灌木鐵線蓮繁育系統特征及其花下垂現象的適應性意義

侯勤正,任昱蘭,文 靜,趙東光,王思源

(西北師范大學 生命科學學院，蘭州 730070)

灌木鐵線蓮繁育系統特征及其花下垂現象的適應性意義

侯勤正,任昱蘭,文 靜,趙東光,王思源

(西北師范大學 生命科學學院，蘭州 730070)

該研究對蘭州市北山地區自然居群下的灌木鐵線蓮(ClematisfruticosaTurcz.)的繁育系統特征進行了實驗分析，并通過對其花朵進行人工上舉處理，研究了花朝向改變(花朵上舉)后訪花昆蟲、花粉數量和質量變化以及結籽率和種子特征的變化，以此反證花朵下垂的適應性意義。結果表明：(1)自然狀態下，灌木鐵線蓮的P/O值為9579.5，屬于專性異花授粉；套袋實驗結果顯示，灌木鐵線蓮自交親和，兼具異交和自交的混合交配系統，但不存在無融合生殖現象。(2)灌木鐵線蓮的主要傳粉者為東亞無墊蜂(Amegillaparhypate)和中華蜜蜂(Apiscerana)；人工上舉處理改變花朝向后，兩種傳粉昆蟲的訪花頻率和單花停留時間與自然條件下沒有發生變化，但因雨水沖刷造成其花粉數量顯著下降，且陽光直射使花粉活力顯著下降，說明花朝向改變會降低其雄性適合度。(3)花朝向改變后，灌木鐵線蓮結籽率顯著下降，種子宿存花柱長度降低，但并沒有影響種子大小和千粒重，說明花朝向改變降低了雌性適合度，并影響到灌木鐵線蓮種子傳播。研究結果證實,灌木鐵線蓮花期花朵下垂現象對有效傳粉昆蟲影響不大,但可以顯著提高植物雄性適合度和雌性適合度,并作為一種有效的適應策略保障了其繁殖成功。

灌木鐵線蓮；花朵下垂；繁育系統特征；花朝向改變

被子植物通過對不同傳粉者以及同一傳粉者的系列適應后演化出豐富多彩的花部特征，而適應傳粉是花部特征進化的根本動力[1]。在傳粉過程問題上，植物表現出與傳粉者相適應的花(序)特征來增加傳粉者的拜訪幾率和傳粉成功率[2-3]，盡管科學界對這種適應的驅動力有不同看法(即到底是傳粉者驅動花的進化還是相反進化類型的進化)，但更多的證據支持Stebbins 提出的“花部特征是由當地最頻繁、最有效的傳粉者所塑造的”的觀點[4]，亦即目前科學界所普遍認同的“傳粉者介導了花的進化”的觀點。如花瓣顏色[5]、花大小和花展示[6]、花形態[7]、花結構對稱性[8-9]等花部特征都與其傳粉者相適應。然而，植物花部特征的塑造也會受到除傳粉者以外的其他因素影響，一系列非傳粉者作用因子，如植食作用[10]、盜蜜行為[11]以及環境因素[12-13]等都會驅動植物花部結構特征的進化。

花朝向(flower orientation)是植物與周圍環境長期適應的結果，而對這種適應關系的研究有助于理解植物與環境的適應機制，因而成為進化生物學領域的重要議題[14-15]。通過對一系列花朝向問題(花朵上舉、花朵下垂、花朵平行、花朝向改變和角度變化等)的研究發現，傳粉者是花朝向這一花部特征塑造的主要驅動力[14-20]，這也與Sprengel 曾預測的“花的朝向與傳粉者有著相互匹配關系”相一致[21]。然而，正如前文所述，植物花部特征的塑造也會受到非傳粉者作用因子影響，例如花朵下垂現象，研究表明其適應性意義表現在多個方面：強化昆蟲吸引，增加昆蟲訪問頻率，從而提高傳粉成功率[15, 22]；避免雨水沖刷造成的花粉折扣和柱頭影響，花被形成的“傘”狀結構增進了雌性和雄性適合度[14, 20]；避免陽光直射造成的花粉活力下降，從而提高雄性適合度[11, 23]；增加植物結實，避免花朝向改變對種子形成和發育過程的影響[20]。盡管花朵下垂現象與環境的適應性已得到證實，但是以往研究側重于此現象適應性的一個方面(如昆蟲吸引)或幾個方面，而較少開展此現象對植物，尤其是經濟型植物對環境適應性的系統研究。

植物繁育系統是進化生物學研究中最為活躍和最富成果的領域之一[24]，而對植物繁育系統的多樣化及其作用模式和機制的研究，是理解植物各類群進化的一個重要基礎[25]。灌木鐵線蓮(ClematisfruticosaTurcz.)屬于毛茛科鐵線蓮屬植物，花開放期具有典型的花朵下垂現象，但是在結果期花朵上舉以利于種子傳播。灌木鐵線蓮觀賞價值高，花期長，抗逆性強，可作為花籬、果籬栽培，具有較高的潛在經濟價值。本文選擇蘭州市北山地區自然居群下的灌木鐵線蓮為研究對象，通過對灌木鐵線蓮的繁育系統檢測以及花朵朝向改變(花朵上舉處理)的對照試驗，從傳粉昆蟲觀察、花器官保護、結籽率和種子特征等多個方面開展反證研究，以期回答以下問題：1)灌木鐵線蓮繁育系統特征是什么？2)花朵下垂對灌木鐵線蓮具有哪些適應性意義？

1 材料和方法

1.1 實驗材料

灌木鐵線蓮(Clematisfruticosa)為直立小灌木，花單生，或聚傘；萼片4，長橢圓狀卵形至橢圓形；瘦果扁，卵形至卵圓形；有宿存花柱，宿存花柱具黃色長柔毛。

1.2 研究時間和地點

本實驗于2014～2015年的7～8月兩個開花季度在甘肅省蘭州市北山地區開展。蘭州北山地區位于中國黃土高原、青藏高原和蒙新高原的過渡地帶，海拔1 550～1 950 m，氣候類型屬于大陸性氣候，氣候干燥寒冷，溫差大，年降水量少且蒸發量大，日照強。年平均降水量 327.7 mm，降水主要集中在 7～9月。

1.3 P/O比和繁育系統特征

1.3.1 P/O比值測定 采用Dafni的方法[26]，在灌木鐵線蓮盛花期隨機摘取10個花蕾固定于FAA固定液中，實驗室內把全部花藥取出放于盛有水的離心管中，用玻璃棒擠碎使花粉散布于水中，加水至1 mL并充分搖勻后用移液槍取出1 μL在顯微鏡下數花粉數目，重復5次計算平均值；剖開子房，顯微鏡下數胚珠數目。計算出P/O值以初步判斷灌木鐵線蓮的交配系統類型。

1.3.2 繁育系統特征測定 在灌木鐵線蓮盛花期開始前隨機選取400個花蕾做如下處理(每種處理各50朵)：(1)去雄套袋；(2)去雄套網；(3)不去雄套袋；(4)不去雄套網；(5)去雄后自然授粉；(6)同株異花授粉；(7)異株異花授粉；(8)補充授粉。另外選取50個花蕾做對照處理。其中所有去雄處理都在柱頭未張開前進行，以免柱頭污染；同株異花授粉和異株異花授粉要在柱頭未張開前進行去雄處理，柱頭張開后分別用同株和異株植物盛開花朵的花粉授粉；補充授粉實驗在柱頭張開后連續3 d用異株植物新鮮花粉授粉處理。最后統計每種處理結籽率。結籽率=成熟種子數/(成熟種子數+敗育種子數)。

1.4 訪花昆蟲觀察

在灌木鐵線蓮盛花期，對其進行兩種狀態訪花昆蟲和訪花頻率觀察：(1)自然狀態下(即花朵下垂)訪花昆蟲及頻率觀察；(2)對整株植物的花朵全部上舉處理。采用Arroyo等的方法[27]觀察訪花昆蟲的種類、行為和頻率。觀察前選擇5～7個花序，以花序上所有的花作為觀察對象，在3 m外(減少對昆蟲的干擾)觀察記錄所有訪花昆蟲的次數和行為，同時記錄每一種昆蟲在單花上的停留時間。

1.5 花器官保護

1.5.1 雨水沖刷 在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機選取30個花蕾分2組(每組15個)，并全部進行套袋處理，開始散粉后并在將要降雨前把1組花朵去除紙袋，另1組去除紙袋并小心把花朵人工上舉以接受雨水沖刷，為盡量減少人工上舉過程對花粉影響，我們對每一植株只進行一朵花處理，并在小心上舉后進行支架固定(由于灌木鐵線蓮具有較長花梗，我們只改變花梗角度，并對花梗進行固定)，在雨水結束后取回處理花朵，實驗室用光學顯微鏡檢測花粉數目。另外取10個花蕾做對照處理，對照組花粉數檢測與P/O比花粉檢測同時進行。

1.5.2 陽光照射 在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機選取45個花蕾分3組(每組15個)，并全部進行套袋處理，設置1組自然狀態下花蕾作為對照，另2組開始散粉后并在晴朗天氣的12:00把全部花朵小心人工上舉(上舉方法同雨水沖刷實驗)以接受陽光照射，其中1組花朵在陽光照射1 h后再小心放回下垂狀態(解除固定支架)，另外1組在陽光下照射5 h，最后將3組花朵同時取回實驗室測量花粉萌發率。取下所有花的花藥，放在盛有10%的蔗糖溶液的離心管中，室溫放置24 h后，放在4 ℃冰箱中停止萌發，室內光學顯微鏡下統計花粉的萌發情況。

1.6 結籽率和種子特征

在灌木鐵線蓮盛花期開始前，隨機選取100個花蕾分為2組(每組50個)，1組把花朵做上舉處理(上舉方法同雨水沖刷實驗)，另外1組作為對照，種子成熟后計算2組處理的結籽率。將收集到的2組成熟種子做種子形態大小測定。用數顯式游標卡尺測定成熟種子宿存花柱長度、去宿存花柱后種子最長距離(種子長度,L)和最寬距離(種子寬度,W)以及種子千粒重。通過圓錐體體積公式V=L[π(W/2)2]/3近似計算種子體積。

1.7 統計分析

所有數據平均值的計算與統計分析均在SPSS l1.0中進行，在比較前首先用Nonparametric Test中1-Sample K-S檢驗數據是否服從正態分布。對于服從正態分布的數據，用Independent T Test比較兩組數據的差異，而用One-way ANOVA和Pos hoc-LSD比較3組或者3組以上數據的差異：對于不服從正態分布的數據，用Nonparametric Test中2 Independent Samples比較兩組數據的差異，用K Independent Samples比較3組或者3組以上數據的差異。

2 結果與分析

2.1 P/O比和繁育系統檢測

灌木鐵線蓮的單花花粉量為339 340±32 793個，胚珠數為35.4±10.2個， P/O比值為9 579.5，根據Dafni標準，灌木鐵線蓮屬于專性異花授粉。從結籽率來看，灌木鐵線蓮在去雄套袋狀態下沒有結籽(表1)，說明不存在無融合生殖現象；在套網試驗(去雄套網和不去雄套網)中，灌木鐵線蓮都有結籽(表1)，說明灌木鐵線蓮存在除昆蟲媒介以外的其他媒介來完成受精過程，而風很有可能是一種重要的傳播媒介；不去雄套袋實驗灌木鐵線蓮也有結籽(表1)，說明灌木鐵線蓮可能存在一定程度的自交；灌木鐵線蓮同株異花授粉狀態下結籽，并且與異株異花授粉結籽率不存在顯著差異(P>0.05)(表1)，說明灌木鐵線蓮完全自交親和。自然狀態和補充授粉狀態下灌木鐵線蓮的結籽率不存在顯著性差異(P>0.05)(表1)，說明蘭州北山地區自然狀態下灌木鐵線蓮不存在花粉限制。

2.2 訪花昆蟲及訪花頻率

自然狀態下，灌木鐵線蓮的訪花昆蟲主要是東亞無墊蜂(Amegillaparhypate)，其訪花頻率為2.18次/小時/花，其次為中華蜜蜂(Apiscerana)和切葉峰(Megachilesp.)，其訪花頻率分別為0.883和0.648次/小時/花，體型相對較大的訪花昆蟲還有黃胸木蜂(Xylocopaappendiculata)，其訪花頻率為0.333次/小時/花(表2)。體型較小的訪花昆蟲有黑青小蜂(Dibrachyscavus)(0.633次/小時/花)、

表1 灌木鐵線蓮繁育系統各處理結籽率

注：數據表示為均值±標準差(下同)，表中同一列不同字母表示在0.05水平上有顯著性差異，n表示樣本量

Note:Data showed as Mean±SD(the same below), the different letters in the same column indicate a significant difference at the 0.05 level,nindicates simple size

表2 灌木鐵線蓮訪花昆蟲種類及訪花頻率

注：*表示處理與對照在0.05水平上有顯著性差異；下同

Note: *indicates a significant difference between control and treatment at 0.05 level; The same as below

黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)(0.527次/小時/花)和長尾管食蚜蠅(Eristalistenax)(0.5次/小時/花)(表2)，但由于上述昆蟲體型較小，推測其傳粉效率較低，因此這些小型昆蟲對灌木鐵線蓮的傳粉貢獻不會很大。

對灌木鐵線蓮花朵上舉處理后，我們發現東亞無墊蜂(A.parhypate)、中華蜜蜂(A.cerana)、黑青小蜂(D.cavus)、黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)和長尾管食蚜蠅(E.tenax)訪花，但沒有發現切葉峰(Megachilesp.)和黃胸木蜂(X.appendiculata)訪花；同時，發現一種胡蜂科(Vespidae)昆蟲訪花(其訪花頻率為1.71次/小時/花)(表2)。從訪花頻率的對比來看，除黑青小蜂(D.cavus)外，兩種狀態下灌木鐵線蓮共有訪花昆蟲的訪花頻率都沒有變化(P>0.05)，而在人工上舉處理后，黑青小蜂(D.cavus)對灌木鐵線蓮的訪花頻率顯著降低(P<0.05)(表2)。

從昆蟲一次訪花的停留時間對比來看，東亞無墊蜂(A.parhypate)和中華蜜蜂(A.cerana)的停留時間在灌木鐵線蓮的兩種狀態下沒有差別，但是小型訪花昆蟲黑青小蜂(D.cavus)、黑帶蚜蠅(Episyrphussp.)和長尾管食蚜蠅(E.tenax)的停留時間顯著增長(P<0.05)(表3)。

2.3 花器官保護

2.3.1 花粉數量 自然狀態下，灌木鐵線蓮的單花花粉量為339 340±32 793個。在雨水沖刷條件下，下垂花朵的單花花粉量為326 378±33 776個，與自然狀態下單花花粉量沒有顯著性差異(P>0.05)，而對花朵進行上舉處理后，雨水沖刷下灌木鐵線蓮的單花花粉量為140 194±19 721個，顯著低于自然狀態和下垂花朵雨水沖刷下的單花花粉量(P<0.05)(圖1)。

表3 灌木鐵線蓮訪花昆蟲單花停留時間

2.3.2 花粉活力 圖2顯示，自然狀態下，灌木鐵線蓮花粉萌發率為(30.79± 4.66)%)；在光照處理1 h后，灌木鐵線蓮花粉萌發率為(17.62 ± 2.44)%，顯著低于其在自然狀態下萌發率(P<0.05)；而在光照處理5 h后的萌發率為(10.27 ± 2.14)%，顯著低于其在自然狀態和光照1 h后的花粉萌發率(P<0.05)。

不同的字母表示在0.05水平上有顯著性差異;下同圖1 灌木鐵線蓮自然狀態下和雨水沖刷狀態下的下垂和上舉花朵的花粉數量Bars with different letters indicate a significant difference at 0.05 level; The same as belowFig.1 The pollen numbers of nodding and artificially erected flowers of C. fruticosa with natural and rainwashed condition

圖2 灌木鐵線蓮自然狀態和光照處理1 h和5 h后的花粉萌發率Fig.2 Pollen germination rate of C. fruticosa with natural condition and after exposed to solar radiation for 1 h and 5 h

2.4 結籽率和種子形態

灌木鐵線蓮的結籽率在自然狀態下為(82.6 ± 8.6)%，而在花朵上舉處理后的結籽率[(58.8 ± 19.8)%]顯著下降(P<0.05)；在種子形態方面，花朵人工上舉處理后灌木鐵線蓮種子的宿存花柱長度顯著下降(P<0.05)，而種子大小體積和千粒重則沒有顯著差異(P>0.05)(表4)。

3 討 論

3.1 灌木鐵線蓮繁育系統特征

去雄后自然授粉狀態下灌木鐵線蓮具有較高的結籽率，而且與自然狀態下結籽率沒有顯著性差異，表明自然狀態下灌木鐵線蓮以異交為主，P/O比的實驗結果也證實了這一結論。從單花套袋實驗來看，灌木鐵線蓮同株異花授粉具有較高的結籽率，表明其自交親和；不去雄套袋狀態下具有結籽，說明灌木鐵線蓮存在自交現象。由于灌木鐵線蓮花藥在成熟過程中具有向外圍伸展現象，這就在很大程度上避免了主動自交的發生，另外我們發現灌木鐵線蓮花內具有螞蟻、薊馬等小型昆蟲，而套袋實驗無法隔離此類小型昆蟲，因而我們推測其自交可能是由于花內的小型昆蟲活動造成的花內協助自交。由小型昆蟲引起的花內協助自交現象在線葉龍膽(Gentianafarreri)中也曾有報道[28]，盡管有學者認為由于近郊衰退的存在，兼具自交和異交的混合交配系統只是由完全異交向完全自交的過渡[29]，然而由于具有繁殖保證效應(reproductive assurance)和自動選擇優勢(automatic selection advantage)，混合交配系統仍然可以穩定存在[30]。

在套網試驗(去雄套網和不去雄套網)中，灌木鐵線蓮都有較高結籽率，表明灌木鐵線蓮具有除蟲媒以外的其他傳粉媒介。灌木鐵線蓮具有5片花萼組成的開放式花結構，不存在花瓣結構，這種結構特點為風媒提供了條件，因而推測風媒作用在灌木鐵線蓮的繁殖貢獻上起到重要作用。盡管我們沒有對灌木鐵線蓮的風媒作用進行驗證，但風媒存在于具有類似花結構特點的同科烏頭屬植物中[31]，這種兼具蟲媒、風媒和自交的混合交配系統顯然是植物一種有效的繁殖保障策略。

表4 灌木鐵線蓮結籽率及種子形態

3.2 訪花昆蟲

花的輕微改變，例如大小、形態、花色等，都會影響到訪花者對植物花朵的訪問[32]，而花朝向和角度的變化也會影響傳粉者種類組成和訪問頻率[15, 33]。在本研究中，灌木鐵線蓮自然狀態和花朵上舉處理后的訪花昆蟲種類發生變化：兩種大型訪花者(切葉峰和黃胸木蜂)在花朝向改變后不再訪花，而胡蜂開始訪花，這是對以上結論的證實。然而，盡管在訪花者種類組成上有變化，但灌木鐵線蓮主要訪花昆蟲(東亞無墊蜂和中華蜜蜂)在花的兩種狀態下都訪花，并且其訪花頻率和單花訪問停留時間在花朝向改變前后也沒有顯著差異，因此推測灌木鐵線蓮花朵朝向的變化并不會影響到其主要訪花昆蟲(東亞無墊蜂和中華蜜蜂)對其繁殖成功的貢獻，進而說明灌木鐵線蓮花朵下垂現象并沒有起到增加傳粉者吸引力的作用。在花朵朝向發生變化(花朵上舉)后，體型較小的訪花昆蟲，如黑青小蜂、黑帶蚜蠅和長尾管食蚜蠅，其種類組成沒有變化，但單花停留時間顯著增長，這可能是由于花朵上舉后增加了花朵內部溫度[34]，進而為小型昆蟲提供了更佳的棲息場所。

3.3 雨水沖刷處理

雨水是一種影響植物繁殖成功的重要環境因子，雨水沖刷會降低花藥和柱頭上花粉的數量和質量[21, 35]，同時也會稀釋花蜜，進而降低花雄性和雌性適合度[14, 20]。因此，任何避免雨水沖刷的機制在進化上都具有較強的選擇優勢[14]。花朵下垂現象作為一種比較常見的防雨現象在很多研究中已經得到證實[14-15, 20]。本文研究結果也證實了上述現象，盡管沒有驗證花粉質量是否會下降，但花朝向改變(花朵上舉)后，灌木鐵線蓮花粉數量顯著下降。蘭州北山地區降水量 327.7 mm，但是降雨集中在7～9月，這正是灌木鐵線蓮盛花期，因此不可避免受到較強程度雨水沖刷影響。灌木鐵線蓮的花朵下垂，使得花被(萼片)形成一種“傘”狀結構，這作為一種重要的防雨機制在灌木鐵線蓮與環境的適應上具有重要意義。

3.4 花粉活力

花粉是植物繁殖的重要功能單元，卻極容易受到環境影響，例如高溫[36]、水分缺失[37]、UV-B輻射[23, 38]等，進而會降低花粉活力，影響其在柱頭上的萌發[23]。因此，對于不具有花粉保護措施的植物而言，花粉暴露于陽光直射之下(尤其是強紫外輻射陽光)會造成較強程度的花粉破壞[13]。在本研究中，相對自然狀態，灌木鐵線蓮花朝向改變后的花粉活力(以花粉萌發率表示)在陽光直射下顯著下降，并且隨著陽光直射時間增長而下降，這表明灌木鐵線蓮的花朵下垂現象能有效降低陽光直射對花粉的破壞。盡管不清楚陽光直射對灌木鐵線蓮花粉破壞的原因具體是哪種因子(高溫、水分流失和強UV-B輻射等)，但無疑花朵下垂現象作為一種保護措施避免了陽光直射對花粉的破壞。灌木鐵線蓮花期7～8月，此時也正是蘭州北山地區最強光照時期，正如Zhang 等[13]所指出，陽光輻射在花結構進化中起到了重要推動作用，而灌木鐵線蓮的花朵下垂現象也無疑是強光照的選擇壓力下植物與環境相適應的結果。

3.5 結籽率和種子性狀

花朝向改變顯著降低灌木鐵線蓮結籽率。這種花上舉處理后子代生產降低現象在其他物種中也有報道，例如Sun和Yao證實寶興百合(Liliumduchartrei)花朵下垂要比花朵上舉具有更高的結籽率[15]，Wang等也通過對地錦苗(Corydalissheareri)的人工控制實驗得到了相同的結論[33]，他們同時也證實出現結籽率下降的原因是傳粉者的變化和訪花頻率下降，也就是花粉輸入降低。在本研究中，花朝向的改變并未影響灌木鐵線蓮的主要傳粉昆蟲，說明對于上舉花朵而言，傳粉者的變化這一因素不大可能是灌木鐵線蓮坐果率降低的主要原因。但是本研究發現花朵上舉處理后會造成灌木鐵線蓮花粉數量和質量的顯著下降，而這種花粉折扣很有可能是造成其結籽率下降的主要原因。當然，花朝向變化造成結籽率下降也有可能與花粉和胚珠敗育等因素有關[20, 35, 39]，但對于灌木鐵線蓮而言，花朵下垂現象無疑可以提高其結籽率，進而提高其雌性適合度，而這種現象作為一種穩定的環境適應策略得以保留和固定。

種子大小的變異會影響種子擴散和種子萌發，進而影響種群更新[40]。研究表明環境變化(營養供給、生境差異等)會影響種子大小[40-41]，這種繁殖體大小差異體現了植物對環境變化的適應策略。然而本研究中灌木鐵線蓮的種子體積大小和千粒重在兩種狀態下(自然狀態和人工上舉狀態)都不存在顯著差異，其原因可能是植物在環境不利狀態下(上舉處理)的結籽率下降，而這種降低結籽現象可以保障成熟種子具有更多的能量供給，增加了成熟種子活力，進而保障了種子繁殖成功。另外，灌木鐵線蓮花朵上舉后，其種子宿存花柱的長度顯著下降，由于較長的宿存花柱會增加空氣阻力，因而其長度下降必然會降低種子傳播距離，進而降低灌木鐵線蓮種群更新和種群擴張能力，降低了其繁殖適合度。

綜上所述，灌木鐵線蓮自交親和，自然狀態下不存在花粉限制，其成功繁殖主要依賴異交，但花內小型昆蟲活動會造成協助自交，同時灌木鐵線蓮也極有可能存在風媒現象；灌木鐵線蓮的主要傳粉者為東亞無墊蜂和中華蜜蜂，而這兩種傳粉昆蟲在灌木鐵線蓮花朝向改變前后的訪花頻率和單花停留時間沒有發生變化，因此花朵下垂現象在吸引傳粉昆蟲角度上不存在顯著優勢；雨水沖刷會造成灌木鐵線蓮花粉數量顯著下降，同時陽光直射下其花粉活力也顯著下降，因此花朵下垂有效保護了花粉數量和質量，進而提高了雄性適合度；花朝向改變(花朵上舉)后，灌木鐵線蓮結籽率顯著下降，說明花朵下垂顯著提高了其雌性適合度；種子大小和千粒重在花朵上舉處理后沒有變化，但宿存花柱長度顯著降低，說明花朵上舉會降低灌木鐵線蓮種群更新和擴張能力。總之，灌木鐵線蓮花朵下垂現象并沒有顯著吸引傳粉者，但是顯著提高了花粉數量和質量，并提高了結籽率和成熟種子的散播能力，進而提高了雄性適合度和雌性適合度，這種適合度的提高作為一種有效的環境適應策略保障了灌木鐵線蓮的繁殖成功。

[1] 黃雙全, 郭友好. 傳粉生物學的研究進展[J]. 科學通報, 2000, 45(3):225-237.

HUANG S Q, GUO Y H. New advances in pollination biology and the studies in China[J].ChineseScienceBulletin, 2000, 45(3):225-237.

[2] FENSTER C B, ARMBRUSTER W S, WILSON P,etal. Pollination syndromes and floral specialization[J].AnnualReviewofEcologyEvolution&Systematics, 2004, 12(35):375-403.

[3] 黃雙全. 植物與傳粉者相互作用的研究及其意義[J]. 生物多樣性, 2007, 15(6):569-575.

HUANG S Q. Studies on plant-pollinator interaction and its significances[J].BiodiversityScience, 2007,15(6):569-575.

[4] STEBBINS G L. Adaptive radiation of reproductive characteristics in angiosperms, I: pollination mechanisms[J].AnnualReviewofEcology&Systematics, 2003, 1:307-326.

[5] HEUSCHEN B, GUMBERT A, LUNAU K. A generalised mimicry system involving angiosperm flower colour, pollen and bumblebees’ innate colour preferences[J].PlantSystematics&Evolution, 2005, 252(252):121-137.

[6] THOMPSON J D. How do visitation patterns vary among pollinators in relation to floral display and floral design in a generalist pollination system?[J].Oecologia, 2001, 126(3):386-394.

[7] BLOCH D, ERHARDT A. Selection toward shorter flowers by butterflies whose probosces are shorter than floral tubes[J].Ecology, 2008, 89(9):2 453-2 460.

[8] NEAL P R, DAFNI A, GIURFA M. Floral symmetry and its role in plant-pollinator systems: terminology, distribution, and hypotheses[J].AnnualReviewofEcology&Systematics, 2003, 29(1):345-373.

[9] SARGENT R D. Floral symmetry affects speciation rates in angiosperms[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyBBiologicalSciences, 2004, 271(1 539):603-608.

[10] CARIVEAU D, IRWIN R E, BRODY A K,etal. Direct and indirect effects of pollinators and seed predators to selection on plant and floral traits[J].Oikos, 2004, 104(1):15-26.

[11] CHAN Z, IRWIN R E, YUN W,etal. Selective seed abortion induced by nectar robbing in the selfing plantComastomapulmonarium[J].NewPhytologist, 2011, 192(1):249-255.

[12] HASE A V, COWLING R M, ELLIS A G. Petal movement in cape wildflowers protects pollen from exposure to moisture[J].PlantEcology, 2006, 184(1):75-87.

[13] ZHANG C, DUAN Y W, YANG Y P. Pollen sensitivity to ultraviolet-B(UV-B) suggests floral structure evolution in alpine plants[J].ScienceFoundationinChina, 2015, 4(2):43-43.

[14] MAO Y Y, HUANG S Q. Pollen resistance to water in 80 angiosperm species: flower structures protect rain-susceptible pollen[J].NewPhytologist, 2009, 183(3):892-899.

[15] SUN S G, YAO C Y. Increased seed set in down slope-facing flowers ofLiliumduchartrei[J].JournalofSystematics&Evolution, 2013, 51(4):405-412.

[16] GALEN C, STANTON M L. Sunny-side up: flower heliotropism as a source of parental environmental effects on pollen quality and performance in the snow buttercup,Ranunculusadoneus(Ranunculaceae)[J].AmericanJournalofBotany, 2003, 90(5):724-729.

[17] USHIMARU A, HYODO F. Why do bilaterally symmetrical flowers orient vertically? Flower orientation influences pollinator landing behaviour[J].EvolutionaryEcologyResearch, 2005, 7(9):151-160.

[18] FENSTER C B, ARMBRUSTER W S, DUDASH M R. Specialization of flowers: is floral orientation an overlooked first step?[J].NewPhytologist, 2009, 183(3):502-506.

[19] USHIMARU A, DOHZONO I, TAKAMI Y,etal. Flower orientation enhances pollen transfer in bilaterally symmetrical flowers[J].Oecologia, 2009, 160(4):667-674.

[20] WANG Y, MENG L H, YANG Y P,etal. Change in floral orientation inAnisodusluridus(Solanaceae) protects pollen grains and facilitates development of fertilized ovules[J].AmericanJournalofBotany, 2010, 97(10):1 618-1 624.

[21] KNUTH, PAUL. Das Entdeckte Geheimniss der Natur im Bau und in der Befruchtung der Blumen[M]W. Engelmann, 2012.

[22] USHIMARU A, KAWASE D, IMAMURA A. Flowers adaptively face down-slope in 10 forest-floor herbs[J].FunctionalEcology, 2006, 20(4):585-591.

[23] AYLOR D E. Survival of maize (Zeamays) pollen exposed in the atmosphere[J].Agricultural&ForestMeteorology, 2004, 123(3):125-133.

[24] 何亞平, 劉建全. 植物繁育系統研究的最新進展和評述[J]. 植物生態學報, 2003, 27(2):151-163.

HE Y P, LIU J Q. A review on recent andvances in the studies of plant breeding system[J].ActaPhytoecologicaSinica, 2003,27(2):151-163.

[25] RIESEBERG L H, WILLIS J H. Plant speciation science[J].Science, 2007, 317(5 840):910-914.

[26] DAFNI A. Pollination Ecology: a Practical Approach[M].Brittonia,1992,46(46).

[27] ARROYO M T K, ARMESTO J J, PRIMACK R B. Community studies in pollination ecology in the high temperate Andes of central Chile II. effect of temperature on visitation rates and pollination possibilities[J].PlantSystematics&Evolution, 1985, 149(3):187-203.

[28] 侯勤正, 段元文, 司慶文,等. 青藏高原晚期開花植物線葉龍膽的傳粉生態學[J]. 植物生態學報, 2009, 33(6):1 156-1 164.

HOU Q Z, DUAN Y W, SI Q W,etal. Pollination ecology ofGentianalawrencelvar.Farreri, a late-flowering Qinghai-Tibet Plateau species[J].ChineseJournalofPlantEcology, 2009,33(6) 1 156-1 164.

[29] WALTER D M. Is there disruptive selection for self-fertilization?[J].AmericanNaturalist, 1986, 128(3):421-426.

[30] HOLSINGER K E. Pollination biology and the evolution of mating systems in flowering plants[J].EvolutionaryBiology, 1996, 29:107-149.

[31] DUAN Y W, ZHANG T F, HE Y P,etal. Insect and wind pollination of an alpine biennialAconitumgymnandrum, (Ranunculaceae)[J].PlantBiology, 2009, 11(6):796-802.

[32] MELENDEZ-ACKEMAN E, CAMPBELL D R, WASER N M. Hummingbird behavior and mechanisms of selection flower color in Ipomopsis[J].Ecology, 1997, 78(8):2 532-2 541.

[33] WANG H, TIE S, YU D,etal. Change of floral orientation within an inflorescence affects pollinator behavior and pollination efficiency in a bee-pollinated plant,Corydalissheareri[J].PlosOne, 2014, 9(4):e95381.

[34] TOTLAND O. Flower heliotropism in an alpine population ofRanunculusacris(Ranunculaceae): effects on flower temperature, insect visitation, and seed production[J].AmericanJournalofBotany, 1996, 83(4):452-458.

[35] DAFNI A. Autumnal and winter pollination adaptations under Mediterranean conditions[J].Bocconea, 1996,5: 171-181.

[36] SATO S, PEET M M, THOMAS J F. Determining critical pre- and post-anthesis periods and physiological processes inLycopersiconesculentumMill. exposed to moderately elevated temperatures[J].JournalofExperimentalBotany, 2002, 53(371):1 187-1 195.

[37] HESLOP-HARRISON Y. Control gates and micro-ecology: the pollen-stigma interaction in perspective[J].AnnalsofBotany, 2000, 85(3):5-13.

[38] FENG H, AN L, TAN L,etal. Effect of enhanced ultraviolet-B radiation on pollen germination and tube growth of 19 taxainvitro[J].Environmental&ExperimentalBotany, 2000, 43(1):45-53.

[39] TADEY M, AIZEN M A. Why do flowers of a hummingbird-pollinated mistletoe face down?[J].FunctionalEcology, 2002,15(6): 782-790.

[40] 徐 亮, 包維楷, 何永華. 4個岷江柏種群的球果和種子形態特征及其地理空間差異[J]. 應用與環境生物學報, 2004, 10(6):707-711.

XU L, BAO W K, HE Y H. Morphological characters and geographical variation of cones and seeds of fourCupressuschenggianaS. Y. HU populations[J].ChineseJournalofAppliedandEnvironmentalBiology, 2005,10(6):707-711.

[41] WULFF R D. Seed size variation inDesmodiumPaniculatum: I. factors affecting seed size[J].JournalofEcology, 1986, 74(1):87-97.

(編輯:潘新社)

Breeding System Characters and the Adaptive Significances of Downward Orientation Flowers inClematisfruticosaTurcz.

HOU Qinzheng, REN Yulan, WEN Jing, ZHAO Dongguang, WANG Siyuan

(College of Life Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)

In this study, we tested the breeding system characters ofClematisfruticosaTurcz., which were selected in the natural population at Lanzhou Beishan. And also, by changing flower direction from facing down to up, we studied the visited insect attracting, pollen quantity and quality changing, seed setting ratio changing, and the seed characters ofC.fruticosa. The results showed that:(1) in natural, the P/O ofC.fruticosawas 9 579.5, which showed out an obligate cross-pollination breeding system; bagging experiment results showed that theC.fruticosawas self-compatible, and had a mixed breeding system which combined with selfing and crossing, but no apomixes was tested. (2) The main pollinators ofC.fruticosawereAmegillaparhypateandApiscerana; after flowers artificially erected. The visit frequencies and stay time/visit/flower did not differ significantly with the natural, but the pollen numbers after rainwash decreased significantly, and as well as the pollen vitality after exposed to solar radiation, which indicated that flower direction changing could decrease the male fitness. (3) After the flower direction changed, the seed setting ratio ofC.fruticosadecreased greatly, and the persistent styles of the downwards flowers were significantly longer than that of upwards, but the seed sizes and seed weights did not differ significantly, which indicated that the flower direction changing could decrease the female fitness, and also could influence the seed dispersal ofC.fruticosa. The results suggested that the flower drooping ofC.fruticosacould not influence the effective pollinators, but could significantly increase the male and female fitness, which may act as an effective adaptive strategy for the reproductive success ofC.fruticosa.

ClematisfruticosaTurcz.; downward orientation flowers; breeding system; flower orientation changing

1000-4025(2016)11-2283-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.11.2283

2016-07-19;修改稿收到日期:2016-08-23

國家自然科學基金(31360064); 甘肅省省級重點學科

侯勤正(1984-)，男，副教授，主要從事植物傳粉生態學研究。E-mail：hou_qzh@163.com

Q944.3

A