沼生植物小慈姑sagiarapoamomaeifoliamerr的开花状态和传粉过程

沼生植物小慈姑sagiarapoamomaeifoliamerr的开花状态和传粉过程

交付系统是指控制植物的交付系统如何组合，以及戈勒特和ecctort（1990）提出的所有属性的系统。传粉机制决定了植物个体或种群中的传粉方式(自交/异交)以及花粉流所能到达的距离,因而对交配系统有很大影响。近年来,越来越多的人们开始强调交配系统和传粉生物学紧密结合的重要性(黄双全等,2000;张大勇等,2001)。小慈姑(SagittariapotamogetifoliaMerr.)为雌雄异花同株的沼生草本植物,属泽泻科,为中国特有种,分布于湖南、江西、福建、广东、广西和海南等省区。作者(汪小凡等,1998)曾对该种的一个种群的两个亚种群的交配系统特征指数——异交率(Outcrossingrate)作过定量估测,并推测其异交率主要取决于种群中同时具两个或更多开花花序的比例,但这一假设尚需实验结果的支持。本研究试图将开花状态、传粉机制的观测与交配系统研究相结合,并从传粉生态学角度探讨影响该种及同类雌雄同株植物交配系统的因素。1材料和方法1.1不同立地条件下的不同开花工序植株分布及取样情况研究对象为小慈姑的3个种群。部分材料移栽于武汉大学水生植物栽培区,凭证标本存于武汉大学植物标本馆(WH)。种群CL:位于湖南茶陵尧水乡湖里沼泽(26°50′E,113°40′N),该沼泽面积约0.15km2,生境稳定且具较高水平的异质性适宜于水生、沼生植物生活,小慈姑生于该沼泽的周缘。CL1和CL2为其中两个亚种群,二者相距约150m:CL1生于沼泽东北部一块弃耕田中,集中于约70m2的范围内,静水,深0～10cm,植物柔弱,具两枚或更多开花花序的植株仅占33%,平均花序密度为1.2枚/m2;CL2位于一沟渠的较宽阔地段,面积约12m2,缓慢流水,深15～30cm,植株较高大且粗壮,具两枚或更多花序的植株多达85%,平均花序密度为5.0枚/m2。考察、取样时间同为1996年6月。种群DX:位于江西东乡岗上集乡庵家山野生稻保护点附近(28°10′E,116°30′N),生于与水渠相通的面积约100m2的洼地。DX1和DX2分别为同一种群在夏季和秋季的样本:DX1在晴天时水深10cm,遇雨时水深可达30cm以上花序密度达33.0枚/m2,具两枚或更多开花花序的植株占50%,考察和取样时间为1996年7月初。DX2水深仅0～10cm,小慈姑密度较低且多处于果期,开花花序平均密度6.0枚/m2,具两个或更多开花花序的植株约为10%,考察、取样时间为1996年10月。种群WY:位于福建省武夷山市郊(27°50′E,118°00′N)。生于铁路路基下的流沙滩及邻接的稻田中,集中于200m2的范围,水深0～15cm,平均花序密度为0.6枚/m2,具两个或更多开花花序的植株为65%,考察、取样时间为1996年7月初。1.2调查及研究过程为判定小慈姑在自交/异交时的可育性,在栽培条件下对其进行人工隔离和控制授粉试验,包括:1)雌花套袋;2)单花序套袋;3)同株异花授粉;4)异花授粉(开放传粉)。各种操作皆在花药刚刚开裂时进行,每项处理重复6～10次。统计各种处理后的结实率,并以自然传粉时的结实率作对照。在自然种群中考察开花习性后观测虫媒及风媒传粉过程。虫媒传粉以昆虫访花频度及飞行距离衡量——在昆虫访花活跃期内统计:1)每20min雄花及雌花受访次数;2)访花者在花间的飞行距离(起落与同一植株上的飞行记距离为0)。风媒传粉检测采用重力玻片法——以一正在开放雄花的植株为花粉源,用涂布凡士林的玻片收集花粉,自花粉源起5m内顺风布片,间距0.5m,24h后收片镜检,每种群中重复3次取平均值。1.3同工酶位点筛选在考察群体自然状况的基础上,从每群体随机取已开花植株各32～36株作为亲代(母本)样本;收集植株上成熟的聚合瘦果培养出幼苗,每家系抽取幼苗20～40株为子代样本。20世纪80年代以来,异交率估测常用多位点估计法(Shawetal.,1981;Ritland&Jain,1981;Ritland,1990;何田华等,2001)。水生植物克隆繁殖发达(Haynes,1988),遗传上的一致性给选择作为遗传标记的多态位点带来困难(Barrettetal.,1993),最近的有关研究仍采用单位点估计法(Wangetal.,1998;汪小凡等,1998;1999;2000)。本研究中异交率的估测采用同工酶单位点标记和经典的统计方法(Brown&Allard,1970;Clegg,1980)。在用聚丙烯酰胺凝胶电泳法对多种同工酶进行分析后,筛选一明显而可靠的位点作为遗传标记;检测亲代样本在标记位点上的基因型频率,推算花粉库中雄配子体基因型频率;抽取标记位点上为纯合型母本的子代检测标记位点上的杂合率,计算异交率最大可能性估计值。具体做法见汪小凡等(1998;1999)文。2结果与分析2.1花粉-火炬树小慈姑为雌雄同株植物。总状花序,具花9～24朵。雌花1～2朵,位于最下一轮。花自下向上开放,花序内雌雄花异熟,单花花期仅1～2d。每雌花具离生雌蕊159±37枚,排列于头状花托上。花粉-胚珠比P/O=3490±1110,暗示该种较适合于异花传粉。栽培状态下的人工控制授粉试验结果(表1)表明,该种在结实依赖授粉,自交可育,单花序套袋不能结实是由于同花序中雌花和雄花在开花时序上产生了隔离,自交只能是同株不同花序之间传粉的结果。2.2传粉过程和花粉流2.2.1访花频率的统计在各种群中均观察到小慈姑的花频繁地受到昆虫的访问,这与Cook(1988)关于慈姑属(Sagittaria)传粉方式的看法一致。据作者观察,访花者多为蜂类,亦有蝇类。在5～10月间,小慈姑常在清晨6:00前后开花,当天下午14:00后花逐渐闭合。8:00～10:00是访花昆虫活动高峰期,12:00以后就难以见到昆虫活动。对昆虫的访花频度的统计(表2)是在昆虫访花高峰期内做出的。表中可见,昆虫对雄花的访问频率显著高于访问雌花的频率。观察中还发现,访花者在雄花上的停留时间也明显较长。蜂类在访问小慈姑的雄花时,将头部伸向花丝基部,而以腹部接触花药的侧面或顶端,在未受侵扰的情况下,其头部绕雄蕊群的花丝缓慢运动一周,而使其腹部与花药全面接触。与此相比,访花者在雌花上仅作十分短暂的停留。2.2.2小慈姑属植物的优良种群与成花率的关系在昆虫访花活动高峰期内对访花者飞行距离的统计见图1。由图1可见在小慈姑的各种群中,访花者的近距离(0～0.5m)和较远距离(>2m)的飞行活动占较大比例,而中等距离(0.5～2m)的飞行较少。访花者的飞行距离与种群中正在开花的花序密度有一定关系,这在小慈姑及慈姑属其它种如矮慈姑(S.pygmeaMiq.)和野慈姑(S.trifoliaLinn.)及(S.trifoliaLinn.f.longiloba(Turcz.)Makino)的多个种群中都有较明显的表现(表3)。相关分析结果显示:花序密度的平方根与0～0.5m的飞行频率呈不显著的正相关(r=0.619,p=0.190>0.05),与>2m的飞行频率呈不显著的负相关(r=-0.689,p=0.130>0.05)。由于访花者的运动仅能作为评价花粉流的参考,但它并不能真正代表花粉流,种群中的花序密度与虫媒花粉流之间的关系还有待于进一步研究。2.2.3花粉流强度用重力玻片法检测到小慈姑的花粉粒能随风散布到离花粉源4～5m处甚至可能更远。花粉流的距离和强度可能会因风速、空气湿度和障碍物之不同而有所不同(图2)。但由一开放雄花的植株所能提供的花粉流强度的最大值仅为20.1粒/cm2,对于一个具有159±37枚雌蕊而直径仅为5mm左右的雌蕊群而言,所起作用甚微。可以肯定,在小慈姑种群中,只有虫媒传粉对花粉流的形成起着决定性作用。2.3异交率是交换系统的资源参数2.3.1遗传标记选择用聚丙烯酰胺凝胶电泳法得到供试材料的酯酶(EST)、过氧化物酶(PER)、苹果酸脱氢酶(MDH)、苹果酸酶(ME)和谷氨酸脱氢酶(GDH)等8种同工酶酶谱,经反复比较分析,仅发现酯酶同工酶Est-2位点是最为明显且稳定的多态位点,故选择该位点为遗传标记(图3)。在本研究所用标准电泳条件(分离胶浓度10%、a:b=37.5、pH=8.9、胶板规格120mm(长)×104mm(宽)×1mm(厚);浓缩胶浓度4%、pH=6.8;电极液为Tris-甘氨酸缓冲液,pH=8.3;稳压250v,电泳3.5h)下,该位点的迁移率Rf=0.37～0.43。小慈姑5个种群的亲代(孢子体)样本在Est-2位点上共被检出4个等位基因:Est-21、Est-22、Est-23和Est-24,它们组成了5种基因型。各群体亲代孢子体在标记位点上的基因型频率及据此推算出的配子体基因型频率见表4。2.3.2异交率估计结果的检验用单位点估计法估测出小慈姑5个种群的异交率(tˆ¯)(t^¯)最大可能性估计值的平均值为50.0%～92.8%(表5)。尽管与多位点估计法相比,单位点估计法所得结果的可靠性稍差,但根据3个种群中5个样本的异交率估计结果可以判定小慈姑的交配系统为异交占优势的混合交配系统。异交率较高水平的变异出现在小慈姑的各种群中,这种情况在其它种类也常有出现(Hamrick,1982)。小慈姑各种群的异交率估计值及其与花序密度和具两枚或更多开花花序的植株所占比例的关系见表5。种群的异交率估计值的平均值与花序密度无相关性,而与具两个或更多花序植株在种群中所占比例呈极显著的负相关(r=-0.998,p<0.01)。3小慈姑各种群的异交率许多作者倾向于把一个种的交配系统看成是不变的,但这一假想并未得到已有证据的支持。Hamrick(1982)就已列举了许多实例说明种群与种群之间、个体与个体之间、花与花之间以及不同时间、不同密度时异交率的差异。本研究的结果——小慈姑各种群的异交率估计值为50.0%～92.8%也说明了这一点。在本研究结果的基础上作者就小慈姑及具同类繁育机制的植物探讨影响种群的交配系统特征参数的各种因素。3.1种群密度对小慈姑异交率的影响密度效应也常被认为是影响传粉的因素加以考虑,一般认为花序或花的密度较高时更有利于异交,陈小勇等(1996)在风媒传粉的黄山钓桥青冈(Cyclobalanopsisglauca)、He等(1998)在濒危物种木根麦冬(Ophiopogonxylorrhizus)、Chen(2000)对红树植物秋茄(KandeliacandleL.)等研究中均发现种群密度低时表现出较高的自交率。但在自交不亲和的福禄考(Phloxdrummondii)种群的自交率与植物密度呈现正相关(Watkins&Levin,1990);作者在自交亲和的小慈姑的异交率研究中也曾得到类似的结果(汪小凡等,1998)。本研究的结果则进一步表明,由于访花昆虫对花序的密度存在一定程度的适应能力,因此花序密度与异交率之间没有直接的联系。自交率与种群密度的负相关关系在风媒传粉种类中可能更能得到表现,在虫媒传粉类群中则只有密度低于一阈值时这种关系才会较为显著。由于小慈姑为雌雄同株且花序内雌雄异熟,种群中具两枚或更多开花花序的植株所占比例决定了自交发生的可能性的大小,因而对异交率有直接影响。种群所在生境的水、肥条件可以通过影响每植株产生的花序数而对异交率发生影响。如CL种群中,CL2亚种群处于较好的生长条件下,其植株极为粗壮,同时有两枚或更多花序开花的植株较多,这是其异交率估计值较低(tˆ¯=50.0%)(t^¯=50.0%)的原因之一。同样,季节因素也可影响开花状态从而影响异交率。在同一种群DX中,秋季样本DX2花期即将结束,具有两枚或更多开花花序的植株甚少,其异交率(tˆ¯=92.8%)(t^¯=92.8%)明显高于夏季样本DX1(tˆ¯=71.0%)1(t^¯=71.0%)。3.2传粉者通过线路检测实验是否实际访花昆虫的0距离飞行,也应是造成自交的一种直接原因。事实上,根据作者对小慈姑及慈姑属其它种如矮慈姑、野慈姑的多个种群的统计分析,访花者0距离飞行频率与异交率估计值之间并无显著的相关性。而且,对访花者活动的统计只能作为评价花粉流的参考。Schaal(1980)对基因流进行直接测定的著名实验说明实际测定的基因流比基于传粉者运动所作出的估计有很大差别。由于昆虫传粉时存在花粉滞销(Carryover,即昆虫访花时未使上一朵花中带来的花粉完全卸载而部分地带到下一朵花中)现象(Schaal,1980;Ennos&Clegg,1982),传粉者可能携带一植株的花粉访问其它植株后又将部分花粉部分带回同株雌花上,完成同株传粉。另外,由于慈姑属植物的每一雌花含有100～200个离生雌蕊,而访花昆虫对雌花的访问次数相对较少、停留时间较短,每一家系的雄配子来源有很大的偶然性且可能在较大程度上偏离整个种群花粉库中的雄配子体基因型频率,这应该是小慈姑种群内各亲本个体之间异交率差异较大的原因之一。3.3物种亚结构、亚交率、小慈姑异交率水生植物中普遍地存在着高效的克隆生长(Haynes,1988)。仅由少数遗传上有差异的克隆组成的种群可能在时间上和空间上产生亚结构,以使交配不是随机的且亲本间花粉基因型频率有较大幅度的差异,种群内有限的多样性还可能导致标记位点之间明显的不平衡(Barrettetal.,1993)。而种群内的亚结构会导致异交率的估计结果偏低(Ennos&Clegg,