野生桂花繁育系统的观察和研究

郝日明，赵宏波，王金虎，周莉花

雄全异株(androdioecy)是指同种植物中既有雄性植株又有两性植株的繁育系统。由于雄全异株是雌雄异株(dioecism)和两性同体(hermaphroditism)之间的过渡类型之一，在植物繁育系统的演化方面具有特殊意义，因此，对雄全异株在植物进化方面的研究受到国外许多研究者的高度关注［1-9］。然而，雄全异株这种繁育系统在被子植物中所占的比例极低，而且其中有不少形态上的雄全异株种类实质为功能性的雌雄异株或雌雄同株(monoecism)种类［10-11］，所以功能性的雄全异株种类就更为罕见。所谓功能性的雄全异株是指一个种群中的雄性植株仅具雄性功能，而两性株同时具有雄性和雌性功能［12］。目前，比较确定的具有功能性的雄全异株繁育系统的植物有大戟科(Euphorbiaceae)的Mercurialis annua L.(仅指其多倍体居群)［13］、四数木科(Datiscaceae)的 Datisca glomerata(C.Presl)Baill.、木犀科(Oleaceae)的Fraxinus lanuginosa Koidz.和Phillyrea angustifolia L.等少数种类［7-8］。

桂花〔Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.〕为中国特有的木犀科常绿树种，是著名的庭院观赏树木。桂花栽培品种中出现的单性雄株过去一直被误认为是栽培选育的结果，因此，只有找到自然分布的繁育居群才能明确桂花的繁育系统类型。自然分布的桂花居群非常少见，通过近年来的野外调查，研究者发现湖南浏阳、福建长汀和浙江龙泉3个地区有野生桂花分布［14-16］。已有的研究结果表明，在同一野生桂花居群内同时存在两性花和单性雄花个体［14］，但是桂花是否具功能性的雄全异株繁育系统需要进一步的研究证实。

作者全面调查了湖南省浏阳市周洛村桂花峡、福建省长汀县官坊村石峰寨东北坡和南坡以及浙江省龙泉市供村、张公桥和毛圩村的6个野生桂花居群，通过统计居群内植株性别比例、观察花部雌蕊形态和比较单性雄株和两性株的花粉特征，初步推断桂花的繁育系统类型。本研究结果不仅可以为揭示桂花的繁育系统特征提供佐证，而且对进一步研究其花部演化有重要意义。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地概况

湖南省浏阳市的野生桂花居群分布于周洛村桂花峡。桂花峡为东西走向的山涧溪沟，中心地理位置为北纬28°25′42″、东经113°40′13″，海拔370 m。桂花沿两侧沟坡(坡度40°～70°)呈带状分布，两侧桂花分布带距沟各约20～40 m，分布带宽约30 m、长约500 m，总面积约3 hm2。其中南坡桂花密度明显大于北坡。桂花群落中的建群种为壳斗科(Fagaceae)的青冈〔Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.〕，优势种为杜英科(Elaeocarpaceae)的猴欢喜〔Sloanea sinensis(Hance)Hemsl.〕，而桂花生长在石灰岩质的石缝中，此立地条件下青冈呈灌木状，猴欢喜难以生长成大树，这2种乔木树种和桂花的高度相近，对桂花难以形成遮蔽，这也是桂花在此立地条件能够生存的原因。

福建省长汀县的野生桂花居群分布于官坊村石峰寨的1座由水稻田包围的孤立小山。该山体中心地理位置为北纬25°32′34″、东经116°32′04″，海拔约300 m；山坡坡度30°～40°，石灰岩基岩，土层浅，黄红壤，有大量岩石出露。桂花群落面积约6.5 hm2，乔木层以桂花为优势种，桂花生长于岩石出露处，占地面积大；而其他乔木树种生长于具一定土层覆盖处，占地面积较小。在调查的东北坡和南坡2个样地中，东北坡样地面积5 000 m2，伴生树种为青冈、禾本科(Poaceae)的毛竹〔Phyllostachys edulis(Carrière) J.Houzeau〕、榆科(Ulmaceae)的朴树(Celtis sinensis Pers.)和樟科(Lauraceae)的香叶树(Lindera communis Hemsl.)等；南坡样地面积4 000 m2，伴生树种有青冈、香叶树、金缕梅科(Hamamelidaceae)的枫香树(Liquidambar formosana Hance)和 山 茱 萸 科(Cornaceae)的光皮梾木〔Swida wilsoniana(Wanger.) Sojak〕等。

浙江省龙泉市的野生桂花居群分布于3处相距较远的林地，分别为供村居群、毛圩村居群和张公桥居群，桂花均生长于石灰岩岩缝中。供村居群地理位置为北纬28°11′33″、东经119°15′00″，海拔约220 m；该居群的桂花生长在山体的北坡，坡度45°～60°，占地约6.5 hm2；伴生树种有壳斗科的钩栲(Castanopsis tibetana Hance)和青冈以及樟科的红楠(Machilus thunbergii Sieb. et Zucc.)和 浙 江 楠 (Phoebe chekiangensis C.B.Shang)等。毛圩村居群地理位置为北纬28°11′02″、东经119°11′42″，海拔230 m；该居群的桂花生长于山体东坡，坡度约70°，分布范围约3.5 hm2。张公桥居群地理位置为北纬28°06′05″、东经118°53′46″，海拔约500 m；该居群的桂花生长于东坡偏南约40°，占地面积约1 500 m2；桂花个体数量较少，共生树种有紫金牛科(Myrsinaceae)的密花树〔Rapanea neriifolia(Sieb.et Zucc.)Mez〕、钩栲、青冈、猴欢喜、樟科的紫楠〔Phoebe sheareri(Hemsl.) Gamble〕等；该居群分布在密林中(群落郁闭度0.9)，呈退化消亡趋势。

1.2 实验方法

1.2.1 居群内桂花单株性别的观察和统计方法 统计居群内全部开花个体，对每株进行性别观察记录，雄性植株的比率计算方法为某个居群中雄株数占开花株数的比率。

1.2.2 花部雌蕊形态的观察方法 选雌蕊发育完好的样本，以S261型体视显微镜(日本奥林巴斯公司生产)观察雌蕊外部形态；采用常规石蜡切片方法，用Leica-DM1000型光学显微镜(德国莱卡公司生产)观察雌蕊纵切面解剖结构，分别拍照记录。

1.2.3 花粉粒数量的统计方法 在周洛村桂花峡居群选择6个单株(单性雄株和两性株各3株)，每株取50个花药统计每个花药的花粉粒量；在供村居群选择24个单株(单性雄株和两性株各12株)，每株取50个花药统计每个花药的花粉粒数量。

将花药挤碎后用体积分数1％HCl溶液解离后定容至4 mL；取花粉液5μL于载玻片上，在光学显微镜下观察计数，重复3次，结果取平均值，经换算得到每个花药的花粉粒数量。对上述2个居群间以及单性雄株与两性株间的每个花药的花粉粒数量的平均值作t-检验(异方差双样本)，比较差异显著性。

1.2.4 花粉粒形态的观察方法 取单性雄株的雄花和两性株的两性花的花粉粒，用Hitachi S-3000N型扫描电子显微镜(日本日立公司生产)直接扫描观察并拍照记录。

1.2.5 花粉活力的测定方法 将单性雄株的雄花和两性株的两性花花粉粒分别置于不同的雌蕊柱头上，48 h后摘下雌蕊用FAA固定，然后用5 mol·L-1NaOH溶液软化12 h，用蒸馏水清洗数次后用质量体积分数0.01％的水溶性苯胺蓝直接染色20 min，在BX51-FL型荧光显微镜(日本奥林巴斯公司生产)下观察花粉粒的萌发状况并拍照记录。

2 结果和分析

2.1 野生居群内桂花性别比例的统计

在6个野生桂花居群内，桂花性别比例的统计结果见表1。由表1可见，在湖南省浏阳市周洛村桂花峡(ZL)居群、福建省长汀县官坊村石峰寨东北坡(GFN)和南坡(GFS)居群中桂花单性雄株的比率均大于0.5，分别为0.51、0.62和0.62；浙江省龙泉市供村(GC)、浙江省龙泉市张公桥(ZGQ)和浙江省龙泉市毛圩村(MW)居群桂花单性雄株的比率则均低于0.5，其中，供村和毛圩村居群的雄性比率分别为0.42和0.29，张公桥居群的雄性比率为0。

表1 6个野生桂花居群单株性别比例的统计结果Table 1 Statistic result of sex ratio of individuals in six w ild populations of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

在湖南省浏阳市周洛村、浙江省龙泉市供村、福建省长汀县官坊村石峰寨东北坡和南坡4处居群规模较大的桂花群体中，单性雄株个体和两性株个体不是均匀随机分布的，常常在整个样地中多个单性雄株(6～10株)或多个两性株(6～10株)分别集中分布在一起。所以，为保证单株性别统计比率的准确性，居群的样本数应足够大，最好超过50株，否则统计数据会出现严重误差。例如，张公桥和供村居群的桂花株数均不足20株，因群体过小而雄性比率误差较大，没有统计意义。

2.2 桂花花部表观性状观察

2.2.1 雌蕊外部形态和解剖结构比较 桂花花部雌蕊的外部形态见图1。桂花两性株的两性花(图1-1)的子房形态发育完全，柱头膨大；而单性雄株的单性雄花中(图1-2～4)有呈鳞片状退化程度不等的子房痕迹。

图1 桂花花部雌蕊的外部形态Fig.1 Pistil externalmorphology of flower of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

桂花雌蕊纵切面的解剖结构见图2。由单性雄株的雄花纵切面可见退化雌蕊的痕迹，其子房部位中空，仅在基部有一小突起(图2-1)；而两性株两性花的雌蕊发育正常，从纵切面看，子房中可见2枚正在发育的胚珠(图2-2)。

2.2.2 单性雄株和两性株的花粉粒数量比较 统计分析结果表明：湖南省浏阳市周洛村桂花峡居群的6个单株每个花药的花粉粒数量为1 300～9 662粒，变化较大；其中，单性雄株每个花药的花粉粒数量为2 072～9 662粒，两性株每个花药的花粉粒数量为1 300～3 544粒。浙江省龙泉市供村居群中24个单株每个花药的花粉数量为1 024～6 520粒，变化幅度小于桂花峡居群；其中，单性雄株每个花药的花粉粒数量为2 553～6 520粒，两性株每个花药的花粉粒数量为1 042～5 821粒。

以上数据显示，桂花个体间每个花药的花粉粒数量存在一定的差异，且单性雄株每个花药的花粉粒数量多于两性株。但对上述2个居群(桂花峡居群和供村居群)间以及单性雄株与两性株间每个花药花粉粒数量的平均值作t-检验(异方差双样本)，结果显示：桂花峡居群和供村居群间、单性雄株与两性株间每个花药的花粉粒数量平均值没有显著差异(P＞0.05)。

2.2.3 单性雄株和两性株花粉粒形态比较 福建省长汀县官坊村石峰寨桂花的两性株和单性雄株花粉粒的扫描电镜观察结果见图3。花粉粒均为长椭圆形，极轴长16μm，具三沟和网状雕纹型表面纹饰。桂花两性株和单性雄株的花粉粒形态没有明显差异。

2.2.4 单性雄株和两性株花粉活力比较 运用荧光染色技术观察了桂花单性雄株和两性株的花粉管萌发状态，结果见图4。由图4可见，单性雄株的雄花和两性株的两性花的花粉粒均具有较高活力，均能在柱头上正常萌发，因此，两性株两性花的雄蕊具有雄性功能。也就是说，桂花的两性花不只是形态上的，而且可能是功能性的两性花。

图4 桂花两性株和单性雄株的花粉粒在柱头上的萌发状态Fig.4 Germ ination status of pollens from hermaphrodite and unisexualmale individuals on stigma of Osmanthus fragrans(Thunb.)Lour.

在野外调查中还看到，浙江省龙泉市张公桥居群共有桂花17株，其中有14株开花的两性株个体，而无开花的单性雄株，且大约40 km2范围内无野生桂花分布，却有少量结籽，这是间接证明两性株所产花粉有一定活力的一个辅助证据。

3 结论和讨论

3.1 桂花繁育系统基本为功能性的雄全异株

研究结果表明，桂花两性株的花粉粒形态和大小与单性雄株的花粉粒形态和大小没有差别，并且2种类型植株上的花粉粒均能在柱头上萌发。另外，浙江省龙泉市张公桥居群内无开花的单性雄株，仅有14株两性株个体开花，且大约40 km2范围内无桂花分布，却有少量结籽，间接证明两性株所产花粉有一定活力。这些研究结果显示，桂花繁育系统不仅是形态上的雄全异株型，而且可基本确定为功能性的雄全异株型。

一些学者建立的理论模型［6，10，17］认为，功能性的雄全异株种类的居群中雄性个体的比率应该小于0.5。在本研究中，湖南省浏阳市周洛村桂花峡、福建省长汀县官坊村石峰寨东北坡和南坡3个居群的雄性比率略高于0.5，而浙江省龙泉市供村、张公桥和毛圩村3个居群的雄性比率则小于0.5，全部6个居群的雄性比率平均值接近0.5，但居群间的差异很大，因此与理论模型不尽相同，对此的解释还有待更多的实验研究。

3.2 雄全异株为两性同体与雌雄异株间的过渡类型

通过对植物繁育系统的研究可以阐明物种的遗传多样性和进化途径，还可以推测群体的遗传结构。Liston等［2］对Datisca glomerata(C.Presl)Baill.功能性雄全异株的研究结果显示：雄全异株繁育系统可能是单性异株繁育系统向两性同体繁育系统演化中的中间类型；但对桂花繁育系统的观察结果显示：单性雄株的雄花带有雌蕊退化的痕迹。所以雄全异株也可能是两性同体繁育系统向单性异株繁育系统演化的过渡类型。

两性同体型繁育系统若要通过雄全异株型演化为雌雄异株型，第一步需要有雌性不育(雄性)个体进入居群，接着两性花的花粉产量逐步或突然地减少，最后两性个体成为雌性个体。但是，这一过程中的第一步发生的几率很小，因为在大多数植物种类中没有专一由父本遗传的基因组，因此雌性不育突变的发生意味着其本身适合度的减小。而由父母双方遗传控制的雌性不育突变只有通过增加花粉适合度以补偿其种子适合度的损失才能发生［9］。总之，理论上的推断认为，雄全异株作为两性同体型向雌雄异株型演化的过渡类型的可能性不大。但是，目前已有数个雄全异株种被认为源于两性同体种，例如梣属(Fraxinus L.)(木犀科)中的一些种［18］，而桂花也可能属于这种类型。对这种演化途径有必要进行更多的研究，桂花作为这一类型的物种为此项研究的开展提供了可能。

3.3 木犀科中的雄全异株现象

尽管雄全异株的种类在被子植物中所占的比例极小，但在木犀科中却比较普遍。据文献记载，雄全异株可能存在于流苏树属(Chionanthus L.)［19］、梣属［18］、木犀属(Osmanthus Lour.)［14，20］和 Phillyrea L.［6］等类群中。作者的观察结果(图5)显示：除桂花外，木犀属的另一些种类，如宁波木犀(Osmanthus cooperi Hemsl.)、蒙自桂花(O.henryi P.S.Green)、牛矢果(O.matsumuranus Hayata)和短丝木犀(O.serrulatus Rehd.)，应为形态上的雄全异株。雄全异株为两性同体型和雌雄异株型的中间类型，但同一科中有如此多的此类繁育系统的物种尚不多见，虽然它们是形态上的还是功能性的还有待进一步的鉴别，但对于植物演化的研究仍具有非常重要的意义。

图5 4种木犀属植物的单性雄株和两性株的花形态Fig.5 Flower morphology of unisexualmale and hermaphrodite individuals of four species in Osmanthus Lour.

在一个基于DNA资料的木犀科分类系统中，这些具有雄全异株的属均被置于同一个族，即木犀榄族(Trib.Oleeae)中，其中木犀属、流苏树属和Phillyrea 3个属在同一亚族Oleinae中，而另1个属(梣属)在只有其本身的一个单属亚族Fraxiniae中［21］。在梣属中存在多个类型的繁育系统，主要基于DNA资料的系统学研究表明，该属内存在两性花通过雄全异株或杂性(polygamy)向雌雄异株演化的趋向［18］。

上述分析表明，木犀科内的繁育系统反映了该科的系统演化趋向，因此在研究被子植物某些类群的系统演化时，应重视繁育系统所表现出的重要信息。

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