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桔梗传粉的生物学研究【摘要】 目的对桔梗传粉的生物学特性进行了观察研究，确定桔梗的开花动态特征及其传粉方式，为桔梗规范化生产提供依据。方法采用挂牌标记定株观察开花习性和传粉昆虫访花行为，人工控制授粉测定花粉和柱头可受性。结果桔梗Platycodon grandiflorum (Jacq.) 花期从6月底到8月下旬，单株花期约41 d，单株花粉50110朵，单花花期一般为23 d，当遇到低温天气时，单花花期延长至34 d。在田间条件下，桔梗花粉受精活力可保持2 d，花后3 d花粉已完全失去受精活性；开花当天至花后3 d柱头可受性逐渐升高，之后开始下降，呈单峰曲线变化。花冠和花蜜对授粉昆虫具有较强的招引作用，而柱头和花粉的招引作用似乎不明显。结论这些规律的研究为桔梗规范化栽培和良种繁育提供了理论依据。【关键词】 桔梗； 开花生物学； 结实率； 传粉Abstract：ObjectiveIn order to provide more reason foundation for building the GAP(Good Agriculture Process) of Platycodon, we observed the flowering characteristics of dynamic state and its pollinatingthe flowering season, we observed the continuous time on the behaviour of the petals opening and the habit of the pollinators. The pollen viability and the stigma acceptability were measured by the artificialto our observation, flowering of Platycodon took place from late June to late August. The flowering period of individual lasted on average 41 d, and there were 50110 flowers in a single individual. Anthesis of a single flower lasted 23 d, however, prolonged to 34 d when it was a low temperature. Field experiments indicated that pollen vibability of Platycodon lasted to 2 d, it would absolutely lose fertilization ability three days after petals opening. Stigma acceptability gradually rise to last out 3 days after the petals opening, subsequently started to decline, the fluctuation of stigma acceptability was single peak curve. Many insects pollinated Platycodon. The effective and frequent pollinators were honeybee and scoliid, which visited the flowers mostly for nectar. Petal and nectar may be a advertisement in attracting pollinators, however, stigma and pollen were indistinctive in attractinglaws provide more reason foundation for breeding of high-quality seed and standardized cultivation of Platycodon.Key words：Platycodon grandiflorum; Flowering; Fructification percentage; Pollination 桔梗Platycodon grandiflorum(Jacq.)属于桔梗科、桔梗属，为多年生双子叶草本植物，是一种药、食、赏兼用植物。桔梗根部入药，其主要活性成分是皂苷，具有镇咳、抗炎、降血压、降血糖、减肥、抗肿瘤、提高人体免疫力等广泛的药理活性。桔梗嫩苗、根均可食用，在我国东北地区以及日、韩、朝等东亚国家是一种常见蔬菜，具有很高的营养价值。桔梗花期长，花色鲜艳，有紫色、白色、黄色和粉色等多种；花冠钟形，合瓣花，近年还发现漏斗形花冠桔梗和重瓣桔梗2个变种，提高了桔梗的观赏价值。 目前国内外对桔梗的研究主要集中在栽培技术、药物有效成分、制药及疗效等方面1,2，但桔梗生物学研究报道较少，仅杨美全等35对桔梗的花芽分化、雄配子体发育和雄性不育性进行了研究，李今等6研究了桔梗自交亲和性问题，认为桔梗柱头上异花花粉较少是天然授粉结实率低的主要原因，而魏建和等7认为自交结果率低的原因是雌雄蕊异熟。本文对栽培状态的桔梗居群进行传粉生物学研究，旨在探讨其传粉生物学特性及其繁育系统，为桔梗新品种选育和良种繁育工作提供科学依据。1 材料与方法1 植物和观察地点 试验材料 研究材料为陕西省商州市境内的沙河子植物药园2年生桔梗居群，200503播种，200604移栽，68月花期间观察研究。 观察地点 该植物药园位于北纬，东经，地处秦岭南坡受东南季风影响，降水丰富，年平均降水量 mm，平均海拔722 m，砂壤土。最热为7月，平均气温24 ，最冷为1月，平均，年平均气温 。绝对无霜期为180 d左右。2 开花生物学特性的观察开花前从桔梗居群中随机选取10个单株进行标记，从始花开始至终花结束，每天6:30分别记录标记单株每日开花数和单株开花总数。 于花期选择20朵次日将开放的花蕾挂牌标记，观察单花开花习性。次日6:3018:30每隔2h观察记录每朵花的柱头位置、花药开裂时间、花冠的形态变化。3 花粉活力与柱头可受性的检测 花粉活力测定 开花时在健壮植株上选择即将开放，但还未散粉的花蕾200朵去雄，分别授以当天新鲜花粉、花后1，2，3，4 d不同活力的花粉，同一活力花粉授4050个柱头，授粉后套袋防止串粉，并挂牌标记，10 d后去除纸袋，成熟时考察结果数、饱满粒数和瘪粒数，并计算结果率和结籽率。 结果率(%)=获得的果数/授粉花朵数100% 结籽率(%)=饱满粒数/100% 柱头可受性的检测 于花期在生长良好的桔梗单株上，选择即将开放花蕾300朵去雄，分别于开花当日至花后6日，每日选择4050个柱头授以当日新鲜花粉，授粉后套袋挂牌标记，成熟后统计结果数、饱满粒数和瘪粒数，并计算结果率和结籽率。4 单花花粉量、胚珠数和花粉/胚珠比率测定分别随即选取即将开放的花蕾各10朵，每株采1朵，固定于FAA中，带回实验室备用。从花中取下花药，用 ml/L HCl软化花粉壁。然后细心的解剖花药，将花粉全部移入1个有刻度的离心管，用蒸馏水定容至4 ml。在振荡器上振荡2 min后，用移液枪吸取1 l的花粉液于载玻片上，在显微镜下观察并统计花粉数，每个花药重复5次。将子房置于在载玻片上，将胚珠从胎座中解开，观察并计数。每朵花的花粉/胚珠比率用其花药中的花粉数除以其子房中的胚珠数得出。5 访花昆虫及其行为观察随机标记当天开放的花朵20朵，从8001100观察、统计每标记的花朵上各种访花昆虫的数量，对每种昆虫的访花行为进行摄影、描述，连续观察23 d，重复3次。记录在每花的访花动物的种类、访问次数、停留时间、同一访问者一次访问花数和株数，并捕捉昆虫作为凭证标本。6 花部特征对传粉昆虫的招引作用的检测为了检测桔梗花部特征对昆虫的招引作用，我们设置了完整花对照、去花瓣、去雄、去柱头和吸净花蜜5种处理，每处理检测13朵花，重复5次。并观察传粉昆虫的访问频率。2 结果开花生物学特性花形态特征 桔梗花单生或数朵呈疏生的总状花序，两性花；花萼钟状，裂片5；花冠阔钟形合生5裂，大小为 cm cm，裂深约 cm，花色有紫、白、粉3种，花瓣具清晰脉纹；子房中下位，5室，卵圆形，长约 cm，宽 cm；柱头棒状紫色，密被白色柔毛；雄蕊5枚，与花冠裂片互生，长 cm，花药黄色4室，长 cm，花丝白色，下端膨大成盾片状，长 cm，内侧被白色绒毛；成熟花粉卵圆形，被呈正六边形半透明的物质包裹。开花物候期 2006年沙河子植物药园2年生桔梗居群，始花期6月29日，初花期6月307月10日，盛花期7月10日8月12日，终花期为8月12日8月24日。单株花期约为41 d，开花的次序为植株顶部花蕾最先开放，在分枝上一般也是顶部花蕾先开，单株总花数为50110朵，一般为6080朵；单株每天开07朵花，通常为14朵。单花花期一般为23 d，当阴天低温可延长至34d。夏季晴天，花蕾一般在上午6:0010:30陆续开放，若遇阴天低温，开花时间延迟到8:0011:30，也有些花蕾在黎明6:00以前，但很少花蕾在午后开放。一般花冠开放后12 h开始散粉，24 h大量散粉，花后1d雄蕊开始枯萎，散粉结束。偶尔可观察到在花冠刚开放时，已有少量花粉从药室中散出。桔梗开花后柱头的变化 花蕾刚开放时，柱头被5枚雄蕊紧紧包裹，也有的柱头顶部微露。花后6 h花丝开始逐渐离开柱头。柱头为浅紫色棒状，表面密被白色柔毛。花后1 d，柱头白色柔毛开始减少，花后2 d被毛消失，柱头表面变得光滑，紫色加深，柱头微裂；花后3 d，柱头5裂，裂片向下卷曲；到花后5d时，柱头失始逐渐干萎。花粉活性、柱头可受性变化花粉活性 以结实率、结籽率情况表示待测花粉或柱头活性高低；结实率和结籽率高，说明待测花粉或柱头活性高，反之亦然。由图1可知，花粉活力随花后时间增加而迅速降低。开花当天花粉活力最高，花后1 d已有%的花粉失去活力，2 d花粉活力下降了%，到3 d时结籽率为0，花粉已完全失去受精活力。因此在田间条件下2 d内的花粉具有受粉活性。柱头可受性变化 由图2可以看出，随着花后时间的增加，柱头可受性呈单峰曲线变化，即先逐渐升高，达到最大后开始下降。开花当天和花后1 d的柱头其授粉结籽率分别仅为%和%，花后2 d，结籽率迅速升高到%，至3 d结籽率达到最大为%，此时待测柱头授粉活性也最高；之后待测柱头授粉结籽率开始逐渐下降，到第6天时已降到%。图1 花粉活力变化图2 柱头可受性变化单花花粉量、胚珠数和P/O桔梗单花花粉量平均为146 880，胚珠数枚，P/O较高，为。较高的P/O可能与桔梗花粉寿命仅1 d，且散发时间较短有关，较多的花粉量可以增加花粉输出量和提高传粉受精的机会，缓解花粉散发时间的不足。图3 桔梗花及其访花者访花昆虫及行为访花昆虫 桔梗的访花昆虫主要有，土蜂、蜜蜂、熊蜂、木蜂、黄蜂、蝶类、蝇类等共有十几种昆虫，其中访花频率较高、较稳定的访华者仅有土峰和蜜蜂，熊蜂和木蜂次之，其它访花者少见或偶见。土蜂和蜜蜂采花均从花冠正前方足先落到柱头上，也有少数足先落到花冠内侧，再爬上柱头，然后沿柱头爬到花冠基部，喙管从花丝缝隙间伸入采吸花蜜。土蜂和蜜蜂访花主要目的是采蜜，但偶尔也有采花粉的。这两种传粉者都有良好的授粉效果。土蜂访花一般在单花上停留 s，蜜蜂平均停留 s。这两种蜂一般1次连续访花48朵，然后离去。木蜂访花目的是吸取花蜜，一般在单花上停留 s，访花时在花冠内踏足，由于木蜂体形较大，可以较好地给柱头授粉；木蜂采花范围较大，1次一般采718朵花。黄蜂偶尔采花，一般在单花上停留 s。蝶类极少访花，访花目的不明确。蛾类偶尔访花，访花时在柱头或花冠上踏足，通过长长的喙管吸食花蜜。食蚜蝇访华目的主要是吸食花冠汁液，踏足位置不固定，一般接触不到柱头，因此授粉的可能性不大。花部特征对传粉昆虫的招引作用 试验设去除雄蕊、去除柱头、去除花冠、吸尽花蜜和完整花5种处理，检测桔梗花部特征对昆虫的招引作用。结果表明，桔梗花冠对授粉昆虫具有强烈的招引作用，花蜜次之，而柱头和花粉对昆虫都没有明显招引作用。去除花冠和吸干花蜜后，授粉昆虫访花频率与对照相比有明显降低，其中去除花冠后昆虫访问频率为0；吸干花蜜处理昆虫访问频率也仅为对照的%，而且访花昆虫在单花上停留时间也明显缩短。去除柱头和去除花药2处理，昆虫访问频率反而升高，分别比对照提高%和%，这可能是由于去除柱头或花药后，单花的花蜜增加了对昆虫的吸引作用。3 讨论 植物在长期进化的过程中，为了保持物种活力发展出各种有利于异花受精的机制，如自交不亲和、雌雄蕊异熟等。桔梗属异花授粉植物，其天然自花结实率很低，很多人认为与柱头授粉率低、柱头上异化花粉量较少有关6，也有报道自交不亲和是桔梗天然自花结实率低的原因，而魏建和等7研究认为桔梗自交高度亲和，其天然结实率低是雌雄蕊异熟造成的。我们认为桔梗天然自交结实率低的原因可能存在多种机制。桔梗开花当天和花后1 d，在其柱头上密被较长的白色柔毛，经显微观察此时花粉被柔毛阻隔，很难落到柱头表面，更无法从表面细胞吸收萌发和花粉管生长所需的水分和养分，因此造成桔梗自花授粉结实很低；我们于开花当天用毛刷将覆盖在柱头表面的柔毛小心刷去，并授以自花花粉，结实率极大提高，说明密被在柱头上的柔毛，确是造成桔梗自交结实率低的原因之一。同时，桔梗自交结实率低还与传粉昆虫的行为有关，我们观察到，开花当天桔梗主要的传粉者土蜂和蜜蜂访花频率都比较低，花后1 d，2 d土蜂和蜜蜂访花频率均高于开花当天，而此时花粉活力已迅速下降，造成自花花粉参与受精的几率大为降低，同样也造成自花结实率的降低。 植物与其授粉者的相互作用被认为是被子植物花进化的重要推动力，相互作用表现在花部特征对访花者行为和花粉传递机制的影响8，植物花的特征可从两个层次来认识，即花部构成和花的开放式样，花部构成包括花的结构、颜色、气味和蜜汁产量等单个花的所有特征，花的开放式样是指花在某一个时间开放的数量和空间排列，可看作花在群体水平上表现出的特征。而花的招引包括几个同时作用的刺激物：视觉的、嗅觉的和短程的触觉指示；而招引的强度依赖于花的颜色、大小和形状以及挥发物的挥发强度和传粉者的感知9。观察结果表明，桔梗花冠对传粉昆虫具有强烈的招引作用，这可能是桔梗的花冠为紫色，而紫外光是昆虫唯一可见的光谱，桔梗的紫色花冠可能起了“蜜导”作用，能将传粉昆虫从较远距离引诱过来，并使其迅速找到花朵蜜腺。通过视觉找到蜜腺后，在花冠前昆虫可能会通过嗅觉探测花蜜分泌量的多少，如花蜜浓烈昆虫则落到花上采蜜，同时起到传粉作用，否则离开。桔梗给于访问者的主要酬物是花蜜。 植物开花时雌蕊和雄蕊进行着活跃的代谢活动和强烈的呼吸作用，由于花部代谢的活跃进行，常常使植物花序温度比周围环境明显升高，蜜汁挥发强度随之提高，有利于招引传粉昆虫，但这一过程要消耗大量还原糖类物质提供能量。本试验中，去除柱头和去除花药2处理对传粉昆虫的招引作用比对照反而升高，可能原因是去除柱头或花药后，发生在柱头、花粉内的多种代谢活动随之停止，如柱头、花粉进一步的成熟，花粉-柱头识别反应，花粉萌发、花粉管生长等，而这些代谢活动要消耗大量糖类物质，一旦这些活动由于去除了柱头或花粉而停止，则运送到花部大量糖类物质就可能被用于合成花蜜，增加花朵花蜜的分泌量，从而增加了对传粉昆虫的招引作用。【参考文献】 1 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