狭域物种广西秋海棠传粉生物学研究

梁琼月 刘长秋 陆奇丰 邓 涛 蔡 博*

（1.广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西师范大学生命科学学院，桂林 541001；2.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，桂林 541006）

大多数被子植物的有性繁殖过程都需要动物访花者进行花粉的传播，然而目前传粉者数量和种类下降已经成为世界范围内普遍显现的生态问题［1］。这可能直接影响野生或栽培植物的繁殖和种群维持。传粉不足或缺失也被认为是威胁珍稀濒危、狭域分布植物的生存和种群更新的一个可能因素［2］。对于迁地保护的植物来说，在引种地如果缺乏原生境的传粉动物，则可能导致自然传粉失败，有性途径繁殖新个体则需要及时进行人工授粉［3］。理论上，具有比较特化的花特征的植物可能在原生境发生变化或移栽到新生境时更容易遇到传粉不足的问题，而具有相对泛化的花特征和传粉系统的植物可能不易遭遇传粉不足［4］。

秋海棠属（Begonia）植物物种极为丰富，多为狭域分布物种［5］，其中广西秋海棠（B.guangxiensis）为多年生草本植物，广西特有种，主要分布于中国广西都安与靖西，生长范围狭窄，数量稀少。种群分布于海拔200～300 m的阴湿石壁、林下和山洞中，花期1—3 月，果期3—5 月。广西秋海棠的花朵粉红鲜艳（图1），叶片独特多姿，株型端庄挺拔，有着很高的观赏价值与园林应用潜力，其茎叶也有良好的药用和食用价值［6］。

图1 广西秋海棠的花朵与访花昆虫A.蜜蜂；B.食蚜蝇Fig.1 Flowers and visiting insects of B.guangxiensisA.Honeybee；B.Hoverfly

广西秋海棠是吴征镒等［7］于1997 年发表于植物分类学报的新种，其性系统为单性同株，这与大多数具有单性花的秋海棠属植物类似，因此不能进行自动自花传粉，交配系统为自交亲和或不亲和。这种性系统在整个被子植物中出现的频率只有5%左右，且大多数以大型风媒植物为主，动物传粉的种类较少［8］。秋海棠属的传粉生物学只在少数热带美洲与非洲产的物种有报道［9-12］。而国内关于秋海棠属植物的报道和研究主要集中在资源状况调查、观赏特性评价等方面［6，13-15］，在传粉生物学方面还几乎没有研究，仅田代科等［16］报道过上海辰山植物园引种的某些本属植物的访花昆虫，但没有座果等繁殖成功度的指标。交配系统方面，仅见有B.integerrima和B.itatinensis［17］被报道为自交不亲和。由于广西秋海棠分布范围狭窄，原始生境受到开荒、修路和割饲草等人为活动的威胁，近年来研究人员从自然原生地陆续引种一定数量的野生植株，栽培于各类人工植物园中。

秋海棠属植物花结构开放，花被片一般为白色至深浅不同的粉色或红色，无明显管状构造，雄蕊数量多而聚合成一个团，呈鲜黄色，可以归入“花粉花”这一综合征［18］。这类植物的传粉者可能是采集花粉的各种蜂类或蝇类，即传粉方式较泛化；也可能因为特殊的形态而仅适应特殊种类的花粉采集者进行传粉，即传粉方式较特化［19］。

本研究的目的是检验狭域分布植物广西秋海棠的交配系统、传粉者类型以及在自然生境和人工生境中的繁殖成功度。通过调查研究自然和人工生境中广西秋海棠居群，比较不同环境中该物种生长性状和传粉昆虫，回答以下3个问题：（1）广西秋海棠的自然有性繁殖能力在自然和人工居群是否有显著不同？（2）广西秋海棠的传粉是否必需自然生境的特殊传粉昆虫？（3）广西秋海棠是否自交亲和？本研究有助于丰富本属植物传粉生态学的认知，揭示传粉需求是否是导致该物种狭域分布的潜在因素，为该物种的保育工作提供指导性建议。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

人工生境研究地点位于广西壮族自治区桂林市中国科学院广西植物研究所，地处25°1′N，110°17′E。海拔180～300 m，气候温和，雨量充沛，年平均降雨量为1 900 mm，年平均日照1 550 h 以上，年平均气温18.8 °C，属中亚热带季风气候。

自然生境研究地点位于广西河池市都安县东庙乡弄工村弄校屯，地处23°93′N，108°10′E，属南亚热带季风气候，同时受境内岩溶山区地貌影响，季风明显，四季分明。年平均气温21.4 ℃，年平均降雨量约为1 700 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 开花生物学特征

对广西秋海棠的单花花期进行观察和记录。在人工生境中选取10 株个体，每个植株选取雌雄单花各1 朵，在花朵打开前使用吊牌进行标记，每天同一时间进行一次观察并记录花朵生长情况直至凋谢。

在自然生境和人工生境依据广西秋海棠种群数量的实际情况选取一定数量的植株（20～30株），进行花部形态特征的测定，每个个体测量1朵雌花和1朵雄花。统计每株植物的雌雄花比例，测量植物的花朵直径、花药长、花药直径、花柱长和柱头直径并记录花冠颜色。

1.2.2 繁育系统测定

繁育系统是指代表所有影响后代遗传组成的有性特征的总和，主要包括花形态特征、花的开放式样、花各部位的寿命、传粉者种类和频率、自交亲和程度和交配系统，其中交配系统是核心［20］。通过对广西秋海棠进行杂交指数的估算，并开展授粉试验，统计座果率，以探讨其繁育特性和繁殖机制。

1.2.2.1 杂交指数估算

根据Dafni［21］提出的标准进行杂交指数outcrossing index（OCI）估算。（1）花朵的直径（d）：d＜1 mm、1 mm≤d≤2 mm、2 mm＜d≤6 mm、d＞6 mm，分别记为0、1、2、3；（2）柱头可授期与雄蕊同时成熟或雌蕊先成熟记为0，雄蕊先成熟记为1；（3）柱头与花药的位置在同一高度记为0，两者空间分离不在同一高度记为1。以上三者之和为OCI值。OCI=0时，植物的繁育系统为闭花受精；OCI=1为专性自交；OCI=2为兼性自交；OCI=3为自交亲和，有时需要传粉者；OCI≥4 为部分自交亲和、异交，需要传粉者［22-23］。

1.2.2.2 授粉试验

根据广西秋海棠单性同株的性系统，设计并开展3 组授粉处理用以检验交配系统和自然传粉的效果。（1）对照：只进行挂牌操作。（2）异交：取其他植株的花粉对目标雌花进行授粉。（3）自交：取同株植物的花粉进行授粉。在开花前使用尺寸为5 cm×5 cm、孔径为0.3 mm 的尼龙网袋对目标雌花进行套袋处理，并使用吊牌标记，待花朵打开后取下网袋授粉，授粉完成再把花序重新套住。以上处理中，对照在两地生境均有开展，其余两处理在人工生境进行。待植物进入果期时统计各处理的座果率，座果率=果实数量/花数量×100%。

1.2.3 访花昆虫观察

访花者观察选在广西秋海棠的盛花期进行，其中人工生境访花昆虫观察开始于2021 年2 月末和2022 年3 月初，而自然生境于2022 年2 月末开展，访花观察时间均为7～10 d。在进行访花昆虫观察时，均以0.5 h为一个时间段，每个时间段结束后换另一组花（50～100 朵）进行观察，每天平均观察3～6 h。2021 年人工生境广西秋海棠累计观察30.5 h，2022年人工生境为26.0 h，自然生境47.0 h。观察期间详细记录访花者的种类和访问次数。所有观察活动均在没有降雨时进行。

1.2.4 种子的萌发测定

以授粉试验得到的自交与异交的种子作为萌发试验的材料，其中异交果实6 个，自交果实12个，每个果实随机挑选出100 粒种子，分别置于垫有2 层滤纸、直径为100 mm 的一次性塑料培养皿中。每日定时浇1次纯净水，浇水量以浇透滤纸为准。整个试验过程在培养条件为20 ℃无光照11 h、27 ℃光照13 h 的光/暗周期交替的智能型光照培养箱中进行。

种子萌发以出现露白为标记，每日同一时间记录培养皿中种子发芽的数量，直至所有种子连续3 d 无新萌发［24］。发芽试验一共进行40 d。发芽率=发芽种子数量/供试种子数量×100%。

1.2.5 统计分析

利用WPS Office 与IBM SPSS Statistics 25对数据进行处理与统计分析，采用单因素方差分析方对座果率与发芽率进行显著性检验（α=0.05，下同）；不同处理间的座果率差异使用LSD最小显著性差异法进行字母标记；对访花昆虫比例进行交叉表卡方检验；采用独立样本t检验对广西秋海棠雌花和雄花的单花持续时间与除雌花直径外的花朵表型性状进行分析，其中雌雄花数量比的数据转换为算数平方根后进行分析。两地生境雌花直径的比较采用Mann-WhitneyU检验进行分析。广西秋海棠雌花和雄花的单花持续时间与花朵表型性状大小及发芽率的数据均为平均值±标准误。作图使用Origin 2018与Microsoft Excel 2010。

2 结果

2.1 广西秋海棠的开花生物学特征

广西秋海棠的花期集中在2 月中旬至3 月下旬，自然生境的花期开始时间比人工生境早7～10 d。人工生境中广西秋海棠的单花持续时间普遍在8 d以上，其中雌花平均单花持续时间（11.35±0.75）d显著长于雄花（9.20±0.42）d（P＝0.022）。

在广西秋海棠花朵的表型性状（表1）中，广西秋海棠两地生境的花冠颜色均为粉白色；自然生境的雌雄花数量比、雌花直径和柱头直径显著大于人工生境，而人工生境的雄花直径则显著大于自然生境；其余花朵表型性状在两个生境中无明显差异。

表1 广西秋海棠花朵表型性状Table 1 Phenotypic traits in flowers of B.guangxiensis

2.2 广西秋海棠的繁育系统测定

2.2.1 杂交指数估算

广西秋海棠的雌花与雄花的花朵直径均大于6 mm（表1），记为3；雄蕊先熟，记为1；柱头与花药空间分离，记为1，相加得到OCI值≥4，因此广西秋海棠的繁育系统为部分自交亲和、异交、需要传粉者。

2.2.2 授粉试验

人工生境中对照分别与自交和异交的座果率之间存在显著差异（P=0.019），对照1 的座果率显著低于自交（P=0.043）与异交（P=0.009）处理。自交与异交（P=0.562）、对照2（P=0.518）之间座果率均无显著差异（图2）。

图2 广西秋海棠不同授粉处理的座果率对照1 为人工生境；对照2 为自然生境；不同小写字母代表各处理间差异显著（P＜0.05）Fig.2 Proportion fruit set in different pollination treatments of B.guangxiensisControl 1 is the artificial habitat’s control；Control 2 is the natural habitat’s control；Different lowercase letters represent significant differences among treatment（sP＜0.05）

2.3 广西秋海棠的访花昆虫观察

2021年人工生境访花观察中发现了2类访花昆虫，分别为蜂类（中华蜜蜂（Apis cerana）与萃熊蜂（Bombus eximius））和食蚜蝇（黑带食蚜蝇（Episyrphus balteatus）与刺腿食蚜蝇（Ischiodon scutellaris）），2类昆虫均访问雌花与雄花，用腿或身体的腹面接触雄蕊，在访问雌花时也用这些部位接触柱头。2022年人工生境和自然生境观察到的访花昆虫均为蜜蜂和食蚜蝇（图1）。2021—2022 年广西秋海棠两地生境访花昆虫比例之间具有极显著差异（P＜0.001）（图3）。2022 年广西秋海棠访花昆虫访问雌花的比例较低，人工生境中蜜蜂没有访问雌花，可能是由于访问次数过少导致的偶然现象（图4）。2021年在人工生境没有统计访花昆虫访问雌花的次数，但也明显观察到熊蜂存在访问雌花的现象。由于熊蜂访问单花的时间很短，故没有拍摄到访花照片。

图3 2021—2022年广西秋海棠访花昆虫比例括号内数字代表总访问次数Fig.3 Proportion of visiting insects in B.guangxiensis from 2021-2022The numbers in parentheses indicates total visits

图4 2022年广西秋海棠访花昆虫访问雌花与雄花的比例Fig.4 Ratio of female to male flowers visited by insects of B.guangxiensis in 2022

2.4 广西秋海棠的种子萌发测定

在自交的12 个培养皿中，只有1 个无种子发芽，其余培养皿均有发芽种子，发芽率最高为57%；异交的6 个培养皿全部发芽，发芽率最高为37%，最低为7%。通过对比得出自交（33.25±4.96）%与异交（21.67±5.00）%发芽率水平没有显著差异（P=0.162）。

3 讨论

广西秋海棠早春开花，具有较长的单花花期，两生境中花冠大小表现出一定差异。物种自交授粉后座果良好，且自交得到的种子发芽能力不弱于异交。在自然生境和人工生境中访花昆虫比例有明显的差异，但均为采集花粉的昆虫。该物种在两生境中均能实现顺利的自然繁殖，尽管自然座果率略低于人工补充授粉。

广西秋海棠早春开花的特点在国产秋海棠属中并不常见。在气温较低的季节，开花的植物常面临传粉昆虫稀少的问题［25］，这一点与本文观测到访花次数无论在哪种生境都比较低的事实相符。与此相对应的是该植物具有较长的单花花期，这与之前学者提出的“单花花期与访问频率呈反比”的设想相符，即延长单花花期可以在传粉者稀少时增加传粉成功的概率［26-27］。雌花花期更长也符合之前在被子植物里观察到的趋势［28］。我们注意到本研究是我们了解的秋海棠属单花花期的第一次报道，将来有必要在更多本属物种中研究单花花期的长度和访问频率以及繁殖成功的关系。

广西秋海棠具有明显适应采集花粉的昆虫的花综合征，这与秋海棠属植物属于“花粉花”这一传粉综合征［18］保持一致。广西秋海棠花朵报酬没有花蜜，吸引传粉者的只有花粉，其雄花具有花粉奖励，雌花则不产生任何传粉者奖励，且雌雄花比例差距较大（自然生境约为2∶5，人工生境3∶10），这些特点均与之前报道的秋海棠属植物［29］类似。在热带美洲和非洲报道过的秋海棠传粉昆虫主要是蜂类［9-12］，而在本研究以及田代科等［16］的观察中，食蚜蝇也是常见的访花者，并且能够访问雌花。蜂类与食蚜蝇的传粉效率需要进一步定量评估，但这至少说明亚洲秋海棠属的传粉系统可能与美洲有差异。这种差异是否在更广尺度上存在以及它可能对秋海棠属花进化产生的影响都需要更多的研究工作。

野生植物在引种到新的环境中，有时会因为缺乏合适的传粉者而遭遇繁殖困难，这与花特征过分特化有关［30-31］。但另一方面引种后可以成功进行自然有性繁殖的例子也很常见［32］。尽管广西秋海棠在不同生境不同年份的访花昆虫比例有所差异，花冠大小在不同生境也表现出一定差异，但人工生境与自然生境自然对照的座果率无显著差异，表明两地广西秋海棠的自然有性繁殖能力无差别，无论在自然生境还是人工生境，广西秋海棠植株都能正常地进行授粉、繁殖后代。同时考虑到不同类型的花粉采集昆虫均有访问雌花、接触柱头的行为，可以得出广西秋海棠的传粉并不依赖自然生境中的特殊传粉昆虫的结论，即它是一种较为泛化的传粉方式，能被各种不同的花粉采集昆虫传粉。本研究的结果表明至少对于这个物种来说，传粉需求在自然生境是能够得到充分满足，且其传粉昆虫属于常见而广布的类型，因此传粉不足不是导致该物种狭域分布的原因（图2）。秋海棠属植物花特征种间变化很小，因此推测这种相对泛化的传粉方式可能至少在亚洲秋海棠属植物中广泛存在，引种后可能普遍很容易进行自然的有性繁殖。

根据Dafni［21］提出的标准，广西秋海棠的杂交指数OCI≥4，其繁育系统部分自交亲和、异交、需要传粉者。同时授粉试验结果也表明自交与异交之间座果率无显著差异，两处理下种子的发芽率也无显著差异，说明广西秋海棠植株自交亲和，当种群植株数量较少时也能顺利繁殖，但仍需授粉媒介来完成授粉。自交亲和性在其他多种秋海棠中均有报道［29］，但B.integerrima和B.itatinensis［17］等物种也记录了自交不亲和现象。然而交配系统在这个属中的种间分布格局和进化路径仍远远缺乏了解。