毛狀副冠對高山植物喉毛花的適應意義

張嬋 張新 米兆榮 黃雨晗 馬劍敏

摘 要： 高山地區生境極端，卻擁有許多形態特化的植物，非生物因素在塑造花部性狀及其進化過程中發揮著重要作用。該研究選取龍膽科典型高山植物喉毛花（Comastoma pulmonarium）為對象，探究其毛狀副冠在多雨、強輻射的極端高山環境中的適應意義及其對植物雌雄繁殖適合度的影響。結果表明：通過比較自然狀態和人工去除副冠的花，毛狀副冠有效減少了雨水對花粉的沖刷（t=2.61，P<0.05），提高了受精比率（t=2.05，P<0.05），但是對種子的質量，即種子重量和種子萌發率的影響不顯著。另外，花粉浸泡在蒸餾水中后，其萌發率顯著低于蔗糖溶液中（t=30.67，P<0.001），表明毛狀副冠能夠有效減小雨水浸泡對花粉活力的影響；同時，與自然狀態相比，去除毛狀副冠后的花，經太陽暴曬后，其花粉萌發率同樣極顯著地降低（t=9.89，P<0.001），表明毛狀副冠有效地避免了太陽輻射對花粉質量產生的不利影響。該研究結果表明喉毛花的毛狀副冠結構是應對高山惡劣環境的一種適應策略，對植株的雌性和雄性繁殖成功都具有重要意義，從而進一步證實了非生物因素在植物花部特征演化中的重要作用。

關鍵詞： 高山環境， 喉毛花， 毛狀副冠， 繁殖適合度

中圖分類號： Q948

文獻標識碼： A

文章編號： 1000-3142（2018）02-0153-06

Adaptive significance of hairy corona to an alpine plant Comastoma pulmonarium

ZHANG Chan1， ZHANG Xin1， MI Zhaorong2， HUANG Yuhan1， MA Jianmin1*

（ 1. College of Life Sciences， Henan Normal University， Xinxiang 453007， Henan， China； 2. Farmland Irrigation Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang 453003， Henan， China ）

Abstract： Despite of the harsh environmental conditions， alpine regions have very specialized and diverse plants. Abiotic factors play important roles in the formation and evolution of floral traits of these alpine plants. In this paper， the hairy corona of alpine plant Comastoma pulmonarium was studied to explore the evolutionary and adaptive significance of this distinctive floral structure in the extreme alpine environment and its effects on plant reproductive fitness. The results showed that in artificially corona removed flowers， pollen grains in anthers （t = 2.61， P<0.05） and fertilization rate （t=2.05， P<0.05） decreased greatly after rain-wash. However， there were no significant differences of the seed weight and seed germination rate between artificially corona removed flowers and control flowers. Additionally， pollen germination rate reduced significantly due to water immersion （t = 30.67， P<0.001） and direct exposure to sunlight （t = 9.89，P<0.001）， indicating that hairy corona could maintain viability of pollen grains in front of rain immersion and intense solar radiation. This study indicates that the hairy corona of C. pulmonarium has adaptive significance for both male and female reproductive success in the harsh environment of alpine regions， and further confirms selection on the flower morphology of alpine plants by abiotic factors.

Key words： alpine environment， Comastoma pulmonarium， hairy corona， reproductive fitness

自然界中花部特征的多樣性及其進化反映了植物對生長環境的長期適應與響應，是權衡了多種選擇壓力的結果（Brown，2002）。以往的研究更多地關注傳粉者對花部特征的選擇壓力（Darwin，1859；Fenster et al，2004），然而溫度、濕度、降水和光照等非生物因素在塑造花部性狀及其進化過程中同樣發揮重要的作用（王赟，2009）。尤其在環境惡劣的高海拔地區，具有氣候多變、晝夜溫差極大、暴雨頻發、紫外輻射強等不利于植物生長的環境因子，因此高山植物的花部特征通常表現出對環境高度特化的響應（彭德力等，2012）。

目前，研究最多的非生物因素之一是雨水。雨水會沖刷掉花藥和柱頭上的花粉、降低花粉萌發力以及稀釋花蜜濃度，從而影響植株的繁殖適合度（Huang et al，2002）。防雨的花部機制有多種表現形式，如在多雨的生境下很多植物會形成下垂花冠，有效地避免了雨水的傷害（Tadey & Aizen，2001；Huang et al，2002；Aizen，2003）；低溫誘導的暫時性花閉合現象，也是對高山夏季暴風雨頻繁發生的適應機制（Bynum & Smith，2001；He et al，2005）；再如珙桐（Davidia involucrata）宿存的花苞片能夠有效地減少降雨時花粉粒的損失（Sun et al，2008）。

除了雨水，太陽輻射也會嚴重降低花粉活性（Demchik & Day，1996；馮虎元等，2002），尤其在高山環境中，隨著海拔高度上升，太陽輻射越來越強烈，植物也相應地演化出不同的花部結構以適應強烈的太陽輻射。如Zhang et al（2014）通過對橫斷山脈的 42 種高山植物兩種不同花結構特征研究表明，花藥暴露型的植物與花藥被花部結構保護型的植物相比，其花粉對紫外輻射的敏感性較低，這證明紫外輻射對高山植物花部的形態演變具有重要作用。花的特殊結構或形態可以保護敏感的花粉遠離太陽輻射帶來的傷害，如鈴鐺子（Anisodus luridus）和賽莨菪（A. carniolicoides）下垂的花冠能有效保護花藥上的花粉既不受雨水的沖刷，也不受強烈太陽輻射的照射，對維持花粉數量和花粉活力都有重要意義，能顯著提高植株的雄性適合度（王赟，2009）。

傳粉者與非傳粉者因素在塑造花部特征及其進化過程中都發揮重要作用，但當非傳粉者因素與傳粉者產生的選擇壓力同向時，非傳粉者因素產生的影響常被傳粉者掩蓋，進而被研究者忽視（Strauss & Whittall，2006）。本研究選取的對象高山植物喉毛花（Comastoma pulmonarium）在海北地區完全通過自交方式繁殖（Zhang et al，2011），因此可以排除傳粉者選擇壓力的干擾，從而為準確評價非傳粉者因素在花部特征演化中的作用提供一個理想的研究材料。喉毛花是龍膽科一年生植物，其花冠裂片基部有一圈特殊的白色毛狀副冠，完全封蓋住冠筒口，是龍膽科喉毛花屬極為特化的花部特征，其生態功能未見報道。喉毛花開花時間主要集中在6—8月，正值青藏高原地區夏季暴雨頻發、太陽輻射最為強烈的時期，排除傳粉者的選擇壓力，我們推測該毛狀副冠結構可能對其適應高山環境有重要意義。因此，本研究選取喉毛花為研究對象，重點回答以下兩個問題：（1）毛狀副冠對高山極端環境（如頻繁降雨和強烈太陽輻射等）有何適應意義？（2）毛狀副冠對喉毛花雌雄繁殖適合度分別有何影響？

1 材料與方法

1.1 研究地點

本研究于 2016年7—8月，在中國科學院海北高寒草甸生態系統定位觀測站（以下簡稱海北站）（101°12′—101°23′ E，37°29′—37°45′ N）附近開展。海北站位于青藏高原東北部祁連山谷地，海拔3 200～3 600 m，屬于高原大陸性氣候，年內沒有絕對無霜期，年極端最高氣溫和最低氣溫分別為27.6 ℃、-37.1 ℃，年降雨量在426～860 mm，其中80%的降水集中在5—9月。海北站附近的植被類型為青藏高原典型的地帶性植被，有以金露梅（Potentilla fruticosa）為建群種的高寒灌叢草甸和以矮嵩草（Kobresia humilis）或高山嵩草（K. pygmaea）為建群種的高寒嵩草草甸（李英年等，2004）。

1.2 研究材料

喉毛花是龍膽科喉毛花屬的一年生草本植物，主要生長在海拔3 000～4 800 m范圍內，花單生莖頂或枝頂，主花軸通常產生數個側枝。喉毛花的花冠呈管狀，裂片基部有一圈白色毛狀副冠，開花時全部副冠向心彎曲，封蓋住冠筒口，將雄蕊和柱頭完全遮蓋在花冠筒內。雄蕊5個，著生于花冠筒上。果實為蒴果，種子小，表面光滑。在海北站地區喉毛花主要通過自交產生種子，并且存在嚴重的近交衰退（Zhang et al，2011）。

1.3 研究方法

1.3.1 對雄性適合度的影響

1.3.1.1 雨水沖刷對花粉數量的影響 隨機選取并標記40個植株的頂花花蕾，平均分為兩組，一組在花剛剛開放時，將毛狀副冠去掉；一組保持自然狀態作為對照。喉毛花的單花花期為4～5 d，雄先熟，散粉期為2～3 d，在各株頂花開花散粉后注意觀察，若在花期第2 天18：00前經歷大于1 h的較強降雨過程則計入最后數據，否則需重新標記并處理新的頂花花蕾。經歷降雨的40朵頂花花蕾在花期第2天18：00，用鑷子摘取5枚雄蕊，分別放入裝有1 mL FAA（福爾馬林∶乙酸∶無水乙醇=5∶5∶90）的離心管中固定，帶回實驗室。室內加入少量的洗滌劑和70%的乙醇定容到2 mL，將其充分搖勻，使剩余花粉完全分散在溶液中。然后，用微量移液器取5 μL至載玻片上，在顯微鏡下統計花粉數目，計數重復10次，計算每朵花的平均剩余花粉數量。

1.3.1.2 水浸泡對花粉質量的影響 隨機選取并標記50朵即將開放的頂花花蕾，當花開始散粉后，每朵隨機摘取1枚雄蕊，平均分為2組。一組的25枚雄蕊分別放入裝有10%蔗糖溶液的離心管中，另一組的25枚雄蕊分別放入裝有蒸餾水的離心管中。兩組花粉粒萌發8 h 之后，在顯微鏡下觀察萌發情況，對花粉粒總數和萌發的花粉粒數目分別進行統計，最后計算兩組處理相應的花粉萌發率。

1.3.1.3 太陽輻射對花粉質量的影響 隨機選取并標記50朵即將開放的頂花花蕾，平均分為兩組，一組在花剛剛開放時，將毛狀副冠去掉；一組保持自然狀態作為對照。當花開放并散粉后，待太陽直接照射 5 h 后，每朵花隨機摘取一枚雄蕊，分別放入裝有10%蔗糖溶液的離心管中。兩組花粉粒萌發8 h 之后，在顯微鏡下觀察萌發情況，對花粉粒總數和萌發的花粉粒數目分別進行統計，最后計算兩組處理相應的花粉萌發率。

1.3.2 對雌性適合度的影響

1.3.2.1 受精比率 由于喉毛花的敗育種子在果實成熟時會消失而難以統計結籽率，但是其未受精的胚珠和受精胚珠可以清晰區分，因此用受精比率代替結籽率加以統計。首先，隨機選取并標記40個植株的頂花花蕾，平均分為兩組，一組在花剛剛開放時，將毛狀副冠去掉；一組保持自然狀態作為對照。開花兩周后，摘取各株頂花花朵，帶回實驗室內解剖每朵花的子房，在顯微鏡下分別統計子房內的發育胚珠數和未發育胚珠數，并據此計算受精比率（受精比率=發育胚珠數/總胚珠數）。

1.3.2.2 種子重量 隨機選取并標記40個植株的頂花花蕾，平均分為兩組，一組在花剛剛開放時，將毛狀副冠去掉；一組保持自然狀態作為對照。待各株的頂花果實發育成熟后，采集分裝在紙袋內帶回實驗室，將各組種子在陰涼通風處自然干燥一個月，然后用萬分之一電子天平稱量每組的種子重量。稱量時每100 粒為一個單位，每組重復稱量15次。

1.3.2.3 種子萌發率 種子稱量結束后，先將兩組種子在-20 ℃ 冰箱內進行春化處理。1個月后，在24 ℃的人工氣候培養箱內進行萌發試驗。每組種子隨機挑選20個放到直徑為6 cm的小培養皿上，培養皿表面包裹濕潤的濾紙，每組做3個重復，隨后將這3個小培養皿放到直徑為15 cm的大培養皿中，在大培養皿底部保持加入少量的水。每天對每個小培養皿上的萌發種子數（以胚根長度>0.5 mm 時記作萌發）進行統計，一天統計2次并把發霉的種子及時移出培養皿，且要記錄數量。若萌發的種子數連續5 d沒有增加，則停止試驗并計算種子的萌發率。

1.3.3 數據統計 利用SPSS 16.0 for Windows軟件進行平均值和標準誤的計算，用獨立樣本t檢驗（Independent t Test）比較兩組數據之間的差異性。

2 結果與分析

2.1 對雄性適合度的影響

2.1.1 雨水沖刷對花粉數量的影響 去副冠的花與自然狀態相比，其剩余花粉數顯著降低（表1）。

2.1.2 水浸泡對花粉質量的影響 在蒸餾水中浸泡了8 h的花粉萌發率低于在10%蔗糖溶液中浸泡相同時間的花粉萌發率，達到了極顯著差異水平（表2）。

2.1.3 太陽輻射對花粉質量的影響 去副冠的花與自然狀態相比，其花粉在10%蔗糖溶液中浸泡8 h的萌發率極顯著地降低（表3）。

2.2 對雌性適合度的影響

去副冠的花與自然狀態相比，其受精比率顯著降低，但種子重量和種子萌發率差異不顯著（表4）。

3 討論與結論

高山帶降水事件頻發并伴隨著降溫，防雨策略對高山植物的繁殖成功具有重要意義。雨水會沖刷掉花藥和柱頭上的花粉（王赟，2009），對花粉粒造成不可逆的損傷（Corbet & Plumridge，1985；Jacquemart，1996），以及阻止花粉在柱頭上的萌發（Bynum & Smith，2001），從而最終降低植物的繁殖適合度。例如，Bynum & Smith（2001）研究結果表明，雨水通過沖刷柱頭花粉而明顯降低了高山龍膽（Gentiana algida）的種子產量和質量。去除喉毛花的毛狀副冠后，其剩余花粉數顯著降低，另外，花粉浸泡在蒸餾水中后，其萌發率顯著低于蔗糖溶液中。這表明，失去了毛狀副冠的保護，雨水不僅會沖刷掉花藥和柱頭上的花粉，而且雨水的浸泡會極顯著降低柱頭上花粉的萌發率，兩者的共同作用進一步導致胚珠的受精比率顯著降低，但是對種子的質量，即種子重量和種子萌發率的影響不顯著。以上結果表明，在多雨的高山環境中，喉毛花的毛狀副冠有一定的防雨功能，能夠顯著提高植物的雄性和雌性繁殖適合度。

此外，與自然狀態相比，去除毛狀副冠后的花，經太陽暴曬5 h后，其花粉在蔗糖溶液中的萌發率同樣極顯著地降低。前人研究表明，大部分物種的花粉粒對溫度都極其敏感，因此，高溫暴曬可能導致花粉粒失水過度，從而使花粉活力嚴重受損（Speranza et al，1997；Heslop-Harrison，2000）。此外，花粉活力的降低還可能與高原強烈的紫外輻射有關，紫外輻射對花粉粒的萌發以及花粉管的生長都有明顯的抑制作用（Torabinejad et al，1998；馮虎元等，2002），而且夏季正值青藏高原地區紫外輻射最強的時期（祝青林等，2005）。雖然本研究并不能確定太陽輻射后花粉活力顯著下降的具體原因，但喉毛花的毛狀副冠確實有效地避免了太陽輻射對花粉質量產生的不利影響。

在植物生長的各個階段中，繁殖期對環境最為敏感（孫儒泳等，2002），高山植物生長季短，大部分植物的花期集中在6—8月，而此時頻繁且不可預測的降雨以及強烈的紫外輻射是青藏高原地區的典型氣候特征，嚴酷的環境嚴重影響了植物的繁殖適合度。本研究表明，喉毛花的毛狀副冠結構是應對高山惡劣環境的一種適應策略，有利于維持花粉數量和花粉質量，從而進一步提高了胚珠受精比率，對植株的雌性和雄性繁殖成功都具有重要意義。目前，本研究僅在一個生長季內的一個喉毛花居群內開展，然而高山生態環境因子在不同時間和不同空間內可能存在很大變異，因此，在今后的研究工作中，應該涉及同一年內的多個居群或者同一居群的不同年份，從而對高山植物特殊花部結構的進化意義進行更為全面而準確的評價。

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