郭艷峰, 劉 妍*, 蔣謙才, 孫紅梅
( 1. 中山火炬職業技術學院 生物醫藥系, 廣東 中山 528436; 2. 中山市國有森林資源保護中心, 廣東 中山 528400 )
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蝶形花植物豬屎豆自花傳粉機制研究
郭艷峰1, 劉 妍1*, 蔣謙才2, 孫紅梅2
( 1. 中山火炬職業技術學院 生物醫藥系, 廣東 中山 528436; 2. 中山市國有森林資源保護中心, 廣東 中山 528400 )
豬屎豆(Crotalariapallida)為典型的蝶形花植物,分布極廣,是路邊或遭破壞生境中最常見的先鋒種之一,野外觀察未發現其有營養生殖的現象,主要為種子繁殖。該研究通過對自然生境中豬屎豆開花物候、訪花昆蟲及繁育系統的研究,旨在從繁殖的角度闡述其快速擴張的能力。結果表明:盡管豬屎豆的主要訪花昆蟲是蜜蜂,但蜜蜂的訪花頻率極低 [(1.73±1.30)次/花序·h-1],且在整個花期內花藥和柱頭均被龍骨瓣包裹,蜜蜂訪花時未成功接觸柱頭和花粉,不能實現傳粉,因此蜜蜂不是豬屎豆有效的傳粉昆蟲,這與假說“蝶形花普遍是對膜翅目昆蟲,尤其是對蜜蜂傳粉的適應”不一致。人工授粉結果顯示,豬屎豆為自交親和種,不存在無融合生殖現象,其繁殖主要通過主動自交生產種子來實現,且在自交過程中長短花藥都參與主動自交。這種自交方式不同于其他蝶形花植物的主動自交僅由短花藥實現。對豬屎豆而言,長短花藥均參與自交能夠增加柱頭的授粉幾率,保證其在不利的生境中成功結籽,是其成功擴張的關鍵因素之一。
豬屎豆, 蝶形花, 主動自交, 先鋒植物, 快速擴張
自交和異交是繁育系統研究的中心問題。自從Darwin(1876)起,人們認為異交是一種進化的傳粉機制,是形成繁育系統中傳粉多樣性的主要動力。自花授粉因會引起自交衰退而被認為是被子植物繁育系統進化的絆腳石(Darwin,1876;Kalisz et al,2004)。然而,自然界的開花植物中有20%是高度自交,33%介于自交和異交之間(Kalisz et al,2004),故自交在交配系統中占很大比重。但隨著對自然界多種傳粉機制及其生態意義的不斷揭示,人們對自交與異交的利弊有了新的認識。在缺乏傳粉昆蟲或花粉受限制時,異交種的結籽會受到限制(Burd,1994;Ashman et al,2004),而自交種能通過自交保障結籽(Larson & Barrett,2000;Kalisz et al,2004)。對處于開拓新生境或傳粉條件不利的植物而言,自交能保證植物繁殖而使其避免滅絕消失(Stebbins,1957),即具主動自交的種在建立新居群或快速擴張方面比異交種更具優勢(Baker,1974;Cruden & Lyon,1989;Kalisz et al,2004;Randle et al,2009;Shivanna,2014)。在擴張迅速及廣布種中,自交比異交更普遍(Baker,1974;Shivanna,2014)。但目前大多關于植物快速擴張的研究主要在植物的種子產量、種子萌發優勢及無性繁殖能力方面(Kraichak,2012;Berkovic et al,2014)。盡管開花物候、傳粉機制和繁育系統是種子生產的基礎,是植物居群結構及對變化環境適應能力的決定因素,但相關的詳細研究卻很不足(Shivanna,2014)。
豬屎豆屬(Crotalaria)植物隸屬于豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionoideae),屬內種普遍為熱帶雜草,極好地生長于路邊、沙地及遭人類改變的地方(Moore,1978;Lewis,1987;Jacobi et al,2005)。我國約有40種,其中6種從印度、非洲、南美、美洲逃逸而來。不少種類可供藥用,是藥用植物開發的重點類群。豬屎豆(Crotalariapallida)植物全草有散結、清濕熱等作用,近年來試用于抗腫瘤效果較好,主要對鱗狀上皮癌,基底細胞癌有療效(崔鴻賓等,1998);在藥用、防沙固土、園林綠化等方面也應用較廣(趙瓊玲等,2008)。課題組近年來在對華南地區豬屎豆屬藥用植物進行野外調查過程中發現,豬屎豆是該屬中分布最廣,且在路邊或遭破壞生境中最常見的先鋒種之一,即使在烈日當空、多砂多礫的環境中仍然能生長。在野外未發現營養生殖現象,主要通過種子繁殖,其種子耐鹽能力強、萌發率高,對環境適應力強(廖富林等,2011;嚴琳玲等,2012;羅天瓊等,2013),是其快速建立新居群的關鍵因素。然而,有關該種是如何傳粉來生產種子的報道卻極為匱乏。本研究通過對豬屎豆進行傳粉生物學研究,以明確以下研究目的:(1)開花物候及開花生物學特性;(2)訪花昆蟲的行為及傳粉機制;(3)繁育系統。進而明確豬屎豆在新生境中成功生存的原因,同時為探討蝶形花亞科的花形態與傳粉關系的協同提供重要依據。
1.1 研究植物與觀察地點
豬屎豆為豬屎豆屬多年生草本植物(圖版Ⅰ:A)。本種是世界廣布種,原產于熱帶美洲,分布于大西洋海岸線、巴西、美洲、非洲及中國大部分地區,常見于路邊、河邊、沙地還有貧瘠的山坡。本種為典型的蝶形花植物,果實為豆莢,一般長為3.4 cm,成熟時褐色(圖版Ⅰ: C),外界壓力易導致開裂。花果期為9-12月。
本研究的野外觀察和實驗工作分別于2014年9月至2015年5月在廣東省中山市陵崗村 (22°53′ N,113°45′ E,海拔715 m)完成。
1.2 開花生物學特性觀察
在所研究植物的自然居群中,對所有植株在2014-2015年間不同月份的開花物候情況進行觀察和記錄,明確居群的初花期、盛花期、末花期。隨機選取20朵花(2 朵/株)進行標記,從6:00-18:00每隔3 h觀察記錄每一朵花的開放時間、花藥開裂時間、花謝時間,花冠脫落標志著單花花期結束。同時測量雌蕊、長雄蕊、短雄蕊的長度。

圖版 Ⅰ 豬屎豆的植株、花、訪花者及不同發育階段花的雌雄蕊位置關系 A. 植株; B. 花序; C. 果實; D. 不同角度的花、雄蕊及蜜腺 (a. 花側面, b.花正面, c. 10個雄蕊基部融合成鞘, d. 蜜腺); E. 訪花者; F. 不同發育階段花的雌雄蕊位置關系 (a. 剛剛開放的花, LA. 長雄蕊, SA. 短雄蕊, b. 長雄蕊與柱頭接觸, c. 柱頭高于雄蕊,長花藥開裂,短花藥未開裂, d. 短花藥開裂且與柱頭接觸, e-f. 柱頭高于雄蕊,花藥變干, g. 花冠脫落后的雌蕊)。 Plate Ⅰ Plant, flowers, visitor and the distance between stigma and stamens in different development stages’ flowers of Crotalaria pallida A. Plant growing in the roadsides; B. Flowers growning in the inflorescence; C. Fruits on the plants; D. Flowers (a. Flower side elevation, b. Flower vertical, c. Ten stamens’ fusing by the basal part into a sheath, d. A nectary); E. Visitors visiting flower; F. Flowers in different development stages (a. Flower just opening, LA. Long-anthers, SA. Short-anthers, b. Long-anthers contacting with the stigma, c. Stigma protrusion from ten stamens, d. Short-anthers contacting with the stigma, e-f. Stigma protrusion from ten stamens and ten anthers dried-up, g. Corolla and ten anthers dropped off).
1.3 柱頭可受性與花粉活性的測定
在單花花期內每天于10:00-12:00之間,隨機采取不同發育時期的新鮮花10 朵,用MTT法測定花粉活性(Dafni,1992)和柱頭可受性(Rodriguez-Riao & Dafni,2000),并在顯微鏡(40×)下觀察并統計著色和未著色花粉粒數目。
1.4 花粉組織化學的檢測
隨機采集所研究植物花藥已經開裂的花,將新鮮的花粉刮到干凈的載玻片上,用I2-KI或蘇丹Ⅲ-Ⅳ染液進行染色,在顯微鏡下進行觀察,每個樣品重復3次并記錄反應的顏色。若I2-KI顯示藍色或黑色則表明花粉有淀粉存在,若蘇丹Ⅲ-Ⅳ顯示紅色則說明花粉有脂質存在(Dafni,1992)。
1.5 花蜜分泌量、含糖量的測定
在單花花期內每天于10:00-12:00,用1 μL的毛細管(RS-Sigma,USA)吸取不同發育時期的新鮮花10朵進行吸蜜,檢測其花蜜分泌量,并用手持折光儀(ATAGO,Brix 0%~32%,Japan)直接測定花蜜含糖量(%)。處理中的花均在花開放前進行套袋。
1.6 訪花昆蟲種類及訪花行為的觀察
于2014年11月22-24日和2015年1月13-15日內,在居群中隨機標記 5~10 株已開放的花序進行訪花昆蟲的觀察,具體是從7:00-18:00每隔2 h觀察、統計0.5 h內訪花昆蟲的種類、數量,對其進行拍照、描述,并捕捉昆蟲作憑證標本。
1.7 繁育系統檢測
(1)自然對照:不做任何處理,掛牌直至結實。(2)人工自交:隨機選擇即將開放的花,套袋,花開后授同株花藥花粉。(3)人工異交:隨機選擇即將開放的花,去掉花藥,套袋,花開后授異株花藥花粉。(4)主動自交: ①完全套袋,隨機選擇即將要開放的花,套袋,不做其他處理,掛牌直至結實; ②去長花藥套袋,隨機選擇即將開放的花,去掉長花藥,套袋,掛牌直至結實; ③去短花藥套袋,隨機選擇即將要開放的花,去掉短花藥,套袋,掛牌直至結實。(5)去全部花藥套袋: 隨機選擇即將要開放的花,去掉花藥,套袋。(6)去全部花藥不套袋: 隨機選擇即將要開放的花,去掉花藥,不套袋。1個月后收取所有處理的果實,統計各個處理的結實率。
所有數據統計分析均采用SPSS 15.0軟件,統計數據用平均值 ± 標準差,n表示樣本量。
2.1 開花物候及花的形態特征
在所觀察的居群中,豬屎豆的初花期為9月上旬,盛花期從10月中下旬開始,持續到第2年的5月,末花期為5月中下旬。盛花期期間,平均每個植株有(10.27 ± 4.34)個花序(n= 30),每個花序開花(15.63 ± 5.86)朵(n=30)。豬屎豆的開花時間不一致,一天當中都有花開,大多集中在下午4:00-6:00。單花序花期約40 d(n= 20),單花花期10 d(n= 20)。
豬屎豆為蝶形花,總狀花序頂生,花由下向上開(圖版Ⅰ:B)。花冠由旗瓣、翼瓣和龍骨瓣組成,旗瓣狹細,翼瓣著生在旗瓣的內側并緊貼龍骨瓣,下部包裹龍骨瓣,兩片龍骨瓣合生(圖版Ⅰ:D-a, b),10枚雄蕊呈兩輪,5枚長雄蕊,5枚短雄蕊,長短雄蕊交替排列,10枚雄蕊基部融合成鞘(圖版Ⅰ:D-c),子房成線狀。龍骨瓣包裹10枚雄蕊和雌蕊(圖版Ⅰ:D-a),雌蕊位于正中央,蜜腺位于融合花絲的基部(圖版Ⅰ:D-d)。即將開放的花,旗瓣緊抱著翼瓣,二者與龍骨瓣緊靠。第1天時,旗瓣翼瓣與龍骨瓣開始分離,第2天龍骨瓣與旗瓣翼瓣約成90°角,旗瓣翼瓣依然未分離。第3天開始,旗瓣翼瓣分離,旗瓣與翼瓣約成60°夾角,但未完全展開。第5天旗瓣翼瓣完全展開。長花藥在花開的第3天開裂,短花藥在第4天開裂,第7天長短花藥均干裂。
2.2 雌雄蕊位置關系
在整個開花進程中,雌雄蕊的位置關系如圖版Ⅰ:F和圖1所示,花剛開時,雌蕊最長,長短雄蕊均低于柱頭,短雄蕊低于長雄蕊(圖版Ⅰ:F-a),隨著開花進程,長短雄蕊都逐漸升高,到第3天,長花藥與柱頭接觸,短花藥仍低于柱頭(圖版Ⅰ:F-b)。到第5天,短花藥長至柱頭高度,與柱頭接觸,長雄蕊低于短雄蕊與柱頭(圖版Ⅰ:F-d)。從第6天開始,柱頭超過長短花藥(圖版Ⅰ:F-e,f)。

圖 1 花期內豬屎豆雌雄蕊長度變化Fig. 1 Distance between stigma and stamens during flowering

圖 2 豬屎豆花粉、柱頭活性變化Fig. 2 Pollen viability and stigma receptivity of flowers
2.3 花粉活性和柱頭可受性、花蜜量和含糖量、花粉組織化學特性
如圖2所示,在整個花期內,柱頭都具有活性。長短花藥花粉活性在花藥剛開裂是較高,均在90%以上,隨著開花進程,花粉活性略微降低,但在花謝時,長短花藥的花粉活性仍高于75%。花蜜檢測結果顯示(圖3),剛開的花,花蜜量僅(0.09 ± 0.05) μL,隨著開花時間的延長,從第3天開始,花蜜量顯著升高(t= 9.732,df= 18,P= 0.001),花謝時花蜜量為(2.55 ± 0.72)μL。花剛開時,含糖量為(3.92 ± 2.07)%,從第3天開始,含糖量顯著升高(t= 14.805,df= 18,P= 0.000),花謝時含糖量為(16.75 ± 2.14)%。豬屎豆的花粉經I2-KI染色后顯示藍色,表明花粉有淀粉存在,蘇丹Ⅲ-Ⅳ染色后顯示紅色,說明花粉有脂質存在。

圖 3 豬屎豆花期內花蜜量、含糖量變化Fig. 3 Nectar production and sugar concentration of
2.4 訪花昆蟲種類及訪花行為
訪花昆蟲主要是蜜蜂(Apidaesp.),偶爾見到蝴蝶。蜜蜂平均訪花頻率為4.3(0.06~1.40)次/花序·30 min-1,訪花高峰期為9:00-9:30、14:30-15:00。蜜蜂沿著花序從下往上或從上往下訪花,訪花時蜜蜂先在花附近盤旋,然后降落在花上,用足抱住翼瓣,頭探入花冠基部的蜜腺吸蜜。吸蜜過程中,蜜蜂不是正面訪花,其腹部未壓在龍骨瓣上,而是避開龍骨瓣,腹部位于花梗的上方(圖版Ⅰ:E)。由于蜜蜂未壓在龍骨瓣上,被龍骨瓣包裹的柱頭不能探出,花粉也不能通過擠壓龍骨瓣釋放,因此蜜蜂不能實現傳粉,不是有效的傳粉昆蟲。
2.5 繁育系統
繁育系統檢測結果顯示(表1),人工自花授粉和人工異花授粉的結實率分別為12.38%、13.68%),差異不顯著(t= 0.078,P= 0.802),說明豬屎豆不存在自交不親和。去全部花藥套袋結實率為0,表明豬屎豆不存在無融合生殖。完全套袋結實率較高(49.26%),說明豬屎豆能夠發生主動自交。去長花藥套袋和去短花藥套袋有結實率,表明長花藥和短花藥都能實現主動自交。
豆科植物中, 蝶形花亞科的大多植物具兩側對稱的蝶形花(Tucker,2003),花由旗瓣、翼瓣和龍骨瓣組成,雄蕊和雌蕊被龍骨瓣緊包,這種花型被認為是對膜翅目昆蟲,尤其是蜜蜂傳粉的適應 (Faegri &Van der Pijl,1979)。旗瓣一般較大,色彩艷麗,起吸引傳粉昆蟲的作用;翼瓣為訪花者提供降落平臺,傳粉昆蟲停在翼瓣的邊緣,將吻通過缺口伸到小花的基部取食花蜜;訪花者吸取花蜜時擠壓龍骨瓣,龍骨瓣受外力后使包裹的成熟花粉借助張力釋放(黃利春等,2014)。蝶形花植物花粉的釋放必須在昆蟲的參與下才能完成,且這種花結構與其傳粉功能群協同進化形成的花粉呈現機制有以下4種:彈花機制、活塞機制、瓣膜機制和毛刷機制(Westerkamp,1997;Westerkamp & Weber,1999;Etcheverry et al,2003;Galloni et al,2007;黃利春等,2014)。在4種機制中,訪花者擠壓旗瓣和翼瓣進行吸蜜時,柱頭會伸出龍骨瓣,花粉會通過龍骨瓣尖端的小孔釋放在訪花者的腹部,這樣反復訪花過程完成柱頭的授粉。
表 1 不同授粉處理的結實率 (%)
Table 1 Fruit set in the pollination experiments

處理Treatment花數(株)Numberofflowers(Stems)結實率Fruitset(%)標準差s變異系數CV自然對照Openpollination220(10)34.0921.740.64完全套袋Autonomousautogamy136(10)49.263.980.08人工自交Experimentaltestforautogamy105(10)12.3810.120.82人工異交Experimentaltestforexnogamy117(10)13.689.870.72去全部花藥套袋Testforagamospermy148(10)0.000.000.00長花藥自交(花藥開裂前移除短花藥),套袋Testforlong?anthersselfing(short?anthersremovedbeforeantherdehiscence),bagged51(10)17.656.060.34短花藥自交(花藥開裂前移除長花藥),套袋Testforshort?anthersselfing(long?anthersremovedbeforeantherdehiscence),bagged67(10)34.3321.330.62去雄,不套袋Allstamensremovedbeforean?therdehiscence,unbagged118(10)1.693.311.96
豬屎豆也具有蝶形花的特征,是蝶形花植物中為數不多的二體雄蕊。豬屎豆的花具有與其他蝶形花類似的吸引傳粉者的特征:鮮艷的花冠、花序、分泌花蜜,且花蜜在花藥開裂后顯著增加;野外觀察顯示其訪花者也是蜜蜂為主。然而豬屎豆的花部特征及訪花者的訪花行為與其他蝶形花植物有很大區別:大多數蝶形花植物如小花冠屬(Coronillaemerus)、紫穗槐屬(Amorphacanescens)的旗瓣成心形或卵形,旗瓣大,顏色鮮艷,部分還有紅色的紋理起蜜導作用;豬屎豆花的旗瓣狹細,缺乏蜜導。同時,豬屎豆的訪花昆蟲蜜蜂的訪花行為與當前蝶形花亞科中常見的4種機制不一樣。蜜蜂降落時,用足抱住翼瓣,頭伸進花冠底部吸花蜜,然而蜜蜂并沒有正面降落著陸在翼瓣上,未對龍骨瓣產生壓力。因此當蜜蜂吸蜜時,柱頭未伸出龍骨瓣,花粉也未得到釋放。故豬屎豆雖具蝶形花特征且有報酬物花蜜,訪花者也是膜翅目昆蟲,然而訪花者數量少且訪花行為的不同,導致豬屎豆不能像其他蝶形花科植物一樣完成傳粉過程。繁育系統處理中,去全部雄蕊不套袋處理的結實率低(1.69%)也表明豬屎豆在自然狀態下缺乏有效傳粉者。
自交能保障植物在不良環境中成功繁殖。豬屎豆屬中已有主動自交現象報道,且被認為是該屬植物在不良生境中生存及快速擴張的主要決定因素(Etcheverry,2001;Etcheverry et al,2003;Jacobi et al,2005;Shivanna,2014)。豬屎豆屬植物的主動自交主要通過短花藥與柱頭接觸實現(Etcheverry et al,2003;Jacobi,2005;Shivanna,2014)。本研究對豬屎豆整個開花過程花部特征、雌雄蕊位置關系的觀察及繁育系統研究結果顯示,豬屎豆主要通過自交實現結實,但豬屎豆的長短花藥開裂時間和功能與同屬報道的其他種不同。其他種長花藥通常在花開前24 h開裂,花開后第2天長花藥和花絲干枯,長花藥未與柱頭接觸;短花藥在開花后24 h開裂,此后花絲不斷伸長將花粉送至柱頭上實現自交(Etcheverry et al,2003;Shivanna,2014)。本研究中,豬屎豆的長花藥在花開后第3天開裂,且開裂時花藥即接觸到柱頭實現自交;短花藥在花開后第4天開裂,并在第5天與柱頭接觸實現自交。與其他種相比,長短花藥共同參與自交能提高授粉率,且在整個花期中,長短花藥的花粉活性及柱頭可受性均保持在較高水平,也是提高成功自交的保障之一。
對于傳粉者不穩定或效率不高的植物而言,通過主動自交實現生殖保障能避免植物種的消失(Stebbins,1957;Rodriguez-Riano et al,2007;Freitas & Sazima,2009),同時能促進植物擴張及建立新的居群(Randle et al,2009;Shivanna,2014)。在快速擴張的類群中,繁育系統由異交向自交進化已經出現了很多次(Shivanna,2014)。豬屎豆雖具有蝶形花的特征、有花蜜,但生長環境缺乏傳粉者或傳粉者不穩定或者效率不高,使其逐漸向自交進化。主動自交能夠保證其成功授粉結籽,是一種進化的行為,同時旗瓣變小,花蜜分泌量減少等,可認為是異交向自交進化過程中節約資源的表現。
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Autogamy mechanism ofCrotalariapallida(Fabaceae: Papilionoideae)
GUO Yan-Feng1, LIU Yan1*, JIANG Qian-Cai2, SUN Hong-Mei2
( 1.DepartmentofBiomedicine,ZhongshanTorchPolytechnic, Zhongshan 528436, Guangdong, China;2.ForestryScienceInstituteofZhongshanCity, Zhongshan 528400, Guangdong, China )
Crotalariapallidais a typical plant of Papilionoideae. Althought it has evolved various adaptations to establish and spread rapidly through prolific seed production and/or asexual propagules, self-fertilization is always an important aspect to decide its colonization ability. It is widely distributed and is the most common pioneer plant on the road sides or destroyed envioronment. In our observation, it lacks pollinators in nature and also lacks vegetative reproduction. How does this species survive in such unpredictable habitats? We focus on its floral morphology, reproductive biology and pollinator behavior to explain its reproductive success. We observed flower development, detected pollen viability and stigma receptivity, performed manual pollination and monitored the behavior of main pollinators inC.pallida. Papilionaceous flowers are reported to show adaptation for bees which are their pollinators. Few insects visited the flowers. Several bees were observed visiting flowers but visiting frequency was low (1.73 ± 1.30 visits·inflorescence-1·h-1). Because the stigma and stamens were enclosed in the petal of the keel in the flower development, the visitors were not contacting any reproductive organs, and they could be considered as visitors not effecting pollination. The results of pollination experiments showed thatC.pallidawas self-compatible and was capable of autonomous selfing. In our study, both long-and short-anthers’ descended time and function in fruit set were different from those autogamous species in the genus. ForC.pallida, both long-anthers and short-anthers participated into selfing and there was no difference in fruit sets between long-and short-anther selfing (t=1.786,P=0.060). While for other species in the genus, autogamy was realized by short anthers. ForC.pallida, therefore, automatic self-pollination increases the chances of seed production and protect it against extinction. Compared with other species, only short-anthers participate into autogamous pollination, both long- and short-anthers providing pollen grains to the stigma increases the success of pollination and fruit set, which is an evolutionary mechanism for the spread ofC.pallida. This results are consistent with the hypothesis that species proficient at autogamy are better adapted to establish new populations and thus can more readily expand their range.
Crotalariapallida, Papilionoideae, autogamouy, pioneer plant, rapidly spread
10.11931/guihaia.gxzw201508006
2015-11-21
2016-01-09
中山市科技計劃項目(2013A3FC0352) [Supported by the Scientific and Technological Plan of Zhongshan City (2013A3FC0352)]。
郭艷峰(1984-),女,山西臨汾人,博士,從事植物功能食品開發研究,(E-mail)guoyanfeng1984@sina.com。
*通訊作者: 劉妍,碩士,講師,從事植物化學成分研究,(E-mail)583429336@qq.com。
Q948.1
A
1000-3142(2016)11-1318-07
郭艷峰,劉妍,蔣謙才,等. 蝶形花植物豬屎豆自花傳粉機制研究 [J]. 廣西植物, 2016, 36(11):1318-1324
GUO YF,LIU Y,JIANG QC,et al. Autogamy mechanism ofCrotalariapallida(Fabaceae: Papilionoideae) [J]. Guihaia, 2016, 36(11):1318-1324