人工辅助授粉探寻濒危红树植物红榄李种质资源挽救途径

张晓楠, 钟才荣, 严廷良, 张颖,*

人工辅助授粉探寻濒危红树植物红榄李种质资源挽救途径

张晓楠1, 钟才荣2, 严廷良3, 张颖1,*

1. 海南师范大学生命科学学院, 海口 571158
2. 海南东寨港国家级自然保护区管理局, 海口 571129
3. 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所, 海口 571158

为了探索濒危红树植物红榄李(Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt)种质资源挽救途径, 以三亚铁炉港红榄李为授粉材料, 采集三亚铁炉港和陵水新村港红榄李花粉进行人工辅助异花授粉试验, 结合野外观察和种子萌发实验进行验证。结果表明: 三亚铁炉港红榄李的花期较长, 从花芽开始膨大到落花期末, 最短60天, 最长可持续140天, 且开花不整齐; 用培养基法对三亚铁炉港和陵水新村港红榄李的花粉生活力进行检测, 均不超过10%; 人工辅助异花授粉后种子的萌发率有显著提高(自然授粉种子萌发率为0.2‰), 但最高也只能达到5.6‰。实验室萌发种子能够长成幼苗, 且野外林下发现一株红榄李幼苗, 这说明通过人工辅助异花授粉对提高红榄李种子繁育能力有一定的积极作用。

红榄李; 濒危红树; 人工辅助授粉; 种质资源挽救

1 引言

珍惜濒危植物种群大小的下降及隔离程度的增加影响着种群的适合度与生存力, 高度的隔离不利于吸引传粉者, 导致授粉和结实质量下降[1], 且易造成因同株异花授粉而引起的种子的大量败育, 而长期的生殖失败必然会把种群带到衰退的境地[2]。对凹叶厚朴(Magnolia officinalis sub sp. biloba)、金花茶(Camellia nitidissima)、长柄双花木(Disanthuscercidifolius var. longipes)、掌叶木(Handeliodendron bodinieri) 和瑶山苣苔(Dayaoshaniacotini folia)等珍稀濒危植物的研究结果表明, 开花物候与繁育系统的研究是挽救濒危植物种质资源至关重要的内容[2–6]。珍惜濒危红树植物红榄李(Lumnitzeralittorea (Jack.) Voigt)使君子科(Combretaceae)榄李属(Lumnitzera)红树植物,在我国仅见于海南岛海岸边的少数残存分布(海南三亚铁炉港 (18°15′N, 109°42′E) 和陵水新村(18°23′N, 110°00′E)), 为国家二级保护植物, 亦为《国际湿地公约》濒危物种[7–8]。由于自然生长于易受人为干扰的高潮带滩涂, 红榄李在全世界的分布情况不容乐观[9]。上世纪80年代海南东寨港国家级自然保护区有引种, 但死于2008年春季的寒潮[10–11]。现场调查表明, 红榄李在我国由2006年的359株[7], 到2007年的不足60株[12], 2010年47株[11], 2012年20株[8]。至今仅剩14株(其中三亚铁炉港9株, 陵水大墩村5株)。从2001年至2007年, 连续6年的野外调查均没有在野外发现小苗[12]。红榄李种子有严重败育现象, 通过播种、枝条扦插、空中压条、组织培养等多种手段均未能得幼苗[8], 可见挽救濒危物种红榄李的艰巨性和复杂性。若不采取有效措施, 红榄李将成为我国最先灭绝的真红树植物。为了探索红榄李种质资源挽救途径, 本文以三亚铁炉港红榄李为材料, 进行人工辅助异花授粉和自花授粉的比较试验, 将所得种子进行种子萌发实验, 探讨从人工辅助授粉提高种子萌发率的途径来抢救红榄李种质资源。

2 材料与方法

2.1开花物候观察

三亚铁炉港红榄李均为乔木, 平均株高6 m, 最高可达8.6 m; 平均胸径31 cm, 最大42 cm[13]。对9株红榄李进行编号, 参照陈利洪[13]的物侯期观察内容及标准略作调整(图1)。花蕾期(全树25%左右的花芽开始膨大), 初花期(全树5%的花朵开放), 盛花期(全树25%的花朵开放为盛花始期, 全树50%的花朵开放为盛花期, 全树75%的花朵开放为盛花末期)和落花期(全树10%的花朵花瓣脱落为落花始期, 全树95%的花朵花瓣脱落为落花终期)。

2.2花粉生活力测定

在初花期到盛花期, 从三亚铁炉港、陵水新村和泰国卡农地区(09°13′N, 99°51′E)采集花瓣未张开的花蕾, 用固体培养基法[8]测定花粉生活力。

2.3授粉实验

2.3.1 自然授粉

初花期, 在9棵试验树上选取花数量多的枝条挂牌, 每株选取10个枝条, 标明日期。定期观察果实成熟情况。在果实落地之前采收, 每个枝条采集100粒发育饱满无病虫害的果实用于发芽实验。

2.3.2 人工辅助异花授粉

试验于2013和2014年的3月10日－3月27日, 4月20日－4月27日和5月10日－5月17日进行。授粉时间为上午9: 00至11: 00, 授粉对象为三亚铁炉港开花植株。设人工辅助异花授粉(花粉来源: 三亚铁炉港和陵水新村港), 以没有人工辅助授粉的花为对照(CK), 且对授粉后的花进行套带。

图1 红榄李开花过程(a花蕾期; b初花期; c盛花期; d落花期)Fig. 1 Flowering process of Lumnitzera littorea (a: Flower bud; b: Initial blooming; c: Full blooming; d: Blossom falling)

在初花期到盛花期(铁炉港避开自然授粉挂牌枝条), 从三亚铁炉港和陵水新村采集花瓣未张开的花蕾, 取下花药阴干后, 将花粉收集于小干燥瓶内,置4 ℃冰箱中保存备用。授粉采用人工点授法。有效授粉期选择在开花当天至第7天。每个处理选择授粉枝条10个枝条, 标明日期, 去掉人工辅助授粉完成后的新长出的花蕾。果实收集方法和数量同自然授粉。

2.4种子萌发实验

将所采集的红榄李果实平铺于沙土上置于底部有10个渗水孔的方形培养盒(10 cm×15 cm)中, 表面覆盖一层薄沙土。模拟潮汐淹水, 每天浇水2次海水(盐度17.3‰), 浇水量以盆底渗水为准。置于有一层遮阳网的温室中, 发芽实验期间温度控制在26℃至33 ℃之间。当种皮裂开并可见胚轴发育时, 将发芽种子移至1/3椰糠+1/3沙+1/3花园土的培养土中, 置于光照培养箱(28 ℃, 12 h光照)内育苗, 并统计种子萌发率。

3 结果与分析

3.1开花物侯

2014年1月－8月对三亚铁炉港9株红榄李的开花物候期进行了观察。结果表明, 红榄李的花期较长, 从花芽开始膨大到落花期末, 最短60天, 最长可持续140天。9个植株开花不整齐, 分三个批次开花, 1月底1株, 3月初4株, 其余4株在3月下旬开花。2007年铁炉港22%的红榄李植株存在双花期现象[13], 但2013[8]和2014连续两年的调查, 该地的红榄李已无双花期现象。许多濒危植物在强大的选择压力下, 形成了“大量、集中开放”的开花模式, 以吸引到更多的传粉者, 从而实现生殖的成功[3,14]。三亚红榄李种群的这种花期变化是否是有限植株群体对环境变化而进行的适应, 有待进一步的观察。

表1 三亚铁炉港红榄李不同单株开花物侯期观察(月－日)Tab. 1 Comparison of different individual phenophase of Lumnitzera littorea (month/ day)

图2 红榄李花粉粒萌发情况(10×10)(a三亚铁炉港, b陵水新村港, c泰国卡农)Fig. 2 Pollen germination of Lumnitzera littorea (10×10)(a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom,Thailand)

3.2花粉生活力

对三个居群的红榄李的花粉生活力用培养基法进行测定(图2)。结果表明: 我国两个地点红榄李的花粉生活力均不超过10%, 这一结果与项目组前期结果相同[8]。而来源于泰国卡农的红榄李的花粉生活力可高达40.2%(图3), 可见位于泰国的红榄李能够完成自然更新与其高的花粉生活力是密不可分的。同时对三亚铁炉港红榄李伴生植物榄李、尖瓣海莲和角果木的花粉生活力进行测定, 结果表明:榄李(27%)、尖瓣海莲(48.33%)、角果木(54.11%)(图4), 均高于红榄李。

图3 三个居群红榄李花粉生活力(a三亚铁炉港, b陵水新村港, c泰国卡农)Fig. 3 Pollen fertility of Lumnitzera littorea in three populations (a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom, Thailand)

3.3种子萌发情况

对不同授粉处理下的红榄李的种子进行萌发实验(每个处理种子为9000粒, 图6a), 结果表明, 2013年与2014年结果相同, 自然授粉状态下, 种子的萌发率只有0.2‰, 而人工辅助异花授粉后种子的萌发率显著提高(图5), 但最高的萌发率也只有5.6‰。萌发种子能够长成小的幼苗(图6b)。这说明通过人工辅助异花授粉对提高红榄李种子繁育有一定的积极作用。在花粉生活力测定实验中, 海南红榄李种群间授粉的种子萌发率低于种群内部, 这一研究结果与濒危植物缙云卫矛(Euonymus chloranthoides Yang)相似[15], 表明种群间的长期隔离导致了种群间的杂交衰退。

图4 三亚铁炉港榄李(a), 尖瓣海莲(b)和角果木(c)花粉粒萌发情况(10×10)Fig. 4 Pollen germination of L. racemosa (a) , Bruguiera sexangula (b) and (C) Ceriops tagal(10×10)

图5 不同授粉处理下红榄李种子萌发率 (‰) (CK, 自然授粉, SY, 花粉采集自三亚异株花粉, LS, 花粉采集自陵水植株)Fig. 5 Germination rate of Lumnitzera littorea under artificial supplementary pollination (‰) (CK: natural pollination; SY: xenogamy of L. racemosa in Sanya; LS: pollens come from the L. racemosa in Lingshui )

图6 红榄李种子萌发及幼苗生长(a 种子萌发; b 实验室幼苗萌发情况; c 储花蜜凹槽; d 林下幼苗)Fig. 6 Seed germination and seedling growth of Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt(a: Seed germination; b: Seedlings; c: The groove for nectar storage; d: Seedling)

4 讨论

野外调察显示, 红榄李能够依靠艳丽的红色花瓣吸引昆虫如蚂蚁、蜜蜂、蝴蝶和甲虫传粉[13]。项目组2013和2014年在三亚铁炉港观察到黄腹花蜜鸟(Nectarinia jugularis)亦是红榄李的传粉者之一。对红榄李果实进行解剖, 发现其种子有一小凹槽用以储存花蜜(图6c), 使用0.5 mm毛细管一朵花最多可以吸取近5 cm高的花蜜。可见, 自然状态下红榄李的授粉渠道并不单一, 但在2013和2014年红榄李的种子萌发率却都只有0.2‰, 远低于人工辅助异花授粉的种子萌发率。三亚铁炉港与红榄李生长在一起的红花植物有正红树(Rhizophora apiculatea)、海莲(Bruguiera sexangula)和尖瓣海莲(Bruguiera sexangula var. rhynchopetala)等。这些植物与红榄李的花期重合, 将会产生与红榄李授粉媒介的竞争,这可能是导致濒危植物自然授粉条件下种子萌发率低的原因之一[16]。同时野外调查还发现, 红榄李在开花期虫害严重, 在2013年有高达50%的果实受害[8], 到2014年虽受害率降低至32%(本项目组针对该虫害采取了一定的防冶措施), 这也是导致红榄李走向濒危甚至灭绝的另一重要因素。

在濒危植物繁育系统的研究中, 人工辅助授粉相较于自然传粉能提高银沙槐(Ammodendron argenteum)花结实率[17], 提高凹叶厚朴(Magnolia officinalis)结果率和单果出种百分率[2], 长柄双花木(Disanthus cercidifolius)的结果率和结籽率[14]。2013年以前的调查结果均认为铁炉港的红榄李虽能正常开花结果,但林下未见任何红榄李幼苗和幼树[7–8，12]。但经过2013年和2014连续两年的人工辅助异花授粉后, 2014年7月23日在铁炉港林下发现1株红榄李幼苗(图6d)。同时, 2014年收集的种子在实验室种子萌发实验也成功获取了红榄李幼苗, 这说明人工辅助异花授粉工作能够成为繁育红榄李新植株的一种突破。但由于目前我们所得到的最高种子萌发率为5.6‰, 说明红榄李的种群恢复工作仍然有许多问题需要解决。

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The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt) by artificial pollination

ZHANG Xiaonan1, ZHONG Cairong2, YAN Tingliang3, ZHANG Ying1,*
1.College of Life Science,Hainan Normal University,Haikou571158,China
2.Hainan Dongzhaigang National Nature Reserve Administration Bureau,Haikou571129,China
3. Institute of Environment and Plant Protection,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou571737,China

The artificial pollination technique was used for the germplasm resource rescue ofLumnitzera littorea(Jack.) Voigt population in Sanya Tielu Bay. The heterogenitic pollens came from the two separate populations in SanYa TieLu Bay and Lingshui Xinchun Bay. From the results of the field observation and the seed germination experiment, the physiological and ecological phenomena ofL. littoreacan be found as follows. The florescence was long and unstable ofL. littoreain Sanya Tielu Bay. The flowering time from 60 to 140 days began from the expanding of the flower bud to the end of the fading date. The pollen germination rates of the two populations were both lower than 10% tested by the solid medium method. Under the situation of natural pollination, the seed germination rate was 0.2‰, however, it was improved obviously (5.6‰) by the artificial pollination. Furthermore, the germinated seeds in laboratory could grow into the seedlings. After two years, work of artificial pollination, one seedling could be found in the natural environment. So it can be a positive effect for the seed germination ofL.littoreaby the methods of artificial heterogenetic pollination.

Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt; endanger mangrove; artificial pollination; germplasm resources rescue

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.006

S722.3

A

1008-8873(2016)05-038-05

张晓楠, 钟才荣, 严廷良, 等. 人工辅助授粉探寻濒危红树植物红榄李种质资源挽救途径[J]. 生态科学, 2016, 35(5): 38-42.

ZHANG Xiaonan, ZHONG Cairong, YAN Tingliang, et al. The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera

littorea(Jack.) Voigt) by artificial pollination[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 38-42.

2015-07-06;

2015-07-24

国家自然科学基金(31360173); 有害生物控制与资源利用国家重点实验室2015开放课题(SKLBC15KF06)

张晓楠(1988—), 女, 河南人孟州市人, 在读硕士研究生, 主要从事植物生态学研究, E-mail: 806077402@qq.com

*通信作者: 张颖, 女, 博士, 教授, 主要从事濒危红树植物研究, E-mail: zhangyingred@yahoo.com