桔梗传粉生物学研究

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，有关桔梗生物学研究报道较少，仅杨美全等人对桔梗的花芽分化和雄配子体发育进行了研究;李今等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;而魏建和等认为自交结果率低的原因是雌雄蕊异熟。本节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

1.1　研究植物和观察地点

1.1.1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二年生桔梗居群，2005年3月播种，2006年4月移栽，6～8月花期间观察研究。1.1.2观察地点

该植物药园位于北纬33°54'，东经109°53'～109°54'，地处秦岭南坡受东南季风影响，降水丰富，年平均降水量725.5mm，平均海拔722m，砂壤土。最热为7月，平均气温24℃，最冷为1月，平均0.3℃，年平均气温12.8℃。绝对无霜期为180d左右。

1.2　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6:30～18:30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。

1.3　花粉活力与柱头可受性的检测

1.3.1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1d、2d、3d和4d不同活力的花粉，同一活力花粉授40～50个柱头，授粉后套袋防止串粉，并挂牌标记，10d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/(平均单花胚珠数×授粉花朵数)×100%1.3.2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6d，每日选择40～50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。

1.4　单花花粉量、胚珠数和花粉/胚珠比率测定

分别随机选取即将开放的花蕾(花药未开裂)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1.0mol/L HCl软化花粉壁。然后细心地解剖花药，将花粉全部移入1个有刻度的离心管，用蒸馏水定容至4mL。在振荡器上震荡2min后，用移液枪吸取1μL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。

1.5　访花昆虫及其行为观察

随机标记当天开放的花朵20朵，从8:00～11:00观察、统计每个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2～3d，重复3次。记录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。

1.6　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，设置了完整花对照、去花瓣、去雄、去柱头和吸净花蜜(开花前套袋，开花后用微吸管吸净花蜜)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　结果与分析

2.1　开花生物学特性

2.1.1　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(2.53～7.77)cm×(3.02～4.57)cm，裂深约1.51cm，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0.96cm，宽0.75cm;柱头棒状紫色，密被白色柔毛;雄蕊5枚，与花冠裂片互生，长1.62cm，花药黄色4室，长0.78cm，花丝白色，下端膨大成盾片状，长0.84cm，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。

2.1.2　开花物候期

2006年沙河子植物药园二年生桔梗居群，始花期6月29日，初花期6月30日至7月10日，盛花期7月10日至8月12日，终花期为8月12日至8月24日。单株花期约为41天，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50～110朵，一般为60～80朵;单株每天开0～7朵花，通常为1～4朵。单花花期一般为2～3d，当阴天低温可延长至3～4d。夏季晴天，花蕾一般在上午6:00～10:30陆续开放，若遇阴天低温，开花时间延迟到8:00～11:30，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1～2 h开始散粉，2～4 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。

2.1.3　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1d，柱头白色柔毛开始减少，花后2d被毛消失，柱头表面变得光滑，紫色加深，柱头微裂;花后3d，柱头5裂，裂片向下卷曲;到花后5d时，柱头开始逐渐干萎。

2.2　花粉活性、柱头可受性变化

2.2.1　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2-2-1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1d已有70.7%的花粉失去活力，2d花粉活力下降了87.0%，到3d时结籽率为0，花粉已完全失去受精活力。因此在田间条件下花粉授粉活性仅可保持2d。

2.2.2　柱头可受性变化

由图2-2-2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1d的柱头其授粉结籽率分别仅为8.78%和10.94%，花后2d，结籽率迅速升高到33.49%，至3d结籽率达到最大为43.15%，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日时已降到11.98%。

图2-2-1　花粉活力变化

图2-2-2　柱头可受性变化

2.3　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197.6枚，P/O较高，为743.3。较高的P/O可能与桔梗花粉寿命仅1d，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。

2.4　访花昆虫及行为

2.4.1　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、蝇类等十几种昆虫，其中访花频率较高、较稳定的访花者仅有土峰和蜜蜂，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17.1 s，蜜蜂平均停留18.0 s，这两种蜂一般1次连续访花4～8朵，然后离去。木蜂访花目的是吸取花蜜，一般在单花上停留3.7 s，访花时在花冠内踏足，由于木蜂体型较大，可以较好地给柱头授粉;木蜂采花范围较大，1次一般采7～18朵花。黄蜂偶尔采花，一般在单花上停留2.8 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。食蚜蝇访花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。

2.4.2　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(对照)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15.38%，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44.23%和11.54%，这可能是由于去除柱头或花药后，单花花蜜增加了对昆虫的吸引作用(图2-2-3)。

图2-2-3　桔梗花及其访花者

1.柱头及其密被的柔毛Stigma with thedense flooss on surface 2.柱头开裂运动Thedehiscent locomotion of stigma 3.雄蕊Stamen 4.土蜂访花A scoliid sp.visiting a flowers 5，6.蜜蜂访花An Apidae sp.visiting a flowers 7.黄蜂访花Wasp visiting a flowers 8.木蜂访花A Xylovopa sp.visiting a flowers 9.蝶类访花Scalewing visiting a flowers

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、柱头上异花花粉量较少有关，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天，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1d、2d土蜂和蜜蜂访花频率均高于开花当天，而此时自花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，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。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。桔梗给予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处理对传粉昆虫的招引作用比对照(完整花)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。

4　结论

桔梗花期从6月底到8月下旬，单株花期约41d，单株花数50～110朵，单花花期一般为2～3d，当遇到低温天气时，单花花期延长至3～4d。在田间条件下，桔梗花粉受精活力可保持2d，花后3d花粉已完全失去受精活性;开花当天至花后3d柱头可受性逐渐升高，之后开始下降，呈单峰曲线变化。桔梗的授粉昆虫达十几种，主要为土蜂和蜜蜂，均以采吸花蜜为目的，有良好的授粉效果。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。