秦岭岩白菜的传粉生物学特性与繁育系统

毛少利，李 倩，李 阳，周亚福，张 莹

（陕西省西安植物园，陕西省植物研究所，西安710061）

秦岭岩白菜（Bergenia scopulosa T．P．Wang）系虎耳草科（Saxifragaceae）岩白菜属多年生草本植物，中国特有种，陕西省第一批地方重点保护植物，渐危物种，仅斑块状分布于秦岭和祁连山的林下阴湿处或峭壁石隙中［1－2］。其根状茎粗壮，在秦岭地区称为盘龙七，具有补脾健胃，除湿活血，清热败毒，收涩固肠等功效［1］。秦岭岩白菜野生居群稀少，且居群内个体数目较少，主要通过根状茎克隆繁殖，结实率低下，鲜见实生苗。随着资源的过度采挖及生态环境的恶化，野生居群骤减，野生资源已濒临枯竭。目前有关秦岭岩白菜的研究多集中在其化学成分［3－8］、分类学［9－10］及生药学特征［11］等方面，而关于秦岭岩白菜的传粉生物学及繁育系统的研究尚未见报道。从繁殖生态学入手，掌握稀有植物基本的繁育特征是有效开展其保育工作的关键和首要步骤［12］。本研究以秦岭岩白菜野生居群和迁地保护居群为材料，探明其繁育系统及传粉生物学特性，综合分析秦岭岩白菜的开花特性及传粉适应策略，为有效保护中国这一特有珍稀物种提供理论依据。

1 材料和方法

1．1 实验材料

秦岭岩白菜（Bergenia scopulosa T．P．Wang）为多年生草本，株高10～50cm。根状茎粗壮，直径2．5～4cm，密被褐色鳞片和残叶鞘，具有许多环节，节上还有残留的叶基和完整的叶，沿石壁缝隙匐生，半暴露。叶均基生，革质。秦岭岩白菜秋季进入生殖生长期，分化出1～2个聚伞花序，一般于12月上旬陆续开始开花，花期一直持续到来年3 月下旬。蒴果于5～6月成熟，种子细小。

观测地点位于秦岭南五台（33°59′31″N，108°58′13″E）和陕西省西安植物园（34°12′38″N，108°57′18″E），本研究的所有实验均在2013～2014年进行。

1．2 研究方法

1．2．1 花部特征与开花动态观测 在盛花期随机选取15朵花用游标卡尺对花的各部分进行测量。测量指标包括：完全开放花的花柱、雄蕊长度、花冠直径等，并计算各有关参数的平均数和标准差。随机标记未开放的花序，记录每个花序上的所有开花数目及花序的花期，并对标记的15朵花蕾进行连续数天定位观察，记录单花的开放、雌雄蕊的变化、花粉散出、柱头变化、花蜜与气味有无及开始出现和持续的时间等，直至花冠枯萎，子房膨大。

1．2．2 花粉胚珠比与杂交指数的估算 花粉胚珠比（P／O）为平均单花花粉总量除以平均单花胚珠数。依据Cruden［13］的标准评判秦岭岩白菜的繁育系统类型。依据文献中单花花粉量的测定方法［14］，取10朵花（花药未开裂），剥开花瓣，切下所有花药，用8mol·L－1氢氧化钠溶液软化10min后移入大离心管，用解剖针将花药搅碎，10%氯化钾溶液定容至10mL，制成花粉悬浮液，用移液器吸取10μL花粉液滴于载玻片上，每朵花重复3次，在显微镜下观察并统计花粉数，计算出每朵花的平均花粉粒数。同时将每朵花的子房置于载玻片上在解剖镜下进行解剖，观察并统计胚珠数。

对秦岭岩白菜开花行为和花冠直径进行观察测量，根据Dafni［15］的标准，评判其繁育系统。具体方法是：（1）花朵直径＜1 mm 记为0，1～2 mm 记为1，2～6mm 记为2，＞6mm 记为3。（2）花药开裂时间与柱头可授性之间的时间间隔同时或雌蕊先熟记为0，雄蕊先熟记为1。（3）柱头与花药的空间位置同一高度记为0，空间分离记为1。三者之和为杂交指数（OCI）值。

1．2．3 人工控制授粉试验 2013～2014 年，选择迁地保护居群中生长良好、开花较多的秦岭岩白菜植株，设置5组处理进行研究。

（1）自然对照 不作任何处理，随机选取不同开放程度的花朵挂牌，检测自然条件下的结籽率。

（2）去雄套袋 在松蕾花药还未开裂时去雄挂牌套袋，不授粉，检测是否存在无融合生殖。

（3）套袋自交 在大蕾期直接挂牌套袋，检测是否存在主动自交授粉。

（4）自花授粉 在大蕾期套袋，待柱头具可授性时，取自花花粉授粉，挂牌。

（5）异花授粉 去雄套袋，取从秦岭南五台和秦岭小峪迁地保护植株的花粉相互授粉，挂牌套袋，检测结籽率。每组不少于50朵花，待果实成熟时采收并统计每果成熟种子数，计算其结籽率。

结籽率＝饱满种子数／总胚珠数×100%

采用SPSS软件（SPSS15．0，SPSS Inc．）分析自然对照组、自花授粉组和异花授粉组3个处理间结籽率的差异。

1．2．4 花粉活力和柱头可授性检测 采用TTC法［16］测定花粉活力。在盛花期随机标记10朵即将开放花朵并套网，在花药开裂的0h、3h、6h、12h、1 d、2d直至花粉失去活力，检测花粉的活力变化。

柱头可授性采用联苯胺－过氧化氢法进行测定［15］。在盛花期随机取发育时期一致的花，花冠展开后的不同时期，各取10枚检测。并采用0．1%水溶性苯胺兰染色法检测授粉后花粉在柱头上的萌发及生长。

1．2．5 访花昆虫及其访花行为观察 2013～2014连续2年在秦岭岩白菜盛花期观察记录访花者的种类、数量、访花行为和活动规律，同时注意记录天气变化。采集访花昆虫并带回室内进行物种鉴定。

2 结果与分析

2．1 形态量化特征与开花动态

秦岭岩白菜单个植株一般形成1～2个蝎尾状聚伞花序，每个花序包括（29±10）朵单花。花冠完全展开时，直径为（20．3±1．8）mm；花瓣为5枚，偶有6枚，长（14．1±0．6）mm，宽（11．8±0．7）mm；雄蕊10～12枚，几乎等长，长度为（8．3±1．4）mm；雌蕊2心皮，合生，偶见3心皮合生，长（8．4±0．5）mm，柱头大，盾状。

秦岭岩白菜种群花期自12月上旬开始至3月下旬结束，持续时间近4个月。聚伞花序基部的花先开，渐次向端部推进，冬季每日开花0～1朵，早春每日开花2～3朵，花序花期持续约30d。开花初期最高气温低于10℃时，花葶不伸长，花序紧凑，簇生于叶腋处；最高气温在15℃左右时，花葶迅速伸长，平均长度约为15cm，整个花序高出植株，形成较大的花展示。单花从花蕾展开至凋谢一般持续15d左右，遇雨雪天或气温较低时花冠闭合不展开（图版Ⅰ，1），花期可延长3～5d。单花开放第1天，花冠展开呈筒状（图版Ⅰ，2），直径约为10 mm；花瓣粉红色，柱头嫩绿色并开始分泌黏液，10～12 枚花药渐次开裂，一般在5～15h内全部开裂，若无昆虫访花，黄色花粉在开裂花药壁上保持很久，直至花瓣凋谢枯萎。单花开放第2～5 天，花冠直径不断增大（约为11．6 mm→15．6 mm→18．2 mm→20．3 mm）。柱头在花冠展开后的8～9d内一直保持绿色并分泌大量黏液，9d后逐渐变得干燥，颜色呈青红至深红色（图版Ⅰ，3）。秦岭岩白菜花无明显气味，子房基部蜜腺发达，花冠展开的第3 天开始泌蜜，分泌物无色透明。

2．2 花粉胚珠比与杂交指数

秦岭岩白菜的平均花冠直径约为20．3mm，远大于6mm，表现值为3；花药成熟开裂的同时，柱头即具有可授性，雌雄蕊基本同时成熟，赋值为0；雌雄蕊几乎等长，柱头和花药在空间上处于同一个水平位置，二者间有可能接触，赋值为0；所以秦岭岩白菜的杂交OCI为3（表1），根据Dafni［15］的标准，其繁育系统属于兼性异交，自交亲和，该类型的植物常产生蜜汁，部分种需要传粉者。秦岭岩白菜的单花花粉粒为（269 900±28 765）个，胚珠为（457．6±99．9）个，花粉胚珠比（P／O）约为589．8，介于244．7～2 588．0之间，属于兼性异花授粉类型（表1）。综合花粉胚珠比及杂交指数的结果，表明秦岭岩白菜是以异交为主，自交亲和的繁育系统。

2．3 不同交配处理的结籽率

人工控制授粉实验结果表明，去雄套袋处理后未见结籽，不存在无融合生殖；直接套袋自交，结籽甚少，偶见有个别果实结籽1～2粒（因结籽太少未统计结籽率）；自然情况下平均结籽率为（0．7±1．2）%（n＝100），其中部分挂牌花朵未见结实；人工自花授粉平均结籽率为（2．7±1．7）%（n＝100）；人工异花授粉的平均结籽率为（4．2±3．6）%（n＝100）。自然对照组、人工自花授粉组和人工异花授粉组的结籽率存在显著差异（F2，297＝100．007，P＜0．05）。

表1 秦岭岩白菜的杂交指数和花粉胚珠比Table 1 OCI and P／O of B．scopulosa

2．4 花粉活力和柱头可授性

秦岭岩白菜花粉在花冠展开花药未开裂前已具有较高活力（约85．8%），花药开裂后的3～6h内花粉活力达到最高（约90%），之后的3d内一直保持较高活力（≥70%），第4天之后花粉活力逐渐降低，一直持续到第6天，花粉活力都保持在30%以上，第7天明显降低（约18．7%），第8天几乎失去活力（图1）。柱头可授性检测结果显示，在开花第1 天便具可授性，其后的2～4d内一直保持最强的可授性，第5～6天保持较强可授性，第7～8天内仍具较弱的可授性，第9天部分柱头失去可授性（图1），9d后几乎不具可授性。

花粉在柱头上的萌发及生长的荧光观测结果显示，自花和异花花粉均能在柱头上萌发。在开花第2～3天进行人工授粉，3d后进行观察，结果显示自花和异花授粉后均有大量花粉萌发（图版Ⅰ，4、5），花粉管延伸到花柱基部，偶见花粉管延伸至珠孔端（图版Ⅰ，6）。

2．5 访花昆虫及其行为

图1 秦岭岩白菜花粉活力与柱头可授性变化＋．柱头具可授性；＋＋．柱头具较强可授性；＋＋＋．柱头具最强可授性；＋／－．部分柱头具可授性Fig．1 The variation of pollen viability and stigma receptivity of B．scopulosa＋．Stigmas show receptivity；＋＋．Stigmas show higher receptivity；＋＋＋．Stigmas show the highest receptivity；＋／－．Part of stigmas show receptivity

在盛花期对秦岭岩白菜的访花昆虫进行观察记录，观测到的访花昆虫包括中华蜜蜂（Apis cerana cerana；图版Ⅰ，7）、回条蜂（Habropoda sp．）、长尾管蚜蝇（Eristalis tenax；图版Ⅰ，8）、斜斑鼓额食蚜蝇（Lasiopticus pyrastri；图版Ⅰ，9）及2种蝇类。 访花昆虫的相对访问比例、访问频率和访花行为有很大差异。中华蜜蜂是主要的访花昆虫，其次是长尾管蚜蝇，少见回条蜂和蝇类，偶见斜斑鼓额食蚜蝇访花。从访问频率上看，中华蜜蜂的平均访问频率为6．5朵／min，长尾管蚜蝇的访问频率为3．2朵／min，回条蜂的访花频率约为9．5 朵／min，蝇类的平均访花频率约2．9 朵／min。访花昆虫的访花行为存在很大差异，中华蜜蜂和回条蜂偏向于访问新开放的花朵，两者单花的停留时间分别为（11．0±4．8）s和（7．2±1．7）s。中华蜜蜂访问时将整个头胸部钻进花冠中吸食花蜜或停落在花瓣和柱头上采集花粉，访花后头部、胸部腹面和足上都沾满了秦岭岩白菜的花粉（图版Ⅰ，7），为最有效的传粉者；回条蜂只停留在花冠上采食花粉或花蜜，携带的花粉较少。长尾管蚜蝇和蝇类的平均单花的停留时为（22．5±7．6）s，两者都倾向于访问开花时间较长的花朵（大部分柱头呈深红色，失去活性），访问时一般停落花瓣上，舔舐花瓣或柱头，基本起不到传粉作用。斜斑鼓额食蚜蝇极少访花，对传粉贡献不大。访花高峰期出现在晴朗天气的11：00～15：00。在雨雪天气或者阴天气温较低时传粉者访花频率明显降低或者无访花行为。

3 讨 论

3．1 花部综合特征与开花特性的传粉适应性

植物的花部综合特征与传粉者行为、传粉机制以及植物适合度密切相关［17］。花部特征可分为花部构成和开花式样两个层次，二者综合作用影响了对传粉者吸引和花粉的散布，从而主导着开花植物的交配机遇［18］。秦岭岩白菜具有适应虫媒传粉的花部构成，其通过大的花冠（约20．3 mm），艳丽的花色吸引昆虫前来访花，而花粉和花蜜作为报酬补偿昆虫访花所付出的能量消耗。此外，秦岭岩白菜还具有较长的花寿命，单花持续时间约15d，遇低温或雨雪天气最长达近20d，维持单花平均花粉活力在30%以上的时间约6d，维持柱头可授性的时间约为9d。长的花寿命被认为是有花植物适应极端环境的繁殖保障的机制之一［19－20］。另外，当其柱头和花粉功能丧失时，花冠永久宿存并保持一定时间的新鲜状态，从而增加整个植株的花展示面积来更有效地吸引传粉者［21］。延长花期也是植物在传粉者稀少或不稳定的环境中提高生殖成功率的策略［22－23］，秦岭岩白菜的群体花期从当年12月上旬持续到来年3月下旬，冬季每日开花0～1朵，早春每日开花2～3朵，整个花期历时近4个月。这些特征可能是秦岭岩白菜长期适应不稳定传粉环境以及传粉者稀少的结果。

此外，花的一些特征会也受到非生物环境因子的影响，花冠闭合被认为是高山植物避免雨水伤害的一种机制，对花蜜和花粉起到了很好的保护作用［24］。秦岭岩白菜花期遇低温或雨雪天气时，花冠也存在暂时性闭合散粉现象，天气好转时花冠重新打开，这种开花特性可能是秦岭岩白菜对冬季低温、雨雪严酷传粉环境的适应。

3．2 繁育系统特征

根据花部形态特征估算［15］，秦岭岩白菜的OCI值为3，繁育系统属于兼性异交，这类型的植物常产生蜜汁，部分种需要传粉者。按照Cruden［13］花粉与胚珠比（P／O）的观点，秦岭岩白菜的P／O 约为589．8，繁育系统应属于兼性异花授粉类型。进一步的人工套袋控制授粉实验结果证实，秦岭岩白菜不存在无融合生殖，自助自交罕见发生，传粉昆虫在其完成生殖过程中起着重要作用。秦岭岩白菜是以异交为主，自交亲和的繁育系统，自主自交少有发生，传粉成功主要依赖传粉者。

从人工控制不同交配方式的结籽情况来看，秦岭岩白菜结籽率低下。自然对照组、人工自交组和人工异交组的平均结籽率分别为0．7%，2．7%和4．2%，不同种群间异花授粉存在较大的优势。花粉活力与柱头可授性的检测结果显示秦岭岩白菜在整个花期两性功能重叠，且自花和异花花粉均能在柱头上正常萌发，证明花粉活力和柱头可授性可能不是导致该物种结籽率低下的主要原因。对于自交亲和的克隆植物来说，克隆分株间的授粉即同（基）株异花授粉往往经历更严重的自交衰退［25］。秦岭岩白菜在自然状态下呈斑块状分布，主要通过根状茎克隆繁殖，空间上接近的个体可能是拥有同一基株的无性系成员。研究观测到花粉虽能够在柱头上大量萌发，但是花粉管延伸达到胚珠的较少，因此作者认为秦岭岩白菜结籽率低下，可能是胚珠受精过程中存在自交衰退的结果。植物在长期异交机会缺乏的环境条件下（如小种群，低传粉者访问频率），产生可以存活后代的能力可能是一个重要的选择压力，在这种压力下倾向于克隆繁殖［26］。克隆繁殖避免了传粉限制，且子株成活率提高，能够迅速扩张占据新的空间长久生存，这可能是秦岭岩白菜在长期的严酷传粉环境中采取的一种繁殖保障策略。

3．3 昆虫的访花行为与传粉作用

对于生殖成功依赖传粉者的物种来说，传粉者的访花行为将对交配成功起到关键作用。访花昆虫不同的访花与飞行行为导致其访花频率不同，进而对植物传粉产生不同的影响［27］。秦岭岩白菜不同访花昆虫的访花行为有很大差异。中华蜜蜂和回条蜂都倾向于访问新开放的花朵，中华蜜蜂访花时将整个头胸部钻进花冠中吸食花蜜的行为能够有效携带大量花粉，而回条蜂的访华频率虽稍高于中华蜜蜂，但其仅停留在花冠上采食花粉或花蜜的访花行为不能有效携带花粉，因此起到的传粉作用有限。长尾管蚜蝇和蝇类都倾向于访问开放时间较长的花朵，此时的花柱头基本已经失去可授性，所以基本起不到传粉作用。

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图版Ⅰ 秦岭岩白菜的花部特征（1～3）、花粉管的生长（4～6）以及部分访花昆虫（7～9）1．示低温或雨雪天气时花冠闭合；2．示花朵开放第1天；3．示花朵开放第10天；4．示自花授粉3d后花粉在柱头上萌发；5．示异花授粉3d后花粉的萌发；6．示珠孔端的花粉管；7．示中华蜜蜂；8．示长尾管蚜蝇；9．示斜斑鼓额食蚜蝇。PlateⅠ The flower syndrome（1－3），pollen tube growth（4－6）and some flower visitors（7－9）of B．scopulosaFig．1．Showing corolla closed during low temperature or rain and snow；Fig．2．The first day of flowering；Fig．3．The tenth day after flowering；Fig．4．Showing pollen tubes grown on stigma after self－pollination 3days；Fig．5．Showing pollen tubes grown on stigma after cross－pollination 3days；Fig．6．Showing apollen tube at micropyle；Fig．7．Apis cerana cerana；Fig．8．Eristalis tenax；Fig．9．Lasiopticus pyrastri．