华木莲开花结实特性及其濒危的影响因素1)
2021-12-03龙桂根陈发菊陈应德姚蕾郑庆衍李乾明王勇
龙桂根 陈发菊 陈应德 姚蕾 郑庆衍 李乾明 王勇
(宜春市科学院，宜春，336000) (三峡大学) (宜春市科学院)
华木莲(SinomanglietiaglaucaZ. X. Yu et Q. Y. Zheng)又名落叶木莲，是木兰科木莲属中唯一落叶树种。华木莲是1988年在江西省宜春市明月山国家森林公园境内发现的木兰科新种，为我国特有种，国家一级濒危保护植物，呈点状狭窄地散生于袁州区洪江乡木坪及玉京山一带，野生种群数量十分稀少，为极度濒危植物。该树种发现以来，龙桂根等[1]对华木莲生殖发育、居群遗传结、种苗繁育、种质资源保护与筛选等方面进行了研究，并为保护、开发这一珍贵植物资源奠定了基础。
华木莲自然分布狭窄、个体数目少、遗传基础薄弱、自然更新困难等问题已经严重影响其天然种群的生存状况[2-4]。华木莲天然种群的稳定存在是研究、开发、利用这一特色种质资源的基础，更是种质资源保护、优良种质挖掘、可持续生态林业发展的根本所在。繁育系统、生殖衰退往往是植物濒危的关键因子[2-3]。为了更好地保护华木莲野生种群，系统研究华木莲繁育系统，分析其生殖生物学等内在因素对华木莲濒危的影响程度，是探寻并制定华木莲野生种群保护策略的首要问题[2，5-6]。
本研究以华木莲为研究对象，对其开花生物学特性、人工授粉及自然结实情况进行了初步研究，并以此为基础分析其致濒原因，提出保护措施，旨在为野生华木莲的保护、遗传育种及繁育提供参考，丰富濒危植物保护生物学理论，为研究其他濒危植物濒危机制提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料
根据华木莲自然分布情况、人工林生长情况、结实情况，选取个体数量在20株以上，长势良好且结实相对稳定的3个不同地点华木莲种群进行调查，其地理信息见表1。于2016、2017、2018、2019、2020年对3个不同地点的华木莲开花结实特性进行观测。所观测的华木莲树龄均在10 a以上，生长健壮，连续正常开花结果4 a以上。
表1 3个华木莲种群信息
1.2 华木莲开花物候观测
选取温汤试验林场种群中的5株华木莲各15朵华木莲花进行连续观测，记录花朵形状、颜色、大小、雌蕊、雄蕊、花被片长度及片数。
华木莲开花物候调查，主要是记录始花时间、花朵开放、花瓣伸展、雄蕊个数、终花时间、单花持续时间、整株开花状况、群体开花状况等。
1.3 杂交指数的估算
杂交指数的估算按照Dafni的标准，根据花序直径、花朵大小、开花过程中的测量数据，综合评估华木莲繁育系统[2，7]。随机选择10朵华木莲花，测量其花朵直径(d)，以其平均值作为指标，d≤1 mm、1 mm
以上三者之和为杂交指数(OCI)，其值为0时表明繁育系统是闭花授粉，为1时是专性自交，为2时是兼性自交，为3时是自交亲和(有时需要传粉者)，为4时是部分自交亲和，异交需要传粉者[2，7]。
1.4 控制授粉试验
4月初，随机选择3株树各15个嫩绿色花苞进行4个不同处理的授粉试验：花苞套袋处理，未作任何处理，仅套袋隔离；对照，不作任何处理，置于自然条件，同步观测；人工控制授粉，在花苞成黄绿色时人为打开花瓣，并去雄，用同株或异株花朵的花粉进行授粉，授粉后，套袋隔离。套袋隔离3～5 d后，解开授粉袋，观测其发育结实情况，直至9月中下旬结束观测，以检测其授粉特性。
1.5 果实特性测定
采种期为9月下旬，以树上果实全变为麻黄色，果实微裂，见红色假种皮为准。
结实特性调查：在采种时，对每个种群的开花结实情况(花期、果期)进行调查。
结实单株的频率的统计：从3个种群中分别随机选定3个20 m×20 m的固定样地，从该种群出现开花结实的单株开始，每年统计结实单株的数量，连续统计5 a。5 a内开花结实单株数的最大值，即为该种群的结实单株数量，结实单株率=结实单株数量/全部活立木数量×100%。
萌芽试验：随机挑选15个单株家系的种子，分别取出带有假种皮的种子及无假种皮的种子各100粒，分别播种，重复3次，待种子萌芽后，每天下午观测种子萌芽情况，连续10 d萌芽数量无变化，则为最终萌芽数量，萌芽率=最终萌芽数量/种子粒数×100%。
假种皮质量测定：随机挑选15个单株家系，分别采种后，分单株室内阴干至果壳全部裂开，取出种子并称其质量(G1)，搓洗假种皮，再次称质量(G2)，则单株种子质量为G1，假种皮质量分数=100%×(G1-G2)/G1。
1.6 数据处理
采用Excel2007对种群果实各性状进行常规统计、分析，采用SPSS19.0对种群间果实性状进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 开花特性
2.1.1 花部特征
华木莲的花单生枝顶，芳香，花被12片或16片，淡黄色，螺旋状排列成3～4轮，每轮4片。外轮花被片为长椭圆形，长7.0～7.4 cm，宽1.8～2.0 cm；中轮花被片为披针形，长6.6～5.2 cm，宽1.3～1.7 cm；内轮花被片为披针状线形，长5.5～6.0 cm，宽0.3～0.8 cm。雄蕊36～60枚，长0.6～0.7 cm，花丝极短，长约0.1 cm。心皮15～22枚，每枚心皮有6～8个胚珠。华木莲雌雄同株同花，雄蕊聚生于圆锥状花托基部周围，长0.8～1.2 cm；雌蕊生于花托顶端(图1)。
A.完全开放的花朵及完全闭合的花苞；B.除去部分花苞片的花苞；C.雌蕊和雄蕊；D.花苞片及雄蕊。
2.1.2 华木莲开花过程
根据对华木莲开花过程的观测，华木莲开花可以分为蕾期、初开期、盛开期、重合期、萎蔫期、凋零期。华木莲蕾期从3月下旬开始，显著特征为花芽开始显著膨大，花苞苞片由嫩绿色转为黄绿色，此时雌蕊已成熟，其柱头呈白色并分泌粘液，可接受花粉，此阶段持续约32 h，如图2A；初开期，外轮花被片展开，内侧2轮花被片仍紧密合拢，此时花粉成熟，授粉可充分进行,此阶段持续约12 h，如图2B；盛开期，所有花被片均展开，内轮花被片向外稍微倾斜，所有雄蕊呈散开状，花粉全部成熟，柱头处于不可授粉状态,此阶段持续约8 h，如图2C；重合期，内侧2轮花被片重新闭合，外轮花被片保持展开状态，此阶段持续时间约为8 h，与初开期间隔时间较短，为1.17～1.50 d左右，球果雏形形成，如图2D；萎蔫期，从花被片顶端开始枯黄，到全部枯黄为止，持续时间约为20 h，如图2E；凋零期，花被片、雄蕊均枯萎脱落，花期结束，如图2F。由此可知，华木莲单花花蕾期相对较长，约1.5 d，初开期至萎蔫期，花期为2～3 d。单株开花时期不一，陆续开放。
A.蕾期；B.初开期；C.盛开期；D.重合期；E.萎蔫期：F.凋零期。
2.1.3 杂交指数估算
根据对3个种群的华木莲花朵观测可知，华木莲花朵直径最小为7.5 cm，最大为16.8 cm，平均值为12.9 cm，为大型花，对应值为3。华木莲花在花被片即将展开之时，其花药未开裂，花粉未成熟，而雌蕊柱头已经分泌出粘液，处于成熟状态，雌蕊先熟，对应值为0。华木莲花为雌雄同花，花被片散开时，其柱头位置高于花药，对应值为1。由此可见华木莲杂交指数为4，为异花授粉为主，自花授粉为辅。
2.1.4 华木莲授粉情况
对不同授粉处理的花朵结实情况统计结果见表2。结果表明，自然状态的木莲结实率仅为40.00%；套袋隔离状态的结实率为13.33%，不能正常结实者在12 d左右花托自然脱落；同株异花授粉的结实率为73.33%；异株异花授粉的结实率为86.67%；人工去雄未授粉的花朵，花托全部脱落。结果表明，华木莲以异花授粉为主，自花授粉为辅。
表2 华木莲不同授粉处理的结实情况
根据华木莲花朵特性、开花过程、杂交指数、套袋隔离花朵的结实特性，可以看出，由于华木莲着花方式为顶生，花期短，开花后存在重新闭合现象，且其授粉方式为异花授粉，加之雌蕊先熟，从而导致华木莲自然开花结实率低，甚至只开花不结实，这是其濒危原因之一。
2.2 华木莲的结实特性分析
2.2.1 华木莲结实特性
对来自不同种群、不同树龄的华木莲活立木进行连续10 a的观测，发现袁州区温汤镇、袁州区洪江乡、奉新县采育林场的华木莲初始开花结实的树龄分别为6、7、6 a，其平均树龄为6.33 a；盛果期分别为11、13、10 a，盛果期出现的平均树龄为11.33 a。所有结实量较多的单株一般处于林窗处或林缘，林分内的单株果实多集中在树冠上部，这一现象表明华木莲结实过程需要较多的光照。
近3 a观测，发现wt-19(wt为温汤林场华木莲种群，19为单株编号)、hj-3(hj为洪江木坪村华木莲种群，3为单株编号)、hj-35、hj-21、wt-7等10个单株在2017、2018年均有结实，2019年wt-19、wt-10、wt-11、wt-1等活立木未结实。同时可以看出，3 a内，华木莲单株果实产量出现明显的“大小年”现象，整体平均值2017年、2018年、2019年分别为11.2、19.0、5.9 kg·株-1。对于单株华木莲活立木，每年果实产量存在较大变化，极度不稳定，如wt-4单株在2018年结实量达到50.1 kg·株-1，而2019年仅为3.0 kg·株-1。
3 a连续的观测结果也显示，华木莲人工林结实量较相同树龄的天然林结实量相比分别高3.53%、4.12%、3.75%，但差异不显著。同时，华木莲人工林、天然林种群中，结实单株分别占到整体林分的42.18%、37.95%，即未结实的单株占一半以上。
表3 部分华木莲不同单株不同年份结实量
2.2.2 华木莲种子假种皮质量分数
为更好地分析华木莲果实特性，对华木莲种子的单株产量、假种皮质量进行了测定分析，结果见表4。华木莲种子假种皮质量平均占整个种子质量的58.37%，最大占66.16%，最小占41.30%。发芽试验中，带假种皮的种子发芽率仅有10.20%，其最低发芽率为3.50%；搓洗掉假种皮的种子发芽率达到95.70%，最低为81.00%。实际生产中，假种皮未搓洗干净的种子发芽率降低，甚至不萌芽。赵武[8]、俞志雄等[9]的研究认为，肉质假种皮中大多数为萜烯类、醇类化合物，其可以保护种子，防止失水，但对种子萌芽具有明显的抑制作用。自然脱落的华木莲种子，少部分肉质假种皮被鼠类、鸟类消化，绝大部分种子的假种皮在地上容易迅速霉变腐烂，导致种子霉变而腐烂，这也是华木莲自然条件难以进行林下更新的直接原因。
表4 华木莲肉质假种皮的质量分数及其对种子发芽率的影响
续(表4)
3 结果与讨论
华木莲单花寿命2～3 d，盛开期仅8 h，整个种群持续开花，存在开花后重新闭合现象，难以吸引传粉者，这是导致华木莲濒危的重要原因之一。本研究认为，华木莲单花开花过程可分为6个阶段，花期为2～3 d，开花后存在重新闭合直至凋零的现象。整个种群花期持续15 d左右，持续开花，无盛花高峰期。开花期为4月中下旬，多为阴雨天气。华木莲花朵对传粉昆虫基本没有吸引力，导致授粉不充分，自然结实率低。华木莲杂交指数为4，为异花授粉为主，自花授粉为辅。从杂交指数及套袋授粉可以看出，华木莲繁育系统为异交，初开期雌蕊为成熟末期，而此时花药未开裂，花粉刚开始成熟，两者同时具有活力的时间仅为5 h左右。华木莲雌蕊在上，雄蕊在下，雌雄异位，自花授粉难以进行，异花授粉又无活跃的授粉昆虫[10-12]，这也是华木莲濒危的重要因素之一。
华木莲种群结实率低(42.18%～37.95%)、不稳定，原因是华木莲结实需要较多的光照，且其花期短，开花后存在重新闭合的现象。华木莲授粉方式为异花授粉，加之雌蕊先熟，导致华木莲自然开花结实低，甚至只开花不结实，从而导致其濒危。
华木莲种子假种皮过厚，抑制萌芽。华木莲种子肉质假种皮质量达到整个种子的57.37%，带有假种皮的种子萌芽率仅有10.20%，这进一步说明较厚的假种皮会降低华木莲种子的萌发率。
本研究认为，华木莲花朵结构、开花过程、开花模式、授粉特性、种子生物学特征均为其濒危的主要因素。华木莲花期持续开花模式、同期开花数量少、单花花期极短、开花时期阴雨低温，这些都影响华木莲花朵对授粉昆虫的吸引力。华木莲雄蕊聚生于圆锥状花托基部，雌蕊螺旋聚生其上部，柱头可授性远早于花粉成熟，进一步加剧华木莲授粉的难度。授粉试验表明，华木莲自然授粉结实率低，仅为40%，而同株异花、异株异花授粉结实率达到73%、87%，这进一步说明华木莲异花授粉结实率高。另外，华木莲种子假种皮过厚，抑制种子萌芽并导致其霉变腐烂，直接降低了华木莲天然更新的可能性。华木莲幼苗前期喜阴后期喜阳的特性，也是华木莲濒危的原因。因此，在华木莲开花期间，开展人工辅助授粉，并及时收集华木莲种子，去除其肉质假种皮，人工促进其萌芽，是提高华木莲结实率、种子萌芽率的可行性手段，也是提高其种群多样性途径。
本研究通过对华木莲不同种群开花结实过程连续跟踪观测、分析，从其开花结实物候、繁育系统、授粉特征、结实特性等方面对华木莲进行了初步研究,分析了其繁育生殖致濒机制，为华木莲进一步开发提供参考。
