外來入侵植物意大利蒼耳的傳粉生態學特性

林 慧,張明莉,王鵬鵬,馬 淼

石河子大學生命科學學院,石河子 832003

生物入侵是生物多樣性喪失的重要原因,也是21世紀最棘手的全球生態問題之一,備受國際社會的關注[1-7]。隨著我國向西開放戰略部署的深化,以及“一帶一路”政策下新絲綢之路國際貨運貿易往來的日趨頻繁,一大批外來物種悄然涌入了新疆,尤其是意大利蒼耳(XanthiumitalicumMoretti)正以極快的速度向新疆各地蔓延擴張,形成高密度的單優勢種群落,對當地的農業和畜牧業發展造成了嚴重危害[8],對新疆本就脆弱的綠洲生態系統而言無疑是雪上加霜。意大利蒼耳為菊科蒼耳屬一年生草本植物,高1—1.8m,莖直立,粗壯,常多分枝,頭狀花序單性同株,雌雄花序相互比鄰。該植物原產于北美洲[9- 10],后擴散至南美洲、歐洲、亞洲和大洋洲的許多國家,在我國主要分布于北京、河北、遼寧、山東和新疆等地[11-16]。對其入侵機理的闡釋是對該物種實施有效防控的必要前提。然而,目前對意大利蒼耳的研究僅限于分布區范圍[14],形態描述[15],和化學組分及其化感作用[17- 18]等方面,對其入侵機理的研究尚未見報道。

生存與繁殖是植物適合度的兩個重要內涵,繁殖成功是外來植物種群建立(Establish)和種群擴張(Expansion)的前提。因此,研究入侵植物的繁殖生態學特征是解讀其成功入侵機理的有效手段,而傳粉生態學是植物繁殖生態學研究的重要內容。故本文從開花物候、花粉活力、柱頭可受性、傳粉媒介、花粉散布距離、雄性、雌性功能以及繁育系統等方面系統研究了意大利蒼耳的傳粉生態學特性,旨在為揭示該物種成功入侵的機理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料采集

本實驗中的意大利蒼耳分布于石河子市北郊,由石河子大學馬淼教授鑒定。生于玉米田邊,生長密集,連片分布,株高1.6—1.8m,形成單優勢種群落。

1.2 開花物候的觀測

隨機選取20株長勢相同的植株進行標記,于2016年8月至9月連續觀察60d,記錄意大利蒼耳的花期物候。以第一朵小花花藥開始散粉和第一朵小花雌蕊伸出總苞1mm分別作為雄花和雌花的開花標準,以25%、50%和95%的花序的開放時間分別作為個體始花期、盛花期和終花期的時間依據。

1.3 花粉活力的測定

用TTC染色法測定花粉活力：從意大利蒼耳植株上隨機選取10個雄花序,再從每個花序中隨機取3朵盛開的小花,分別取其花粉散布在潔凈的載玻片上,迅速滴一滴0.5%TTC染液,在37℃條件下避光靜置5min,然后在Olympus光學顯微鏡下隨機觀察3個視野,每個視野中觀察100?；ǚ?統計被染成紅色的花粉粒(有活力)數目,取平均值。從8:00開始進行檢測,每隔2h觀察統計一次,直至20:00。

1.4 柱頭可授性的測定

用聯苯胺-過氧化氫法測定柱頭可授性,具體方法：在盛花期,每天12:00采集開花后不同天數的雌花序,將其柱頭浸入到滴加聯苯胺-過氧化氫溶液的載玻片上,并在Olympus光學顯微鏡下觀察,若柱頭有可授性則柱頭周圍的反應液呈現藍色,并有大量氣泡產生。

1.5 傳粉媒介的研究

1.5.1 訪花昆蟲的觀察

隨機選取盛花期的意大利蒼耳10株,每天8:00至20:00觀察并記錄是否有昆蟲訪花,以及訪花昆蟲的種類和訪花頻率,連續觀察30d。

1.5.2 花粉風媒散布距離的檢測

利用重力玻片法檢測風媒條件下花粉的散布距離。選取位處于種群邊緣的植株,在地面上沿順風方向每隔5m布設一張涂有凡士林的載玻片,直至50m處,平行布設五列,共55張載玻片,用以接收散布在空氣中的花粉,清除周圍的其他意大利蒼耳植株,并用風速測量儀測定全天風速,每隔1h測定一次,取平均值。8:00開始布設載玻片,20:00收回,在Olympus光學顯微鏡下觀察并記錄載玻片上的花粉數目[19]。

1.6 雄性及雌性功能的研究

1.6.1 單株個體雌雄花序數目的統計

隨機選取種群中長勢一致的植株20株,記錄單株植株上雌、雄花序的數量,由于雄花序散粉后易脫落,所以需要對開始散粉的雄花序進行逐天記錄,持續60d。統計后計算出單株雌、雄花序的數目。

1.6.2 單株個體中花粉數目的統計

從種群中隨機選取10株個體進行標記,每株個體中選擇10個即將開放的雄花序,放入FAA固定液中,帶回實驗室。觀察每個雄花序中的小花數目,用2.5mL 1.0mol/L的鹽酸水解花藥60min,取0.01mL制片觀察并計數；計算每朵小花中的平均花粉數,推算出單株個體的花粉總數。

單株花粉總數=每朵小花中的花粉數×單個雄花序中的小花數×單株個體中的雄花序數

1.6.3 單株植物中胚珠數的統計

從種群中隨機選取10株個體進行標記,每株個體中隨機選取10個雌花序,放入FAA固定液中,帶回實驗室。用小刀劃破總苞,觀察每個雌花序中的小花數。解剖子房,觀察其中的胚珠數,計算出單株個體中的胚珠總數。

單個個體中的胚珠總數=每朵小花中的胚珠數×每個雌花序中的小花數×單株中的雌花序數

1.6.4 單株結實率計算

從種群中隨機標記20個植株,連續觀察60d,記錄植株上的雌花序數目,以及結實的果實數,計算單株結實率。

單株結實率=(單株果實數÷單株雌花數)×100%

1.7 繁育系統的研究

在盛花期(8月25日)采用套袋實驗的方法,選取柱頭尚未伸出的雌花序若干,做以下處理：(1)不去雄,不套袋,作為對照；(2)去除比鄰的雄花序,套袋(羊皮紙袋),檢測其是否存在孤雌生殖；(3)去除比鄰的雄花序,套袋,待柱頭具有可受性時人工授以異株花粉,用以檢測異交是否親和；(4)連同比鄰的雄花序一并套袋,檢測是否存在自發自交；每處理做30個重復。

1.8 數據處理

用Excel和SPSS 19.0軟件進行實驗數據的統計分析,采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)檢測不同時間花粉活力差異的顯著性水平,P<0.05表明差異顯著。

2 結果與分析

2.1 開花物候的觀測

意大利蒼耳種群花期較長,可達40多天,雌花在8月23日左右進入始花期,8月底轉為盛花期,9月中下旬進入終花期,但個體間的花期物候差別較大,不同植株的始花期相差15d左右,終花期可相差20d。雌花花期最短的不足15d,最長的可達35d,雄花的始花期大概比雌花晚3—4d,但其終花期要略早于雌花(圖1和圖2)。雄花在8月26日進入始花期,3—4d后便很快轉入盛花期,9月中下旬進入終花期,雄花花期最短的大約10d,最長的可達25d。

圖1 雌花的花期物候Fig.1 Phenology of female flower

圖2 雄花的花期物候Fig.2 Phenology of male flower

2.2 花粉活力的測定

圖3 意大利蒼耳花粉活力的變化 Fig.3 Variation in pollen viability of Xanthium italicum moretti

意大利蒼耳花粉活力的日變化呈典型的單峰型曲線(圖3),8:00花藥剛開裂時,其花粉尚無活力；隨著氣溫的升高,花粉活力顯著升高(P< 0.05),14:00時花粉活力達到99%的水平,之后便緩慢下降,在18:00之前花粉活力均維持在87%以上。在20:00時,花藥中僅有少量的花粉尚未散出,其活力也顯著降低到1.08%。

2.3 柱頭可授性的檢測

通過連續8d的檢測發現,意大利蒼耳的雌花柱頭在伸出總苞后就已經具有了接受花粉的能力,但可授性較弱；3d后柱頭的可授性最強,之后逐漸減弱。第8d后其柱頭可授性完全喪失(表1)。

表1 意大利蒼耳柱頭可授性的變化

-： 表示柱頭不具有可授性,+：表示柱頭具有可授性,+ +：代表柱頭可授性強,+/-：代表僅有部分柱頭具有可受性

2.4 傳粉媒介的研究

2.4.1 訪花昆蟲的觀察

通過連續30d的定位觀察,未發現有任何昆蟲訪花,故判斷意大利蒼耳為非蟲媒傳粉植物。

2.4.2 花粉風媒散布距離的檢測

圖4 意大利蒼耳花粉風力散布距離 Fig.4 Distance of pollen dispersal of Xanthium italicum Moretti by wind

研究發現在4.5km/h的風速條件下,意大利蒼耳花粉借風散布的距離最遠可達45m,但87%的花粉集中在20m以內,隨著距離的增加花粉數量逐漸減少,在距離花粉源50m處已無花粉分布(圖4)。

2.5 雄性及雌性功能的研究

2.5.1 單株個體中雌雄花序數統計

在隨機標記的20株意大利蒼耳中,單株的雄花序數目最少為215個,最多達2813個,平均每株1079個。單株雌花序數目最少為253個,最多達3847個,平均每株1505個。

2.5.2 單株個體中花粉數目的統計

平約每個雄花序中的小花數為81.5朵,鹽酸水解花藥壁后,測得單花花粉數量平均為164粒,故平均每個雄花序中的花粉數約為13474粒；單株個體中花粉總量最低為2896962粒,最高達37903037粒,平均每株個體的花粉數約為14543151粒。

2.5.3 單株個體中胚珠數的統計

從隨機選取的雌花序中解剖發現,單個雌花序中胚珠數均為2,單株植株中胚珠數最低為506枚,最高達7694枚,平均每株個體中胚珠數為3010枚。計算單株P/O比發現,單株P/O比的最低值為2793,最大值為6832,平均P/O比為4983。

2.5.4 單株結實率計算

從隨機標記的10個個體中計算單株的結實率,發現單株最低結實率為76.45%,最高結實率為83.19%,平均結實率為80.59%,未結實的雌花序都是在生育期的后期形成的,表現為幼果早期停止生長或花序直接脫落。

2.6 繁育系統的研究

對照組的30個雌花序均正常結實,結實率為100%；連同比鄰的雌花序一并套袋組的結實率可達93%；去除比鄰的雄花序后套袋,并人工授以異株花粉的處理組結實率為83%；去除比鄰的雄花序后套袋的處理組未有結實,結實率為0(表2)。

表2 不同實驗條件下的結實率

3 討論

植物的開花物候是植物重要的生活史特征之一,意大利蒼耳花期持續時間長,單株花期長達40d,雌花序花期最長可持續35d,雄花序花期最長可持續25d 。雖然雌花比雄花早3d進入始花期,但是柱頭伸出總苞3—4d后方才達到最佳可受期,因此雄花序的散粉時間和雌花柱頭的最佳可受期是恰好吻合的。在雌花即將到達盛花期時,雄花開始進入始花期,并在3d后迅速達到盛花期,從而使雌雄花的盛花期基本重疊,二者的盛花期持續時間較長,使得雌雄花序間能有更多機會實現傳粉。同為分布于石河子北郊的植物,異翅獨尾草(Eremurusanisopterus)種群[20]和粗柄獨尾草(Eremurusinderiensis)種群[21]的花期均不足10d,因此,雄花的散粉時間和雌花柱頭最佳可受期的高度吻合以及超長的花期為意大利蒼耳的生殖成功提供了有力保障。

實驗發現,意大利蒼耳花粉活力的日變化幅度較大,8:00以后花粉便開始表現出活力,隨著時間的推移,環境氣溫迅速升高,花粉活力也隨之迅速上升,14:00時達到最高值,18:00之前依然維持高活力狀態,隨后花藥中花粉數目減少,氣溫逐漸降低,花粉活力也趨于減弱,20:00時,花粉基本不再表現出活力。其花粉活力與環境溫度變化的高度一致性,可能是由于花粉中的酶活性對氣溫的依賴性導致的。具有接受花粉的適宜柱頭的花朵即處于柱頭可授期,此時具有活力的花粉到達適宜的柱頭才能完成傳粉過程。一般認為,柱頭可授性的時間越長,其完成受精的可能性越大。花粉保持活力的時間長短和柱頭可授期的長短對傳粉成功率的影響至關重要[22-25]。意大利蒼耳柱頭可授期持續時間長,可授性較強,而花粉每天中午都會達到幾近100%的活力,確保柱頭在伸出總苞后可以高效率地接受到活性強的花粉,提高了授粉成功的機率。

研究結果顯示意大利蒼耳屬風媒傳粉的植物,其花部形態也表現出了與風媒傳粉相適應的諸多特征：雄性功能強大,雄花序數目較多(單株的雄花序數目可高達2813個),因風媒傳粉容易導致花粉流失,所以要求花粉量較大(單株個體的花粉數量可高達37903037枚)。意大利蒼耳的花粉粒易隨氣流擴散,在4.5km/h的微風條件下,其花粉主要集中分布在0—20m處,最遠可被傳播至45m處。意大利蒼耳的雌性功能也同樣發達,其花柱較長,柱頭伸出花被片較長,柱頭一經伸出總苞即可接受花粉,單株雌花序數量高(最高可達3847個),易于廣泛捕獲散布于空氣中的花粉,這對于往往高密度連片分布的意大利蒼耳種群來說無疑是一種高效的傳粉策略。

花粉-胚珠比(P/O比)的結果發現,意大利蒼耳的單株平均P/O比為4982.95,參照Cruden的繁育系統類型標準[21],據此標準,意大利蒼耳應當屬于專性異交的交配系統,這與其雌雄同株的性別分化特征是一致的。

盛花期的套袋試驗結果顯示意大利蒼耳的繁殖能力很強,在自然條件下的結實率高達100%,同株自發自交結實率高達93%；去除比鄰的雄花序后套袋,并人工授以異株花粉的試驗進一步證明了其異株異交也是可以親和的(結實率為83%),然而其結實率值之所以低于同株自然授粉試驗的結實率,可能是因為人工授粉技術不夠成熟造成的。而去雄套袋處理結果顯示,其結實率為0,表明意大利蒼耳不存無融合生殖現象。就整個生育期而言,其果實產量亦很高,種群平均結實率為80.59%,單株可形成6200枚瘦果(7694枚雌花/株×80.59%=6200枚瘦果/株)。未能正常結實的雌花序都是在生育后期(9月下旬)形成的,表現為幼果早期停止生長或花序直接脫落,可能的原因有二：一方面,此時北疆地區的氣溫較低,晝夜溫差較大,較低的氣溫可能影響了雌雄胚子的發育及合子的形成；另一方面,種群中部分個體雌花的終花期要比雄花的終花期晚6—7d(圖1和圖2),這可能會造成部分雌花由于缺乏花粉而不能正常受精,具體機理尚有待于進一步研究。

意大利蒼耳于2012年在新疆被首次記錄[15],現已廣泛分布于博州、伊犁、塔城、額敏、阿勒泰、石河子、昌吉和烏魯木齊等北疆地區,而且有進一步向南疆擴張的趨勢。外來入侵植物是否能夠成功入侵,主要取決于生境的可入侵性(invisibility)與物種自身的入侵力(invasiveness)[26-28]。生境的可入侵性取決于生境的非生物環境及生物環境對入侵的抵抗力[29-30],而入侵力則主要取決于該物種自身的生物學特性,對入侵、生存和擴展極為重要。本研究表明超長的花期、大量的雌雄花序及花粉數量、較強的花粉活力、較長的柱頭可授期、較遠的花粉風媒散布距離、混合交配系統、以及較高的結實率是意大利蒼耳繁殖成功的重要保障,也是其成功入侵的重要原因。

本文僅對新疆石河子地區開展了意大利蒼耳繁殖生態學特性的研究,對于其他種群材料以及與其原產地種群繁殖生態學特征的比較有待深入研究。

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