兩種蘭科植物的傳粉系統(tǒng)和繁殖策略

兩種蘭科植物的傳粉系統(tǒng)和繁殖策略

蘭科是花科最豐富的物種之一。世界上大約有800種類型，有25萬種類型（cribb，2001）。其中，地生蘭科占蘭科植物的三分之一。根據(jù)世界自然保護聯(lián)盟(IUCN,1999)的統(tǒng)計,在已經滅絕的蘭科植物中,有一半是地生蘭。因此,地生蘭代表一類更容易遭受滅絕風險的植物。在全球氣候變化和人類活動的影響下,許多蘭科植物所處的生境已被嚴重破壞,在這種情況下,對物種的保護已不能單純地通過自然保護區(qū)來實現(xiàn),把植物轉移到氣候適宜的新地點進行保護意味著一種新的挑戰(zhàn)(Swarts&Dixon,2009)。遷地保護(exsituconservation)是防止物種滅絕的有效措施(蔣志剛等,1997;Swarts&Dixon,2009)。它不僅直接減緩了物種滅絕的風險同時也為保護生物學的基礎研究和物種的回歸、引種、種群擴充及生境修復提供材料。盡管造成蘭科植物稀少的原因很多,但通常認為與它們獨特的生境和傳粉者要求有關(Swarts&Dixon,2009)。影響蘭科植物在一個地區(qū)的分布和豐富性的生物因素主要包括其共生真菌和有效傳粉者,前者保證能夠正常建立幼苗和營養(yǎng)生長(Rasmussen,2002),后者則影響其繁殖成功(Roberts,2003)。生物學家和保護規(guī)劃者在制定保護策略時,特別是在原棲息地以外的地方進行保護時,應把影響蘭科植物生活史的這些因素考慮在內(Swarts&Dixon,2009)。盡管克隆繁殖可以幫助植物克服種子的不足,但有性繁殖仍然是保證后代遺傳多樣性的主要途徑(Sipes&Tepedino,1995)。有效的保護應該統(tǒng)籌兼顧,在原地保護和遷地保護的條件下,開展一系列的試驗以保證物種的可持續(xù)生存(Swarts&Dixon,2009)。因此,在開展原地保護物種的傳粉生物學研究同時,應加強對遷地保護蘭科植物傳粉和繁殖策略的研究,包括其開花生物學特征、吸引傳粉者的機制以及傳粉者的種類和傳粉效率等,以確立蘭科植物在新棲息地與傳粉者之間的關系,這對蘭科植物物種的保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。血葉蘭(Ludisiadiscolor)為斑葉蘭亞族、血葉蘭屬的唯一種類,分布在中國、老撾、柬埔寨、緬甸、越南、泰國、馬來西亞、印度尼西亞和大洋洲的納土納群島(Ormerod&Cribb,2003)。銀帶蝦脊蘭(Calantheargenteo-striata)為中國特有種,屬于擬白芨亞族蝦脊蘭屬,全屬約150種,主要分布于亞洲熱帶和亞熱帶地區(qū),中國有49種及5變種(陳心啟等,1999)。血葉蘭和銀帶蝦脊蘭都屬于地生蘭類,血葉蘭具有較高的藥用價值,而銀帶蝦脊蘭葉形美觀,具有一定的觀賞價值。近年來因為大量人為采挖和生境破壞,其野生資源已處于瀕危狀態(tài)(羅毅波,2005)。因此,非常有必要將這兩種蘭科植物轉移到新的棲息地進行集中保護。蘭科植物的歸化(naturalization)成功率普遍很低,缺乏有效的傳粉者是限制它們適應新生境的主要原因(Daehler,1998)。外來昆蟲可影響原產地蘭科植物的傳粉(Pemberton&Wheeler,2006;Pemberton&Liu,2008),但有關外來的蘭科植物與原產地昆蟲的適應關系研究卻很少(Sun,1997;Ackerman,2007)。血葉蘭在移栽植物園周圍有自然分布,其原生境的傳粉者為菜粉蝶(Pierisrapae)(張洪芳等,未發(fā)表資料);而銀帶蝦脊蘭則遠離自然分布區(qū),其原生境的傳粉者也為菜粉蝶(劉仲鍵等,未發(fā)表資料)。將本地的血葉蘭和外來的銀帶蝦脊蘭移植到同一植物園,可以探討新生境中的傳粉者對兩種蘭科植物傳粉成功和繁殖成功的貢獻程度大小,對蘭科植物在新生境中建立穩(wěn)定種群的可能性進行評估和預測。本研究的目的是:(1)確定當血葉蘭和銀帶蝦脊蘭移植到同一植物園后,菜粉蝶是否還是它們的有效傳粉者?(2)比較本地的血葉蘭和外來的銀帶蝦脊蘭移植到同一植物園的繁殖情況;(3)探討蘭科植物與傳粉者的適應關系對遷地保護的意義。1材料和方法1.1銀帶蝦脊蘭人工居群的建立血葉蘭又名“石蠶”或“石上藕”,分布于廣東、香港、海南、廣西和云南南部(郎楷永,1999)。在我國東南部的深圳市,主要生長在梧桐山和七娘山海拔500–900m的山坡或溝谷常綠闊葉林下陰濕處。銀帶蝦脊蘭產于我國廣東北部、廣西西南部、貴州西南部和云南東南部(金平、麻栗坡)。生長于海拔500–1200m的山坡林下的巖石空隙或覆土的石灰?guī)r面上(陳心啟,1999)。2002年,將原產于深圳市梧桐山的30株血葉蘭和云南麻栗坡的45株銀帶蝦脊蘭遷地保護于深圳市全國蘭科植物種質資源保護中心(以下簡稱“蘭科中心”)的人工模擬生境中?？紤]到這兩個種的野外居群無混合生長的現(xiàn)象,將它們分開種植。每個種每15個植株組成一個人工居群,共計5個居群。居群之間相隔約50m,居群內個體隨機分布,相距10cm到數(shù)米不等。人工生境處于開放狀態(tài)。1.2實驗面積的總結1.3不同品種花花油梨花的開枝培養(yǎng)2008年,對蘭科中心的血葉蘭和銀帶蝦脊蘭的開花物候期進行了調查。隨機各選取10個植株,詳細記錄在花序水平和單花水平上的開花特性,即單花序與單花的開放時間和凋謝時間。此外,記錄和對比花部形態(tài)在花粉接受前后的變化。1.4生長方向及內部構造觀察分別隨機選取兩種蘭科植物共20個植株上的花各1朵,首先在活體植株上觀察其形態(tài)和生長方向,檢查粘盤、蕊喙和柱頭的相對位置。然后把這些花置于體視鏡(桂光XTL-500)下進行解剖,觀察其內部構造。確認兩者的距中是否有蜜,若有蜜用5μL的毛細玻璃管吸取花蜜,并用0–35%的手持式折光儀(泰華WTY-I)測量其糖濃度。1.5傳粉的可能性2007和2008年兩個開花季節(jié),在蘭科中心對血葉蘭和銀帶蝦脊蘭進行傳粉觀察。每年對兩個種各隨機選取10個開花植株,白天對花序進行套袋,晚上打開使花暴露,每天檢查是否有花粉塊移走或授粉發(fā)生,以此來確定夜間傳粉的可能性。白天的觀察時間從早上9:00至下午17:00。記錄所有拜訪兩種蘭科植物的昆蟲種類和行為,特別是傳粉者的訪花行為、花粉的輸出和輸入,并對傳粉過程進行錄像(SonyDCR-HC21E)和拍照(NikonD40X)。用捕蟲網(wǎng)捕捉傳粉昆蟲,將它們放入裝有乙酸乙酯的瓶中殺死,然后用游標卡尺測量傳粉者的相關性狀指標如三對足的長度、觸角和喙的長度等。測量完成后將捕獲的昆蟲制成標本用于種類鑒定,并保存在蘭科中心標本館。1.6去雄后的人工自交和性培養(yǎng)2008年在蘭科中心進行了血葉蘭和銀帶蝦脊蘭的繁育系統(tǒng)實驗,包括4種處理。套袋(B):用來檢驗植株是否具備自動自花授粉的能力;去雄后人工異交(O):用來自其他植株的花粉進行人工授粉以檢驗異花授粉;去雄后人工自交(S):用來自同一朵花的花粉進行人工授粉以檢驗自交親和性;去雄后套袋(E):確定植株是否具備無性生殖的能力。以上處理各10個花序,每個花序上的所有花只進行一種處理。實驗完成后均使用硫酸紙?zhí)状?。為了檢測開放狀態(tài)下昆蟲傳粉的結實情況,2007和2008年,隨機標記血葉蘭和銀帶蝦脊蘭各20個花序,不作任何處理。在果實開裂前,對繁育系統(tǒng)實驗和自然結實的情況進行統(tǒng)計,分別計算每個花序的結果率(結果數(shù)與開花數(shù)的比值),將每個花序作為一次重復,運用SPSS13.0IndependentSamplet-Test進行分析,比較以上各處理之間及其與自然結實之間是否存在顯著性差異。1.7花粉移走率測定在蘭科植物中,花粉被移走的花朵數(shù)通常高于花粉落在柱頭上的花朵數(shù),兩者的比值可作為評估傳粉效率的一個參數(shù)(Tremblayetal.,2005)。2008年,隨機選取血葉蘭和銀帶蝦脊蘭各20個花序,記錄開花數(shù)、花粉被移走的花數(shù)和花粉落在柱頭上的花數(shù)。花粉移走率=花粉被移走的花數(shù)/開花數(shù);花粉沉降率=花粉落在柱頭上的花數(shù)/開花數(shù)。1.8不同種子處理對發(fā)芽率的影響分別隨機選取血葉蘭和銀帶蝦脊蘭人工自花授粉和人工異花授粉所結的果實各10個,在解剖鏡下統(tǒng)計每個蒴果含有的種子數(shù),比較兩種處理之間有無顯著差異。同時,將人工自花授粉與人工異花授粉種子分別進行人工培養(yǎng)基播種,統(tǒng)計其發(fā)芽率。根據(jù)這兩種數(shù)據(jù)來檢測血葉蘭和銀帶蝦脊蘭的近交衰退情況。2結果2.1花粉生長和發(fā)育時期n血葉蘭的花期為3–4月,開花高峰出現(xiàn)在3月底至4月初,單花壽命為16±4d(n=20),花序持續(xù)開放時間為23±2d(n=20)。在接受花粉后5–12d,萼片和花瓣開始萎蔫,而柱頭和子房則無明顯變化。銀帶蝦脊蘭花期為4–7月,4月底至5月底是開花高峰,單花壽命為13±4d(n=20),花序持續(xù)開放時間為55±10d(n=20)。接受花粉24h后,萼片和花瓣開始變黃,唇瓣的顏色由白變橙紅,并逐漸萎蔫,柱頭變短變粗,子房連梗開始下垂。2.2花粉塊及花粉團血葉蘭的總狀花序頂生,與地面近垂直,具幾朵至數(shù)十朵小花(圖1A)?；ò咨?、花藥黃色?；▋蓚炔粚ΨQ,蕊柱、花藥和柱頭向左扭轉,唇瓣向右傾斜(圖1B)。蕊柱和唇瓣基部合生成距,距長0.475±0.056cm(n=20),距口狹窄。距內有花蜜,糖濃度為20±5%(n=20)?；ǚ蹓K位于藥帽中,粘盤暴露于藥帽之外?；ǚ蹐F2個,由無數(shù)個花粉小塊組成,位于片狀物上,易脫落。銀帶蝦脊蘭的總狀花序頂生(圖1D)。柱頭與唇瓣白色,唇瓣基部具3列金黃色的裂片狀附屬物,柱頭位于藥床左右兩側,凹入成穴狀,具粘液(圖1E)。花粉團8個,每4個成1群,每群2長2短,具短的花粉團柄;2個花粉團柄共同著生于粘盤上。唇瓣基部與蕊柱合生,形成一個小洞穴,直接連接距的入口;距的長度為1.892±0.236cm(n=20),無花蜜。2.3花間授粉、同株授粉或異花授粉通過兩個開花季節(jié)、分別為120h和136h的傳粉觀察,我們發(fā)現(xiàn)菜粉蝶是血葉蘭和銀帶蝦脊蘭頻繁的訪問者,也是它們唯一有效的傳粉者。血葉蘭的唇瓣向下傾斜伸展,不能為傳粉者提供降落平臺,且距口離花粉塊粘盤較遠。當菜粉蝶把喙深入到距中吸蜜時,為了穩(wěn)定身體,一般用右足抓住唇瓣,左足抓住突出的蕊喙,這時,位于蕊喙上的花粉塊粘盤就會粘在它左腿跗節(jié)上(圖1C)。如果菜粉蝶的左腿第一次沒有抓牢蕊喙,粘在跗節(jié)上的粘盤就會將花粉塊從藥帽中拉出來,這時由于花粉團柄不能承受花粉小塊的重量,花粉塊會迅速下垂。當菜粉蝶用左足再次去抓蕊喙時,花粉小塊就會粘在位于蕊喙下方的黏性柱頭上,從而完成花內自交。如果菜粉蝶身體平衡地降落在花上,吸蜜后離開時,花粉塊會被它的左側前足或中足帶出。當它訪問另一朵花時,附著在跗節(jié)彎曲的花粉小塊就會被刷在另一朵花的柱頭上,從而完成花間授粉。菜粉蝶通常會連續(xù)訪問同一花序上的數(shù)朵花,然后飛向附近的植株,或者去拜訪血葉蘭的其他居群或同期開花的其他植物。因此,菜粉蝶對血葉蘭的訪花會造成花內自交、同株授粉或異花授粉。而銀帶蝦脊蘭的花兩側對稱,花粉塊粘盤與距口較近,唇瓣能夠為傳粉者提供降落平臺。當菜粉蝶吸取花蜜時,由于它的喙比距短,只能將整個喙伸入距內,距口上方的花粉塊粘盤就會附著在菜粉蝶的喙基部(圖1F)。當菜粉蝶再次訪問同一花序上的其他花時,粘在喙基部的花粉塊正好落在藥床兩側的柱頭腔里,從而完成同株授粉。如果攜帶著花粉的菜粉蝶飛向其他的開花植株,就會完成異花授粉。因此,菜粉蝶在銀帶蝦脊蘭上的訪花會造成同株授粉和異花授粉。2.4不同繁殖工藝對血葉蘭自然結果率的影響2008年繁育系統(tǒng)檢測結果如表1所示:血葉蘭和銀帶蝦脊蘭的套袋(B)和去雄(E)實驗中,結果率均為0(n=10),表明兩者都不具備自動自花授粉和無融合生殖的能力。血葉蘭的自交和異交兩種處理在結果率上沒有顯著性差異(t=0.522,df=18,P=0.608),而自交、異交處理與自然傳粉之間在繁殖成功率上有顯著性差異(分別為t=10.305,df=18,P=0.000與t=9.231,df=18,P=0.000)。2007年和2008年,血葉蘭的自然結果率在兩年間無顯著差異(t=0.313,df=38,P=0.756)。銀帶蝦脊蘭的自交和異交兩種處理在結果率上沒有顯著差異(t=0.613,df=18,P=0.548),而自交、異交處理與自然傳粉之間在繁殖成功率上有顯著性差異(分別為t=–26.415,df=18,P=0.000與t=–24.156,df=18,P=0.000)。銀帶蝦脊蘭的自然結果率在2007和2008兩年間差異顯著(t=2.146,df=38P=0.048)。2.5個銀帶蝦脊蘭花的花粉在選取的20個血葉蘭的花序中,開花數(shù)為98其中有57朵花的花粉被移走,花粉移走率為58.16%;50朵花的柱頭上有花粉,花粉沉降率為51.02%;傳粉效率指數(shù)為1.14:1。在選取的20個銀帶蝦脊蘭的花序中,開花數(shù)為270,其中有37朵花的花粉被移走,花粉移走率為13.70%;50朵花的柱頭上有花粉,花粉沉降率為18.52%;傳粉效率指數(shù)為0.74:1。2.6種子發(fā)芽率測定血葉蘭的人工自花授粉和人工異花授粉蒴果中含有的種子數(shù)分別為6,354±450(n=10)與6,308±438(n=10),兩者無顯著差異(t=0.233,df=18,P=0.818)。人工自花授粉與自花授粉的種子發(fā)芽率分別為83.78%(n=10)和84.33%(n=10),兩者無顯著差異(t=–0.377,df=18,P=0.711),表明該種在種子發(fā)育和發(fā)芽階段沒有表現(xiàn)出近交衰退。銀帶蝦脊蘭的人工自交和人工異交蒴果含有的種子數(shù)分別為46,941±7,894(n=10)與46,054±12,166(n=10),兩者無顯著差異(t=0.194,df=18,P=0.84)。人工自交與異交的種子發(fā)芽率分別為91.21%(n=10)和84.37%(n=10),兩者無顯著差異(t=2.607,df=18,P=0.06)。該結果同樣表明該種在種子發(fā)育和發(fā)芽階段沒有表現(xiàn)出近交衰退。2.7頭、胸、腰椎菜粉蝶是血葉蘭和銀帶蝦脊蘭遷地到蘭科中心后的唯一有效的傳粉者。菜粉蝶成蟲體長1.70±0.13cm,頭、胸、背部為灰黑色,腹部白色。2008年捕獲了10只攜帶花粉的菜粉蝶,通過測量,其前足、中足和后足的長度分別為0.554±0.073cm(n=10)、0.745±0.091cm(n=10)、0.779±0.076cm(n=10),喙長為0.849±0.109cm(n=10)。3討論3.1血葉蘭花蜜的制備觀察表明,血葉蘭和銀帶蝦脊蘭都是由菜粉蝶傳粉的,兩者的花展示與蝴蝶傳粉的綜合征都較為吻合。血葉蘭的花序由很多白色小花組成,唇瓣與蕊柱基部合生形成短距,距內有胼胝質,并產出花蜜;而銀帶蝦脊蘭的花序也是由很多白色的花組成,唇瓣能夠為菜粉蝶提供降落平臺,有細長的距,但無花蜜。3.2花粉塊的附著花部形態(tài)的差異導致了傳粉者攜帶花粉塊的部位不同。血葉蘭的傳粉者攜帶花粉的部位不是頭部、口器或胸部,而是降落時用以平衡身體的足部;而在銀帶蝦脊蘭中花粉塊則附著在蝴蝶的喙基部。由于傳粉者攜帶花粉塊的部位不同,這兩種蘭科植物種植在同一植物園內不會形成雜交。3.3花粉塊與花間自交具粉質花粉塊的蘭科植物,花粉移走與沉降的比值平均為1.1±0.19:1,被認為比具有堅硬花粉團的蘭科植物的比值(6.97±1.56:1)更高(Tremblayetal.,2005)。血葉蘭和銀帶蝦脊蘭的花粉移走與沉降的比值分別為1.14:1與0.74:1,均等于或小于傳粉效率較高的具粉質花粉塊的蘭科植物,說明這兩種蘭科植物的傳粉效率都較高。血葉蘭特化的花部形態(tài)結合菜粉蝶訪花行為的特點,使花粉塊容易落在柱頭上,導致花內自交的發(fā)生。此外,菜粉蝶通常會連續(xù)訪問同花序上的數(shù)朵花,易造成同株授粉。這種花間自交以及粉質花粉塊的特性,有助于提高血葉蘭的傳粉效率;而銀帶蝦脊蘭的傳粉效率高可歸因于同株授粉及其可分割的花粉塊。3.4將菜粉蝶傳粉來粉菜粉蝶屬鱗翅目粉蝶科,是一種在世界各地都有分布的普通蝴蝶。春、秋兩季盛發(fā),世代重疊(張木新等,2005)。成蟲多在晴天無風、日照強的中午前后活動,晚上棲息在生長茂密的植物上(毛嘉正,2005)。蘭科中心與血葉蘭的原產地梧桐山的生境差異很小,有助于保持植物與傳粉者長期建立的適應關系,傳粉觀察也證實了血葉蘭在梧桐山和蘭科中心都是由菜粉蝶傳粉的。血葉蘭的花期集中在春季的3–4月間,花期與菜粉蝶的盛發(fā)期相吻合,有利于充分利用傳粉者。從2007與2008年連續(xù)兩年接近50%的自然結實率來看,血葉蘭在不同年份間的傳粉環(huán)境較穩(wěn)定,高于由其他蝴蝶傳粉的蘭科植物36.7±12.6%的平均結實率(Tremblayetal.,2005)。與此相比,銀帶蝦脊蘭是從較遠的云南省麻栗坡縣遷移到深圳蘭科中心的,兩地在氣候和生境等方面都存在著較大的差異。銀帶蝦脊蘭在原產地也是由菜粉蝶傳粉的(劉仲健等,未發(fā)表資料),說明生境的變化并未改變它與昆蟲之間的適應關系。銀帶蝦脊蘭花期主要集中在5–6月,7月下旬花序上部仍有花開,與菜粉蝶的盛發(fā)期不完全吻合,因而傳粉者的缺失造成大量的花未能授粉。2007與2008年的自然結實率分別為17.44%和11.27%,兩年間差異顯著,且低于由蝴蝶傳粉的蘭科植物36.7±12.6%的平均結實率(Tremblayetal.,2005)。銀帶蝦脊蘭的自然結果率較低可能也與它不能為傳粉者提供報酬有關。此外,菜粉蝶是雜食性昆蟲,它除了訪問這兩種蘭科植物外,還取食其他植物的花粉或汁液,顯然在一定程度上降低了對這兩種蘭科植物傳粉的效率。這也從某種意義上解釋了雖然血葉蘭提供報酬,但其自然結實率仍顯著低于人工授粉的原因。3.5刑種的自交和繁殖兩種蘭科