毛翠雀花花序内的性分配和繁殖成功

两性花植物花序内不同位置的性分配和繁殖成功一般存在差异,通常认为资源竞争、结构效应和交配环境是形成这种差异的主要原因。为了研究雄性和雌性繁殖资源在花序内不同位置间的最优分配问题,该文以青藏高原高寒草甸典型高山植物毛翠雀花为材料,通过比较花序内不同位置的花部特征和种子性状,对其花序内的性分配模式和雌性繁殖成功进行研究,并通过观察传粉者运动特点以及人工去花和补授花粉实验,探讨花序内资源竞争和交配环境对繁殖资源分配的影响。结果表明:(1)不同位置间的雄蕊数、雄蕊鲜重/雌蕊鲜重、花粉数及花粉胚珠比从花序基部到上部显著增加,而雌蕊鲜重和胚珠数逐渐减少,表现出上部花偏雄的性分配;上部花的结籽率显著低于基部花和中部花,不同位置间的发育种子数/果实和发育种子重/果实随着花位置的升高而显著降低,说明基部花具有更佳的雌性繁殖成效。(2)去花处理后,剩余果实的单个种子重/果实显著增加,但发育种子数/果实没有显著增加;而给上部花人工补授异花花粉后,位置间结籽率的差异消失,说明传粉限制而非资源竞争导致了花序内位置依赖的种子生产模式。(3)毛翠雀花雄性先熟的开花特征,以及传粉者苏氏熊蜂从花序基部到上部的定向访花行为,导致了花序内交配环境的变化。综上结果表明,毛翠雀花花序内的性分配和繁殖成功差异是对交配环境适应的结果,对其在高山环境中实现雌雄适合度最优化具有重要意义。     

蝶形花亚科植物花部适应机制与传粉系统

蝶形花亚科(Papilionoideae)植物种类丰富、繁育系统多样,与其传粉者关系密切,主要表现在花部适应与传粉系统的形成。蝶形花形态复杂,为完全花,花萼、花瓣5基数,花萼呈箭头状,相邻花瓣螺旋轮生,旗瓣较大位于最外边,两片翼瓣紧贴旗瓣着生并包裹两片合生的龙骨瓣,龙骨瓣内包裹着雌、雄蕊,雌蕊位于正中央,雄蕊轮生,构成二体雄蕊(多数9+1,少数5+5)。对蝶形花亚科植物的花部特征、传粉功能群、酬物与传粉系统构建进行了回顾,重点论述了蝶形花形态和化学组成与传粉系统的进化关系以及花粉呈现机制。其中,泛化的传粉系统以蜂媒传粉为主,同时存在鸟媒传粉、蝙蝠传粉和松鼠传粉等方式,花部结构和传粉者的相互选择和相互适应推动了传粉系统的演化。花粉释放是体现蝶形花植物与其传粉功能群相互作用的重要方面,二者协同进化形成了以下4种花粉呈现机制:弹花机制、活塞机制、瓣膜机制和毛刷机制。蝶形花的花部特征与传粉功能群的相互作用形成相应的传粉系统,而传粉系统是执行传粉功能的重要集合体,各个构件的相互协调和适应保证了蝶形花亚科植物传粉过程的顺利完成。     

同域分布的紫堇属三种植物的繁育系统和传粉差异

为研究近缘物种之间繁育系统分化对传粉环境的适应性意义,本文针对湖北地区的3种紫堇属植物（紫堇Corydalis edulis Maxim.、尖距紫堇C.shearer S.Moore.和小花黄堇C.racemosa（Thunb.） Pers.）进行了传粉生态学研究,对比分析了它们在花部特征、分布模式、花期、交配系统、传粉系统等方面的差异。3种紫堇属植物常见伴生现象,花期有一定重叠;花色、距长、花蜜量等方面均有显著差异;尖距紫堇交配系统为自交不亲和、依靠传粉者异花授粉;而紫堇和小花黄堇交配系统为自交亲和,兼有自交和异交的混合交配系统。3个物种均由蜂类传粉,且花部性器官与传粉者的接触部位一致,但访花频率差异较大。在混合群落中,传粉者访花具有较高的忠实性,花部特征差异可能是传粉者选择性访花的原因。对于紫堇属3个物种,花部特征和交配系统的分化有助于其避免传粉过程的相互干扰,交配系统与传粉环境具有一定相关性,混合交配系统可能有利于提高植物对不同生境和气候的适应性。     

花内雄蕊分化及其适应意义

对花内雄蕊存在显著分化的现象进行了分析与归纳, 总结了花内雄蕊分化的各种主要形式及其繁殖适应意义。“花内雄蕊分化”是指花内雄蕊与雄蕊之间存在显著分化的现象, 这一概念可以把二强雄蕊、四强雄蕊和异型雄蕊等以往单独进行研究的相关性状结合起来, 并明确区分了几种新的花内雄蕊分化形式, 以期更准确全面地认识这些相关性状的适应意义与进化。该文将花内雄蕊分化区别为花丝的分化、花药的分化、雄蕊合生的分化、雄蕊运动的分化、退化雄蕊5大类。花丝的分化主要是花丝长度的分化, 如四强雄蕊、二强雄蕊和单强雄蕊; 花药分化主要指花药颜色、花药与花粉粒大小和花药开裂时间等的分化; 雄蕊合生的分化主要体现为花内部分雄蕊合生而部分雄蕊离生; 雄蕊运动的分化指的是花内雄蕊在运动时间或方式上存在差异, 造成雄蕊处于不同的成熟阶段和位于不同的空间位置; 退化雄蕊则是花内部分雄蕊失去了生产花粉的繁殖功能, 通常也发生了花药形态上的巨大改变。异型雄蕊不仅存在花丝和花药的形态分化, 还存在着明显的功能分化, 是分化程度很高的一类特殊的花内雄蕊分化形式。一些特殊的繁育系统, 如异长花柱和镜像花柱等在种内不同个体上存在着不同形式的花内雄蕊分化。花内雄蕊分化在花内造成了多个不同的花药位置, 在很大程度上影响了雌雄异位程度, 对植物自交与异交水平、花内雌雄功能干扰等有着潜在作用; 花内雄蕊分化形成的多个不同空间位置的雄蕊还增加了对多种访花者的吸引与适应潜力, 有可能影响到访花者的类型与访花行为, 得以适应多种传粉者。此外, 花内雄蕊分化可将花粉逐渐分批次分发给访花者, 提高花粉散布效率, 可看成是“花粉呈现理论”所指的花粉装配与分发机制之一。现有的实验研究发现, 花内雄蕊分化能够吸引传粉者、保护正常花药和花粉、促进花粉散发(降低花粉竞争)、实行延迟自交和降低花内雌雄功能干扰等。花内雄蕊分化还缺少系统研究, 有些雄蕊分化形式如单强雄蕊和雄蕊运动的分化还没有针对性的实验揭示其适应意义, 鸭跖草科和某些豆科植物的雄蕊三型分化等现象也缺少进化适应意义的研究。花内雄蕊分化对植物雌性和雄性适合度可能不同的影响、如何与访花者相互作用、如何与其它花部特征一起影响植物繁殖过程等, 可能是这一领域值得今后优先研究的课题。     

植物交配系统的进化、资源分配对策与遗传多样性

影响植物自交率进化的选择力量主要体现在两个方面：当外来花粉量不足时,自交可以提高植物的结实率,即雌性适合度（繁殖保障）;而如果进行自交的花粉比异交花粉更易获得使胚珠受精的机会,那么自交也可以提高植物的雄性适合度（自动选择优势）。但是,鉴别什么时候是繁殖保障、什么时候是自动选择优势导致了自交的进化却是极其困难的。花粉贴现降低了自交植物通过异交花粉途径获得的适合度,即减弱了自动选择优势,而近交衰退既减少了自动选择优势也减少了繁殖保障给自交者带来的利益。具有不同交配系统的植物种群将具有不同的资源分配对策。理论研究已经说明,自交率增加将减少植物对雄性功能的资源分配比例,但将使繁殖分配加大,而且在一定条件下交配系统的改变甚至可以导致植物生活史发生剧烈变化,即从多年生变为一年生。文献中支持自交减少植物雄性投入的证据有很多,但是对繁殖分配与自交率的关系目前还没有系统的研究。资源分配理论可以解释植物繁育系统的多样性,尤其是能够说明为什么大多数植物都是雌雄同体的。自交对植物种群遗传结构的影响是减少种群内的遗传变异,增加种群间的遗传分化。长期以来人们一直猜测,自交者可能会丢掉一些长期进化的潜能,目前这个假说得到了一些支持。     

植物交酸系统的进化、资源分配对策与遗传多样性

影响植物自交率进化的选择力量主要体现在两个方面：当外来花粉量不足时,自交可以提高植物的结实率,即雌性适合度（繁殖保障）;而如果进行自交的花粉比异交花粉更易获得使胚珠受精的机会,那么自交也可以提高植物的雄性适合度（自动选择优势）。但是,鉴别什么时候是繁殖保障、什么时候是自动选择优势导致了自交的进化却是极其困难的。花粉贴现降低了自交植物通过异交花粉途径获得的适合度,即减弱了自动选择优势,而近交衰退既减少了自动选择优势也减少了繁残给自交者带来的利益。具有不同交配系统的植物种群将具有不同的资源分配对策。理论研究已经说明,自交率增加将减少植物对雄性功能的资源分配比例,但将使繁殖分配加大,而且在一定条件下交配系统在改变甚至可以导致植物生活史发生剧烈变化,即从多年生变为一年生。文献中支持自交减少植物雄性投入的证据有很多,但是对繁殖分配与自交率的关系目前还没有系统的研究,资源分配理论可以解释植物繁育系统的多样性,尤其是能够3说明为什么大多数植物都是雌雄同体的,自交对植物种群遗传结构的影响是减少种群内的遗传变异,增加种群间的遗传分化,长期以来人们一直猜测,自交者可能会丢掉一些长期进化的潜能,目前这个假说得到了一些支持。     

鼠尾草属不同物种的雄蕊杠杆机制对传粉者空间变异的进化响应

被子植物虫媒传粉植物的物种分化通常被认为是花性状响应传粉环境(传粉者)的空间变异而发生适应性分化的结果。通过对鼠尾草属(Salvia) 3个物种(共4个居群)传粉互作系统的比较, 探索了花性状对不同传粉环境的进化响应。结果表明: 各居群的传粉者组成、主要传粉者类型及其大小各不相同, 杠杆状雄蕊及相关花部性状大小在不同居群间具有显著差异; 各居群均表现出腹部传粉和背部传粉2种传粉模式, 但背部传粉仍然是最有效的传粉方式; 居群间杠杆状雄蕊长度与传粉者体长表现出极显著的正相关, 然而花冠长与传粉者体长表现出负相关; 花冠口高度和柱头高度与传粉者胸厚也表现出一定的协同变异。鼠尾草属植物的杠杆状雄蕊及相关花部性状在传粉系统的进化过程中表现出高度的可塑性, 表明雄蕊杠杆传粉机制对传粉环境的变异非常敏感, 在该属植物的物种分化过程中具有关键作用。     

被子植物镜像花柱及其进化意义

镜像花柱是指花柱在花水平面上向左(左花柱型)或向右(右花柱型)偏离花中轴线,是一种花柱多态现象,可根据左、右花柱花在植株上的排列式样划分为单型镜像花柱和二型镜像花柱两类,或根据镜像花柱和雄蕊的排列方式划分为雌雄互补镜像花柱和非雌雄互补镜像花柱两类。镜像花柱现象已在被子植物11个科的部分种类中进行了报道,它在保护功能型雄蕊和雌蕊、通过自交产生繁殖保障效应以及通过减小雌雄功能间干扰、提高异交率和雄性适合度等方面具有重要的进化意义,目前已成为植物繁殖生物学领域的研究热点。本文总结分析了国际上有关镜像花柱的研究工作,重点介绍:(1)镜像花柱的类型、镜像花的形态分化及花部特征,(2)镜像花柱植物在被子植物中的分布及其遗传演化,(3)镜像花的交配式样和交配频率、传粉特点及其进化生物学意义,并对今后的研究方向进行了展望,以期为进一步研究镜像花柱植物的进化生物学特性,推动我国在该领域的发展提供科学依据。     

蒙古沙冬青花序内性分配的变化、传粉者运动与繁殖成功

性分配理论主要研究繁殖资源在雌雄功能间的最优分配,从雌雄功能的角度考虑其个体适合度.对花序内不同部位花的雌性与雄性资源分配变化的研究,对于我们理解植物采取哪种繁殖对策保障繁殖成功具有重要意义.本文对生长在中国科学院吐鲁番沙漠植物园内的蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)连续开花花序内不同部位...     

青藏高原及周边高山地区的植物繁殖生态学研究进展

青藏高原及周边高山地区孕育了极为丰富的植物多样性资源, 研究该地区植物如何顺利完成繁殖过程有助于我们理解植物对典型高山环境的进化和适应机制。该文综述了青藏高原地区高山植物在资源分配、繁殖方式、花部特征演化等方面的研究进展, 包括全球气候变化对植物繁殖特征的影响, 以及一些新技术和新方法在本研究领域的应用。在高山地区限制性环境中, 随海拔升高, 繁殖分配通常表现出增大的趋势, 其中投入到雄性资源的比例上升, 但具体的资源分配模式还要取决于植株的交配系统、个体大小、生活史特征、遗传特性以及环境中的资源有效性等。面对资源和传粉的双重限制, 植物在不同繁殖方式之间存在权衡, 当传粉者稀少时, 克隆繁殖和自交有利于繁殖保障; 而有性繁殖和异交能够提高种子的质量和后代的遗传多样性, 从而在复杂多变的气候条件下有利于种群的维持。因此, 不同繁殖方式的结合以及泛化的传粉互作网络可能是应对高山限制性环境的最优选择。花部特征的演化主要受到当地传粉者的选择压力, 但是外来传粉者、植食者、盗蜜者以及非生物环境(如温度、雨水和紫外辐射等)对花部性状的影响越来越受到重视。近年来, 青藏高原因其脆弱性和对气候变化的高度敏感性而在全球气候变化研究中备受关注, 以全球变暖和氮沉降增加为显著特征的全球气候变化正在直接或间接地影响着该地区高山植物的繁殖特征。气候变化影响植物和传粉者的物候并引起物种的迁移, 最终将导致植物与传粉者的时空不匹配。植物通过改变花部特征(花展示、花冠结构、花报酬的数量和质量)来响应气候变化, 这可能会改变其传粉者的类型、数量和访花行为, 从而最终影响植物的繁殖成功。3D打印和高通量测序等新技术和新方法的应用有助于促进植物繁殖生态学研究的进一步发展。3D打印的花能够精确控制其形态构造, 可以用于研究精细的花部特征变化对于传粉者行为的影响, 在此基础上与人工饲养的传粉者结合使用, 有助于进一步研究传粉者介导的花部特征演化。随着高通量测序技术的发展, 植物繁殖生态学领域, 尤其是花部特征演化的许多重要问题的潜在机制得以深入研究。该文最后提出了目前研究中需要注意的问题以及值得深入研究的发展方向。     

Gender plasticity in Sagittaria sagittifolia (Alismataceae), a monoecious aquatic species

 Aquatic plants are well known for their high degree of phenotypic plasticity in vegetative structures, particularly leaves. Less well understood is the extent to which their sexuality can be modified by environmental conditions. Here we investigate gender plasticity in the European clonal monoecious aquatic Sagittaria sagittifolia (Alismataceae) to determine how floral sex ratios may vary with plant size and inflorescence order. We sampled two populations from aquatic habitats in East Anglia, U.K. and measured a range of plant attributes including ramet size and the number of female and male flowers per inflorescence. The two populations exhibited similar patterns of phenotypic gender, despite contrasting patterns of total allocation to female and male flower number. Plants produced male-biased floral sex ratios but female flower number increased from the first to the second inflorescence whereas male flower number decreased. Size-dependent gender modification occurred in both populations, but the patterns of allocation to female flower production differed between the two populations. Our results are consistent with the view that monoecy is a sexual strategy that enables plants to adjust female and male allocation in response to changing environmental conditions. Received September 16, 2002; accepted October 23, 2002 Published online: March 20, 2003     

新疆郁金香营养生长、个体大小和开花次序对繁殖分配的影响

植物有性繁殖与资源分配的关系研究对于揭示植物生活史特征及繁育系统进化具有重要意义。新疆郁金香(Tulipa sinkiangensis)是新疆天山北坡荒漠带特有的一种多年生早春短命植物。在自然生境中,该物种仅以有性繁殖产生后代,每株能产生1-8朵花,且不同植株上的花数及果实数以及花序不同位置上的花与果实大小明显不同。本文通过对新疆郁金香有性繁殖与营养生长及植株大小的关系以及花序中不同位置花及果实间的资源分配研究,旨在揭示营养生长、个体大小及开花次序对其繁殖分配的影响。结果表明:在开花和果实成熟阶段,新疆郁金香植株分配给营养器官(鳞茎和地上营养器官)与繁殖器官的资源间均存在极显著的负相关关系(P<0.01),说明其植株的营养生长与生殖生长间存在权衡关系。多花是新疆郁金香的一个稳定性状,其植株上花数目、花生物量、果实生物量和种子数量与植株生物量间均呈极显著的正相关关系(P<0.01),说明新疆郁金香植株的繁殖分配存在大小依赖性。在具2-5朵花的新疆郁金香植株中,花序内各花的生物量、花粉数和胚珠数、结实率、果实生物量、结籽数、结籽率及种子百粒重按其开花顺序依次递减,说明花序内各花和果实的资源分配符合资源竞争假说。植株通过减少晚发育的花或果实获得的资源来保障早发育的花或果实获得较多的资源,从而达到繁殖成功。     

植物繁育系统研究的最新进展和评述

 植物繁育系统是当今进化生物学研究中最为活跃的领域。繁育系统是指代表所有影响后代遗传组成的有性特征的总和,主要包括花形态特征、花的开放式样、花各部位的寿命、传粉者种类和频率、自交亲和程度和交配系统,其中交配系统是核心。我们重点综述了植物 有性繁育系统研究中1）传粉模式的多样性,2）从历史发生角度利用系统发育方法检验花性状的演化和繁育系统的生态转变过程,3）近交衰退对植物生殖史的影响及其机制和4）混和交配系统的时空动态、维持机理以及进化趋势的最新研究结果。总结了繁育系统在研究花适应性、物种形成机制和濒危植物     

花寿命的进化生态学意义

花寿命 (Floral longevity) 是指一朵花保持开放并具有功能的持续时间, 它作为一种重要的繁殖策略影响着植物的繁殖, 在植物繁殖策略的进化生态学研究中具有非常重要的意义。近年来, 进化生态学家开始重视花寿命的研究, 在传粉与非传粉因素对花寿命的影响、花展示和繁殖成功与花寿命的关系等方面取得了长足的进展。生活史进化模型表明, 最优花寿命取决于开花成本和两性适合度实现速率之间的权衡。大量的实验研究支持此模型。实验研究表明:授粉可导致某些植物的花寿命显著缩短, 但是, 花粉移除对花寿命一般没有显著影响;部分植物的花具有最短花寿命, 这可能是一种保证植物雄性适合度的机制;温度和水分等非传粉因素的变化, 因改变开花成本而影响到花寿命;在花的群体水平上, 植物根据传粉状况和资源状况, 会调节花序上不同花的开放时间, 进而改变花展示的结构和功能;长的花寿命是保障植物繁殖成功的重要机制之一, 但可能要付出一定的适合度代价。该文概述了花寿命进化生态学的理论和实验研究进展, 最后指出:在理论研究上, 雌雄利益冲突为理解花寿命的进化提供了新的视角。在实验研究中, 需要重视植物通过优化花寿命而增强雄性适合度的研究思路。对花寿命的成本-收益分析, 需要考虑单花与花展示的功能关系。     

Modification of phenotypic and functional gender in the monoecious Arum italicum (Araceae)

Other than studies on sex-labile Arisaema species, studies of gender patterns in Araceae are scarce. The modification of phenotypic and functional gender was investigated in three populations of the monoecious Arum italicum Miller. The probability of reproduction and the number of inflorescences produced increased with plant size, and flower number (total, male, staminodes, female, pistillodes) increased with both plant and inflorescence sizes. However, plant and inflorescence sizes were poor predictors of floral sex ratio (female to male flower ratio). In contrast, change in floral sex ratio towards increasing femaleness was found among inflorescences sequentially produced by a plant. This change could not be explained by either a decrease in inflorescence size or a change in the mating environment. Differences in functional gender did not appear to be related to plant size or stage in the flowering period. Instead, different patterns of functional gender were found between plants with different number of inflorescences. Multi-inflorescence plants showed a functional gender around 0.5, while plants with one inflorescence showed a more extreme functional gender (either male, female, or functionally sterile). Sex of flowers in this species did not seem to exhibit a phenotypic trade-off.     

Influence of inflorescence size on sexual expression and female reproductive success in a monoecious species

Sex allocation theory forecasts that larger plant size may modify the balance in fitness gain in both genders, leading to uneven optimal male and female allocation. This reasoning can be applied to flowers and inflorescences, because the increase in flower or inflorescence size can differentially benefit different gender functions, and thus favour preferential allocation to specific floral structures. We investigated how inflorescence size influenced sexual expression and female reproductive success in the monoecious Tussilago farfara, by measuring patterns of biomass, and N and P allocation. Inflorescences of T.?farfara showed broad variation in sex expression and, according to expectations, allocation to different sexual structures showed an allometric pattern. Unexpectedly, two studied populations had a contrasting pattern of sex allocation with an increase in inflorescence size. In a shaded site, larger inflorescences were female-biased and had disproportionately more allocation to attraction structures; while in an open site, larger inflorescences were male-biased. Female reproductive success was higher in larger, showier inflorescences. Surprisingly, male flowers positively influenced female reproductive success. These allometric patterns were not easily interpretable as a result of pollen limitation when na?vely assuming an unequivocal relationship between structure and function for the inflorescence structures. In this and other Asteraceae, where inflorescences are the pollination unit, both male and female flowers can play a role in pollinator attraction.     

Patterns of Floral Variation between Dimorphic and Monomorphic Populations in Distylous Luculia pinceana (Rubiaceae)

Flower morphology plays an important role in the evolution and maintenance of plant mating systems, including disassortative mating of heterostylous species. The transition of mating patterns may be associated with the remodification of intraspecific flower morphology. To determine the functional relationship between floral variation and transition of mating patterns, we conducted a series of morphometric analyses in a distylous species Luculia pinceana, which possesses dimorphic and monomorphic populations. Our results indicate that floral variation was higher between different types of populations than between populations of the same type. Compared to dimorphic populations, some floral characters, reduced stigma anther separation within flowers and increased overlap of stigmas and anthers (illegitimate spatial matching of sexual organs) among individuals in populations containing only the long styled morph may have been modified to increase both selfing and intra morph crossing. The observed patterns of floral variation between dimorphic and monomorphic populations coincide with the transition of mating patterns from disassortative mating to selfing and/or intra morph crossing.     

被子植物性系统及其可塑性

繁殖是生物适合度的最终表现,有性繁殖相关性状的多态性极大地促进了物种分化和生物多样性的维持,并影响着植物对环境变化的响应。在种群水平上,被子植物的花有雌花、雄花和两性花三种性表型,三种性表型在种群中的分布和频率即定义了种群的性系统。被子植物的性系统包含植物影响性分配和交配的相关特性,决定着雌配子、雄配子在种群中的频率、交配机会及交配方式,是有性繁殖的关键性状,在被子植物中表现出丰富的多态性,在种群水平上分为性单态和性多态两大类。性单态为被子植物的古老性状,而性多态在100多个被子植物科中独立进化产生。被子植物性系统多态性及其变化机理一直是进化生物学与生态学的热点问题之一。该文以种群水平的性多态为对象,总结了被子植物性系统的类型、表达的遗传基础、分布频率,以及遗传因子、非生物环境和交配环境对性系统表达和性分配的影响。