海滨木槿的繁育系统及传粉生物学特征

王连军，杨庆华，高伟祥，宋昌梅

(上海辰山植物园，上海 201602)

海滨木槿(Hibiscushamabo)是锦葵科木槿属植物，落叶小乔木或者灌木，自然分布于浙江省舟山群岛、福建省沿海岛屿以及朝鲜、日本等地[1].海滨木槿花大而艳丽、花期长，因而具有较高观赏价值.此外，海滨木槿根系发达，抗风力强，对土壤的适应能力强，具有独特的生物学特性：耐盐碱性强，在含盐量小于1.5%的滩涂泥土中可以正常生长．因此可以作为盐碱地绿化树种，在城市绿化及沿海防风固沙中起到重要作用[2-6].

植物的繁育系统已经成为当今进化生物学研究中最为活跃的领域，对植物的延续具有重要意义.繁育系统是指能够影响植物遗传的有性特征，包括花部的综合特征、花各部位的寿命、花的开放式样、传粉者种类和频率、自交亲和性及交配系统[7].近年来，由于人们对生物多样性不断减少的担心，因而重新重视植物繁育系统的研究[8].

研究海滨木槿的繁育系统与传粉生物学，有助于进一步了解开花特性与传粉昆虫之间的协同关系，了解海滨木槿的授粉习性，对于海滨木槿的繁殖具有重要意义.国内外对木槿属植物的开花和繁育系统的研究较少，仅有单瓣木槿、野西瓜和芙蓉葵繁育系统的相关报道[9-11].

国内外对海滨木槿繁育特征及传粉生物学的研究尚未见报道.鉴于此，本研究以海滨木槿为试验材料，首次对海滨木槿的繁育特征及传粉特征进行研究，其结果不仅可以为海滨木槿繁育特征和传粉生物学提供参考，而且还可以为海滨木槿的杂交育种和新品种培育提供理论和实践依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究地点在上海市上海辰山植物园，于2017～2019年在植物园内选取上海辰山植物园地栽的海滨木槿作为研究材料，开展相关试验.

1.2 试验方法

1.2.1 海滨木槿花部综合特征及花期物候 花期物候观察：2017年4月～2019年11月，选取10颗地栽海滨木槿，记录始花日(第一朵花开放的日期)及终花日(最后一朵花开放的日期)，记录下日均气温；并对单花花期和整体花期进行观察和记录[12].

海滨木槿的花部综合特征：随机选取30朵已经完全盛开的花朵，通过直接观察以及数码相机拍摄、游标卡尺等工具来记录测量相关性状.

1.2.2 花粉活力及柱头的可授性 花粉活力的测定：用镊子采集当天开花的、处于不同时间段的花粉，置于1 mL试管中，每个时间点采集3朵不同花的花粉，用0.5%的2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC) 染色，置于25 ℃恒温箱中30 min，在显微镜下选取3个视野观察花粉的染色情况，花粉若呈现红色或者淡红色，则认为有花粉活力，无色的没有花粉活力，每个视野的花粉数不少于50粒，试验重复3次[13].

参照Dafni等[14]的方法，采集处于不同时间点的柱头，将其置于凹面载玻片上，滴加联苯胺-过氧化氢(1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水= 4∶11∶22) 溶液，检测柱头可授性，每个花期重复3遍.若柱头具可授性，则柱头周围的反应液呈现蓝色并有大量气泡出现，根据气泡数的多少确定其柱头可授性的强弱[15].

1.2.3 繁育系统的检测 杂交指数OCI的估算，按照Dafni的标准计算[16]：花朵或花序直径1 mm记为0；1～2 mm记为1；2～6 mm记为2；>6 mm记为3；柱头与花药处于同一高度记为0；空间分离记为1；雄蕊成熟与柱头成熟的时间间隔:同时或雌蕊先熟记为0；雄蕊先熟记为1；三者之和为OCI值.OCI的评判标准如下：OCI=0时，繁育系统为闭花受精；OCI=1时，繁育系统为专性自交；OCI=2时，繁育系统为兼性自交；OCI=3时，繁育系统为自交亲和，有时需要传粉者；OCI=4时，繁育系统为部分自交亲和，异交需要传粉者.

花粉/胚珠比的检测，选取成熟的花蕾30个，待花药完全开裂后，先制成花粉悬浮液，再用花粉悬浮液制成玻片标本，体视显微镜下观察统计花粉数.取每朵花的子房在体视显微镜下解剖，记录花朵中胚珠数，根据Crudenr[17]的方法计算其花粉/胚珠比(P/O)， 并确定繁育类型[17].P/O=花粉数/胚珠.

1.2.4 不同授粉方式对海滨木槿座果率及结籽个数的影响 通过不同授粉方式来检测授粉方式对海滨木槿座果率的影响.在海滨木槿的盛花期(大量花朵盛开)花朵展开前，对木槿的授粉方式进行处理(表1).每个处理15朵花，3次重复，一个月后统计其座果率.坐果率(%)=发育的果实个数/套袋的果实个数×100%.处理的海滨木槿果实成熟后，剥出种子，并且记录每个果实的种子总数，3次重复，计算每个果实的平均种子个数，平均种子个数=种子总数/果实总数×100%.

表1 各种授粉方式

1.2.5 昆虫访花及传粉行为 采用固定地点法检测来访昆虫，即选取5颗试验用地栽海滨木槿，根据膜翅目、鳞翅目、鞘翅目等昆虫活动的高峰时间，选取晴天8∶00～17∶00进行观察记录，每颗海滨木槿选择10朵花，每2 h观察1次，每天观察6次，多次重复.

1.3 数据处理

花朵的各种参数、花粉活力、授粉试验、种子个数等指标，用软件Sigma Plot 8.0处理数据和分析.

2 结果与分析

2.1 海滨木槿花部综合特征及花期物候

2.1.1 海滨木槿花部综合特征 花部的综合特征属于繁育系统的重要组成部分.如图1-A所示，海滨木槿花形大而艳丽，花呈钟状，花朵金黄色5瓣，

少数4瓣(图1-C)或者6瓣(图1-B)，旋转状排列；花内侧基部为暗紫色，花为两性花；雄蕊、雌蕊俱全；雄蕊是单体雄蕊，连合成管状的雄蕊柱，花药多，花丝长度为20 mm；柱头深紫色，5瓣，表面密生茸毛，在成熟时会分泌出大量黏液，对花粉有很强的粘着力；花柱5个，长为30 mm，联合成管状，花丝长20 mm(表2).

图1 海滨木槿花Figure 1 Flowers of Hibiscus hamabo

表2 海滨木槿各种花器官参数

2.2.2 海滨木槿花期物候 如表3所示，2017年花期为5月24日～10月18日，历时155 d；2018年花期为5月6日～10月20日，历时165 d；2019年花期为5月15日～10月14日，平均花期可达150 d以上.温度对植物的开花日期有很大影响，海滨木槿第一朵花开的日均温为(22.5±1.3)℃，最后一朵花开的日均温为(20.5±1.5)℃.

此外，海滨木槿单花花期历时1 d左右，花苞第1天盛开，第2天开始枯萎，第3天干枯脱落.随着新梢生长，在新生枝条不断形成花苞，不断有鲜花盛开.

表3 海滨木槿的花期

2.2 花粉活力的检测

如图2所示，在海滨木槿的开花当天， 7∶00～13∶00，花粉活力随着时间不断增高， 13∶00～19∶00，花粉活力整体呈现下降趋势.第2天早上，花粉活力已经很低.纵观开花当天，花粉都具有一定的活力，这为海滨木槿的成功授粉提供了先决条件.且相比于其他时间点，13∶00花粉活力最高(P<0.05)，在统计学上有显著差异.

图2 开花当天花粉活力的检测Figure 2 The detection of pollen viability on the first day

2.3 柱头可授性

如表4所示，早上7∶00柱头具有可授性，早上10∶00，柱头的可授性增强，从10∶00～13∶00，柱头可授性逐渐达到最大值， 13∶00～19∶00逐步减弱，但是柱头仍然具有可授性；表明从7∶00～19∶00，海滨木槿的柱头都有一定程度的可授性.这也为柱头的成功授粉提供了先决条件.第二天早上柱头可授性已经降的很弱.

表4 海滨木槿的柱头可授性

2.4 繁育系统检测

2.4.1 杂交指数(OCI) 如表5所示， 海滨木槿的花朵直径为100 mm，大于6 mm，OIC值记为3；开花时柱头与花药在空间位置上是分离的，柱头位置比花药高，OIC值记为1；花药散粉初期柱头和花药都已经成熟，OIC值记为0；三者之和为杂交指数，故海滨木槿杂交指数(OIC)为4，依据Dafni的标准[25]， 海滨木槿的繁育系统为异交、部分自交亲和、需要传粉者.

表5 海滨木槿的杂交指数

2.4.2 花粉/胚珠比 如表6所示，海滨木槿的单花平均花粉数为12 250个，单花胚珠数平均为35个，花粉/胚珠比为(350.6±11.6)，依据Cruden的标准， P/O比在244.7～2 588.0， 海滨木槿的繁育系统属于兼性异交类型.

表6 海滨木槿的花粉/胚珠比

2.5 不同授粉方式对海滨木槿坐[19]果率的影响

如图3所示，自然状态下未经处理的海滨木槿结实率高达95%，而直接套袋处理(B)后坐[19]果率为0，表明海滨木槿的自然自交需要传粉者；去雄套袋处理(C)的坐[19]果率为0，表明海滨木槿不存在孤雌生殖等无融合生殖；人工同株同花授粉(E)可达70%，人工同株异花授粉(F)坐[19]果率为76%，二者统计学上差异不显著(P>0.05)，结合直接套袋处理(B)后坐[19]果率为0，表明自交亲和性较高，但是需要传粉者；去雄不套袋自然异花授粉处理(D)后，坐[19]果率为80%，表明自然状态下异花花粉同样可以有较高的亲和性；异株异花人工授粉(G)的坐[19]果率为92%，这和海滨木槿的兼性异交类型的繁育系统相吻合.

A：对照；B：直接套；C：去雄套袋；D：去雄不套袋；E：同株同花授粉；F：同株异花授粉；G：异株异花授粉.A：Control;B：Baging without emasculation;C：Baging after emasculation;D：Baging without emasculation;E：Homologous pollination;F：Artificial geitonogamy;G：Artificial xenogamy.图3 不同授粉方式下的坐[19]果率Figure 3 Fruit sets of Hibiscus hamabo under different pollination treatments

2.6 不同授粉方式对海滨木槿果实种子个数的影响

如图4所示，由于直接套袋(B)和去雄套袋(C)没有收到种子，故不作比较.其他各种处理(D、E、F、G)和对照(A)相比，每个果实的平均种子个数为31～35，没有显著性差异(P>0.05)，表明这几个处理不影响果实的结籽率.

A：对照；D：去雄不套袋；E：同株同花授粉；F：同株异花授粉；G：异株异花授粉.A：Control；D：Baging without emasculation；E：Homologous pollination；F：Artificial geitonogamy；F：Artificial xenogamy.图4 不同处理条件下的种子个数Figure 4 The number of seeds under different pollination treatments

2.7 海滨木槿的传粉特征

传粉生物学方面，如图5所示，本研究观察到传粉的来访昆虫中，膜翅目的蜂类以及鳞翅目的各种蝴蝶，观察到的次数较少，但是蚂蚁和甲虫观察到的较多.尤其是蚂蚁，本研究观察到在海滨木槿花朵上存在很多蚂蚁，在盛花期，几乎每一朵花都能观察到蚂蚁来访，这些蚂蚁可以充当传粉者，当蚂蚁沿着花柱，向上爬到柱头的时候，由于柱头顶端有很强的黏性，蚂蚁头部顶端或者触角携带的花粉会被粘到柱头上，实现授粉.

本研究观察到，蚂蚁访花时间集中在8∶00～17∶00，一般在单花上停留时间差距较大，较短的停留时间为1 min，最长停留时间可达30 min.蚂蚁访问第一朵花后，一般会沿着枝叶向上面爬，以访问下一朵花，或者爬到相邻花朵进行访花.有时也会从上端再返回到下面进行访花，如此反复几次.研究期间，观察到每颗地栽木槿都有大量的蚂蚁访花，共观察到蚂蚁访花1 000朵以上.

图5 海滨木槿的传粉特征Figure 5 The pollination characteristics of Hibiscus hamabo

3 讨论与结论

一般认为，植物花的特征与其传粉和繁育系统特征是相互适应的，比如花的颜色、大小、形状和对称性等[18-25].本研究发现海滨木槿繁育系统属于兼性异交类型，自交部分亲和，需要传粉者.这和木槿属的单瓣木槿的繁育系统是一致的[10]，而和木槿属野西瓜的繁育系统是不同的，野西瓜的繁育系统属于兼性自交类型[9].

从不同授粉方式的坐[19]果率来看，自然状态下(A)和其他授粉方式相比，坐[19]果率最高，表明自然条件下的传粉效果更好，可能和自然状态下存在多种传粉者有关；也可能因为人工去雄等处理会对花的结构造成一定的损伤；此外， 由于海滨木槿单花花期较短，如果受到外界环境的影响(如降雨、光照等)，花朵不能在当天开放或者雨水冲洗了花粉，花粉的总量和活力都将受到较大影响，结实率就可能很低或无果.表明授粉时的温度、湿度以及花粉活力等因素都会对坐[19]果率的形成造成一定的影响.

一般认为植物的传粉系统由3个部分组成：柱头、花粉和传粉媒介[26]，大部分被子植物要依靠各种传粉动物来完成传粉过程， 这些传粉昆虫主要包括膜翅目、鞘 翅 目、双 翅 目、鳞翅目昆虫，以及蝙蝠和鸟类等，被证实有蚂蚁参与传粉的被子植物超过20种[27]，海滨木槿(Hibiscushamabo)花大而艳丽，具备吸引昆虫为其传粉的特征，本研究首次提出海滨木槿主要传粉昆虫为蚂蚁，这和高山鸟巢兰的主要传粉昆虫相似[28].

此外，在植物传粉过程中，部分植物存在延迟自交行为，即通过自身柱头的完全运动来实现柱头和花粉的接触，从而实现授粉，可以在传粉者缺乏时提供繁殖保障[9，30].而在本研究中，认为海滨木槿不存在延迟自交行为，可能是因为海滨木槿的花柱不能进行大范围的弯曲运动，无法使柱头接触到花粉，这点和本属植物野西瓜不同[9].