鳶尾居群的生物學(xué)特性

大多數(shù)花期是對稱的，具有很強的輻射源?；ㄉG麗多彩,主要有藍紫色、紫色、紅紫色、黃色、白色等。鳶尾屬植物大多是優(yōu)良的觀賞花卉資源(丁寶章和王遵義,1998)。植物獨特的花部結(jié)構(gòu)與其有性繁殖密切相關(guān)。目前,有關(guān)鳶尾屬馬藺(Irislacteal)、中亞鳶尾(Irisbloudowii)、變色鳶尾(Irisversicolor)、蝴蝶花(Irisjaponica)、長白鳶尾(Irismandshurica)等植物傳粉與生殖生物學(xué)研究已經(jīng)展開(Kronetal.,1993;李寧,2003;王玲等,2006;關(guān)文靈等,2009;王育青等,2010)。鳶尾(Iristectorum)是鳶尾屬(Iris)多年生草本植物,分布范圍較廣,主要產(chǎn)于山區(qū)向陽山坡、林緣。鳶尾花色藍紫,花冠較大,單花期及居群花期較長,在生態(tài)園林上有著廣泛的應(yīng)用前景。此外,鳶尾的根莖入藥,對治療關(guān)節(jié)炎、跌打損傷、肝炎等有較好的藥用價值(丁寶章和王遵義,1998)。有關(guān)鳶尾的抗脅迫生理、細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的研究已有報道(沈云光等,2007;程永生等,2009;肖婷婷等,2010),但涉及開花、傳粉生物學(xué)特性的研究較少。開展鳶尾開花、傳粉生物學(xué)方面的研究,不僅有助于深入了解鳶尾的個體發(fā)育,而且可以為雜交育種等工作提供可靠的數(shù)據(jù),對開展雜交育種工作,提高種子產(chǎn)量及質(zhì)量方面有重要意義。作者就鳶尾的開花、傳粉生物學(xué)特性等進行了研究,為提高鳶尾屬植物的繁殖效率及其雜交育種提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1植物園生長概況觀測的野生鳶尾居群約有3000株,分布在約1500m2范圍內(nèi),位于南陽師范學(xué)院植物園,地處北緯32°976′,東經(jīng)112°496′,海拔262m,年平均氣溫14.4~15.7℃,年均降雨量1000mm。1.2方法1.2.1花部特征與花的動態(tài)觀察2010年4月6月,對盛花期鳶尾的開花動態(tài)進行觀測,每次取10m×10m的樣方,主要記錄單花花期、開花時間、花器官各部分大小。1.2.2兩種方法檢測發(fā)芽劑的活性花粉活力的檢測依據(jù)Dafni(1992)的方法使用TTC(0.5%)從開花后每小時取1次花粉檢測活性。柱頭的可授性檢驗采用過氧化氫—聯(lián)苯胺法(劉林德等,2001)。從7:00至17:00每小時取1次盛開的花朵,用過氧化氫—聯(lián)苯胺溶液(1%聯(lián)苯胺︰3%過氧化氫︰水=4︰11︰22,體積比)在凹形載玻片內(nèi)進行檢測。若柱頭具有可授性,則周圍出現(xiàn)藍色并有大量氣泡產(chǎn)生。另外使用NikonTE2000對柱頭進行顯微觀察,拍照記錄,依據(jù)柱頭腺毛發(fā)育情況判斷柱頭的可授性。1.2.3發(fā)育時間關(guān)聯(lián)鑒定按照Dafni(1992)的標(biāo)準(zhǔn)進行花序直徑、花朵大小和開花行為的測量及繁育系統(tǒng)的評判。(1)花朵或花序直徑:<1mm記為0;1~2mm記為1;2~6mm記為2;>6mm記為3。(2)花藥開裂時間與柱頭可授期之間的時間間隔:同時或雌蕊先熟記為0;雄蕊先熟記為1。(3)柱頭與花藥的空間位置:同一高度記為0;空間分離記為1。三者之和為OCI值。OCI=0時,繁育系統(tǒng)為閉花受精;OCI=1時,繁育系統(tǒng)為專性自交;OCI=2時,繁育系統(tǒng)為兼性自交;OCI=3時,繁育系統(tǒng)為自交親和,有時需要傳粉者;OCI=4時,繁育系統(tǒng)為部分自交親和,異交,需要傳粉者。1.2.4花粉/彈性比和生長系統(tǒng)隨機選取花蕾尚未開裂的雄蕊30個(每朵花取1個雄蕊)固定于FAA中,用HCl(1mol·L-1)60℃水解1h去除藥壁,花粉粒懸浮液定容至10mL,用微量移液器吸取2μL懸浮液于顯微鏡下觀察,統(tǒng)計花粉量,重復(fù)10次。取子房在體視顯微鏡下用解剖刀剖開,統(tǒng)計胚珠數(shù),重復(fù)20次。用平均每朵花的花粉量除以平均每朵花的胚珠數(shù)得到花粉/胚珠比(P/O)。按Cruden(1977)的標(biāo)準(zhǔn),P/O為2.7~5.4時,其繁育系統(tǒng)為閉花受精;P/O為18.1~39.0時,繁育系統(tǒng)為專性自交;P/O為31.9~396.0時,繁育系統(tǒng)為兼性自交;P/O為244.7~2588.0時,繁育系統(tǒng)為兼性異交;P/O為2108.0~195525.0時,繁育系統(tǒng)為專性異交。1.2.5自花授粉性測定為檢測繁育系統(tǒng)類型,試驗地點實施如下處理:(1)將尚未開放的花蕾用牛皮紙袋套袋,不做任何處理,檢測是否具備自花授粉能力;(2)花蕾套袋,次日上午進行人工自花授粉,檢驗自花授粉的親和性;(3)花蕾去雄,套袋,檢測是否可以進行無融合生殖;(4)花蕾去雄,套袋,次日上午進行人工異花授粉;(5)對照,自然授粉。每組處理20朵花,果實成熟后統(tǒng)計坐果率和結(jié)籽率。1.2.6昆蟲訪花情況調(diào)查參考Totland和Matthews(1998)的方法,在鳶尾盛花期2010年4—6月選晴天觀察整個居群內(nèi)的昆蟲訪花情況。觀測點選定10m×10m的樣地,觀察記錄樣地內(nèi)單花訪花昆蟲的種類和數(shù)量,昆蟲訪問單花時間長度,訪花頻率。對昆蟲訪花行為進行攝影,不定時捕捉訪花昆蟲作憑證標(biāo)本。2結(jié)果與分析2.1花瓣花瓣鳶尾為聚傘形花序,花莖頂端常有1個或2個短側(cè)枝,每枝頂部花蕾1枚,花朵自花莖頂端向下依次先后開放?；ㄉ{紫,花被管喇叭狀,花被片6枚,分為2輪,內(nèi)外各3枚,交互排列,輻射對稱,花冠直徑約12mm(圖1,A);垂瓣(外花被)3枚,裂片寬卵形,長50~60mm,寬30~40mm,中脈上有不規(guī)則的雞冠狀附屬物(圖1,B);旗瓣(內(nèi)花被)3枚,裂片橢圓形,長40~50mm,寬20~30mm;花柱分枝扁平,淡藍色,長40~50mm,頂端裂片近四方形,柱頭位于花柱頂端裂片的基部(圖1,A)。雄蕊長約2.5cm,花絲細長,花藥乳白色,向外開裂,花藥位于花柱外側(cè),柱頭下方(圖1,C)。子房約13mm,紡錘狀圓柱形,子房三室(表1)。鳶尾花期4—6月,群體花期約60d,群體盛花期約30d,單株花期10~30d,單花花期2d。早晨8:00左右花朵綻開,此時花藥和柱頭沒有明顯的距離分開,花藥未開裂,柱頭未分化出腺毛;上午10:00左右,柱頭和花藥分開約3mm,且柱頭高于花藥(圖1,C),柱頭出現(xiàn)密集的腺毛(圖1,D),花藥開裂,花粉乳白色;開花次日8:00—8:30,花藥略顯黃色,大部分花藥因吸收露水脹破;開花次日16:00—16:30,垂瓣、旗瓣萎縮,柱頭干枯卷曲。2.2花粉活力隨時間推移狀態(tài)鳶尾花粉在花藥開裂前已有較強活力,花藥開裂時花粉活力處于最強的狀態(tài),此后隨著時間推移花粉活力逐漸下降(表2)。柱頭在花藥開裂前具有可授性,花藥開裂后2h左右柱頭可授性最強,此后隨著時間推移柱頭可授性下降,可授性可以持續(xù)到開花的次日(表2)。2.3制備pbp,把細胞變化到互聯(lián)網(wǎng)前,細胞開裂時間和高管口開拓地線,鳶尾花冠的垂瓣為花的最膨大部分,可以作為衡量花器官大小的依據(jù)。垂瓣長度和寬度分別為58.18mm和36.52mm(表1),大于6mm,OCI記為3;花藥開裂時間和柱頭可授粉時期同步,OCI記為0;花藥與柱頭空間分離,OCI記為1。所以,鳶尾的雜交指數(shù)(OCI)為4。按照Dafni(1992)的標(biāo)準(zhǔn)判斷鳶尾的有性繁育系統(tǒng)為部分自交親和,異交,需要傳粉者。2.4前瓣花的生長鳶尾的花粉量平均每朵花粉數(shù)22732粒,胚珠數(shù)每朵花平均97個,P/O值為234.4,按照Cruden(1977)的標(biāo)準(zhǔn),鳶尾的有性繁育系統(tǒng)為兼性自交或兼性異交。2.5不同傳粉條件對胚性種子授粉率的影響鳶尾自花授粉能力和無融合生殖處理的檢測結(jié)果顯示結(jié)籽數(shù)和坐果率均為零;人工自交、人工異交和自然自交的坐果率為100%,平均每果結(jié)籽量分別為49.32,67.74和58.41(表3)。對授粉后的果實解剖觀察發(fā)現(xiàn):人工自交繁殖的種子在發(fā)育過程中存在滯育現(xiàn)象(圖1,K);自然傳粉的果實內(nèi)部,種子結(jié)籽量明顯多于人工自交的果實(圖1,L);人工異花授粉的果實內(nèi)部不存在滯育的種子,種子數(shù)量多于自然傳粉的果實(圖1,M),說明人工異花傳粉條件下胚珠授粉率較高。可以推斷鳶尾的繁育系統(tǒng)為部分自交親和(但不存在自然自交),主要為需要昆蟲傳粉的異交繁殖類型,不能進行無融合生殖。2.6蜂背鳶尾花粉粒鳶尾的訪花昆蟲主要有粉蝶(Pieridae)、鳳蝶(Papilionidae)、中華蜜蜂(Apisceranacerana)、木蜂(Xylocopa)、蠅類以及甲蟲類等。捕捉訪花昆蟲解剖鏡下檢測,發(fā)現(xiàn)僅體型較大的木蜂背部攜帶鳶尾花粉粒。觀測結(jié)果顯示鳶尾的傳粉昆蟲有兩種:黃胸木蜂(Xylocopaappendiculata)(圖1,J)和長木蜂(Xylocopatranquebarorum)(圖1,H)。黃胸木蜂訪花集中在10:00—14:00期間,高峰訪花期在中午11:00—13:00;長木蜂訪花集中在9:00—14:00,訪花高峰期在上午10:00—12:00(圖2)。黃胸木蜂和長木蜂訪花時,頭背部可以接觸到花藥,成熟的花粉粒自動降落粘附在昆蟲頭背部,昆蟲離開時花粉即被帶走。黃胸木蜂每次可連續(xù)訪問(3.2±0.4)朵花,平均每朵花訪問時間約為(7.6±2.5)s;長木蜂每次可連續(xù)訪問(5.8±0.7)朵花,平均每朵花訪問時間約為(3.6±1.5)s。3討論3.1前傳粉昆蟲檢測鳶尾具有保證異交的許多特征:花冠膨大呈喇叭狀,輻射對稱,花色鮮艷,柱頭分枝呈花瓣狀等(圖1,A、E)(黃雙全,2007)。按照Dafni等(2000)建議的標(biāo)準(zhǔn)進行雜交指數(shù)(OCI)測定,表明鳶尾的繁育系統(tǒng)為部分自交親和,異交,需要傳粉者;依據(jù)Cruden(1977)以花粉/胚珠比(P/O)評判繁育系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),鳶尾的繁育系統(tǒng)屬于兼性自交或兼性異交;套袋試驗結(jié)果顯示鳶尾以異花傳粉為主,而且觀察到有傳粉昆蟲?？梢?由OCI、P/O、套袋試驗3種方法檢測到的鳶尾繁育系統(tǒng)結(jié)果基本一致,據(jù)此判定鳶尾的繁育系統(tǒng)屬于混合交配系統(tǒng)。自交不親和、雌雄異位和雌雄異熟是促進異交,避免單花自交的重要機制(侯勤正等,2009)。鳶尾花藥和柱頭分離,自然條件下自交受到限制,人工自花授粉部分種子滯育證明鳶尾部分自交不親和。可見,鳶尾有性生殖的繁育系統(tǒng)趨向于拋棄自交,以依賴昆蟲傳粉的異交為主。鳶尾屬植物的馬藺(Irislacteal)(王育青等,2010)、中亞鳶尾(Irisbloudowii)(李寧,2003)等植物的有性繁育系統(tǒng)為自交不親和,異交,需要傳粉者。長白鳶尾(Irismandshurica)(王玲等,2006)的有性繁育系統(tǒng)為自交親和,異交,需要傳粉者。蝴蝶花(Irisjaponica)(關(guān)文靈等,2009)和變色鳶尾(Irisversicolor)的兩個亞種Iristenax及Irisgormanii(Kronetal.,1993)的有性繁育系統(tǒng)跟鳶尾一樣,屬于部分自交親和,異交,需要傳粉者?？梢?鳶尾屬植物的有性繁育系統(tǒng)主要為異交、需要傳粉者,但是屬內(nèi)物種間已經(jīng)分化出自交不親和、部分自交親和以及自交親和的類型。3.2引物:菊花可授性花黃雙全和郭友好(2000)報道植物的傳粉系統(tǒng)由3個部分組成,即花粉、柱頭和傳粉媒介。在有性生殖中,植物花器官的生物學(xué)特征與其傳粉機制相適應(yīng),有效的傳粉以大量的花粉、有效的傳媒和處于可授期的柱頭為前提。鳶尾花粉的最高活力與柱頭的最佳可授性同步(表2)。但是,鳶尾花朵在開放和關(guān)閉過程中,雄蕊始終緊貼在向下翻卷的扁平花柱外側(cè),而且柱頭一直高于花藥(圖1,C),避免了自花傳粉。每個花柱與一個垂瓣相對(圖1,B),垂瓣為采集花粉的昆蟲提供了落腳的場所,這是蟲媒傳粉有利特征?；ㄋ庪[藏在花柱之下,體型較小的訪花昆蟲無法接觸到花藥,不能行使傳粉的功能。黃胸木蜂和長木蜂體型較大,訪花時首先降落在垂瓣上(圖1,F),由于柱頭頂端距離垂瓣中脈的附屬物距離較小(圖1,B),黃胸木蜂和長木蜂沿垂瓣中脈雞冠狀附屬物進入花內(nèi)部時,扁平的柱頭像一把鏟子(圖1,C)可以鏟下粘附在昆蟲背部的花粉粒,完成傳粉作用(Goldblattetal.,1998)。黃胸木蜂和長木蜂進入花器內(nèi)部后,首先頭背部接觸開裂的花藥,成熟的花粉就粘附在昆蟲的頭背部。此后昆蟲沿雞冠狀附屬物一直向下搜尋,在垂瓣基部找不到花蜜的情況下,原途折返再次接觸花藥,花粉就被昆蟲大量攜帶(deVos,1983)。已有研究證實,傳粉系統(tǒng)高度特化的植物往往依賴一個物種或者生態(tài)學(xué)功能類似的幾個物種的動物行使傳粉功能,鳶尾科植物中很少有植物依靠3個以上的物種行使傳粉功能(Goldblatt&Manning,2006)。另外,試驗結(jié)果證實鳶尾柱頭最佳可授性與傳粉昆蟲訪花保持在同一時期(表2,圖2)。由此可見,鳶尾花器結(jié)構(gòu)為適應(yīng)大型昆蟲傳粉已經(jīng)高度特化。自然界中兩性花植物通常產(chǎn)生比果實或種子更多的花,結(jié)實率低的原因有幾種:花粉限制、資源限制、缺少傳粉昆蟲,或者幾種原因兼而有之(黃雙全和郭友好,2000)。鳶尾人工異花授粉的結(jié)籽率高于自然傳粉的結(jié)籽率,可見自然環(huán)境中鳶尾存在花粉限制、資源限制或者缺少傳粉昆蟲。由于特化的花部特征,鳶尾傳粉只能依賴黃胸木蜂和長木蜂傳粉