓝喉太阳鸟(Aethopyga gouldiae)和黑带食蚜蝇(Episyrphus balteatus)。2022年自然生境观察到访花动物与2021年相似,分别是灰腹绣眼鸟、中华蜜蜂、蓝喉太阳鸟、黑带食蚜蝇和黑胸太阳鸟(Aethopyga saturata)。从2021—2022 年火把花自然生境的访花动物比例可以看出,访花比例最高的是灰腹绣眼鸟,其次是中华蜜蜂,这两者的访花比例都高于其他访花动物(图2)。2022年人工生境观察到的访花动物有灰腹绣眼鸟和中华蜜蜂,灰腹绣眼鸟的访花比例高于中华蜜蜂(图2)。访花动物访问火把花的照片如图3所示,由于黑胸太阳鸟和黑带食蚜蝇访问单花的时间很短,故没有拍摄到它们的访花照片。鸟类在访问火把花时将喙插入花冠筒中取食花蜜,在取蜜过程中通过前额羽毛与花药和柱头接触。中华蜜蜂在访花时头部钻进花冠筒内部,其胸部背板上会携带一些花粉,在随后连续访问附近的花朵时,胸部背板位置刚好可以触碰到柱头。黑带食蚜蝇的访问频率很低,且只取食花粉,很少或几乎不能与柱头接触。

括号内数字代表总访问次数。图2 2021—2022年火把花访花动物比例The numbers in parentheses indicate total visits.Fig.2 Proportion of visitors in C.coccinea from 2021-2022

A.灰腹绣眼鸟;B.棕肛凤鹛;C.蓝喉太阳鸟;D.中华蜜蜂。图3 火把花的主要访花动物A.Zosterops palpebrosus.B.Yuhina occipitalis.C.Aethopyga gouldiae.D.Apis cerana.Fig.3 The main visitors of C.coccinea

2.4 繁育系统

该试验进行的5种火把花授粉处理中,自动自花授粉处理的座果为0,另外4种授粉处理都能座果,且座果率均达到50%以上。其中,座果率最高的是对照[(70.00±8.26)%],其次是异交[(58.06±7.64)%]和排除鸟[(57.50±6.98)%],最低的是自交[(55.28±7.36)%](图4),但上述4种授粉处理间的座果率均无显著差异。

图4 火把花不同授粉处理的座果率Fig.4 Proportion fruit set in different pollination treatments of C.coccinea

2.5 种子萌发特性

火把花4种授粉处理的种子进行萌发时均有发芽种子,其中,发芽率最高的是排除鸟[(34.57±9.19)%],其次是自交[(33.55±10.25)%],对照的发芽率较低[(21.42±7.65)%],最低的是异交[(20.38±6.47)%](图5),但上述4种授粉处理间种子的发芽率均无显著差异。

图5 火把花不同授粉处理种子的发芽率Fig.5 Seed germination rate in different pollination treatments of C.coccinea

3 讨论

火把花的花朵不但表现出颜色橘红、无气味和管状等特点,而且花蜜较丰富且稀薄,尤其还具有较短的花冠筒和己糖为主的花蜜糖组成,这些花特征构成典型的涉及泛化鸟媒传粉[15]的鸟媒花综合征。泛化鸟类访花现象广泛存在于亚洲和非洲,在中国已报道的被泛化鸟类访问的鸟媒植物涉及杜鹃花科、蔷薇科和金缕梅科[3,5,7]等多个科的物种,泛化鸟类包括绣眼鸟科、鹎科和画眉科等取食行为较泛化的类群。本研究观察发现,火把花在自然生境和人工生境下都能够吸引鸟类对其进行访问,这些鸟类也以短喙的泛化鸟类为主(图2),且火把花与泛化鸟类访问的其他植物的花一样具有较短、不足2 cm 的花冠筒(表1),因此这与预测一致。此外,火把花花蜜的低蔗糖特点(表1)也与此前学者总结的“泛化鸟类传粉的植物的花蜜蔗糖含量较低”的规律[2]相符。该研究结果增添了1个鸟类访问的本土植物新属,可以促进人们对本土植物与鸟类互作的进一步了解。同时,这也说明火把花确实具备作为引鸟植物材料的潜力。值得注意的是,本研究仅涉及两个研究地点,记录到的访花鸟类有限。考虑到泛化访花鸟类物种的多样性和取食的随机性,火把花很可能在不同地理区域会吸引诸多其他种类的鸟类。

具有鸟类传粉综合征的植物也往往多少能够受到昆虫的访问,这一点在很多类群中有报道[16-17]。在物种中进行套袋排除鸟类访花者的结果一般会导致繁殖成功率显著下降[7,18-19],但这在火把花的试验中并没有体现。考虑到昆虫访花时的行为,这个结果也就并不意外,即蜜蜂访问时很容易接触有效部位并成功传粉(图3,D),而昆虫在访问其他一些具备泛化鸟类传粉综合征的植物时往往难以接触这些有效部位。另一方面,本研究的观察也显示访花鸟类,尤其是短喙的绣眼鸟和棕肛凤鹛也能够接触花蕊(图3,A、B),因此可以推测它们也是有效传粉者,但有效性需要进一步的试验来进行定量分析。总体上看,火把花的传粉系统可以算是兼具鸟和昆虫的双峰型,这与传粉综合征概念的预测有一定出入。传粉综合征暗示植物与传粉者的关系相对特化,即一种植物对应一个传粉者功能群[20],例如蜂或鸟等。另一方面,很多研究已证明这个理论只是有部分的指导和预测作用,实际的植物与传粉者互作关系往往更泛化[21],火把花显然属于这种情况。该结果也与Chen等认为旧世界鸟媒相对更泛化的推测[22]相符。

火把花的传粉虽然必须依赖访花动物,但自交亲和性显著(图4)。这种交配系统在植物界广泛存在,尤其常见于横断山区域的其他类群[23-27]。此外,火把花表现出雌雄异熟的特点(图1)。雌雄异熟被认为是植物避免雌雄功能相互干扰、提高异交率的机制[28]。尽管火把花柱头开裂并伸出后距离花药很近,但始终未接触花药(图1),显然这是不能自动自花授粉的原因。有大量证据表明,由于传粉不充分,植物经常存在花粉限制,这在依赖动物传粉的植物中尤其常见[29-30]。花粉限制是影响繁殖成功的重要限制因素[31]。然而,本研究结果显示火把花的繁殖不存在传粉限制,自然情况下火把花能够产生丰富的种子,这一点与另一些植物的情况[32-33]类似。自交亲和植物的自交得到的种子活力往往较低[34],但是火把花的种子活力检测结果表明不同授粉处理得到的种子萌发情况并无显著不同(图5),因此更进一步说明火把花是一种充分自交亲和的植物。此外,火把花种子在成熟后立即播种表现出较高的发芽率说明该植物种子不存在明显休眠期,这种无休眠期的现象也见于其他一些灌木种子,如辽东丁香(Syringa wolfii)和连翘(Forsythia suspensa)的种子[35]。此外,对火把花在常温贮藏5 个月后进行萌发试验,该试验萌发条件与12月份的种子萌发试验条件相同,部分个体有超过1/2的种子能够发芽,说明火把花的种子耐储藏。因此,通过有性繁殖是大量繁育火把花幼苗的简单可行的途径。