艾洪莲，罗庆辉，王文祥，杨曼思,字淑慧，何 隽,*

(1中南民族大学 药学院，武汉430074；2云南农业大学 农学与生物技术学院，昆明 650201)

药用植物直缘乌头花部特征和繁育系统研究

艾洪莲1，罗庆辉2，王文祥2，杨曼思2,字淑慧2，何 隽1,*

(1中南民族大学 药学院，武汉430074；2云南农业大学 农学与生物技术学院，昆明 650201)

为研究药用植物直缘乌头的有性繁殖特性，分别采用TTC法和联苯胺-过氧化氢法检测了花粉活力和柱头可授性，对其开花动态和传粉昆虫进行了观察，并通过人工授粉确定了其繁育系统类型. 结果表明：直缘乌头自交不亲和，属于专性异交(异花授粉座果率87%)；单花期为7～9 d，花粉活力在开花第3 d达到最大值；柱头可授性在开花第6 d最强，属于雌雄异熟；在花药散粉结束、花丝向四周弯曲远离柱头后，雌蕊才能展现出来，表现为雌雄异位. 中华蜜蜂和熊蜂为主要传粉昆虫，访花频率分别为7.4次/(花/h)和4.6次/(花/h)，两者取食花蜜的方式不同，但访花行为均是由下而上(96%). 因此，直缘乌头独特的雌雄异位和雌雄异熟共同存在的机制与传粉昆虫访花行为的协同进化有效避免了性别干扰，促进异交.

直缘乌头；雌雄异熟；雌雄异位；繁育系统；性别干扰

花是被子植物的繁殖器官，比所有其他类群有机体的繁殖器官都表现出更高的变异性[1]. 花多样性影响植物的传粉和交配格局，其适应意义一直是植物生殖生态学和进化生物学研究的热点之一. 自达尔文以来，花多样性，尤其是雌雄异熟和雌雄异位的适应意义大多被认为是促进异交、避免自交的作用机制[2]. 然而，由于许多具有雌雄异位或雌雄异熟的植物具有自交不亲和性，因此白伟宁和张大勇[3]用性别干扰理论解释了各种花部性状的适应意义，并强调通常被解释为避免自交的花部机制实际上更可能是为了避免性别干扰.

直缘乌头(AconitumtranssectumDiel)又名小黑牛、大草乌，属毛茛科(Ranunculaceae)乌头属(Aconitum)植物，主要分布在云南西北部[4].根有大毒.药用治疗跌打损伤、关节炎、神经性疼痛、中风瘫痪、胃肠炎、月经不调等疾病. 直缘乌头含有生物碱成分，是工业生产草乌甲素的原料[5]. 近年来，随着市场需求的不断增长，直缘乌头被过度采挖，野生居群正在急剧减少，人工种植直缘乌头成为解决这一困境的有效办法之一.目前人工栽培乌头主要以根状茎无性繁殖为主，但是无性繁殖后代之间的遗传同一性和生理趋同性使得疾病更易传播，而且导致种群遗传多样性下降[6]. 有性繁殖则通过异交产生了较高的遗传多样性，维持了其繁殖活力、抗病虫害和适应环境变化的能力[7]. 因此，研究直缘乌头的有性繁殖特性，对保证该物种的遗传多样性、环境变化的适应性等具有重要的现实意义.

1 材料与方法

1.1 实验材料

直缘乌头的野生植株，2013年10月下旬从云南丽江高山植物园移栽在云南农业大学后山种植基地，2014年9月及2015年8～10月份对直缘乌头进行了观察和实验.

1.2 研究方法

1.2.1 开花动态

随机选取位于不同植株上的10个花序做标记，观察记录花序的开花顺序. 选择每个花序上位于中间部位的花蕾进行标记，每株选取2朵，共观察20朵花. 每天10:00～17:00记录花的状态，包括花雌雄蕊位置变化及单花花持续期、雄性(蕊)持续期和雌性(蕊)持续期.

1.2.2 花粉活力和柱头可授性检测

在盛花期标记即将开放的花并套袋至单花期结束. 用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定花粉的活力和寿命，用联苯胺-过氧化氢法测定柱头的可授性[8]，每个处理选取5朵花.

1.2.3 繁育系统检测

为避免资源分配而引起的结实率差异，随机选择位于不同花序中间位置的花，分别做如下处理：(1) 套袋：隔离访花昆虫；(2) 去雄套袋：在开花前去雄；(3) 人工异株异花授粉：在开花前去雄，盛花期进行1～2次授粉，花粉采自距离10 m以外直缘乌头的新鲜花粉；(4) 人工自花授粉：盛花期用该花的新鲜花粉授粉到自花柱头；(5) 人工同株异花授粉：盛花期用该植株上其他花的新鲜花粉授粉到自花的柱头上；(6) 自然对照. 处理(1)～(5)整个花期套袋. 每种处理30朵花. 一个月后果实成熟但未裂开时收集果实统计座果率.

1.2.4 传粉昆虫观察

盛花期，在实验样地选取10株开花集中的直缘乌头对其开花数量进行统计. 2015年9月6～8日连续3 d在10:00～17:00期间观察记录传粉昆虫的种类及其传粉频率. 记录其在花序上的访问顺序及在植株上的访问行为. 观察结束后捕捉主要的传粉昆虫进行鉴定.

2 实验结果

2.1 直缘乌头的开花动态及其花部特征

直缘乌头开花顺序为花序基部先开，依次向上开放. 整个居群花期为八月下旬到九月下旬，单花持续期为7～9 d (图1A-G). 花蕾期花丝较短花药紧贴柱头周围. 花萼开裂后，花丝开始伸长，当花药位于柱头上方时，花药开裂散出花粉. 散粉结束花丝弯曲并远离柱头，此时花柱伸长，柱头具有可授性. 单花雄蕊数目为58.5+12.5(N=20)，开花第1 d少量花药散粉，第3 d花药开裂数量最多，随之减少，雄蕊持续期为6 d. 单花雌蕊数目65+23.2(N=20)，开花第3 d花柱伸长，柱头表面潮湿具有可授性，雌蕊持续期为8 d 左右.

A-G：开花动态，A-D为雄蕊持续期，E-G为雌蕊持续期；H熊蜂访花行为，I中华蜜蜂访花行为图1 直缘乌头开花动态及其传粉者Fig. 1 Flowering phenology and pollinators of Aconitum transsectum

2.2 花粉活力和柱头可授性

由图2a可知，直缘乌头的花药成熟规律与其花粉活力成正比，开花前3 d散粉的花药占单花总数60%以上，第3 d成熟花药数目最多. 开花当天，花粉活力47.40%，开花第3 d花粉活性最强高达91.56%，第4 d为70.72%，而第5 d花粉活力仅15.36%. 花粉活力持续期为5 d(图2).再结合图1可知，花药开裂数目为雄蕊总数的1/2时，花粉活力最强.

a) 每天开裂的花药数目 b)花粉活力图2 直缘乌头花药开裂速率及花粉活力 Fig. 2 The number of anther dehiscence and pollen viability during flowering of Aconitum transsectum

由表1可知，直缘乌头的柱头在开花前3 d被花药覆盖，活性较低，当花药散粉结束花丝弯曲远离柱头时，花柱伸长柱头露出，可授性逐渐增强，开花第6 d柱头可授性最强， 之后活性降低，直到花萎蔫时柱头仍具有微弱的可授性.

表1 直缘乌头柱头可授性检测

注:“ -”柱头不具可授性;“ +”柱头具有可授性; “ +/ ++”柱头具有可授性, 部分柱头可授性较强；“++ ”柱头可授性较强;“+++”柱头可授性最强

2.3 繁育系统

由表2可知，套袋和去雄套袋处理的花都没有产生种子，表明直缘乌头不能进行自花授粉，也不存在无融合生殖现象.

表2 直缘乌头座果率统计

人工自花授粉和人工同株异花授粉处理的花都没有产生种子，而人工异株异花授粉座果率高达87%，因此直缘乌头自交不亲和，繁育系统类型为专性异交. 自然传粉的座果率83%，与人工异株异花授粉的座果率没有显著差异，说明直缘乌头不存在花粉限制现象. 去雄后自然传粉的座果率为63%，低于自然传粉的座果率，可能因为花粉是传粉昆虫的重要报酬，花粉去除后降低了花对传粉昆虫的吸引力度，从而降低了访花频率.

2.4 访花昆虫种类和行为

在实验样地观察发现，熊蜂和中华蜜蜂是直缘乌头稳定的传粉昆虫. 熊蜂访花时口器伸到花瓣顶部的蜜腺取食花蜜，在这个过程中熊蜂的胸部和腹部与散粉的花药或柱头接触完成花粉的输出或输入(图1H). 中华蜜蜂的访花行为不同于熊蜂，由于其体型较小，在访花时，中华蜜蜂从下面花萼的开口处整个身体进入花内，爬行经过花药和柱头后到达花顶部取食花蜜，此过程中其腹部和胸部与花药和柱头充分接触(图1I)，传粉效率高. 中华蜜蜂的访花频率为7.4次/(花/h)，熊蜂的访花频率为4.6次/(花/h). 对20只中华蜜蜂访花行为观察发现，中华蜜蜂由下向上访问的花序占96.7%，而由上向下的顺序占3.3%.

3 结语

直缘乌头的花颜色鲜艳，花萼特化为花瓣状，呈蓝紫色；并且花瓣分泌大量花蜜，具有吸引昆虫的特点，是典型的虫媒花. 直缘乌头花开放时花药首先散粉，雄蕊先熟. 已有研究表明，以异花传粉为主的植物，其花药散粉持续时间主要由昆虫的访问频率决定，如果访花昆虫较少，花药散粉的持续时间延长，同朵花中雌雄性功能将发生时间上的重叠[9]. 然而，在我们的研究中并未发现雌雄性功能重叠的情况. 花粉活力和柱头可授性实验结果表明，直缘乌头的花粉活力在开花后第3 d最强(90%以上)，到第5 d花粉活力仅为15%左右；在开花第6 d柱头可授性最强，因此，直缘乌头雌雄性功能不重叠，属于雌雄异熟. 此外，由于只有在花药散粉结束、花丝向四周弯曲远离柱头后，雌蕊才能展现出来，因此，直缘乌头的花表现为动态式雌雄异位. 雌雄异熟和雌雄异位在毛茛科翠雀族植物中广泛存在[10]，这两种机制的共同存在被认为有效促进了植物的异花传粉并避免了性别干扰[11]. 试验结果显示同株异花授粉和自花授粉处理的花均没有产生种子，而人工异株异花授粉和自然传粉处理的花座果率均较高，说明直缘乌头自交不亲和，是典型的专性异交植物. 因此，直缘乌头中的雌雄异熟和雌雄异位相结合的机制是为了避免性别干扰，而非避免自交.

有研究表明，熊蜂是乌头属植物的主要传粉者[11]. 在实验样地发现熊峰和中华蜜蜂是直缘乌头的主要传粉昆虫. 中华蜜蜂和熊蜂访花时，均由下向上依次访问的访花顺序与其他乌头属植物相同[12]. 直缘乌头为总状花序，雄蕊先熟，传粉昆虫由下向上的访花行为对直缘乌头的传粉具有重要意义. 直缘乌头下方的花比其上方的花期要早，先被访问的花其花粉已经散出，处于雌性功能期，而上方的花正处于雄性功能期，这样的访花行为避免了同株异花授粉所导致的花粉贴现和胚珠贴现. 极大促进了花粉在不同植株间的传播. 因此，直缘乌头特殊的花特征(雌雄异位和雌雄异熟)结合传粉昆虫的访花行为有效地避免了性别干扰，促进了异交的发生.

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Floral Syndrome and Breeding System of Aconitumtranssectum(Ranunculaceae)

Ai Honglian1, Luo Qinghui2, Wang Wenxiang2, Yang Mansi2, Zi Shuhui2, He Juan1

(1 College of Pharmacy, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China;2 School of Agriculture and Biological Technic, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Pollen viability and life-span ofAconitumtranssectumDiel was evaluated by TTC (2, 3, 5-triphenyltetrazolium chloride) test; stigma receptivity was estimated by benzidine-H2O2method. The flowering dynamics, pollination surveys and hand-pollination treatments were conducted on the field. Our results showed thatA.transsectumwas dichogamy and herkogamy. Pollen viability was about 50% at the blooming day with the maximum value 91.56% on the 3th days after flowering and last 5days. Three days after blooming，stigmas were receptive and reached the maximum value of receptivity on the 6th day, and then decreased till flowers wilted. The filament was elongating after flowering and above the stigmas when pollen viability was the strongest, and then the filaments bent and apart from stigmas. The effective pollinators were honeybee andBombussp.. They visited upward on the inflorescence. Controlled hand-pollination experiment showed thatA.transsectumis self-incompatible without apomixy. Results revealed that the combination of floral traits including dichogamy, both the movement of filament and the action of pollinators efficiently enhance outcrossing success.

Aconitumtranssectum；dichogamy；herkogamy；breeding system；sexual interference

2016-06-29 *通讯作者 何 隽，研究方向：民族药用植物化学，E-mail：2015048@mail.scuec.edu.cn

艾洪莲(1981-)，女，讲师，博士，研究方向：民族药用植物学，E-mail: 2015050@mail.scuec.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(31560010)；中南民族大学基本科研业务费专项资金项目(CZY16010)

Q949.95；Q948.12

A

1672-4321(2016)04-0060-04