大花紫薇花部综合特征和繁育特性1)

孙阳 袁娟

(广西大学，南宁，530000) (广西壮族自治区桂林市龙胜各族自治县伟江乡人民政府)

郭萍 朱栗琼 招礼军

(广西国有钦廉林场) (广西农业职业技术大学) (广西大学)

In order to understand the flowering and reproductive traits of Lagerstroemia speciosa, and to promote the process of hybrid breedingand improve its ornamental value, we conducted a series of experimental studies. The floral syndrome of L. speciosaand pollinators were observed and recorded, and the pollen vitality, stigma receptivity and artificial pollination test were investigated. The major flowering stage of L. speciosawas from May to August, with a single flowering period of 2 to 8 d. Flowers generally opened in the early morning. The single flowering process can be divided into four stages: namely, the calyx dehiscenting stage, petals expanding stage, anther shedding pollen stage, and flower withering stage. The pollen-ovule ratioof L. speciosawas 5 445.45, and the hybridization index was 4. The stigma had highest receptivity when pollen viability peaked. The seed setting rate of L. speciosa in nature was 72%, while the seed setting rates of artificial self-pollination, artificial cross-pollination of the same plant, and artificial cross-pollination of different plants were 68%, 74% and 90%, respectively. From above results, it is concluded that the breeding system of L. speciosawas based on a mixed mating system with mainly outcrossing and partial self-compatibility, and it required pollinators to finish the pollination process. The main pollinators were bees, fliesand butterflies, such as bumblebee and Chinese bee.

繁殖是保持种群延续的基本途径，是进化过程的核心部分，也是研究生物进化问题的关键。植物的繁育系统一般指直接影响后代遗传组成的所有有性特征[1]，包括花部综合特征、花开放式样和交配系统等。这些有性特征在外界环境因素的影响下，与传粉者共同影响植物生殖成功率，进而影响种群的进化[2-4]。此外，植物花部特征和传粉者之间的相互适应被认为是花进化的重要推动力[5]，具体体现在：不同物种因花部特征差异而吸引不同类群的传粉者，传粉者在传粉过程中又会促进物种花部特征的演化[6]。

大花紫薇(Lagerstroemiaspeciosa)为千屈菜科(Lythraceae)紫薇属(Lagerstroemia)落叶乔木，其树形优美，开花时花大色艳，花期较长，极具观赏价值，是我国南方地区重要的园林绿化树种。因花色单一、有着较强的抗逆性和大花径性状，大花紫薇常被用于与同属的紫薇(Lagerstroemiaindica)进行杂交，以获得花大色艳的新品种[7]。大花紫薇结实率高，但开裂的朔果经久不落，影响第二年的观赏效果，且其自然状态下种子极易老化[8]，幼树幼苗缺乏，限制了林下自然更新。除杂交育种外，目前关于大花紫薇的研究还涉及栽培、生理生化、化学成分、药理作用等[9-11]，但传粉和繁育特性方面的研究鲜有报道，仅有任翔翔等[12]对大花紫薇开花和花粉特性做了研究。本文通过开花动态观察、花部特征分析、杂交指数估算以及人工授粉等方法，对大花紫薇繁育系统展开研究，深入了解大花紫薇开花规律及生殖特性，探究影响繁育过程的限制因素，旨在为该物种种群更新、生殖生物学研究以及新品种的选育提供参考，并进一步提高观赏价值。

1 研究方法

试验地在南宁市广西大学校园内，地处东经108°17′，北纬22°50′，年平均气温为21.6 ℃，年平均降雨量1 304.2 mm。

试验材料：观察和试验所用的材料为大花紫薇，平均树龄15 a，长势良好。

花器官特征和开花物候及动态观察：2016年4月至9月，在校园内3个环境基本相同的观测地中随机选取30株大花紫薇进行标记。在盛花期随机选取刚开放的单花30朵，分别测量花器官各部分尺寸。将收集的花粉样品和柱头样品用质量分数2.5%的戊二醛固定24 h以上，用磷酸缓冲液漂洗3次，再用不同体积分数乙醇对其进行脱水，脱水后用乙酸异戊酯置换乙醇，放入HCP-2型临界点干燥仪内进行干燥后，置于扫描电镜下观察。

将第一朵花开放的日期记为始花期，花朵开放数量超过50%的时期记为开花高峰期，最后一朵花开放的日期记为终花期。

在盛花期内选取60个花蕾进行标记，每天观测1次，在花朵初绽放至完全开放期间每天观测2次，直至凋谢。观察萼片开裂、花瓣展开方式、花药散粉顺序以及柱头分泌粘液等情况，记录并拍照。

花粉活力及柱头可授性检测：采集开花后不同时间的花朵，将花粉均匀撒在培养基上，培养基配方为蔗糖150 g/L、硼酸20 mg/L、CaCl210 mg/L、琼脂质量分数0.7%，pH为6.0，室温培养4 h后在显微镜下观察。以花粉管长度为花粉粒直径的2倍作为花粉萌发的标准。

用联苯胺-过氧化氢法测定柱头可授性，反应液的配比为质量分数为1%的联苯胺、质量分数为3%的过氧化氢、水体积比4∶11∶22。分别选取花蕾期、开放后不同时间的柱头各10个。将柱头放入凹面载玻片中，滴入适量反应液，在显微镜下进行观察。

花粉数-胚珠数比(P/O)测定：随机选择10个花药还未开裂的花蕾浸泡在福尔马林-乙酸-乙醇(FAA)固定液中，用浓度为8.0 mol/L的NaOH溶液使其花药壁软化，让花粉全部散出，制成2 mL的花粉粒悬浮液。用血细胞计数板统计花粉量，重复3次，计算单花的花粉粒总数(P)。取10个花蕾的子房浸于浓度为1.0 mol/L的NaOH溶液中直到子房壁变黑，置于载玻片上压碎，在显微镜下统计单花的胚珠数，取平均值(O)，计算P/O值，并按Cruden的标准判断繁育系统类型。

杂交指数(OCI)估算：按Dafni[13]的标准，在盛花期测量花朵的花冠直径，观察开花行为并对繁育系统进行评判。

人工授粉试验：参照Dafni的方法设置8种传粉方式：自然传粉(对照)、去雄套袋、不去雄套袋、去雄不套袋、去雄套网袋、人工异株异花授粉、人工同株异花授粉、人工自花授粉。每种方式各处理50朵单花，开花6 d后去袋，比较不同处理下的结实率。

结实率=(结实数/花朵数)×100%。

传粉昆虫访花行为观察：在大花紫薇盛花期(晴朗天气)连续3 d观察昆虫的访花活动，观察时间为06:00—18:00。记录昆虫的类型、访花行为和频率、花间运动式样以及访问单花的时间长度，并不定时用网兜捕捉访花昆虫，带回实验室用体视显微镜检查携粉情况。

数据处理：运用SPSS和Excel软件进行试验数据统计分析、表格绘制。

2 结果与分析

2.1 花器官形态特征

大花紫薇圆锥花序顶生，长度14.86～25.32 cm，单个花序平均开花数量为(80.87±35.42)朵。单花为完全花，无蜜腺。花梗长12 mm左右，花萼有棱12～14条，6～7裂，裂片为三角形，反曲，内面无毛；花轴、花梗及花萼表面均被黄褐色糠秕状细绒毛。花两性，离瓣花冠淡红色或紫红色，花瓣6～7片，卷皱状，矩圆形或倒卵形；雄蕊168～320，花药黄色，丁字着药，花丝紫红色；雌蕊1，花柱紫红色圆柱形，柱头深绿色，成熟时表面有分泌物以吸附花粉，柱头位置比花药高8 mm左右；子房半下位，球形，6～7室。

表1 大花紫薇各花器官参数

扫描电镜结果显示(图2)，大花紫薇花粉粒整体观为长球形，大小约38.76 μm×24.58 μm。其赤道面观为长椭圆形，极面观为钝三角形，具3条长条状孔沟，两端钝圆，沟膜具模糊的颗粒状突起。外壁表面纹饰以具细皱状纹饰及颗粒状纹饰为主。大花紫薇柱头表面由大量较长的圆柱形乳突细胞组成，在柱头成熟具可授性后表面分泌黏液，这样的结构有利于花粉的捕捉、固定与嵌入，提高授粉效率。

A为花瓣；B为柱头及花柱；C为花药及花丝；D为萼片；E为柱头；F为花柱；G为花药；H为花丝。

A为花粉极面观；B、C为花粉赤道面观；D为花粉表面纹饰局部观；E为柱头微观形态；F为花粉粒嵌在柱头上。

2.2 开花动态观察

大花紫薇花期集中在5—8月，5月末进入盛花期，整体开花模式表现为集中大量开花。群体平均花期约94 d，单株植株平均花期68 d，单个花序花期25～37 d，单花开花持续时间为2～8 d。

表2 大花紫薇个体和种群水平的开花物候观察

大花紫薇一般于凌晨开放，从花苞开裂至花冠完全展开需要2～4 h，如遇到阴雨天气，开花时间则会延迟，开花数量也随之减少。大花紫薇单花开花过程可分为4个阶段(图3)：(1)花萼开裂期——花萼逐渐开裂，露出相互紧密叠绕的紫色花瓣；(2)花瓣外展期——花瓣松动并逐渐向外展开，露出雌雄蕊；(3)花药散粉期——雄蕊群完全露出，花药开始散粉，柱头开始分泌粘液；(4)枯萎凋落期——花瓣颜色逐渐变浅，花药以及花柱开始褐化，并逐渐萎蔫、凋落。

大花紫薇的花萼一般于凌晨02:00开始开裂，约1 h后花萼完全开裂，约03:30时柱头从花瓣中缓慢伸直，04:00—06:00花瓣逐渐伸展且颜色加深，雄蕊群伸展，06:00左右黄色花药开始散粉，此时柱头为透明绿色，有分泌物，12:00散粉量减少，花药开始掉落，柱头呈墨绿色，有黏液。开花后1～2 d，花柱无明显变化，花丝萎蔫并弯曲缩短，花药逐渐变为褐色，开始干瘪掉落；开花3 d时花柱与花丝干枯凋谢，花瓣边缘开始萎蔫；开花4 d时花瓣全部开始萎蔫，逐渐变为白色；开花5 d时全部花瓣掉落，子房坐果并逐渐膨大。

A-E为花萼开裂期;F-J为花瓣外展期；K-O为花药散粉期；P-T为枯萎凋落期。

2.3 花粉活力与柱头可授性

大花紫薇的花药暴露在外界10～20 min后便开裂，且散粉后花粉就已具备活力。试验结果显示(表3)散粉之后2 h内，花粉活力不断升高并达到峰值(70%左右)；之后花粉活力开始逐渐下降，到傍晚时花药已出现干瘪，但仍存在少数有活力的花粉。到第二天时花药大量掉落，花粉已经基本不具备活力。柱头开花前1～3 d就具有一定可授性，开花后10～20 min，花药开始散粉，柱头的可授性增强，开始分泌粘液；开花后2 h可授性达到最强，此阶段花粉活力也最高；开花后4～12 h，柱头粘液分泌逐渐减少，可授性仍然较强，但已经有所下降。柱头可授性在开花12 h～2 d期间一直呈下降趋势，开花2～3 d时，部分柱头已不具有可授性，且基本不分泌粘液，4 d时所有柱头均已不具可授性。根据试验结果判断大花紫薇为雌雄同熟，开花后2～4 h为人工授粉的最佳时机。

表3 大花紫薇的花粉活力与柱头可授性

2.4 花粉数-胚珠数比(P/O)的估算

大花紫薇雄蕊多枚，花粉量较大。单花花药数量为(244±76)个，花粉数量为(783 055.55±150 071.15)粒，胚珠数量(144±17)个，花粉数-胚珠数比为5 445.45；依据Cruden的标准，判断大花紫薇的繁育系统属于专性异交类型。

2.5 杂交指数(OCI)的估算

根据Dafni异交指数的计算规则和标准，大花紫薇单花直径(70.73±4.23)mm，记为3；花粉和柱头基本在同一个时间段成熟，记为0；雄蕊展开前柱头就已经伸出，待雄蕊完全展开后，柱头比花药高，雌雄蕊空间位置分离，记为1。因此大花紫薇的OCI值为4，繁育系统以异交为主，部分自交亲和，需要传粉者。

2.6 人工授粉试验

根据表4统计结实情况可以看出，自然状态下大花紫薇的结实率为72%，低于人工异花授粉结实率，说明自然状态下存在一定花粉限制。在自然授粉状态下大花紫薇去雄套袋、不去雄套袋、去雄不套袋以及去雄套网袋4种处理方式的结实率均为0，表明大花紫薇不存在自花传粉且无融合生殖现象，也不存在风媒传粉。在人工授粉的试验中，人工自花授粉与人工同株异花授粉的结实率接近，分别为68%和74%，体现出一定的自交亲和性；同时，人工异株异花授粉结实率高达90%，与人工同株异花授粉、人工自花授粉处理的结实率有明显差距，表明该树种具有较强的异交倾向。由此可以判断大花紫薇繁育系统类型为自交和异交混合(不存在原始自花传粉)，且需要传粉者才能成功授粉。

表4 不同授粉处理下大花紫薇的果实数和结实率

2.7 传粉昆虫及访花行为

大花紫薇的访花昆虫偏好处于开放初期的花，一般集中在07:30—12:00进行访花，访花高峰期在08:00—10:00期间，此时昆虫的种类、数量最多，12:00后几乎不再有昆虫进行访花。如遇阴雨和大风天气，访花昆虫的种类和数量会大幅减少。

经过观察及鉴定，大花紫薇访花昆虫共9科17种(表5)，包括鳞翅目、膜翅目、双翅目、半翅目以及蜘蛛目5个目，其中传粉昆虫有7科15种，主要分为蝶类、蜂类以及蝇类。膜翅目的蜂类昆虫如熊蜂和中华蜜蜂，是大花紫薇最有效的传粉昆虫，它们飞行速度快，访花时间长，采用连续访花的模式，一般直接降落于雄蕊群中，其头部、背部、腹部、身体两侧及足部均能接触到花药，并通过翅膀和身体的高频振动将花药上的花粉抖落，镜检下携带的花粉量也相对较多。鳞翅目的蝶类昆虫一般体型较大，在访花时腹部及翅膀容易触碰花药而沾上花粉，但携带的花粉量相对较少，能有效传粉但效果不明显。双翅目的蝇类访花昆虫为体型较小的黑尾黑麻蝇和夏厕蝇，访花速率高，但其身体不进入雄蕊群中，不易携带花粉，几乎无传粉作用。

表5 大花紫薇主要访花昆虫

A、B为熊蜂；C、D为中华蜜蜂；E为胡蜂科昆虫；F为蝶类昆虫。

3 结论与讨论

3.1 大花紫薇花部特征与传粉的适应性

完整的传粉系统为植物生殖成功的前提[14]。大花紫薇花药与柱头几乎同时成熟，花粉有一定活力，且存在多种访花昆虫，这些条件构成其完整的传粉系统。为了适应自身的传粉系统，保证繁殖成功，植物体特别是花器官往往会表现出高度的适应特征[15]，以吸引不同传粉者进行访花。研究表明，蜂类昆虫传粉者在访花时优先考虑花展示大小[16-17]，故花量多且花序大、单花直径大的大花紫薇有效传粉昆虫是以蜂类为主，表面具有颗粒状突起的花粉粒则有利于附在传粉者身上而实现有效传递。对称式的花冠和大面积的鲜黄色雄蕊群是其传粉者重要的视觉引导信号，授粉试验结果表明若去除雄蕊，则难以进行授粉，坐果率为0。平展的花瓣为小型传粉者着陆平台，完全裸露的雄蕊群则便于传粉者深入雄蕊群中获取更多花粉，延长访花时间。雌雄异位与雌雄异熟能有效降低雌雄功能之间的相互干扰[18-19]，避免自交。大花紫薇柱头垂直高于花药，这种探出式的雌雄异位能够使柱头远离传粉者通道[20]，但雌雄几乎同熟，又为自花授粉提供了条件。

植物为适应生境演化出不同的开花模式，主要分为“大量、集中式”开放和“稳定、持续式”开放[21]。大花紫薇花期集中在5—8月，个体开花量大，属于第一种开花模式，有利于吸引更多传粉者访花，保障了花粉的有效传递[22]。花朵开放时间与传粉者访花习性也存在一定适应性[23]。大花紫薇凌晨开放，萼片开裂后最先将花柱伸出并保持直立，约2.5 h后自花雄蕊才开始散粉，这使柱头有一定的时间接受异花花粉，增加异花传粉的几率。开花后2～4 h花粉活力与柱头可授性最强，是进行授粉的最佳时机，且该时间段处于访花昆虫对花的偏好阶段，与访花高峰期基本一致。大花紫薇柱头具可授性的时间可持续2～3 d，能在一定程度上提高结实率；而在柱头和花药萎蔫后，花瓣能够保持2 d左右较新鲜的状态，能够让植株在增加花展示的同时，又不会提高同株异花授粉的几率。

上述多种特征保证了大花紫薇生殖过程的顺利进行，提高传粉者的花粉传递效率，为受精成功提供一定保障。花部特征的进化虽然在一定程度上由不同传粉者的偏好所驱动[24]，但结果表明大花紫薇通过一组广泛的昆虫进行传粉，加上环境等因素产生的选择压力，其花部特征难以向着某一特定的表征进化，形成专化传粉系统，与此同时增加了雄性资源的投入，需要大量花粉报酬来吸引各类昆虫。

3.2 大花紫薇的繁育系统类型

根据P/O值评判标准，大花紫薇繁育系统为专性异交，而按照OCI的评判标准，繁育系统以异交为主，部分自交亲和，需要传粉者，二者结果不一致。人工授粉试验结果显示其无融合生殖，为异花传粉，需要传粉者完成授粉过程，具强烈异交倾向，并存在一定自交亲和性，与杂交指数检测结果一致。

有花植物进化过程中为提高自身的适应性，通过不断调整雌雄资源配置，在内部遗传机制和外部环境条件的共同影响下形成了多种类型的繁育系统[25]，但自然界中大多数植物类群都属于二者兼有的混合交配模式[26]，它的维持是在异交和自交的选择压力下为保持多样的生殖成功不断进化的结果[27-28]。据观察，大花紫薇通过丰富的大花序提高异交花粉输出量，而传粉者往往会在同一植株上进行连续访花，所以不可避免地产生高水平的同株异花授粉[29]，导致花粉贴现和胚珠贴现。因此，当柱头上同株异花花粉或自花花粉的落置量增加并造成堵塞时，异交花粉在花粉竞争中处于劣势，失去萌发机会，此时自交亲和机制发挥保障生殖成功的作用，但自交又会降低雌性适合度，影响种子产率和发芽率。人工授粉试验结果显示，大花紫薇异株异花授粉结实率高达90%，但自然授粉结实率与同株异花授粉、自花授粉的结实率更接近(均在70%左右)，证明自然状态下存在花粉限制，同株异花授粉和自花授粉在传粉过程中占主导地位。综上所述，判断大花紫薇繁育系统为主动异交和被动自交混合的交配系统，繁育系统类型与同属的紫薇(Lagerstroemiaindica)[30]及毛萼紫薇(Lagerstroemiabalansae)[31]相同。