铁破锣花序的开花特性与昆虫传粉的相互关系研究

张九东, 王 琳，隋 洁，田先华，任 毅*

(1 陕西师范大学 生命科学学院，西安 710119；2 西安文理学院 生物与环境工程学院，西安 710065)

花的形态、大小、诱物为植物花部综合特征与传粉者行为、传粉机制和植物适合度有紧密的关系[1-2]。花序作为花的集合，花序的形态和结构可以提高花的展示，增加对访花昆虫的吸引力[3-5]，能够极大提高植物的传粉效率。近年来大多数研究都集中在关于植物花繁殖特征的表型选择[6]以及传粉昆虫转变引起的种系分化，很少考虑花序的特征[7-8]。尽管一些研究传粉综合特征中提及到关于花序的影响[8]，更多的是花序在其他方面的影响，包括资源分配、种子的散布以及对食草动物的敏感性和反应等[3,9-12]。但实际上，花序与传粉昆虫之间相互适应的关系比单花要复杂的多。比如， Ishii等[13]研究通过人为增加花的展示大小发现，具有7～13朵水平或垂直排列单花的花序比圆锥形排列的花序更能增加吸引熊蜂访花的频率。而Iwata 等[14]则证明，单花之间分歧角度的增加将减少蜂类访问螺旋排列总状花序Spiranthessinensis的访花频率。以前的研究很多都是通过人工处理花序上开花的数量来研究植物与传粉昆虫之间的相互关系[15-16]，那么，植物如何采用巧妙的花序设计与开花动态的控制，通过与传粉昆虫的相互作用来尽可能避免同株异花的授粉？因此，对花序和传粉昆虫之间的研究对于进一步理解植物如何避免同株异花授粉的机制具有非常重要的意义。

铁破锣 [Beesiacalthifolia(Maxim.) Ulbr.] 为毛茛科破锣属((Beesia)多年生草本植物，花序形态独特，由聚伞花序为单元组成总状花序[17]。但单花形态结构简单，辐射对称，花白色，没有花瓣，仅有花粉作为吸引访花昆虫的诱物。很显然，从花形态的综合特征可以看出，铁破锣适合蝇类昆虫传粉，那么，铁破锣这种花序和花的形态结构组成通过什么策略来尽可能的避免同株异花授粉的发生？

1 材料和方法

1.1 实验材料

铁破锣实验地点位于陕西省汉中市留坝县紫柏山；海拔1 536 m；地理坐标：33°39.458′N, 106°46.794′E；位于秦岭南麓，实验地气候凉爽湿润，属北亚热带和暖温带季风气候交汇，年平均气温6～12 ℃，最高气温21 ℃。铁破锣主要生长于郁闭的阔叶林下，生长环境阴湿。实验时间在2010～2012年6月5日～6月25日进行。

1.2 实验方法

1.2.1开花动态与花器官测量花蕾期，标记花期相近的5个植株的花。每天观察1次花蕾，花朵开放当天，每隔1 h观察 1 次，花朵开放之后，每天观察3次，记录花朵形状、单花开放持续时间、花开和花内各器官凋谢的先后顺序以及雌雄蕊成熟情况。花器官的测量随机选取20个植株，统计60朵花的萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的数量，并用游标卡尺精密测量各花器官的长度和宽度。

1.2.2花粉活力的测定花粉活力采用MTT法检测[18]。分别采取不同植株上将要开裂的两性花花药若干个置于培养皿中，从花药开裂时起，每隔4 h将开裂的花药置于载玻片上，用MTT溶液进行染色，如花粉变为蓝黑色则表示有活力，不变色或黄褐色的则表示无活力。有活力花粉比率=蓝黑色花粉数/观察花粉总数×100%。

1.2.3柱头可授性测定柱头可授性采用联苯胺-过氧化氢法测定[18]。花蕾期标记不同植物的花，每天16:00～18:00，采下开花后不同天数的花朵，将柱头浸入含有反应液(1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水=4∶11∶22，体积比)的凹面载片中。若柱头具可授性，则反应液呈现蓝色并有气泡产生，根据气泡的多少和柱头着色的程度来判断可授性的相对强弱。

1.2.4访花行为的观察访花行为观察采用Arroyo等[19]的方法：选择5个花序作为观察目标，对访花昆虫的种类和访花行为进行观测。每天9:00～18:00间，记录单位时间内每种访花昆虫访问花的次数，以及取食的时间，同时观察昆虫访花结束时飞向同株异花或异株异花的次数。统计软件为Statistica6.0，利用One-way ANOVA 分析昆虫访问同株异花或异株异花频率的差异性。对每种访花昆虫进行拍照，用毒瓶杀死阴干后制作凭证标本用于分类鉴定，每种昆虫捕捉10只，将其中5只昆虫固定于50%酒精中用于鉴定种类，另外5只昆虫自然干燥后喷金镀膜，观察其携带花粉的情况。昆虫携带的花粉部位使用S-3400N 扫描电子显微镜(SEM)观察拍照。

2 观察结果

2.1 花形态特征与开花动态

铁破锣的花序类型为以聚伞花序为单位构成的总状花序(图1，A)，花序轴长度可达到(148.70 ±67.94) cm(n=20)，花序单花数量46～67朵，聚伞花序在花序轴上排列稀疏，单花平均直径(9.77±0.90)mm(8.19～11.48)。所有的花器官均是白色，没有花瓣；萼片5枚，雄蕊数量较多，为(31.6±4.91)枚(22～44)，长度(3.61±0.78)mm(2.22～5.59)；心皮1枚，长度(5.14±0.55)mm(4.05～6.17)，略成绿色，前端1/3为白色。

铁破锣单花花期4～6 d，花蕾起初是绿色，后变白，柱头先于雄蕊伸出花蕾(图 1，B)，花蕾变白1～2 d后萼片才开始展开(图 1，C)；单花刚开放时，萼片外展，雄蕊均低于雌蕊，在1 d后外轮雄蕊开始伸长，花药开裂，雄蕊伸长后花丝变得纤细，并且略向下弯曲(图 1，D～E)；开放2 d后雄蕊伸长，并且开裂花药数达到50%左右，第3天全部的雄蕊都伸长并且开裂(图 1，D)；在第4天大多数花药散粉结束，萼片开始脱落，萼片会在1 d内全部脱落(图 1，E～F)，萼片脱落后雄蕊开始脱落(图1，G)，雄蕊脱落后仅剩雌蕊(图1，H～I)。

A. 聚伞花序；B. 柱头伸出花蕾；C. 萼片向外展开露出雄蕊；D. 花丝开始伸长，外轮雄蕊花药开裂； E. 全部花丝伸长，雄蕊高于柱头；F. 花药全部开裂，萼片开始脱落； G. 全部萼片脱落；H. 雄蕊脱落；I. 全部雄蕊脱落；J. 聚伞花序顶花先开；K. 萼片； L. 雄蕊；M. 雌蕊；A. 标尺=10 cm; B～I. 标尺=5 mm;K～M. 标尺=2 mm图1 铁破锣聚伞花序及单花的开花动态A. Cymose inflorescence; B. Stigma extending out of bud; C. Stamens and outward expanded sepals; D. Filaments elongating and outside stamen anther dehiscing; E. All filaments elongated with stamens higher than stigma; F. All anthers dehisced and sepals beginning to fall off; G. All sepals fallen off; H. Stamens falling off; I. All the stamens fallen off; J. The top flower of a cyme inflorescence opened first; K. Sepal; L. Stamen; M. Pistil. A. Bar=10 cm; B-I. Bar =5 mm; K-M. Bar =2 mmFig.1 Inflorescence and the dynamic of flowering in Beesia calthifolia

图2 铁破锣主花序轴聚伞花序顶花在花序轴上的开放次序Fig.2 Order of terminal flower of the cyme blooming on the main inflorescence axis (Beesia calthifolia)

铁破锣雌雄蕊异熟，雌蕊先熟，在花未开放柱头伸出花蕾时已具有可授性，开花12～24 h后雄蕊开始散粉，持续3～4 d。花粉活力在散粉32～36 h后开始降低，40 h后降低到20%以下。65～75 h后则不再有活力。柱头可授性早于花药的散粉，在花蕾期就有微弱的可授性，先于雄蕊伸出花蕾，在柱头伸出花蕾的2～3 d可授性最强，随后逐渐减弱，在第5天不再具有可授性。

铁破锣种群花期从6月上旬开始，到7月中旬结束，持续 35～40 d左右。铁破锣的花序开花以聚伞花序顶花先开，在花序轴上从基部向顶依次开放(图1，A)，顶花开败后，两侧的花则同时开放(图1，J)。主花序轴开花初期，2～3朵聚伞花序顶花同时开放，此后，逐步开放，同时开放的花6～8朵(图2)。

2.2 昆虫访花行为观察

铁破锣的访花昆虫主要2种食蚜蝇科昆虫：纤细巴蚜蝇(Episyrphusbalteatus;图3，A、B)和黑带蚜蝇(Episyrphusbalteatus，图3，C)。

纤细巴蚜蝇为铁破锣最主要的访花昆虫，舐吸式口器，在飞行过程中一般在花的上方短暂停留，然后直接落在柱头下方雄蕊上，中足和后足紧紧抓住花丝作为着力点，用前足抱住雄蕊的前端取食花粉(图3，A～B)，取食完一个雄蕊的花粉后会在同一朵花中向上移动，取食柱头上方的花药时中胸腹部会挤压到柱头，取食过程中也会以柱头为抓手。取食时单花停留约为15～25 s，通常会在一个花序取食一朵花上花粉后直接飞向另一个花序。黑带蚜蝇的访花频率较低，在花上降落之前先绕花飞行，或在花序周围盘旋，多次用身体碰撞欲拜访的花(图3，D)，可能是在确定花上是否有雄蕊开裂，这一动作可持续5～10 s。最终，飞离花序或以雄蕊为着力点逐一舔食花药，单花停留时间约20～30 s。

A～B. 纤细巴蚜蝇以雄蕊为抓手取食花粉；C.黑带蚜蝇取食花粉；D.黑带蚜蝇通常会绕单花飞行，碰撞2～3次后才去落在花上取食；E.昆虫在访花时通常访问一个花序一个单花，然后飞向另外一个花序； A～D. 标尺=5 mm；E. 标尺=10 cm图3 铁破锣访花昆虫A-B. Baccha maculate foraging pollen from the stamens; C. Episyrphus balteatus foraging pollen; D. Usual foraging strategy of E. balteatus flying around a single flower and colliding two or three times before landing on it for food; E. Usual route of insects visiting one flower and then flying to another inflorescence；A-D. Bar=5 mm; E. Bar=10 cmFig.3 Pollinators of B. calthifolia

A. 纤细巴蚜蝇携带花粉情况 (B～E)；B. 胸部携带的花粉；C～D. 腿部携带花粉；E. 腹部携带花粉；F 黑带蚜蝇腿部携带花粉；G. 铁破锣的花粉;A. 标尺=1 mm; B～F. 标尺=100 μm; G. 标尺=10 μm 图4 铁破锣传粉昆虫扫描电镜A. Pollen carried by B. maculate (B～E); B. Pollen carried in the chest of B. maculate; C, D. Pollen carried in the leg of B. maculate; E. Pollen carried in the abdomen pollination of B. maculate; F. Pollen carried in the leg of E. balteatus; G. Pollen of B. calthifolia; A. Bar=1 mm; B-F. Bar=100 μm; G. Bar=10 μmFig.4 Scanning electron microscope on pollinators of B. calthifolia

扫描电镜发现纤细巴蚜蝇胸部携带铁破锣花粉5～7粒，腿部携花粉10～25粒，腹部携带花粉3～5粒(图4，A～E)。黑带蚜蝇仅在腿部携带有少量花粉(图4，F)，因此，纤细巴蚜蝇是铁破锣最有效的传粉昆虫。

纤细巴蚜蝇和黑带蚜蝇一天中通常在11:00～14:00活动频率较高，其中，纤细巴蚜蝇的访花频率最高可达13～21次/小时/花序，黑带蚜蝇的访花频率最高可达7～12次/小时/花序。其余时间段访花频率较低。在大多数情况下2种食蚜蝇访问同一个花序的一朵花后飞向另外一个花序(图4，E)，极少访问同株正在开放的花，并且两种昆虫访问异株异花的频率与同株异花的频率差异性极为显著(图5)。

小写字母代表在0.001水平上差异显著(P<0.001)图5 食蚜蝇访问同株异花和异株异花的频率Different normal letters within same time indicate significant differences at 0.001 level (P<0.001)Fig.5 Frequency of hoverfly visiting different flowers of same plant or different plants

3讨 论

从铁破锣能够吸引传粉昆虫的诱物来看，铁破锣的花白色，没有色差，没有花瓣，也不能分泌花蜜，雄蕊数量多，一朵花中雄蕊数最多可达44枚。花粉是吸引传粉昆虫的最主要诱物。因此，铁破锣花白色、花辐射对称、以花粉为主要诱物等这些特征符合蝇类访花的一些共同特征。铁破锣花开后萼片向外反折，不能作为昆虫停留平台，但花的花丝在伸长后非常纤细，雌蕊1枚，花丝通常是访花昆虫的唯一抓手或着力点，去掉雄蕊后没有昆虫访花。所以，花丝作为铁破锣唯一的停留平台，不能承载大型蝇类在花丝上着力取食花粉，只适合小型蝇类取食访花行为。因此，铁破锣花部形态特征与传粉者访花行为相适应，这种适应关系符合传粉生物学综合特征假说[20-21]。

铁破锣的主花序轴上单花数量多，但花序形态较为独特。一般来说，同株异花植物通常情况下昆虫的觅食行为，可以造成自花授粉，同株异花授粉水平主要取决于传粉者的觅食行为、一个植株上同时开放花朵的数量以及种群内开花个体的密度[22-23]。如果传粉者在同一个体上连续访问若干朵花，那么就会造成同株异花授粉[24-25]。而且随着植株个体每日开放花朵数量的增加，同株异花授粉和自交率都往往出现上升的趋势。因此，若要尽可能避免同株异花授粉，一个植株上的花朵必须同步的雌雄异熟，或者在每一刻都只开一朵花。

Janzen[15]根据每天开花的丰富程度，把热带植物分为两种极端的开花格局，一种是个体每天只产生很少的花 “steady state”，但整个花期持续很长的时间；另一种是个体每天开大量的花 “big bang”[26]或 “mass-flowering”[27]，但花期只持续很短时间，两种不同的开花格局吸引不同类型的传粉者, 访问 “steady state” 植物的传粉者被认为是个体数量较少但种类却较为丰富, 并且比 “mass-flowering” 植物具有较高的异交传粉比例[28]。Barrett等[29]通过人工处理Eichhorniapaniculata(Pontederiaceae)花序每天开花数量，研究表明植物少量开花比大量开花容易获得更多异交种子，因此，少量开花策略和延迟开花策略能够最大程度的使植物进行异花授粉。

铁破锣的花为雌蕊先熟，雌雄蕊异熟，花序单花数量最多可达67朵，如果同一花序轴单花同时开放，昆虫在取食传粉过程中必然会造成大量同株异花授粉。铁破锣可以通过花的空间布局与开花动态的调节尽可能的避免同株异花传粉。此外，铁破锣的花在花序上排列稀疏，整个花序内部单花开放的时间间隔较大，铁破锣开花过程都是主花序轴聚伞花序的顶花先开，相邻的两个开花的聚伞花序距离较远，如果是爬行方式取食的昆虫，则需要取食完一个聚伞花序顶花的花粉后，只能返回到主花序轴然后爬行到另外一个聚伞花序上，这样会消耗取食昆虫大量的时间和体力。所以，铁破锣花序的空间特征更适合于飞行方式取食花粉的昆虫。纤细巴蚜蝇为铁破锣的主要传粉昆虫能够符合铁破锣花以及花在花序空间排列的综合特征。一方面通过单个聚伞花序顶花先开，同时，在此情况下在整个花序上从基部到顶逐次开放的方式，从而使得大量聚集单花的花序尽量少开花。在同一聚伞形总状花序上同时开放的花为6～8朵。这种开花方式既能保证铁破锣的花授粉，也能较大限度减少同株异花授粉的几率，从而使得大多数花能够尽可能异花授粉。如果铁破锣聚伞形总状花序的花同时开放，纤细巴蚜蝇的传粉根本不能保证其传粉。所以，铁破锣花序尽量最少开花的策略与传粉效率较低的蝇类传粉方式相关，从而使铁破锣尽可能避免同株异花授粉。铁破锣花序上单花的空间排列与开花动态与传粉昆虫之间的这种适应性符合 “steady state” 策略。