白花桔梗与紫花桔梗传粉生物学特性比较研究

2014-03-24于营郭靖王志清韩月乔欧阳艳飞

特产研究 2014年1期

于营，郭靖，王志清，韩月乔，欧阳艳飞

(中国农业科学院特产研究所，长春130112)

传粉是种子植物受精的必经阶段，个体的基因流以及群体的交配方式在很大程度上受花粉运动的影响[1]，从而影响后代的遗传组成和适合度。传粉生物学对生殖生物学、遗传学、生态学和系统与进化等研究具有重要意义[2]。

桔梗[Platycodongrandiflorum(Jacq.)A.DC]为桔梗科桔梗属多年生草本植物。以干燥根入药，具有开宣肺气、祛痰排脓之功效[3]。目前，对白花桔梗和紫花桔梗比较方面的研究主要集中于种子、根部和地上部分性状的比较以及药理作用、氨基酸含量和总皂苷含量差异比较[4～9]，而对于传粉生物学方面的比较研究还处于空白。本试验通过对白花桔梗和紫花桔梗传粉生物学的比较研究，旨在揭示其传粉生物学方面的差异，以期为桔梗新品种选育和桔梗资源保护及开发利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

研究地点位于吉林省吉林市昌邑区农业部长白山野生生物资源观测站，地理坐标为N44°04′13.63″、E126°04′34.39″，海拔302.74m；实验材料为观测站里桔梗实验基地人工栽培的3年生白花桔梗和紫花桔梗。

1.2 花部形态特征参数的测量

在白花桔梗、紫花桔梗试验地，随机选取20朵花，用游标卡尺和直尺测量花冠长度、花冠宽、雄蕊长、花柱长度和子房长等与传粉生物学相关的特征值。

1.3 花粉量和花粉/胚珠比值的测定

参考胡适宜[10]的方法，随机选取即将开放的白花桔梗、紫花桔梗各10朵，每朵花取下全部花药，置于含有0.5%亚甲基蓝染液和去垢剂的乙醇溶液中，定容至4mL。摇匀后，取1μL悬浮液放在载玻片上，在显微镜下记录花粉粒数，重复记数3次；用手术刀横切子房并记录胚珠数目。统计各花的单花花粉量、胚珠数，最后计算花粉/胚珠(P/O)比值。

参照Cruden[11](1977)P/O比值划分繁育系统类型，P/O比值位于区间2.7～5.4时繁育系统为闭花授粉；18.1～39.0时为专性自交；31.9～396.0时为兼性自交；244.7～2 588.0时为兼性异交；2 108.0～195 525.0时为专性异交。即P/O比值降低意味着近交程度升高，P/O比值升高伴随着远交程度上升。

1.4 花粉活力与柱头可受性的检测

1.4.1花粉活力测定用TTC(2，3，5-氯化三苯基四氮唑)法测定花粉活力[12]。随机取不同发育时间段的白花桔梗花、紫花桔梗花各10朵，将花粉撒在载玻片上，滴加2滴～3滴0.5% TTC溶液，再滴加2滴磷酸缓冲液，盖上盖玻片，将载玻片置于内有湿滤纸的培养皿中，37℃暗培养1h，显微镜下观察载玻片中的10个视野。有活力的花粉粒被染成红色，无活力的花粉粒为其自身的颜色，统计红色花粉粒所占比例，计算平均值。

1.4.2柱头可受性的检测柱头可受性测定方法采用联苯胺-过氧化氢法[12]。取不同发育时间段(时间设置与花粉活力规定的相同)的柱头浸入含有联苯胺-过氧化氢反应液(1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水=4∶11∶22，体积比)的凹面载玻片的凹陷处。若柱头具有可受性，则柱头周围呈蓝色并有大量气泡出现，反之亦然。根据气泡多少和颜色的深浅来判断柱头可受性的强弱。

1.5 传粉检测

1.5.1风媒传粉检测用重力玻片法检测花粉散布的可能性及数量。于盛花期，在晴朗有风的天气随机选取相邻的植株2株～3株，在花粉上涂有0.5%亚甲基蓝，在顺风方向距离中心株0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m处分别布置涂有凡士林的载玻片，凡士林的涂抹面积为75mm×25mm，当日8∶30时放置，16∶30时取回，显微镜下检测载玻片上染色花粉的数量。

1.5.2虫媒传粉检测在盛花期，于8∶00时随机选择相近的3株～5株白花桔梗、紫花桔梗定为中心株，将其花粉用1%番红分别进行染色，连续观察3d，每天15∶30时对中心株旁边的植株进行观察，若附近植株的柱头落有染成粉红色的花粉，即测量这个植株与中心株的距离。

1.6 数据分析

利用SAS 9.1.3统计分析软件对数据进行处理，检验相关变量间是否存在显著性差异，用Excel 2010进行作图。

2 结果与分析

2.1 花部综合特征

桔梗为总状花序，单生或数朵疏生，两性花；花冠阔钟形，花萼钟状，前端5裂，花瓣具清晰的脉纹，紫花桔梗尤为明显；雄蕊5枚，极少数为6枚，与花冠裂片互生；柱头棒状，周围被白色柔毛包围；花丝淡黄白色；子房中下位，5室；花部数量性状特征参数见表1。SAS方差分析结果表明，在α=0.05水平下，花冠宽有显著性差异(F=5.13，P<0.05)；白花桔梗与紫花桔梗间花冠长、子房宽、裂片长、裂片宽、裂深、雄蕊长和雌蕊长均无显著性差异。

表1白花桔梗和紫花桔梗花部形态特征的平均值

Table 1 Mean value of floral parameters of white flower P.grandiflorum and purple flower P.grandiflorum

注：表中不同字母表示差异显著，P<0.01。Note:Different lowercase letters mean significant differenceP<0.01.

2.2 花粉/胚珠比值

实验结果见表2。白花桔梗、紫花桔梗单花平均花粉数分别为5.86×105个和5.05×105个，胚珠分别为256.67和230.00，P/O比值分别为2 282.3和2 195.1，按照Cruden(1977)的标准，该物种的繁育系统属于兼性异交类型。方差分析表明，这2个种群单花P/O比值不存在显著性差异(F=0.03，P>0.05)。

表2白花桔梗与紫花桔梗P/O比值的相关数值

Table2Therelatedtopollen-ovuleratiovalues(P/O)ofwhiteflowerP.grandiflorumandpurpleflowerP.grandiflorum

观测项目Observationcontent单花花粉数(个)Averagepollennumber胚珠数(个)OvulenumberP/O平均值P/Ovalues繁育系统类型Typeofbreedingsystem白花桔梗(X)WhiteflowerP.grandiflorumaverages5.86×105256.672282.3兼性异交Facultativexenogamy紫花桔梗(X)PurpleflowerP.grandiflorumaverages5.05×105230.002195.1兼性异交Facultativexenogamy

2.3 花粉活力与柱头可受性

桔梗在7月10日开始开花，从图1可以看出，白花桔梗的花粉活力比紫花桔梗稍强，但无显著差异；桔梗在开花前1h花粉已经具有活力，白花桔梗、紫花桔梗花粉活力分别达到35.21%和38.33%左右，此时花药为淡蓝色；开花后，随着花粉散出，花粉活力也逐渐上升；开花后6h已经大量散粉，2种花粉活力均达到94%以上，花药变为深蓝色；开花后12h，白花桔梗花粉活力一直保持在81.47%以上，而紫花桔梗比白花桔梗弱，花粉活力为76.59%；之后，花粉活力开始逐渐下降；开花36h之后，花药逐渐萎蔫，花粉活力迅速下降，到开花后60h，花药散粉殆尽，白花桔梗、紫花桔梗花粉活力已分别降至3.12%和4.6%；72h以后几乎采集不到花粉。白花桔梗和紫花桔梗都是在开放当天花粉活力达到最大值，约为94%。

图1 桔梗开花后不同时间花粉活力

桔梗柱头可受性测定结果见表3。桔梗在开花前1h，白花桔梗、紫花桔梗柱头都不具有可受性。花刚开放时，柱头呈淡蓝色，柱头可受性较弱；花后4h，柱头可受性迅速增强；花后8h～36h，柱头呈深蓝色，周围有大量气泡产生；其中，花后36h柱头可受性最强；48h后柱头变为淡蓝色，可受性减弱；72h花被片即将脱落，柱头变为黄褐色，此时柱头不变色，完全检测不到活性。从表3可以看出，白花桔梗与紫花桔梗柱头可受性在开花后第2天均达到最强，第3天迅速下降，两者无明显差异。

表3白花桔梗与紫花桔梗的柱头可受性

Table 3 Stigma receptivity of white flower P. grandiflorum and purple flower P. grandiflorum

注：-.柱头不具可受性；+/-.部分柱头具可受性；+.柱头具可受性

Note:-.stigma have no receptivity;+/-.some stigma have receptivity;+.stigma have receptivit

2.4 传粉检测结果

2.4.1风媒传粉检测结果白花桔梗、紫花桔梗花朵开放都属于集中、密集型，检测结果如表4。白花桔梗和紫花桔梗传播花粉的有效距离分别为1.5m和0.8m，而且桔梗花序的高度不一样，花序上的花开得参差不齐，这将有利于花粉通过风传落到自花柱头和它花柱头上。自然条件下，桔梗植株的间距很近，约为3cm～5cm，远小于风媒传播花粉的有效距离，所以，桔梗可以借助风媒作用完成近距离的异花授粉。因此，从风媒效果来看，无论是白花桔梗还是紫花桔梗都可以借助风散播花粉来进行同花授粉和异花授粉。

表4白花桔梗与紫花桔梗风传花粉数量

Table 4 The pollen number of white flower P.grandiflorum and purple flower P.grandiflorum by wind

2.4.2虫媒传粉检测结果(图2) 白花桔梗、紫花桔梗虫媒传粉最远距离分别为9.8m和6.5m，白花桔梗比紫花桔梗的传播距离远，无论是白花桔梗还是紫花桔梗，被检测的花粉大多数在4m以内，由此可以看出，昆虫采蜜一般以就近原则趋近的趋势。

图2 白花桔梗、紫花桔梗虫媒传播距离百分比

3 讨论

传粉生物学是研究与传粉事件有关的物种生物学特性及其规律的一门学科[1]。花部特征、花粉/胚珠比、花粉活力和柱头可受性以及花粉传播距离都是传粉生物学研究的重点[13]。植物花进化的主要动力来源于植物本身与传粉者的相互作用。

花部特征主要影响访花者的行为和花粉传递机制，花部诱物和报酬与访花者的觅食有重要关系，例如花色素的化学成分、花的气味和花粉的营养成分对访花昆虫的视觉反应、访花行为、访花者的觅食偏好等都有一定的影响[14]，因此，研究白花桔梗与紫花桔梗花部特征对桔梗传粉生物学具有重要意义。

花粉胚珠在传粉生物学中也是比较重要的，可以根据Cruden(1977)P/O比值来划分繁育系统类型。从白花桔梗、紫花桔梗的P/O比值(2 282.3和2 195.1)和其它特征可以看出，两者均属于兼性异交繁育系统，都是以异交为主，少部分自交亲和。

植物完成受精的前提必须是有活力的花粉到达具有可受性的柱头。研究有活力花粉的供体时间对增强植物总的适合度是非常重要的，有活力花粉的供体时间与对后代贡献的多少成正比，同时与雄性适合度也成正比；本研究表明，白花桔梗和紫花桔梗开花当天活力最强，然后逐渐减弱，有活力花粉持续时间较长，这有利于桔梗植物间的相互传粉；研究植物柱头可受期也在很大程度上影响传粉的成功率[13]。如果有活力的花粉落到不具有可受性的柱头上，那么也不会完成受精。白花桔梗与紫花桔梗柱头可受性极其相似，先是开花后逐渐上升，第2天柱头开裂后活性达到最强，之后随着柱头脱落活力逐渐消失，两者无明显差异。因桔梗开花后花粉达到最高活力时间与柱头达到可受性最强时间不统一，这是阻碍桔梗自花传粉的主要因素之一；而且桔梗因开花次序不同，花开放时间不一，这为桔梗个体之间相互传粉提供充足的原料和保障，同时验证了桔梗是以异交为主，少部分自交。

传粉生物学中按传粉媒介不同可分为生物传粉和非生物传粉，而虫媒和风媒是桔梗传粉里的主要传粉媒介。风媒传粉过程中能够对花粉起到过滤作用，排除不适合的花粉和尘埃，从而提高传粉效率，风速的大小和环境因素影响风媒传粉距离。白花桔梗的花粉传播距离比紫花桔梗远，分别为1.5m和0.8m；虫媒传粉者能够直接将花粉带到柱头上，作为桔梗的主要传粉者，研究虫媒在桔梗的传粉距离能够直观地了解桔梗基因漂流的距离，白花桔梗、紫花桔梗虫媒传播距离分别为9.2m和6.5m。

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