吉首蒲兒根的繁育系統(tǒng)及克隆構(gòu)型

張 潔，陳功錫，徐 亮，鄧 濤，周建軍，張代貴，孟明明

（1 吉首大學(xué)／植物資源保護(hù)與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南吉首416000；2 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650201；3 吉首大學(xué) 生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南吉首416000）

繁育系統(tǒng)是指直接影響后代遺傳組成的所有有性特征，主要包括花部綜合特征、花部各性器官的壽命、花開放式樣、自交親和程度和交配系統(tǒng)［1］，它們與傳粉者和傳粉行為一起決定了植物后代的遺傳組成和適合度，其中花部綜合特征與交配系統(tǒng)是核心。瀕危或稀有植物的繁育系統(tǒng)很可能具有一定特殊性，這對(duì)于該類植物的保護(hù)與管理、生物多樣性研究具有重要意義［2－3］。克隆構(gòu)型系指克隆植物在空間內(nèi)的分布格局［4］，它是克隆植物在其進(jìn)化過程中形成的與其利用環(huán)境異質(zhì)性能力相關(guān)的性狀，反映和指示出植物的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策［5－6］。由于克隆植物構(gòu)型與能量分配、生態(tài)對(duì)策、遺傳多樣性等進(jìn)化生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)問題密切相關(guān)，因而對(duì)克隆植物構(gòu)型的研究具有重要意義［7］。

吉 首 蒲 兒 根（Sinosenecio jishouensis D．G．Zhang，Y．Liu ＆Q．E．Yang）是近年來發(fā)現(xiàn)的菊科蒲兒根屬新物種。目前僅分布于武陵山區(qū)德夯峽谷內(nèi)，為典型的峽谷生境專性種和稀有物種。根據(jù)IUCN 物種紅色名錄瀕危等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)3．1版，其瀕危級(jí)別已達(dá)極危［8］。吉首蒲兒根在系統(tǒng)分類上具有特殊性，其葉為橢圓狀披針形、莖實(shí)心，形似千里光屬植物；而花部結(jié)構(gòu)和染色體數(shù)目又為典型的蒲兒根屬特征，加上所處區(qū)域?yàn)槠褍焊鶎俣鄻有苑植贾行牡貛е唬?］，因而對(duì)中國(guó)乃至全世界蒲兒根屬植物系統(tǒng)發(fā)育研究都具有重要意義，也是探討特殊生境物種多樣性形成與分化適應(yīng)機(jī)制的重要材料。

關(guān)于吉首蒲兒根的研究，李連春等［10］發(fā)現(xiàn)不同光照強(qiáng)度對(duì)其生長(zhǎng)有著顯著影響；鄧濤等［11］對(duì)其繁殖生態(tài)特性做了初步觀察并認(rèn)為人類過度干擾、生境迅速退化及種子繁殖能力低是導(dǎo)致其瀕危的主要原因；徐亮等［12］發(fā)現(xiàn)吉首蒲兒根分布格局均為集群分布；周強(qiáng)等［13－14］還研究了其光合生理生態(tài)特性；但對(duì)其繁育系統(tǒng)和克隆繁殖特性目前仍不清楚。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，吉首蒲兒根僅有3個(gè)自然分布種群，生于海拔300m 左右的瀑布下、落水潭周邊及河邊陰濕地，僅僅分布于不超出水霧能夠覆蓋范圍的狹窄地帶。本研究擬對(duì)該物種花部特征進(jìn)行觀察，確定其繁育系統(tǒng)類型，為闡明其交配系統(tǒng)特性提供第一手資料，并通過對(duì)其克隆構(gòu)型進(jìn)行初步研究，探討該物種的繁殖生態(tài)規(guī)律以及適應(yīng)對(duì)策，為特殊生境下物種多樣性維持研究積累資料。

1 研究區(qū)自然概況

研究地點(diǎn)湖南省吉首市德夯峽谷（109°30′～110°04′E，28°08′～28°29′N），地處云貴高原東緣的武陵山腹地，為中低山至丘陵地貌，母質(zhì)為石灰?guī)r和青砂巖，該地區(qū)西面喀斯特發(fā)育較完全，土壤以山地黃壤和青砂土為主。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，冬夏溫差小，年平均溫度16～18℃，無霜期215～286d，全年日照1 000～1 400h，年均降水1 200～1 600mm。在植物區(qū)系地理上，該區(qū)處于中國(guó)種子植物特有屬分布3個(gè)中心之一的川東—鄂西中心和武陵山區(qū)的核心地帶［15－16］，因具有獨(dú)特的地理位置、地貌和復(fù)雜多樣的自然環(huán)境條件，境內(nèi)孕育并保存了豐富的植物多樣性。植被類型主要為中亞熱帶常綠闊葉林，暖性針葉林及竹林［17］。

2 研究方法

2．1 花部特征和開花進(jìn)程觀察

據(jù)2009～2010年調(diào)查，吉首蒲兒根在德夯風(fēng)景區(qū)內(nèi)僅有3個(gè)種群，分別位于流沙瀑布、雷公洞和夯峽瀑布群。將這3個(gè)種群全部作為觀測(cè)點(diǎn)，其環(huán)境概況見表1。為了解該物種的花部特征，在夯峽瀑布群對(duì)該物種單花開花進(jìn)程及其單花的結(jié)構(gòu)、顏色、氣味等進(jìn)行觀察。每2d觀察1次花蕾，直到花朵開放。開放之后，每天觀察1次，直到花朵脫落。每次觀察，均注意記錄花朵開放、花粉散出、柱頭伸長(zhǎng)的時(shí)間；記錄柱頭與花藥的空間距離、花朵形狀、大小、顏色及它們的時(shí)空動(dòng)態(tài)。開花進(jìn)程則選取3個(gè)種群作為研究對(duì)象，按照Dafni［18］的標(biāo)準(zhǔn)描述吉首蒲兒根的開花進(jìn)程。

2．2 雜交指數(shù)（out－crossing index，OCI）估算

在觀測(cè)地點(diǎn)流沙瀑布選取干擾較少的個(gè)體5株，每株5個(gè)花序，用皮尺對(duì)花序直徑、花朵大小進(jìn)行測(cè)量，開花行為主要觀察花瓣、雌蕊及雄蕊的發(fā)育情況以及花瓣枯萎的順序，按照Dafni［18］的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行繁育系統(tǒng)的評(píng)判。

表1 各觀測(cè)地點(diǎn)概況Table 1 The background of each observation plot

2．3 花粉－胚珠比（pollen－ovule ratio，P／O）估算

2011年4月，在觀測(cè)地點(diǎn)流沙瀑布隨機(jī)采集剛開放而花藥尚未裂開的花序數(shù)個(gè)，用FAA 固定后帶回實(shí)驗(yàn)室。返回實(shí)驗(yàn)室后選取大小基本一致、開花進(jìn)程相同的花朵5個(gè)，參照Dafni［18］介紹的方法，將每朵花的雄蕊擠碎于含有染料（0．5%亞甲基藍(lán)溶液）和去垢劑（0．1%Tween－20溶液）的70%乙醇溶液中，然后定容至1mL，制成花粉懸浮液，取10μL在血球計(jì)數(shù)板上并于顯微鏡下統(tǒng)計(jì)花粉數(shù)量，重復(fù)6次，計(jì)算出每一管狀花的花粉數(shù)。每個(gè)頭狀花序測(cè)量3個(gè)管狀花，共測(cè)量5個(gè)頭狀花序，取平均值。在體視顯微鏡下用解剖針劃開心皮，統(tǒng)計(jì)每朵花的胚珠數(shù)。依據(jù)Cruden［19］的標(biāo)準(zhǔn)判定繁育系統(tǒng)類型。

2．4 花粉活力與柱頭可授性檢測(cè)

花粉活性測(cè)定參考Dafni等［20］的MTT 染色法。2011年4月，于盛花期隨機(jī)取發(fā)育時(shí)期一致的花，在開花散粉時(shí)的－1、1、2、3……48h的管狀花5朵，分別置于5個(gè)載玻片上，充分混合后用MTT 染液染色，蓋上蓋玻片后置光學(xué)顯微鏡下觀察并計(jì)數(shù)，每制片觀測(cè)5個(gè)視野，被染成紫色為有活性花，未被染色則為無活性花粉。

有活性花粉百分比＝被著色花粉數(shù)／觀察花粉總數(shù)×100%

柱頭可授性用聯(lián)苯胺－過氧化氫法［18］測(cè)定。于盛花期隨機(jī)取發(fā)育時(shí)期一致的花，在開花散粉時(shí)的－1、1、2、3……48h的柱頭各10枚，浸入載玻片中含有聯(lián)苯胺－過氧化氫反應(yīng)液（1%聯(lián)苯胺∶3%過氧化氫∶水＝4∶11∶22）中，置于光學(xué)顯微鏡下觀察其柱頭可授性。柱頭周圍呈藍(lán)色并有大量氣泡出現(xiàn)表明柱頭具有可授性。

2．5 套袋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于吉首蒲兒根去雄困難，僅利用硫酸紙袋和紗網(wǎng)進(jìn)行套袋實(shí)驗(yàn)檢測(cè)基本繁育系統(tǒng)。選擇花序即將開放的植株，進(jìn)行不同控制實(shí)驗(yàn)：（1）自然結(jié)實(shí)：不作任何處理，掛牌至結(jié)實(shí)；（2）開花前用硫酸紙袋（10 cm×15cm）罩住整個(gè)花序，直至花凋落；（3）紗網(wǎng)（網(wǎng)眼為100目，袋網(wǎng)大小為15cm×15cm）罩住整個(gè)花序直到果實(shí)成熟。實(shí)驗(yàn)過程中用小木棍支撐紙袋和網(wǎng)袋，防止其因雨淋、風(fēng)吹或重力等原因下墜對(duì)花序產(chǎn)生機(jī)械損傷，不定期檢查紙袋和紗網(wǎng)的完好情況。每個(gè)處理標(biāo)記20個(gè)花序，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后定量統(tǒng)計(jì)各植株的結(jié)實(shí)情況。

2．6 克隆構(gòu)型圖繪制

2011年1～4月，在3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別隨機(jī)挖掘6～10簇吉首蒲兒根植株，選取各簇株數(shù)無明顯差異的無性系進(jìn)行研究。先將吉首蒲兒根無性系洗凈擦干，統(tǒng)計(jì)根莖數(shù)量和無性系分株數(shù)；后參照魏曉慧等［21］的方法，用直尺、游標(biāo)卡尺、量角器等測(cè)量根莖長(zhǎng)度、直徑、偏走角度（相鄰兩級(jí)根莖間的夾角，以主干為1級(jí)根莖，其上長(zhǎng)出的根莖為2級(jí)根莖，依次類推），最后繪圖得出每個(gè)無性系的根莖構(gòu)筑圖形。

2．7 間隔子變化過程觀察

在挖掘無性系分株測(cè)量所需數(shù)據(jù)的同時(shí)，觀察記錄間隔子（即克隆片段）的外觀形態(tài)變化（包括顏色、質(zhì)地、形狀變化等）并對(duì)不同時(shí)期的間隔子進(jìn)行拍照。用常規(guī)石蠟切片，番紅－固綠染色，中性樹膠封片，徠卡DM 2000顯微鏡拍照，觀察間隔子斷裂過程中組織細(xì)胞的變化。

數(shù)據(jù)均用SPSS 11．5和Excel 2003分析作圖。

3 結(jié)果與分析

3．1 花部特征和開花進(jìn)程

吉首蒲兒根一般僅具單一花葶，由5～20個(gè)頭狀花序組成傘房花序，直徑（8．92±1．14）cm，每個(gè)頭狀花序由（14．17±2．36）個(gè)舌狀花及（45±7．62）個(gè)管狀花組成；但約有12%的個(gè)體花期具有2～7個(gè)花葶，頭狀花序最多可達(dá)56個(gè)；子房下位，有少量花蜜和輕微氣味；舌狀花黃色，管狀花淡黃色；頭狀花序總苞綠色，直徑（0．99±0．15）mm；每個(gè)頭狀花序由（14．47±2．36）個(gè)舌狀花和（45±7．62）個(gè)管狀花組成，開放后單個(gè)頭狀花序直徑（12．93±0．36）mm；舌狀花舌片長(zhǎng)為（1．12±0．17）cm，寬（0．31±0．06）cm；管狀花冠筒長(zhǎng)（3．82±0．43）mm，直徑（2．29±0．2）mm，頂端5 裂；花藥長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)（1．46±0．22）mm，花絲長(zhǎng)（1．17±0．22）mm；柱頭長(zhǎng)（4．37±0．64）mm，頂端二裂（極少數(shù)三裂），開裂寬度（1．06±0．2）mm；子房長(zhǎng)（2．96±0．12）mm。

吉首蒲兒根花序?qū)儆趥惴炕ㄐ颍扇舾蓚€(gè)頭狀花序構(gòu)成。每一頭狀花序上有數(shù)朵花，從中央花到邊緣花先內(nèi)后外開放。單花期依其形態(tài)和散粉特征可分為4個(gè)時(shí)期：散粉前期——花冠從綠變黃（1～2 d），待舌狀花舌片完全打開后（1～2d），最外輪的管狀花開始萌動(dòng)，管狀花被片完全打開需30 min 左右，此后花藥暴露并迅速伸長(zhǎng)，高于花被片2mm 左右（約10min），0．5h后花藥開始開裂，雌蕊尚未發(fā)育完全；散粉期——可見少量黃色的花粉粒，呈粘團(tuán)狀位于雌蕊柱頭的頂端，花粉粒團(tuán)高度與外圍花冠基本平齊，然后花柱迅速伸長(zhǎng)，推擠花粉伸出聚藥雄蕊之外，花粉粒堆積于花藥筒頂端，形成花冠、藥筒、柱頭三者在空間上的分離；雌蕊期——花藥開裂40 min后，柱頭開始不斷伸長(zhǎng)，20min后高于花藥1～2mm，30min后頂端開始開裂，1h 后頂端的二裂柱頭展平，充分暴露受粉面以接收外界花粉，此時(shí)花藥有黃色變?yōu)楹稚^上的花粉數(shù)逐漸增多；凋謝期——受精后，柱頭萎蔫，外圍的舌狀花也逐步萎蔫，舌片下垂，最終掉落。其花形態(tài)功能特征見表2。

每個(gè)管狀花的花期為5～8h，以7h出現(xiàn)頻率最高；單個(gè)頭狀花序從25%的管狀花開放到95%的管狀花凋謝為3～5d，以4d最為常見。個(gè)體水平上，25%的頭狀花序開放到95%的凋謝時(shí)間相差較大，為10～22d，以15d出現(xiàn)頻率最高；種群水平從第1個(gè)頭狀花序開放到最后一個(gè)凋謝需45～50d，有不明顯的二次開花現(xiàn)象（圖1）。

如圖1所示，各觀測(cè)地點(diǎn)的始花時(shí)間基本相同，一般相差不超過1～2d，開花持續(xù)時(shí)間也基本一致，一般持續(xù)30d以上，這可能與其花期內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度有關(guān)。由圖2知，各觀測(cè)地點(diǎn)花期內(nèi)平均溫度為15．8 ℃，最低為7．3 ℃，最高為21．7 ℃；平均濕度82．33，最低為59，最高達(dá)91．7。開花數(shù)與溫度具有較同步性的變化，隨著溫度的升高，開花數(shù)逐步增多，但隨著盛花期（4月17日）的到來，開花數(shù)不再隨溫度的升高而增加。

3．2 雜交指數(shù)和花粉－胚珠比估算

吉首蒲兒根的雜交指數(shù)結(jié)果見表3。其花序直徑約為12．93mm，記為3；管狀花為兩性花，雄蕊先熟，記為1；開花前，雌雄蕊空間距離短，隨后花柱的伸長(zhǎng)，柱頭與花藥空間分離，記為1；因此，吉首蒲兒根的雜交指數(shù)等于5。根據(jù)Dafni［18］提出的標(biāo)準(zhǔn)，其繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和、需要傳粉者。

吉首蒲兒根單花花粉量為3 100～4 100粒，平均為3 188粒，胚珠數(shù)為1，P／O 比約為3 188。根據(jù)Cruden［19］提出的標(biāo)準(zhǔn)，吉首蒲兒根屬于專性異交類型（表3）。

表2 吉首蒲兒根花形態(tài)功能特征Table 2 The floral morphology of S．jishouensis

3．3 花粉活力和柱頭可授性

吉首蒲兒根花粉活力在散粉后2h 最高，達(dá)89．71%；6h后花粉活力迅速減半，為54．87%，48 h后花粉活力僅為2．22%。散粉前1h柱頭活性較低，隨后逐漸增高，散粉后4h可授性達(dá)到最高，散粉24h后柱頭幾乎沒有可授性（表4）。

3．4 套袋實(shí)驗(yàn)

圖1 不同觀測(cè)點(diǎn)的開花動(dòng)態(tài)Fig．1 Flowering dynamics of different observation plots

圖2 觀測(cè)點(diǎn)花期日開花數(shù)、溫度和濕度Fig．2 The number of days blossom，temperature and humidity during florescence of observation plots

表3 吉首蒲兒根雜交指數(shù)與花粉－胚珠比觀測(cè)結(jié)果（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 3 The out－crossing index and pollen－ovule ratio of S．jishouensis（Mean±SD）

套袋實(shí)驗(yàn)表明（表5），吉首蒲兒根自然狀態(tài)下的結(jié)實(shí)率為38．60%，套硫酸紙袋和尼龍網(wǎng)袋的結(jié)實(shí)率分別為3．77%、5．36%。盡管無法判斷每粒種子是無融合結(jié)實(shí)，還是自花授粉結(jié)實(shí)，但總體上能夠確認(rèn)吉首蒲兒根以異花異株授粉為主。因?yàn)椋m然套網(wǎng)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)實(shí)率略高于套袋實(shí)驗(yàn)的結(jié)實(shí)率，但仍明顯低于自然條件下的結(jié)實(shí)率。聯(lián)系到其種群開花率較高，平均達(dá)82．42%，表明其以蟲媒傳粉為主，需要傳粉者活動(dòng)才能結(jié)實(shí)。

3．5 吉首蒲兒根的克隆生長(zhǎng)特征和構(gòu)筑型

吉首蒲兒根在自然生境中的克隆特征見表6。其地下根莖能存活多年，生于距地面3～5cm 的土層中或碎石堆間隙中，根莖上有潛伏芽，一定時(shí)間后由潛伏芽上發(fā)生無性系分株。地上分株最多有10個(gè)，最少有2個(gè)，平均含有3．61個(gè)，地下根莖最多有14個(gè)，最少有3個(gè)，平均為4．74個(gè)；其地下根莖總長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)36．90cm，最短為2．40cm，平均為11．84cm；單個(gè)地下根莖最長(zhǎng)達(dá)10．00cm，最短1．20cm，平均為3．69cm，從表6可以看出，吉首蒲兒根的分株數(shù)和根莖數(shù)都較少，根莖較短。在所調(diào)查的基株形態(tài)特征中，變異系數(shù)都較大，其中根莖總長(zhǎng)度的變異最大，為63．36%。

表4 吉首蒲兒根的花粉活力及柱頭可授性Table 4 Pollen viability and stigma receptivity of S．jishouensis

據(jù)野外觀察，吉首蒲兒根的克隆系構(gòu)筑型呈現(xiàn)“倒T”型、“L”型、“V”型，甚至相互交叉呈“X”型等多種形態(tài)（圖3），其中以“V”類型最為常見（圖3，b）。根據(jù)Bell［22］所述的植物根莖3 種分枝系統(tǒng)中的線性系統(tǒng)，結(jié)合表6數(shù)據(jù)特征，認(rèn)為吉首蒲兒根各分枝間距離小，克隆構(gòu)型應(yīng)歸于密集型。

3．6 地下根莖間夾角

分枝角度決定著無性系分株在生境中的放置模式，潛在地影響著種群的動(dòng)態(tài)變化［23］。在所調(diào)查的63株吉首蒲兒根中，地下根莖分枝角度中小于30°的有2株，30°有21株，40°有7株，50°有4株，60°有11株，70°有5株，80°有3株，90°有10株（圖4）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其地下根莖間的分枝角度較為穩(wěn)定，以30°所占的比例最高，60°和90°次之，其他夾角所占比例很小。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)吉首蒲兒根幾乎全為1級(jí)分枝，沒有發(fā)現(xiàn)2級(jí)分枝。

3．7 間隔子的變化

3．7．1 外部形態(tài)變化 正常生長(zhǎng)的間隔子一般呈黃綠色（圖5，a），質(zhì)地硬脆；斷裂前，間隔子一側(cè)開始變黑，接著黑色逐漸加深并擴(kuò)展至整個(gè)間隔子先端（圖5，b）；隨后，顏色則由黑色變成深褐色，同時(shí)間隔子先端逐漸變成空心（圖5，c），最后發(fā)生斷裂（圖5，d）。斷裂可以發(fā)生在根狀莖的中部或者分枝處，如果發(fā)生在中部（圖5，b），則形成2個(gè)獨(dú)立的克隆植株，如果斷裂發(fā)生在根狀莖的分枝處（圖5，a、c、d），則可形成數(shù)個(gè)獨(dú)立的克隆植株。

3．7．2 內(nèi)部組織形態(tài)變化 在吉首蒲兒根間隔子斷裂過程中，隨著將要斷裂的部分逐漸變黑，在組織學(xué)上也發(fā)生了相應(yīng)的變化。正常狀態(tài)下的根狀莖如圖6，a，當(dāng)間隔子的一側(cè)開始發(fā)黑時(shí)，表皮下的皮層細(xì)胞和維管束細(xì)胞開始破碎（圖6，b）；隨著黑色逐漸加重，皮層細(xì)胞幾乎全部破碎并開始出現(xiàn)內(nèi)陷，后在皮層和維管組織之間形成一斷層（圖6，c）；隨后，韌皮部、形成層所有細(xì)胞及木質(zhì)部細(xì)胞也開始破裂，髓部細(xì)胞幾乎全部破碎（圖6，d）；最后，間隔子整個(gè)根狀莖成為中空狀，一段時(shí)間后發(fā)生斷裂。

表5 吉首蒲兒根套袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test results of emasculation of S．jishouensis

表6 吉首蒲兒根在自然生境中的克隆生長(zhǎng)特征Table 6 The clonal growth characteristics of S．jishouensis in natural habitats（n＝40）

圖3 吉首蒲兒根地下根莖的構(gòu)筑示意圖●．基株；○．無性系分株；－－－／—．根莖Fig．3 Diagram of rhizome architectural forms of S．jishouensis●．Parent plant；○．Ramet；－－－／—．Rhizome

圖4 吉首蒲兒根地下根莖的分枝角度（n＝63）Fig．4 Branching angle of rhizome of S．jishouensis（n＝63）

圖5 間隔子的外觀形態(tài)變化a．正常間隔子；b．間隔子變黑；c．間隔子變空心；d．間隔子斷裂Fig．5 The appearance morphology changes of spacers a．Normal spacer；b．Spacer turn to black；c．Spacer turn to hollow；d．Spacer fractured

圖6 間隔子組織結(jié)構(gòu)變化，×200 a．正常間隔子結(jié)構(gòu)；b．皮層細(xì)胞破碎；c．出現(xiàn)斷層；d．髓細(xì)胞破碎Fig．6 The organization structure changes of spacers，×200 a．Normal structure of spacer；b．Cortical cell discruption；c．Faultage appeared；d．Myelocyte discruption

4 討 論

4．1 吉首蒲兒根的繁育系統(tǒng)類型及其適應(yīng)性

花冠形態(tài)特征的性表達(dá)多樣性是造成傳粉表達(dá)形式高度多樣性的主要原因［24］。從吉首蒲兒根花部綜合特征看，其表現(xiàn)出對(duì)蟲媒傳粉的適應(yīng)性：頭狀花序進(jìn)一步構(gòu)成傘房花序、花序中花數(shù)較多、舌狀花舌片較大、顏色鮮艷、具蜜腺、柱頭面積大等。植物開花時(shí)間可以在多方面強(qiáng)烈影響其生殖成功［25］，這種影響可能是個(gè)體、種群及物種間因素所造成的［26］。因此，開花物候也被認(rèn)為是一個(gè)很重要的適合度因子［27］。吉首蒲兒根3個(gè)群體的物候曲線表現(xiàn)出正偏性，均具有一個(gè)明顯的峰值，且群體中個(gè)體開花同步性較高，表明吉首蒲兒根的開花屬于“集中開花模式”，這與前文報(bào)道的初步觀察結(jié)果相吻合［11］。一般認(rèn)為，這種“集中開花模式”將有助于物種吸引更多的傳粉昆蟲，從而有利于傳粉成功［28］。作為一種稀有、瀕危物種，吉首蒲兒根野外的數(shù)量有限，且分布區(qū)域狹窄，這種“集中開花模式”無疑有助于其吸引更多的傳粉昆蟲，有利于傳粉成功。

在環(huán)境條件苛刻或不穩(wěn)定，傳粉昆蟲少的生境中（如高山），很多植物交配系統(tǒng)有由遠(yuǎn)交向自交方向演化的趨勢(shì)［29］。吉首蒲兒根生于峽谷瀑布下或溪溝邊，生境內(nèi)高濕（水霧彌漫）和多風(fēng)（峽谷風(fēng)）等因素對(duì)其傳粉媒介的活動(dòng)產(chǎn)生了十分不利影響，理論上其繁育系統(tǒng)應(yīng)以自交為主或占優(yōu)勢(shì)。但本研究顯示，吉首蒲兒根雜交指數(shù)（OCI）為5，繁育系統(tǒng)為異交、部分自交親和、需要傳粉者；P／O 比約為3 188，繁育系統(tǒng)歸于專性異交類型；套袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其自然條件下以異花傳粉為主、蟲媒，這也有前文報(bào)道發(fā)現(xiàn)6 種傳粉昆蟲相佐證［11］。綜合分析OCI、P／O 和套袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為吉首蒲兒根繁育系統(tǒng)應(yīng)屬于混合交配系統(tǒng)，但更傾向于異交。究其原因，一方面吉首蒲兒根屬于典型的雌花兩性花同株植物［30］，這種特殊的花序能使傳粉昆蟲的運(yùn)動(dòng)方式由外向內(nèi)，促使邊緣的雌花由于被訪花的傳粉者優(yōu)先訪問其異交率就會(huì)增大［31］，同時(shí)其邊緣雌花不產(chǎn)生花粉，亦降低了落置在柱頭上的自交花粉的比例，從而有利于提高異交率［32］。另一方面，吉首蒲兒根自身也形成了與異交相適應(yīng)的特性，首先，雄蕊先于雌蕊成熟，花開后柱頭高于藥筒，形成花冠、藥筒、柱頭三者在空間上的分離；其次，花粉活力在散粉后2 h就達(dá)到最高，隨后迅速降低，48h時(shí)后幾乎沒有活性，而柱頭的可授粉性在散粉后4h最強(qiáng)，48h時(shí)后亦沒有可授性。我們認(rèn)為花粉活力和柱頭可授性僅在短時(shí)間內(nèi)有活性，也可在一定程度上避免了與同株間高活性的花粉活力和柱頭接觸，從而降低自交率，以產(chǎn)生高適合度的種子。

4．2 吉首蒲兒根的克隆繁殖特征及其適應(yīng)性

克隆植物是一個(gè)具有分株、克隆片段和基株等層次的等級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)［33－35］，正是由于這種等級(jí)結(jié)構(gòu)性，克隆植物對(duì)環(huán)境條件的反應(yīng)格局在基株與分株水平上存在差異［36］。克隆植物可通過減少間隔子長(zhǎng)度，增加分枝，增強(qiáng)對(duì)有利生境的利用，通過延長(zhǎng)根莖節(jié)間長(zhǎng)度，逃避不利生境［37］。吉首蒲兒根生境內(nèi)水源豐富，有機(jī)質(zhì)、氮含量高，其根莖分株數(shù)和根莖分枝均較多，分別為（3．61±0．23）個(gè)和（4．74±0．30）個(gè)，而無性系小株間隔較小，僅為（3．69±0．30）cm。此外，其克隆構(gòu)型歸屬于密集型，構(gòu)筑圖多呈“V”型，分枝夾角以30°為主。這種克隆特征有助于其充分利用小范圍內(nèi)的豐富資源，從而利于它在異質(zhì)性環(huán)境中生存和擴(kuò)大種群，并成為生境中的優(yōu)勢(shì)種類。

伴隨著克隆生長(zhǎng)，基株的死亡風(fēng)險(xiǎn)被分?jǐn)偟礁鱾€(gè)克隆分株或分株系統(tǒng)，從而具有進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)［38］。自然生境中，吉首蒲兒根種群以克隆繁殖為主，每一個(gè)無性系都呈密集的叢狀分布，而通過間隔子彼此相連。克隆分株間間隔子的早期斷裂似乎是一種基株風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)倢?duì)策［39］。同時(shí)，由于生理整合作用，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)通過間隔子在無性系間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，到一定時(shí)間后，根莖斷裂，形成多個(gè)無性系片段，并以此為始點(diǎn)開始新的無性系擴(kuò)散［40］。吉首蒲兒根根莖上的潛伏芽一定時(shí)間后能生長(zhǎng)成無性系小株，新產(chǎn)生的無性系小株通過間隔子與母株相連，間隔子生長(zhǎng)到一定程度后能自動(dòng)發(fā)生斷裂，從而分離出相對(duì)獨(dú)立的2個(gè)（或多個(gè)）自然個(gè)體，在降低了基株投資風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，斷裂的分株能隨著斜坡和瀑流傳播擴(kuò)散，借助于峽谷陡峭地勢(shì)，占據(jù)和使用更多有效資源、開拓新的生境，從而有利于種群延續(xù)和擴(kuò)大。

4．3 吉首蒲兒根在特殊生境下生態(tài)適應(yīng)對(duì)策

在自然條件下，許多植物兼有性生殖和營(yíng)養(yǎng)繁殖兩種方式，二者在個(gè)體水平上均表現(xiàn)為占據(jù)新的生境，但在適應(yīng)策略上卻有所不同。種子繁殖產(chǎn)生的個(gè)體主要依靠自身能力去生存，在對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力方面存在著優(yōu)越性［41］，克隆繁殖產(chǎn)生的個(gè)體與母體之間仍然有物質(zhì)信息傳遞，在無干擾或干擾強(qiáng)度較弱的環(huán)境中處于激烈的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。競(jìng)爭(zhēng)中，克隆分株比種子形成的幼苗更容易成活，營(yíng)養(yǎng)繁殖在選擇上占優(yōu)勢(shì)［42］。自然狀態(tài)下，吉首蒲兒根克隆繁殖占優(yōu)勢(shì)，兼有有性繁殖方式，反映了峽谷瀑布特殊生境植物的生存動(dòng)態(tài)和生態(tài)適應(yīng)對(duì)策。一方面，吉首蒲兒根形成以異交為主的混合交配繁育系統(tǒng)，以便產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)或適合度高的后代，有利于擴(kuò)大其種群生存范圍；另一方面，對(duì)于以小居群形式存在的物種而言，近交是不可避免的［43］，這就導(dǎo)致其種子萌發(fā)率極低。為此，吉首蒲兒根通過基株產(chǎn)生大量克隆分株，每一個(gè)克隆分株自動(dòng)斷裂后又能夠占據(jù)一定空間，以此確保其在生境中的有利地位，為其自身生存和維持種群提供保障。

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