6种铁线莲属植物的柱头特征对传粉的适应

王思源 吴海燕 蔡正旺 苏 雪 侯勤正 孙 坤

(西北师范大学生命科学学院,兰州 730070)

6种铁线莲属植物的柱头特征对传粉的适应

王思源 吴海燕 蔡正旺 苏 雪 侯勤正 孙 坤*

(西北师范大学生命科学学院,兰州 730070)

为了解传粉过程中柱头对花粉的捕获策略，对6种铁线莲属植物(甘青铁线莲、灌木铁线莲、粉绿铁线莲、薄叶铁线莲、粗齿铁线莲和短尾铁线莲)的柱头显微结构进行扫描电镜观察,发现6种铁线莲属植物的柱头均位于花柱的腹缝面,由花柱腹缝两侧细胞发育成柱头乳突，乳突形状随花期逐步从球状到指状甚至长指状过度，并伴随着柱头受粉面从花柱顶端朝花柱基部渐次发育成熟的特殊发育式样。观察分析6种铁线莲的花部综合征及花粉胚珠比(P/O)发现，柱头的此类发育式样与其他花部构成存在功能上的协同一致。为理解铁线莲属植物花部的进化提供了新的思路和视野，对观赏用铁线莲属植物的育种栽培具参考价值。

铁线莲属；柱头；渐次发育；传粉；花部综合征；P/O值

由于受固着生长习性的限制，有花植物的有性生殖过程必须依赖所处环境中的一定媒介为其传递花粉，才能受精结实[1]。在花部结构的进化演变中,保证传粉成功是传粉系统进化的一个基本机制[2～3]。因此，花作为有花植物的繁殖器官，它的生态学功能被认为是适应于传粉的[4]。在被子植物的受精过程中,花粉落到柱头上萌发,长出花粉管,花粉管通过花柱进入胚囊,最终完成雌雄配子的融合[5]。但在维系传粉系统的3个组成部分(花粉、传粉媒介、柱头)中，大多数研究者往往忽视了柱头在捕获花粉中的作用[6]。

多数物种的柱头位于花柱顶端，柱头表面细胞同步成熟，在开花期间呈现位置和面积固定的花粉接受表面，但对毛茛科(Ranunculaceae)耧斗菜属(AquilegiaL.)植物柱头发育的研究表明，其接受花粉的表面存在一种随花期的推进渐次发育成熟的现象[7]。有关花部分化与传粉适应的研究发现柱头特征的变异和花部其他特征存在内在相关性[8]。毛茛科铁线莲属(ClematisL.)植物为多年生木质或草质藤本，少数为直立灌木或草本。许多种类花大色艳，花色丰富，花型多变，花期长，观赏价值很高，有“攀援植物皇后”的美称[9]，是研究花部结构与传粉适应的理想群体。本文以铁线莲属6种植物为研究对象，利用扫描电镜观察研究柱头及其发育式样，并结合对花部综合特征及花粉胚珠比的观察，探讨：(1)铁线莲属植物的柱头特征及发育式样与柱头功能的相适应性；(2)铁线莲属植物的柱头特征与其他花部构成之间的关系，以期为进一步了解植物成功捕获花粉的机制和柱头特征对传粉的适应提供依据，为观赏用铁线莲属植物的育种栽培提供繁殖生态学方面的参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

于开花季节(4～9月)在甘肃省兰州石佛沟、兴隆山等地采集甘青铁线莲(Clematistangutica(Maxim.) Korsh.)、灌木铁线莲(ClematisfruticosaTurcz.)、粉绿铁线莲(ClematisglaucaWilld.)、薄叶铁线莲(ClematisgracilifoliaRehd. et Wils.)、粗齿铁线莲(Clematisargenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang)和短尾铁线莲(ClematisbrevicaudataDC.)等6种植物不同开放阶段(开花初期、中期、后期)的花作为实验材料。

1.2 实验方法

1.2.1 柱头形态和发育式样的扫描电镜观察

用FAA固定6种铁线莲不同花期阶段的花后带回实验室，在解剖镜下剥出雌蕊。剥好的材料经常规乙醇—乙酸异戊酯不同浓度溶液系列梯度脱水处理，真空CO2临界点干燥后，粘台，喷金镀膜。用扫描电镜(HITACHI S-450)观察柱头形态并照相。

1.2.2花部综合征的观察及花粉胚珠比(P/O)的确定

在野外采集材料的同时，对每种铁线莲成熟花的花部构成进行观察与记录，包括花冠形态、花香、蜜腺、雌雄蕊相对位置等特征；应用扫描电镜观察花粉形态；每种材料随机选取刚开放而花药尚未开裂的花5朵，取单花的全部花药，加入盐酸(1 mol·L-1)溶液于60℃水浴中加热15 min，水解花药壁法去药壁，然后滴加蒸馏水制成50 mL花粉粒悬浮液，用移液器准确吸取5 μL的花粉悬浮液置于洁净的载玻片上，在Olympus光学显微镜下统计花粉量，重复取样10次，求得平均每朵花总粉量。然后取花的子房在体视镜下解剖，记录单花胚珠数，用单花花粉量除以单花总胚珠数，即为P/O值。

2 结果

2.1 6种铁线莲柱头的电镜扫描观察

2.1.1 柱头发育式样

6种铁线莲属植物均为离生多心皮类型，单花花期平均为4～5 d，其柱头发育的过程有以下特点：受粉面都由花柱腹缝两侧细胞分化成乳突细胞形成，乳突从花柱顶端向基部延伸,使受粉面积随生长时间增大，渐次发育成熟,渐次发育过程中顶端稍向背面弯曲。以粗齿铁线莲(Clematisargenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang)为例：在花蕾期，仅在花柱顶端表面开始分化形成乳突细胞(图版Ⅰ：A,E)，中下部腹缝两侧未分化(图版Ⅰ：I)；开花初期，柱头顶端乳突细胞发育呈球状，形成受粉面(图版Ⅰ:B,F)，而中部腹缝两侧开始分化形成乳突细胞(图版Ⅰ：J)；开花中期，柱头顶端乳突细胞进一步生长呈指状(图版Ⅰ：C,G)，中部腹缝两侧乳突细胞发育呈球状，并继续朝花柱基部分化形成乳突细胞(图版Ⅰ：K)；在开花后期，柱头顶端指状乳突更加明显呈长指状(图版Ⅰ：D,H)，中下部腹缝两侧乳突也伸长成指状(图版Ⅰ：L)。

2.1.2 6种铁线莲柱头特征对比

6种铁线莲的柱头乳突随花期沿花柱腹缝线向下延伸，可达整个花柱的二分之一，乳突密集，其形状逐步从球状发育成指状，在开花后期，有些种的柱头乳突细胞甚至会发育为长指状，如粗齿铁线莲、短尾铁线莲和薄叶铁线莲(图版Ⅱ:A～C)；相比较而言，甘青铁线莲、粉绿铁线莲和灌木铁线莲柱头的乳突不如前几种发达(图版Ⅱ:D～F)。

图版Ⅰ 粗齿铁线莲柱头的发育 A.花蕾期柱头；B.开花初期柱头；C.开花中期柱头；D.开花后期柱头；E.花蕾期柱头顶端表面；F.开花初期柱头顶端表面；G.开花中期柱头顶端表面；H.开花后期柱头顶端表面；I.花蕾期柱头中下部表面；J.开花初期柱头中下部表面；K.开花中期柱头中下部表面；L.开花后期柱头中下部表面 箭头示乳突下延的渐次发生发育。Plate Ⅰ The development of stigma in C.argenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang A.Stigma in bud period; B.Stigma in early flowering period; C.Stigma in middle flowering period; D.Stigma in late flowering period; E.The top of the stigma surface in bud period; F.The top of the stigma surface in early flowering period; G.The top of the stigma surface in Middle flowering period; H.The top of the stigma surface in late flowering period; I.The lower part of the stigma surface in bud period; J.The lower part of the stigma surface in early flowering period; K.The lower part of the stigma surface in Middle flowering period; L.The lower part of the stigma surface in late flowering period The arrows represent the direction of sequential development.

2.2 花部综合征及花粉胚珠比(P/O)

6种铁线莲表现出不同的花部综合特征，其中粗齿铁线莲、短尾铁线莲和薄叶铁线莲为圆锥状聚伞花序或1～5朵花与叶簇生，花白色、花冠向上、花瓣平展(图版Ⅲ:A～C)，花药高于柱头，花香较浓，蜜腺不存在或偶见，花粉外壁具均匀小刺或密集瘤状颗粒；而灌木铁线莲、粉绿铁线莲和甘青铁线莲花单生或3花成聚伞花序，花黄色或紫黄色，花冠下倾呈钟状(图版Ⅲ:D,E,F)，花丝较短，花药位置低于柱头，花香清淡，存在蜜腺，花粉外壁具均匀微刺或不规则颗粒。它们的P/O值也存在很大差异，其中前3种单花胚珠数在13～29，P/O值明显较大，在13 146～21 994；后3种单花胚珠数35～166，P/O值8 046～9 690，低于前3种(表1)。

3 分析与讨论

3.1 柱头特征及发育式样对传粉的适应

植物为了自身的生存与繁衍会进化出适应于环境的特征，花部构成的进化历程被认为是与传粉系统紧密相关联的[10]。传粉作为有花植物繁殖过程的重要一环，需要花粉、传粉媒介、柱头三方面因素的默契配合[11]。柱头需要在有限的花期内更高效地捕捉花粉才可提高生殖力。毛茛科大多数物种的柱头受粉面都是由腹缝两侧表面细胞发育而来的，其中如驴蹄草、展毛翠雀、野棉花、川甘美花草和水毛茛的柱头，都有位置和面积固定的受粉面[12]。而对毛茛科耧斗菜属植物柱头发育的研究表明，其柱头受粉面存在随花期的推进渐次发育成熟的现象[7]，实现了花粉的有效捕捉。本文通过对6种铁线莲属植物柱头的观察，发现此类渐次发育的柱头特征也普遍存在于同为毛茛科的铁线莲属植物中，与传粉过程存在以下几点的适应:(1)渐次发育的柱头逐渐增加了花粉的落置空间，发育过程中顶端稍向背面弯曲，可充分暴露受粉面，使得花粉更容易成功落置于柱头；(2)花粉接受面通过动态的增大过程得以持续更新，即使接受表面在前期没有落置花粉或被不恰当的物质(不亲和花粉或非花粉外源杂质)占据，也可以由后期发育的柱头表面继续行使接受花粉的功能[7]；(3)某些种受粉面乳突细胞甚至会在开花后期发育为长指状，将更有利于花粉的有效捕捉。以上三点分别从空间、时间及自身结构角度提高了柱头捕捉花粉的能力，明显提高了母本的繁殖功能。同时6种铁线莲属植物为多心皮、多雄蕊，花粉分批量散播[13]，可使花粉更有可能被传粉者带到更多的柱头，避免了花粉的浪费，保证了更多的交配机会，这被认为是对植株父本功能的选择结果[14]。在铁线莲持续更新受粉面的柱头发育式样与它分批量散播的花粉共同作用下，柱头接受到的花粉有机会由不同的传粉者带来，在保证了花粉数量的同时提高了花粉种内异花之间来源的可能性，提高了子代的适合度。

图版Ⅱ 6种铁线莲开花后期柱头的电镜扫描图片 A.粗齿铁线莲；B.短尾铁线莲；C.薄叶铁线莲；D.灌木铁线莲；E.粉绿铁线莲；F.甘青铁线莲Plate Ⅱ Photograph of stigma in late flowering period of six Clematis species under SM A.Clematis argenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang; B.Clematis brevicaudata DC.; C.Clematis gracilifolia Rehd. et Wils.; D.Clematis fruticosa Turcz.; E.Clematis glauca Willd.; F.Clematis tangutica(Maxim.) Korsh.

图版Ⅲ 6种铁线莲属植物花部形态 A.粗齿铁线莲；B.短尾铁线莲；C.薄叶铁线莲；D.灌木铁线莲；E.粉绿铁线莲；F.甘青铁线莲Plate Ⅲ The morphological characteristics of flower in six species of Clematis A.Clematis argenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang; B.Clematis brevicaudata DC.; C.Clematis gracilifolia Rehd. et Wils.; D.Clematis fruticosa Turcz.; E.Clematis glauca Willd.; F.Clematis tangutica(Maxim.) Korsh.

种名Specificname花序类型Inflorescencetypes花冠形态Corollaform花蜜Nectar花香Aromatic花药柱头的相对位置Relativelocationbetweenantherandstigma柱头授粉面形态morphologyofstigmapollinationsurface花粉外壁纹饰Pollenexinesculpture单花花粉数Pollennumberofsingleflower单花胚珠数OvulenumberofsingleflowerP/O粗齿铁线莲C．argenfilucida(Levl．etVant．)W．T．Wang圆锥状聚伞花序Conicalcyme向上平展Upwardandflat偶见Occasional+++高于柱头Higherthanstigma乳突发达，指状至长指状Mastoiddeveloped，fingertolongfinger均匀小刺Uniformdistributionofsmallthorn692828A29A21994A短尾铁线莲C．brevicaudataDC．圆锥状聚伞花序Conicalcyme向上平展Upwardandflat无None++高于柱头Higherthanstigma乳突发达，指状至长指状Mastoiddeveloped，fingertolongfinger均匀小刺Uniformdistributionofsmallthorn275443Bd17Bc16197B薄叶铁线莲C．gracilifoliaRehd．etWils．1～5朵与叶簇生1-5flowersandleavestufted向上平展Upwardandflat无None++高于柱头Higherthanstigma乳突发达，指状至长指状Mastoiddeveloped，fingertolongfinger密集瘤状颗粒Intensivenodularparticles174439C13d13146C灌木铁线莲C．fruticosaTurcz．单生或聚伞花序有3花Solitaryor3⁃floweredcyme下倾钟状Downwardandbell⁃like有Existent+低于柱头Lowerthanstigma乳突明显Mastoidobvious均匀微刺Uniformdistributionofspinule334249e35E9690De粉绿铁线莲C．glaucaWilld．聚伞花序有3花3⁃floweredcyme下倾钟状Downwardandbell⁃like有Existent+低于柱头Lowerthanstigma乳突明显Mastoidobvious均匀微刺Uniformdistributionofspinule875571F92F9505e甘青铁线莲C．tangutica(Maxim．)Korsh．单生或聚伞花序有3花Solitaryor3⁃floweredcyme下倾钟状Downwardandbell⁃like有Existent+低于柱头Lowerthanstigma乳突明显Mastoidobvious均匀微刺Uniformdistributionofspinule1336947G166G8046f

注：+.清香；++.香；+++.浓香 同一列数值下的同一字母代表差异不显著(P>0.05)；不同小写字母代表差异显著(P<0.05)；不同大写字母代表差异极显著(P<0.01)

Note：+.Slight aroma; ++.Aroma; +++.Strong aroma The same letters at same column represent no significant difference(P>0.05);Different small letters represent significant difference(P<0.05); Different capital letters represent extremely significant difference(P<0.01).

3.2柱头特征与P/O值及其花部特征之间联系

有花植物为保证在不可预测传粉环境下的繁殖，花部特征与传粉媒介之间需存在相适应的关系，二者之间的相互作用、协同进化被认为是被子植物花进化的重要推动力[15]。柱头作为直接接受花粉的场所，其结构特征将直接关系到花粉附着的成功与否。目前，柱头的特性及其适应意义越来越受到关注[16～18]，成为研究的热点。就生物传粉而言，自然选择总是倾向于使花保持能吸引最佳传粉者的状态[5]。传粉者不可能无偿的为植物提供传粉服务，需要植物为其提供所需的回报。灌木铁线莲、粉绿铁线莲和甘青铁线莲花多为单生或3花成聚伞花序，具有黄色或紫黄色下倾钟状花冠，存在蜜腺，花粉量大，在个体水平上为传粉昆虫提供足够的传粉回报，昆虫访花时需钻入花冠内，由于其花药低于柱头，柱头位于传粉昆虫访花所经通道附近，且表面具明显乳突，可有效获取携带在昆虫身体上的花粉粒，实现成功授粉。粗齿铁线莲、短尾铁线莲和薄叶铁线莲不具蜜腺或偶见，花粉量相对不充足，无法从传粉回报角度提高授粉效率，则形成圆锥状聚伞花序或花与叶簇生，雄蕊高于柱头离散排布，从而提高了群体水平上对传粉昆虫的吸引，也为风媒传粉提供了便利。在保证有效花粉数量的同时，粗齿铁线莲、短尾铁线莲和薄叶铁线莲减少胚珠数，形成较高P/O值，将授粉重点从增大授粉机会转移到柱头对花粉更有效地捕捉，柱头乳突细胞在开花后期发育为发达的长指状，更容易从外界获得花粉，实现异花授粉。另外，粗齿铁线莲、短尾铁线莲和薄叶铁线莲花粉也较其他三类粗糙，增强了花粉在柱头上的附着能力，表现出雌雄结构间的协同进化[19]。6种铁线莲的花部综合特征和P/O值都表现为明显的异花授粉类型[20]，但采取了不同的授粉策略，集中表现在花部构成上存在种间差异，柱头作为实现授粉成功的决定因素之一，与P/O值及其他花部特征之间达成了传粉功能上的一致。

本文观察到的6种铁线莲属植物的柱头具有渐次发育的特征,可实现柱头在授粉过程中时间、空间两方面功能的最大化，保障了植物应对不同环境下的成功繁殖；其柱头特征与其他花部构成之间也存在传粉功能上的协调一致，在花部结构的展示中选择了更能实现成功授粉的策略。柱头、花粉、传粉媒介和其他诱物因子之间的默契配合，让植物的授粉过程井然有序、准确高效。这一现象提醒我们，将个体发育与生态学结合起来进行研究[1]才能更为立体地了解植物巧妙应对自然环境压力下的生殖策略。

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The National Natural Science Foundation of China(31270429,31160046)

introduction：WANG Si-Yuan(1992—),male,senior engineer,mainly engaged in plantphysiology research work.

date:2016-12-08

CharacteristicsofStigmainSixClematisSpeciesandItsAdaptationtoPollination

WANG Si-Yuan WU Hai-Yan CAI Zheng-Wang SU Xue HOU Qin-Zheng SUN Kun*

(College of life Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070)

An unusual developmental pattern of stigma was observed in sixClematisspecies(Clematistangutica(Maxim.) Korsh.,ClematisfruticosaTurcz.,ClematisglaucaWilld.,ClematisgracilifoliaRehd. et Wils.,Clematisargenfilucida(Levl. et Vant.) W.T.Wang,ClematisbrevicaudataDC.) by scanning electron microscopy. The stigmas ofClematisflowers were on the ventral sides of the styles, and developed into stigmatic papillae by cells along the ventral slits. The shape of papillae change along with the development of stigma. During anthesis, the receptive surfaces matured in a sequence from the apical towards the basal ends of the styles. Stigma development pattern is functionally concerted with other floral design. Our study will be a new field of vision to understand the evolution of stigma in pollen capture with a reference value in breeding and cultivation of ornamentalClematisspecies.

Clematis;stigma;sequential development;pollination;floral syndrome;pollen-ovule ratios

国家自然科学基金(31270429,31160046)

王思源(1992—)，男，硕士研究生，主要从事植物生理生态方面研究工作。

* 通信作者：E-mail:kunsun@nwnu.edu.cn

2016-12-08

* Corresponding author：E-mail:kunsun@nwnu.edu.cn

Q944.43

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.03.003