人工輔助授粉探尋瀕危紅樹植物紅欖李種質資源挽救途徑

張曉楠, 鐘才榮, 嚴廷良, 張穎,*

人工輔助授粉探尋瀕危紅樹植物紅欖李種質資源挽救途徑

張曉楠1, 鐘才榮2, 嚴廷良3, 張穎1,*

1. 海南師范大學生命科學學院, 海口 571158
2. 海南東寨港國家級自然保護區管理局, ?？?571129
3. 中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所, ?？?571158

為了探索瀕危紅樹植物紅欖李(Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt)種質資源挽救途徑, 以三亞鐵爐港紅欖李為授粉材料, 采集三亞鐵爐港和陵水新村港紅欖李花粉進行人工輔助異花授粉試驗, 結合野外觀察和種子萌發實驗進行驗證。結果表明: 三亞鐵爐港紅欖李的花期較長, 從花芽開始膨大到落花期末, 最短60天, 最長可持續140天, 且開花不整齊; 用培養基法對三亞鐵爐港和陵水新村港紅欖李的花粉生活力進行檢測, 均不超過10%; 人工輔助異花授粉后種子的萌發率有顯著提高(自然授粉種子萌發率為0.2‰), 但最高也只能達到5.6‰。實驗室萌發種子能夠長成幼苗, 且野外林下發現一株紅欖李幼苗, 這說明通過人工輔助異花授粉對提高紅欖李種子繁育能力有一定的積極作用。

紅欖李; 瀕危紅樹; 人工輔助授粉; 種質資源挽救

1 引言

珍惜瀕危植物種群大小的下降及隔離程度的增加影響著種群的適合度與生存力, 高度的隔離不利于吸引傳粉者, 導致授粉和結實質量下降[1], 且易造成因同株異花授粉而引起的種子的大量敗育, 而長期的生殖失敗必然會把種群帶到衰退的境地[2]。對凹葉厚樸(Magnolia officinalis sub sp. biloba)、金花茶(Camellia nitidissima)、長柄雙花木(Disanthuscercidifolius var. longipes)、掌葉木(Handeliodendron bodinieri) 和瑤山苣苔(Dayaoshaniacotini folia)等珍稀瀕危植物的研究結果表明, 開花物候與繁育系統的研究是挽救瀕危植物種質資源至關重要的內容[2–6]。珍惜瀕危紅樹植物紅欖李(Lumnitzeralittorea (Jack.) Voigt)使君子科(Combretaceae)欖李屬(Lumnitzera)紅樹植物,在我國僅見于海南島海岸邊的少數殘存分布(海南三亞鐵爐港 (18°15′N, 109°42′E) 和陵水新村(18°23′N, 110°00′E)), 為國家二級保護植物, 亦為《國際濕地公約》瀕危物種[7–8]。由于自然生長于易受人為干擾的高潮帶灘涂, 紅欖李在全世界的分布情況不容樂觀[9]。上世紀80年代海南東寨港國家級自然保護區有引種, 但死于2008年春季的寒潮[10–11]?，F場調查表明, 紅欖李在我國由2006年的359株[7], 到2007年的不足60株[12], 2010年47株[11], 2012年20株[8]。至今僅剩14株(其中三亞鐵爐港9株, 陵水大墩村5株)。從2001年至2007年, 連續6年的野外調查均沒有在野外發現小苗[12]。紅欖李種子有嚴重敗育現象, 通過播種、枝條扦插、空中壓條、組織培養等多種手段均未能得幼苗[8], 可見挽救瀕危物種紅欖李的艱巨性和復雜性。若不采取有效措施, 紅欖李將成為我國最先滅絕的真紅樹植物。為了探索紅欖李種質資源挽救途徑, 本文以三亞鐵爐港紅欖李為材料, 進行人工輔助異花授粉和自花授粉的比較試驗, 將所得種子進行種子萌發實驗, 探討從人工輔助授粉提高種子萌發率的途徑來搶救紅欖李種質資源。

2 材料與方法

2.1開花物候觀察

三亞鐵爐港紅欖李均為喬木, 平均株高6 m, 最高可達8.6 m; 平均胸徑31 cm, 最大42 cm[13]。對9株紅欖李進行編號, 參照陳利洪[13]的物侯期觀察內容及標準略作調整(圖1)?；ɡ倨?全樹25%左右的花芽開始膨大), 初花期(全樹5%的花朵開放), 盛花期(全樹25%的花朵開放為盛花始期, 全樹50%的花朵開放為盛花期, 全樹75%的花朵開放為盛花末期)和落花期(全樹10%的花朵花瓣脫落為落花始期, 全樹95%的花朵花瓣脫落為落花終期)。

2.2花粉生活力測定

在初花期到盛花期, 從三亞鐵爐港、陵水新村和泰國卡農地區(09°13′N, 99°51′E)采集花瓣未張開的花蕾, 用固體培養基法[8]測定花粉生活力。

2.3授粉實驗

2.3.1 自然授粉

初花期, 在9棵試驗樹上選取花數量多的枝條掛牌, 每株選取10個枝條, 標明日期。定期觀察果實成熟情況。在果實落地之前采收, 每個枝條采集100粒發育飽滿無病蟲害的果實用于發芽實驗。

2.3.2 人工輔助異花授粉

試驗于2013和2014年的3月10日－3月27日, 4月20日－4月27日和5月10日－5月17日進行。授粉時間為上午9: 00至11: 00, 授粉對象為三亞鐵爐港開花植株。設人工輔助異花授粉(花粉來源: 三亞鐵爐港和陵水新村港), 以沒有人工輔助授粉的花為對照(CK), 且對授粉后的花進行套帶。

圖1 紅欖李開花過程(a花蕾期; b初花期; c盛花期; d落花期)Fig. 1 Flowering process of Lumnitzera littorea (a: Flower bud; b: Initial blooming; c: Full blooming; d: Blossom falling)

在初花期到盛花期(鐵爐港避開自然授粉掛牌枝條), 從三亞鐵爐港和陵水新村采集花瓣未張開的花蕾, 取下花藥陰干后, 將花粉收集于小干燥瓶內,置4 ℃冰箱中保存備用。授粉采用人工點授法。有效授粉期選擇在開花當天至第7天。每個處理選擇授粉枝條10個枝條, 標明日期, 去掉人工輔助授粉完成后的新長出的花蕾。果實收集方法和數量同自然授粉。

2.4種子萌發實驗

將所采集的紅欖李果實平鋪于沙土上置于底部有10個滲水孔的方形培養盒(10 cm×15 cm)中, 表面覆蓋一層薄沙土。模擬潮汐淹水, 每天澆水2次海水(鹽度17.3‰), 澆水量以盆底滲水為準。置于有一層遮陽網的溫室中, 發芽實驗期間溫度控制在26℃至33 ℃之間。當種皮裂開并可見胚軸發育時, 將發芽種子移至1/3椰糠+1/3沙+1/3花園土的培養土中, 置于光照培養箱(28 ℃, 12 h光照)內育苗, 并統計種子萌發率。

3 結果與分析

3.1開花物侯

2014年1月－8月對三亞鐵爐港9株紅欖李的開花物候期進行了觀察。結果表明, 紅欖李的花期較長, 從花芽開始膨大到落花期末, 最短60天, 最長可持續140天。9個植株開花不整齊, 分三個批次開花, 1月底1株, 3月初4株, 其余4株在3月下旬開花。2007年鐵爐港22%的紅欖李植株存在雙花期現象[13], 但2013[8]和2014連續兩年的調查, 該地的紅欖李已無雙花期現象。許多瀕危植物在強大的選擇壓力下, 形成了“大量、集中開放”的開花模式, 以吸引到更多的傳粉者, 從而實現生殖的成功[3,14]。三亞紅欖李種群的這種花期變化是否是有限植株群體對環境變化而進行的適應, 有待進一步的觀察。

表1 三亞鐵爐港紅欖李不同單株開花物侯期觀察(月－日)Tab. 1 Comparison of different individual phenophase of Lumnitzera littorea (month/ day)

圖2 紅欖李花粉粒萌發情況(10×10)(a三亞鐵爐港, b陵水新村港, c泰國卡農)Fig. 2 Pollen germination of Lumnitzera littorea (10×10)(a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom,Thailand)

3.2花粉生活力

對三個居群的紅欖李的花粉生活力用培養基法進行測定(圖2)。結果表明: 我國兩個地點紅欖李的花粉生活力均不超過10%, 這一結果與項目組前期結果相同[8]。而來源于泰國卡農的紅欖李的花粉生活力可高達40.2%(圖3), 可見位于泰國的紅欖李能夠完成自然更新與其高的花粉生活力是密不可分的。同時對三亞鐵爐港紅欖李伴生植物欖李、尖瓣海蓮和角果木的花粉生活力進行測定, 結果表明:欖李(27%)、尖瓣海蓮(48.33%)、角果木(54.11%)(圖4), 均高于紅欖李。

圖3 三個居群紅欖李花粉生活力(a三亞鐵爐港, b陵水新村港, c泰國卡農)Fig. 3 Pollen fertility of Lumnitzera littorea in three populations (a: Tielu Bay, Sanya; b: Xincun Bay, Lingshui; c: Khanom, Thailand)

3.3種子萌發情況

對不同授粉處理下的紅欖李的種子進行萌發實驗(每個處理種子為9000粒, 圖6a), 結果表明, 2013年與2014年結果相同, 自然授粉狀態下, 種子的萌發率只有0.2‰, 而人工輔助異花授粉后種子的萌發率顯著提高(圖5), 但最高的萌發率也只有5.6‰。萌發種子能夠長成小的幼苗(圖6b)。這說明通過人工輔助異花授粉對提高紅欖李種子繁育有一定的積極作用。在花粉生活力測定實驗中, 海南紅欖李種群間授粉的種子萌發率低于種群內部, 這一研究結果與瀕危植物縉云衛矛(Euonymus chloranthoides Yang)相似[15], 表明種群間的長期隔離導致了種群間的雜交衰退。

圖4 三亞鐵爐港欖李(a), 尖瓣海蓮(b)和角果木(c)花粉粒萌發情況(10×10)Fig. 4 Pollen germination of L. racemosa (a) , Bruguiera sexangula (b) and (C) Ceriops tagal(10×10)

圖5 不同授粉處理下紅欖李種子萌發率 (‰) (CK, 自然授粉, SY, 花粉采集自三亞異株花粉, LS, 花粉采集自陵水植株)Fig. 5 Germination rate of Lumnitzera littorea under artificial supplementary pollination (‰) (CK: natural pollination; SY: xenogamy of L. racemosa in Sanya; LS: pollens come from the L. racemosa in Lingshui )

圖6 紅欖李種子萌發及幼苗生長(a 種子萌發; b 實驗室幼苗萌發情況; c 儲花蜜凹槽; d 林下幼苗)Fig. 6 Seed germination and seedling growth of Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt(a: Seed germination; b: Seedlings; c: The groove for nectar storage; d: Seedling)

4 討論

野外調察顯示, 紅欖李能夠依靠艷麗的紅色花瓣吸引昆蟲如螞蟻、蜜蜂、蝴蝶和甲蟲傳粉[13]。項目組2013和2014年在三亞鐵爐港觀察到黃腹花蜜鳥(Nectarinia jugularis)亦是紅欖李的傳粉者之一。對紅欖李果實進行解剖, 發現其種子有一小凹槽用以儲存花蜜(圖6c), 使用0.5 mm毛細管一朵花最多可以吸取近5 cm高的花蜜?？梢? 自然狀態下紅欖李的授粉渠道并不單一, 但在2013和2014年紅欖李的種子萌發率卻都只有0.2‰, 遠低于人工輔助異花授粉的種子萌發率。三亞鐵爐港與紅欖李生長在一起的紅花植物有正紅樹(Rhizophora apiculatea)、海蓮(Bruguiera sexangula)和尖瓣海蓮(Bruguiera sexangula var. rhynchopetala)等。這些植物與紅欖李的花期重合, 將會產生與紅欖李授粉媒介的競爭,這可能是導致瀕危植物自然授粉條件下種子萌發率低的原因之一[16]。同時野外調查還發現, 紅欖李在開花期蟲害嚴重, 在2013年有高達50%的果實受害[8], 到2014年雖受害率降低至32%(本項目組針對該蟲害采取了一定的防冶措施), 這也是導致紅欖李走向瀕危甚至滅絕的另一重要因素。

在瀕危植物繁育系統的研究中, 人工輔助授粉相較于自然傳粉能提高銀沙槐(Ammodendron argenteum)花結實率[17], 提高凹葉厚樸(Magnolia officinalis)結果率和單果出種百分率[2], 長柄雙花木(Disanthus cercidifolius)的結果率和結籽率[14]。2013年以前的調查結果均認為鐵爐港的紅欖李雖能正常開花結果,但林下未見任何紅欖李幼苗和幼樹[7–8，12]。但經過2013年和2014連續兩年的人工輔助異花授粉后, 2014年7月23日在鐵爐港林下發現1株紅欖李幼苗(圖6d)。同時, 2014年收集的種子在實驗室種子萌發實驗也成功獲取了紅欖李幼苗, 這說明人工輔助異花授粉工作能夠成為繁育紅欖李新植株的一種突破。但由于目前我們所得到的最高種子萌發率為5.6‰, 說明紅欖李的種群恢復工作仍然有許多問題需要解決。

[1] COSTIN B J, MORGAN J W, YOUNG A G. Reproductive success does not decline in fragmented populations ofLeucochrysumalbicanssubsp.albicansvar.tricolor(Asteraceae) [J]. Biological Conservation, 1999, 98 (2): 73–284.

[2] 楊旭, 楊志玲, 王潔, 等. 瀕危植物凹葉厚樸的花部綜合特征和繁育系統[J]. 生態學雜志, 2012, 31(3): 551–556.

[3] 柴勝豐, 韋霄, 蔣運生, 等. 瀕危植物金花茶開花物候和生殖構件特征[J]. 熱帶亞熱帶植物學報, 2009, 17(1): 5–11.

[4] 肖宜安, 曾建軍, 李曉紅, 等. 瀕危植物長柄雙花木自然種群結實的花粉和資源限制[J]. 生態學報, 2006, 26(2): 496–502.

[5] 李在留, 李雪萍, 郭松, 等. 珍稀瀕危植物掌葉木的開花生物學特性與繁育系統[J]. 園藝學報, 2015, 42(2): 311–320.

[6] 王玉兵, 梁宏偉, 莫耐波, 等. 珍稀瀕危植物瑤山苣苔開花生物學及繁育系統研究[J]. 西北植物學報, 2011, 31(5): 958–965.

[7] 范航清, 陳利洪. 中國瀕危紅樹植物紅欖李的種群數量及其分布[J]. 廣西科學, 2006, 13(3): 226–227.

[8] 張穎, 鐘才榮, 李詩川, 等. 瀕危紅樹植物紅欖李[J]. 林業資源管理, 2013 (5): 103–107+151.

[9] POLIDORO B A, CARPENTER K E, COLLINS L, et al. The loss of species: mangrove extinction risk and geographic areas of global concern [J]. PLoS ONE, 2010 (5): 1–10.

[10] 陳鷺真, 王文卿, 張宜輝, 等. 2008年南方低溫對我國紅樹植物的破壞作用[J]. 植物生態學報, 2010, 34(2): 186–194.

[11] 鐘才榮, 李詩川, 管偉, 等. 中國3種瀕危紅樹植物的分布現狀[J]. 生態科學, 2011, 30(4): 431–435．

[12] 王文卿, 王瑁. 中國紅樹林[M]. 北京: 科學出版社, 2007: 298–299.

[13] 陳利洪. 紅樹瀕危植物紅欖李的保護生物學研究[D]. 南寧: 廣西大學, 2007.

[14] 肖宜安, 李曉紅, 曾建軍, 等. 人工授粉對瀕危植物長柄雙花木結果率和結籽率的影響[J]. 井岡山大學學報(自然科學版), 2012, 33(3): 96–101.

[15] 胡世俊, 閆曉慧, 何平, 等. 授粉方式對瀕危植物縉云衛矛種子萌發率的影響[J]. 山東林業科技, 2013, 43(2): 58–59+21.

[16] LANDRY C L. Pollinator-mediated competition between two co-flowering Neotropical mangrove species,Avicennia germinans(Avicenniaceae) andLaguncularia racemosa(Combretaceae) [J]. Annals of Botany, 2013, 111(2): 207–214.

[17] 呂海英, 曹滿航, 李進. 新疆特有珍稀灌木銀沙槐繁育系統研究[J]. 廣西植物, 2014, 34 (6): 763–767.

The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera littorea (Jack.) Voigt) by artificial pollination

ZHANG Xiaonan1, ZHONG Cairong2, YAN Tingliang3, ZHANG Ying1,*
1.College of Life Science,Hainan Normal University,Haikou571158,China
2.Hainan Dongzhaigang National Nature Reserve Administration Bureau,Haikou571129,China
3. Institute of Environment and Plant Protection,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou571737,China

The artificial pollination technique was used for the germplasm resource rescue ofLumnitzera littorea(Jack.) Voigt population in Sanya Tielu Bay. The heterogenitic pollens came from the two separate populations in SanYa TieLu Bay and Lingshui Xinchun Bay. From the results of the field observation and the seed germination experiment, the physiological and ecological phenomena ofL. littoreacan be found as follows. The florescence was long and unstable ofL. littoreain Sanya Tielu Bay. The flowering time from 60 to 140 days began from the expanding of the flower bud to the end of the fading date. The pollen germination rates of the two populations were both lower than 10% tested by the solid medium method. Under the situation of natural pollination, the seed germination rate was 0.2‰, however, it was improved obviously (5.6‰) by the artificial pollination. Furthermore, the germinated seeds in laboratory could grow into the seedlings. After two years, work of artificial pollination, one seedling could be found in the natural environment. So it can be a positive effect for the seed germination ofL.littoreaby the methods of artificial heterogenetic pollination.

Lumnitzera littorea(Jack.) Voigt; endanger mangrove; artificial pollination; germplasm resources rescue

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.006

S722.3

A

1008-8873(2016)05-038-05

張曉楠, 鐘才榮, 嚴廷良, 等. 人工輔助授粉探尋瀕危紅樹植物紅欖李種質資源挽救途徑[J]. 生態科學, 2016, 35(5): 38-42.

ZHANG Xiaonan, ZHONG Cairong, YAN Tingliang, et al. The germplasm resource rescue of endangered mangrove (Lumnitzera

littorea(Jack.) Voigt) by artificial pollination[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 38-42.

2015-07-06;

2015-07-24

國家自然科學基金(31360173); 有害生物控制與資源利用國家重點實驗室2015開放課題(SKLBC15KF06)

張曉楠(1988—), 女, 河南人孟州市人, 在讀碩士研究生, 主要從事植物生態學研究, E-mail: 806077402@qq.com

*通信作者: 張穎, 女, 博士, 教授, 主要從事瀕危紅樹植物研究, E-mail: zhangyingred@yahoo.com