黄花草木樨种子形成的传粉生物学.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0540梁珍才，韩佳玲，古丽斯旦艾尼瓦尔，张爱勤.黄花草木樨种子形成的传粉生物学.草业科学,2023,40(5):1326-1334.LIANG Z C,HAN J L,GulisidanAiniwaer,ZHANG A Q.Melilotus officinalis seed formation in relation to pollination biology.PrataculturalScience,2023,40(5):1326-1334.黄花草木樨种子形成的传粉生物学梁珍才，韩佳玲，古丽斯旦艾尼瓦尔，张爱勤（新疆大学生命科学与技术学院/新疆生物资源基因工程重点实验室,新疆乌鲁木齐830017）摘要：在有花植物中，因传粉、资源限制或者母本选择，植物常存在“花(胚珠)多果(种子)少”的现象。黄花草木樨(Melilotus officinalis)是一种被广泛种植的优质豆科牧草，具多枚胚珠，但仅形成 12 粒种子，在传粉方面是否存在影响种子形成的因素仍不清楚。为此，对其传粉系统及种子形成过程进行研究。结果表明：黄花草木樨为混合式交配系统类型，无孤雌生殖现象。自交亲和，但不能自动自花授粉，需要借助传粉昆虫。居群 5 月下旬进入初花期，花期 40d 左右，单花期为 11.5d。该植物为泛化的传粉系统，蜂类、蝇类和食蚜蝇为其主要传粉者。自然状态柱头花粉数为 18.19 粒，去雄后柱头花粉数为 6.04 粒，不存在花粉限制。在人工异花授粉条件下，从基部开始，1 号位有 80%、2 号位有 21.8%的胚珠可以发育并形成种子；37 号位的胚珠基本不发育，在授粉后第 4 天开始大量败育。说明黄花草木樨在传粉方面(花粉来源和数目)不存在制约种子产量形成的因素。黄花草木樨这种通过败育绝大多数胚珠而保留个别种子的现象，可能是为了增加种子适合度或种子扩散强度的一种生殖对策，通常是一种由母本调控的种子选择性败育类型。关键词：黄花草木樨；传粉生态；花粉传递；交配系统；胚珠发育；种子形成；母本选择文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)05-1326-09Melilotus officinalis seed formation in relation to pollination biologyLIANGZhencai,HANJialing,GulisidanAiniwaer,ZHANGAiqin(XinjiangKeyLaboratoryofBiologicalResourcesandGeneticEngineering/CollegeofLifeScience&Technology,XinjiangUniversity,Urumqi830017,Xinjiang,China)Abstract:Thephenomenonof“moreflowers(ovules)andfewerfruits(seeds)”oftenexistsinangiospermsduetolimitedpollination,resourceormaternalselection.Melilotus officinalisisawidelycultivatedandhigh-qualitylegumeforage.Itcontainsmultipleovulesbutonly12developintomatureseeds.Itremainsunclearwhetherpollinationplaysaroleinseedformation.Therefore,thisstudywasdonetoinvestigatethepollinationsystemandseedformationprocessofM.officinalis.TheresultsshowedthattherewasamixedmatingsystemtypeinM.officinaliswithoutapomicticreproduction,whichwasself-compatible,butnotautomaticallyself-pollinatedasitrequirestheaidofpollinationinsects.ItwasobservedthatthepopulationbegantobloominlateMay,withflorescencelastingforapproximately40d,andtheopeningofasingleflowerlasting11.5d.M.officinalishadageneralpollinatingsystem,withthemainpollinatorsbeingbees,fliesandhoverflies.The number of pollens on stigmas were 18.19 in the natural state,and 6.04 in the emasculated state,without pollenrestriction.Underartificialcross-pollinationconditions,80%oftheovulesatposition1(observedfromthebaseofpod),and21.8%atposition2developandformseeds.Theovulesatpositions37didnotdevelop,andhadundergonemassive收稿日期：2022-06-28接受日期：2023-02-22基金项目：国家级大学生创新训练计划项目(201910755079)；新疆维吾尔自治区自然科学基金(2021D01C064)第一作者：梁珍才(1999-)，女，甘肃古浪人，本科，研究方向为生物技术。E-mail:通信作者：张爱勤(1970-)，女，河南新野人，教授，博士，研究方向为牧草种子学与繁殖生态学。E-mail:1326-1334草业科学第40卷第5期5/2023PRATACULTURALSCIENCEVol.40,No.5http:/abortionsstartingonthe4thdayafterpollination.Therefore,itwasinferredthattherewerenofactorsrestrictingseedformationintermsofpollination(pollensourceandtheintensityofpollination)inM.officinalis,Thisphenomenonisknownasatypeofseedselectiveabortionbymaternalregulation,whichmaybeareproductivestrategytoincreaseseedfitnessorseeddispersalability.Keywords:Melilotus officinalis;pollinationecology;pollentransfer;matingsystem;ovuledevelopment;seedformation;maternalselectionCorresponding author:ZHANGAiqinE-mail:牧草种子是栽培草地建设和草地改良的重要生产资料，但与农作物相比种子产量很低，其原因除了牧草固有的一些生物学特性如种子产量与育种目标的不一致、较强的野生性和缘于多年生牧草所具有的较低的有性繁殖率等因素外，牧草种子产量主要还受传粉效率低、受精率低、受精后合子败育率高等因素的影响1。如禾本科牧草中即使风媒传粉也只有 60%的小花能够完成传粉和受精过程2。而豆科牧草，因为花结构对传粉者的选择性或“花期不遇”，初花期结实率最低时不到 1%3-4。所以，有效的花粉传递是植物完成授精的前提。当然，授粉后花粉的命运如何，又受多种因素的影响，如在多年生黑麦草(Lolium perenne)中，开花 10d 后20%30%的受精小花败育，21d 后近 50%的受精小花败育5；在刺叶锦鸡儿(Caragana acanthophylla)中即使在优越的授粉条件下，一朵有 14 枚胚珠的单花，最终仅有 23 枚的胚珠发育为种子6。所以，在植物的授粉、受精及受精后胚珠的发育中，每个环节都可能有制约种子形成的因素。传粉是种子植物受精的必经阶段。传粉生物学是研究与传粉有关的各种生物学特性及其规律的学科。通常，人们把有花植物的传粉过程分为 3 个阶段：即花粉从花药中释放的过程；花粉从父系结构(花药)向母系结构(柱头)传送的过程；花粉成功地落置于柱头表面，继而萌发的过程7。在很多豆科植物中，因为雌/雄蕊被包裹在龙骨瓣内，其特殊的花结构对传粉者具有较强的选择作用，如在紫花苜蓿(Medicago sativa)中，很多小型传粉昆虫因为打不开龙骨瓣而成为无效的传粉者8。所以，植物传粉生物学的研究对于深入探讨种子产量形成的因素具有重要意义。黄花草木樨(Melilotus officinalis)为一年生或二年生草本，具有抗旱、耐寒、耐盐碱等特点，在生态恢复中能起到很好的防风固沙、保持水土的作用，还具很好的绿肥和固氮性能9-10。前期调查发现，黄花草木樨的子房可产生 67 枚胚珠，但是只有基部的 12 枚胚珠能发育为种子，其余的胚珠则全部败育11，这成为影响种子产量的重要制约因素。目前，关于黄花草木樨的研究主要在种子学11、栽培学12、抗逆性13、种群遗传多样性14等方面。与种子产量密切相关的传粉生物学的研究还不曾有文献涉及。为此，本研究拟用传粉生物学研究的相关原理与方法对黄花草木樨的开花习性、雌/雄蕊生长动态、传粉者种类及传粉模式、交配系统、种子形成过程等内容进行研究，以探讨传粉方面影响种子形成的因素。1 材料和方法 1.1 研究材料研究材料黄花草木樨高 6070cm，茎直立，多分支，羽状三出复叶，总状花序腋生，花冠黄色。子房卵状披针形，荚果卵形，种子 12 粒。研究居群位于乌鲁木齐市近郊华尔沟的一个自然分布区(闲置地)，43447.52N，873753.85E，海拔 900950m。该区域年平均气温为 413，平均降水量为 310.8mm。全年日照时数 3000h，属于中温带大陆性干旱气候。1.2 研究方法1.2.1 开花物候与开花习性参照张爱勤等8的方法，以 10%植株开花为初花期，50%植株开花为盛花期，30%植株开始结荚为结荚期。从 4 月上旬到 7 月对黄花草木樨进行连续观测，确定黄花草木樨的物候期。同时，在盛花期，对随机选定的 10 个植株上标记一定数量的花序及单花，用以观察花序的开放动第5期梁珍才等：黄花草木樨种子形成的传粉生物学1327http:/态和单花的开放特点。其中，花序开放动态的观察：从第 1 朵单花开放开始，每天记录花序上新开放花的数目和花序持续开放的时间。单花开放特点的观察：主要记录标记花的开放时间，散粉时间及闭合时间等。1.2.2 雌/雄蕊高度的变化动态在自然居群中，随机标记 15 个植株，每株随机选取开花前 23d、开花前 1 天和开花后第 1 天(开花当天)3 个不同发育阶段的花各两个，对其雌/雄蕊长度进行测量，统计不同生长阶段的雌/雄蕊高度及高差。测量工具为游标卡尺(精度 0.02mm)。1.2.3 传粉者类群、访花频率及散粉动态传粉者类群及访花频率：在盛花期，选取一定数量的开花植株，在每株上标记一定数量当天开放的花，从 08:00 至 20:00，在不同的时间段进行传粉者种类、行为及访花动态的观察，记录标记花的被访次数，计算访花频率。散粉动态：盛花期，在自然居群中随机标记30 个植株，每株标记 7 个花苞，分别在开花前 1d、开花后第 1 天的 09:00、12:00、15:00、18:00、20:00 及开花后第 2 天