木芙蓉的繁育系统及传粉生物学1)

王连军 杨庆华 高伟祥 宋昌梅

(上海辰山植物园，上海，201602)

木芙蓉(Hisbiscusmutabilis)是锦葵科木槿属落叶灌木或小乔木,别名大芙蓉、拒霜花，原产于中国。在湖南、云南、四川、南宁、杭州等地均有分布，木芙蓉花大而艳丽、花期长，观赏价值极高，因而在园林中的应用较广[1-2]。

近年来，国内外对木芙蓉进行了一些研究,主要集中在基本栽培技术、育苗扩繁、引种驯化[3-6]；也有一些研究集中在芙蓉药用成分及利用方面[7-10]，盐胁迫下木芙蓉的抗氧化胁迫也有一些研究[11]，表明木芙蓉有一定的抗盐碱能力。关于木芙蓉花期特征和不同时期花的结构也有少量报道[12-14]。

一般认为，植物花的特征和它的传粉和繁育系统是相互适应的,比如花的颜色、大小、形状和对称性等[15-18]。国内外对木槿属花卉植物的开花特征和繁育系统的研究较少，木槿属植物中单瓣木槿和野西瓜的繁育系统有报道[19-20],认为单瓣木槿属于兼性异交类型，而野西瓜属于专性自交类型。

然而国内外对木芙蓉开花特性研究较少,繁育系统和传粉生物学更是尚未见到报道，本文研究结果不仅可以为木芙蓉的繁育特征提供参考,而且还可以为木芙蓉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

选取的试验材料为单瓣粉色木芙蓉，试验地为上海辰山植物园，试验地平均海拔4.5 m,年最低气温-3 ℃，最高气温39 ℃，年降水量1 271.9 mm。

1.2 木芙蓉的花期物候及花部特征观察

花期物候观察：2017年4月份至2019年11月份,选取5棵地栽木芙蓉，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。

木芙蓉的花部特征：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[21]。

1.3 柱头的可授性及花粉活力测定

花粉活力的测定,采集当天开花的、处于不同时间段的花朵,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,在显微镜下观察花粉的染色情况，每个观察重复3遍[22]。参照Dafni et al.[23]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(V(体积分数1%联苯胺)∶V(体积分数3%过氧化氢)∶V(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[24]。观察到的气泡很少或出现不明显蓝色，记为+/-;当观察到的气泡很少或出现不明显蓝色,记为+；当观察到产生大量气泡或者蓝色明显，记为++；当观察到产生大量气泡变为蓝紫色，记为+++。

1.4 杂交指数估算

杂交指数(OC，I)的估算,按照Dafni[25]的标准计算，花朵或花序直径为1 mm记为0;1 mm

1.5 花粉数/胚珠数计算

花开放前随机选取成熟的花蕾各30个,在室内待花药全部开裂,先制成花粉悬浮液,再用花粉悬浮液制成载玻片标本,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,记录花中胚珠数,根据Cruden[26]的方法计算其花粉数/胚珠数(P/O),并确定繁育类型。P/O=2.7～5.4时,该植物是闭花受精;P/O=18.1～39.0时，为专性自交;P/O=31.9～396.0时为兼性自交;P/O=244.7～2 588.0时为兼性异交。

1.6 不同授粉方式对木芙蓉结果率影响的测定

通过各种处理来检测授粉方式对木芙蓉结果率的影响。在木芙蓉的盛花期(大量花朵盛开)花朵展开前，对木芙蓉的授粉方式进行处理(表1)。每个处理15朵花，3次重复(即选择3个晴朗的早上，做上述试验),1个月后统计发育的果实个数及未发育的果实个数，统计其座果率;2个月后待处理的木芙蓉果实成熟,剥出种子,记录不同授粉方式下的单个果实的种子总数,计算出每个果实的平均种子个数；种子剥出后,装入自封袋中,通风干燥一段时间后,晾干后春季播种,统计萌发率。不同授粉方式结果率=(果实个数/花的个数)×100%；不同授粉方式平均种子个数=(不同授粉方式总的种子个数/发育的果实个数)×100%；萌发率=(萌发种子个数/播种的种子总数)×100%。

表1 各种授粉处理方式

1.7 昆虫访花及传粉行为检测

采用固定地点法检测来访昆虫,即选取5棵试验用地栽木芙蓉,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08:00—17:00进行连续观察，每棵木芙蓉选择10朵花,每2 h观察1次,每天观察6次,并且记录下访花昆虫的种类以及每次访花的时间,访花时间用秒表来计算[27]。

1.8 数据处理

花朵的各种参数、花粉活力、杂交试验、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 木芙蓉开花特征及花期特点

木芙蓉花部特征：如图1所示,木芙蓉花大而艳丽,有蜜腺，花朵开放于枝端叶腋处，花冠颜色粉红色，直径可达10 cm;花为两性花,具有雄蕊、雌蕊、花萼、花冠;花冠5瓣，折叠式排列，花内侧基部为粉红色；花萼5片，密被星状毛；雄蕊是单体雄蕊,连合成管状的雄蕊柱,花药多,花粉黄色;花柱5个,联合成管状,柱头5个分支,子房5个；果实为蒴果，呈扁球形,种子肾形，有长柔毛。

图1 木芙蓉花

木芙蓉花部参数：木芙蓉花朵较大,花冠直径可达100 mm,花瓣长可达60 mm、宽可达50 mm;花萼长25 mm、宽12 mm;花柱长为30 mm;花丝较长,可达51 mm;而子房长7 mm,花药长1.95 mm。

木芙蓉花期：如表2所示,2017年,花期为7月10日—11月15日,历时125 d；2018年,花期为7月20日—11月10日,历时110 d；2019年,花期为7月15日—11月13日,平均花期可达115 d以上。温度对植物的开花日期有很大影响,文中观察到的木芙蓉第一朵花开的日均温为(25.0±2.3)℃，最后一朵花开的温度为(18.5±1.5)℃。

表2 木芙蓉的花期

据观察,木芙蓉单花花期较短,历时1 d左右,第2天开始花瓣开始失水变软,花冠部内外层花被片均向中心紧缩,第3天干枯脱落。但是随着新梢生长,在新生茎秆不断形成花苞,不断有鲜花盛开。

2.2 花粉活力的检测

如图2所示,在木芙蓉的开花当天,07:00柱头具有一定的可授性，07:00—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。第二天早上,花粉活力已经很低。纵观开花当天,花粉都具有一定的活力，这为木芙蓉的成功授粉提供了先决条件。

图2 开花当天花粉活力的检测

2.3 柱头可授性

如表3所示,07:00柱头具有可授性,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07:00—19:00,木芙蓉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2天早上柱头可授性已经降到很弱。

表3 木芙蓉的柱头可授性

2.4 杂交指数(OC，I)

木芙蓉的花朵直径为90 mm,大于6 mm,OC，I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,OC，I值记为1;花药散粉初期柱头和花药都已经成熟，OC，I值记为0;三者之和为杂交指数,故木芙蓉杂交指数(OC，I)为4,依据Dafni[26]的标准,木芙蓉的繁育系统为异交、部分自交亲和、需要传粉者。

2.5 花粉数/胚珠数与繁育系统

木芙蓉雄蕊多数,具花药平均150枚,花粉量较大。试验结果表明,木芙蓉的单花平均花粉数为53 650个,单花胚珠数平均为148个,花粉数/胚珠数为415,依据Cruden[26]的标准,P/O值为244.7～2 588.0,故木芙蓉的繁育系统属于兼性异交类型。

2.6 不同授粉方式对木芙蓉座果率及种子个数的影响

如表4所示,自然状态下未经处理的木芙蓉结实率高达74%,说明自然状态下授粉的效果很理想,自然授粉率很高。而直接套袋处理(B)后座果率为0,表明木芙蓉的自然自交需要传粉者;去雄套袋处理(C)的座果率为0,表明木芙蓉不存在孤雌生殖等无融合生殖;人工同株同花授粉(E)座果率为40%,人工同株异花授粉(F)座果率为44%,二者没有显著差异(P>0.1)，表明木芙蓉自交部分亲和；去雄不套袋自然异花授粉处理(D)后，座果率为67%,表明自然状态下异花花粉有较高的亲和性;异株异花人工授粉(G)的座果率为71%,结合直接套袋处理(B)后座果率为0，表明木芙蓉异交(杂交)需要传粉者,这和木芙蓉的兼性异交类型的繁育系统相吻合。而这些处理组和自然状态下(A)相比，座果率都低一些,表明自然条件下的传粉效果更好。

如表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。自然状态下(A)，木芙蓉单个果实的平均种子个数为148粒,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128～148粒,差别不大,表明这几个处理不影响果实的结籽率。

如表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。自然状态下(A),种子萌发率为60%;其他各种处理(D、E、F、G)和对照(A)相比,每个果实的种子萌发率为47%～60%,差别不大,表明这几种处理不影响种子的萌发率。

表4 不同授粉方式下木芙蓉的座果率及种子萌发率

2.7 木芙蓉的传粉特征

如图3所示，在木芙蓉的花期中，观察到多种传粉昆虫，包括膜翅目的蜂类以及小型甲虫。蜂类包括中华蜜蜂、黑小蜜蜂等。蜂类一般具有飞行距离远、访花速率高、传粉效率高的特点，蜂类在访花时，其头部朝下，足部抓在合蕊柱上以固定身体，大多直接通过振动采集花粉吸食花蜜，偶尔直接仰卧在花盘基部通过振动收集降落花粉；中华蜜蜂和黑小蜜蜂访花集中在09:00—16:00，一般在单花上停留15～20 s，然后飞向另外一朵花；小型甲虫访花集中在09:00—17:00，一般在单花上停留10～30 s，然后飞向另外一朵花，如此，在昆虫的传粉下，同株同花、同株异花、异株异花的传粉都能完成。

1.中华蜜蜂；2.黑小蜜蜂；3.甲虫。

除了昆虫传粉，在木芙蓉的盛花期，花朵非常多，植株各个高度都有大量花朵，据观察，在有风的天气，尤其是风力大于5级的情况下，成熟的花粉在风力的作用下，会落到下层木芙蓉的柱头上，同样能完成授粉。

3 结论与讨论

一般认为植物花的特征和它的传粉特征及繁育系统是相互适应的,比如花的大小、颜色、形状等[16]。本研究发现，木芙蓉的繁育系统属于异交类型，即自交部分亲和，需要传粉者，这和木槿属野西瓜的繁育系统不同，而和木槿属单瓣白花木槿的繁育系统一致[20]。

从不同授粉方式的结果率来看，自然条件下(A)和人工自花授粉(E)有一定的座果率。这和木槿属木槿的自然座果率相似,木槿自然座果率为80%,且同株同花也有一定的座果[20-21]。而且在自然状态下的结果率更高，这可能因为人工去雄等处理会对花的结构造成一定的损伤有关。另一方面,木芙蓉单花花期较短,从开花到花谢,昆虫也只有1d的访问时间,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昆虫不能在开花当天访花,结实率就可能很低或无果。这也不利于种子的形成。

一般认为植物的传粉系统由3个部分组成，即柱头、花粉和传粉媒介[28],木芙蓉的单花花期1 d,在这1 d内,花药散粉初期柱头和花药都已经成熟,花粉活力也没有问题,而且在木芙蓉的花期中观察到多种传粉昆虫，即中华蜜蜂、黑小蜜蜂等昆虫。故木芙蓉的传粉系统是完整的。

文中对木芙蓉的花部特征及花期进行了阐述;并且通过杂交指数及花粉数/胚珠数的研究，揭示了木芙蓉的繁育系统属于兼性异交类型,即部分自交亲和,异交需要传粉者;同时对不同授粉方式下的结果率进行了研究，这和其繁育系统相吻合;同时研究表明，传粉昆虫主要为蜂类、甲虫，其中中华蜜蜂、黑小蜜蜂为主要传粉昆虫。