两性花的雄蕊运动:多样性和适应意义

雄蕊运动指雄蕊在自身能量支持下发生的主动运动,不包括雄蕊在访花者触碰下造成的被动位移。该文总结了雄蕊的应激运动、快速猛烈弹射、缓慢运动以及级联运动等4种主要类型,分析了这些运动类型的系统分布及繁殖适应意义等方面的研究进展。雄蕊的应激运动由访花者或其他外力诱发,可能起到促进散粉和实现繁殖保障的作用;雄蕊快速猛烈的弹射运动可将花粉猛然撒向空中或访花者身上,促进了花粉的风媒或虫媒散布;缓慢运动的雄蕊可能通过在不同花期改变雄蕊的空间位置和雌雄异位程度来调节繁殖策略,或主动将雄蕊花药移至特定部位(如柱头表面)实现自交;雄蕊逐一、依次发生的级联运动较为复杂,主要分布在刺莲花科、梅花草科、旱金莲科和芸香科中,目前还缺乏实验研究;但根据\"花粉呈现理论\"以及其他类型的雄蕊运动研究结果,雄蕊的级联运动可以将花粉分批呈现给不同的传粉者,通过不同传粉者的分别传粉来提高花粉的输出;而且可避免已散粉雄蕊对即将散粉雄蕊的干扰,同时可能也降低了雌雄功能干扰和(或)花内自交。在芸香(Ruta graveolens)中,级联运动之后的雄蕊还会在花末期再同时向花中央运动;这种多向、多次运动方式是目前发现的最复杂的雄蕊运动类型。雄蕊运动领域值得今后开展进一步实验研究的方向主要有:1)雄蕊运动尤其是级联运动对雌雄功能干扰(性别间干扰)、雄蕊与雄蕊的\"性别内干扰\"等植物繁殖格局的影响;2)雄蕊运动与雌雄异熟、雌雄异位等花部特征的相互作用;3)雄蕊运动复杂类型的生理与发育机制。     

露蕊乌头(毛茛科)不同海拔居群的传粉生态学

对青藏高原东北部两个不同海拔地点（互助,2460m和海北,3200m）的露蕊乌头Aconitum gymnandrum的传粉生态学进行了比较研究。研究结果表明高海拔居群的单花花期、雄性期持续时间、雌性期持续时间比低海拔长。露蕊乌头不存在无融合生殖现象,尽管高度自交亲和,但产生种子必须依赖传粉媒介。熊蜂是露蕊乌头的主要传粉昆虫,两个居群均存在传粉限制。熊蜂取食花蜜为主,在同一个花序上的访问顺序以由下向上为主,但在互助居群和海北居群有3．9％和2．7％的访花是由上向下进行的。统计发现有37．7％和29．3％的访问行为发生在同一植株内;因此,同株异花传粉造成的自交在露蕊乌头中仍然不能避免。低海拔居群的熊蜂种类和访花频率均高于高海拔居群,但自然状态下两个居群的结实率并没有显著差异。高海拔露蕊乌头居群可能具有较长的柱头持续时间,从而补偿了由于访花频率低带来的结实率降低。     

两种姜科花柱卷曲性植物柱头的位置与其可授性的关系

花柱卷曲性是一种见于姜科山姜属(Alpinia)和砂仁属(Amomum)植物中的独特的性二态现象, 具有这一性系统的植物, 其居群包括上举型和下垂型两种表型, 所有个体的雌雄性别功能在时间和空间上分离。本研究通过操控授粉和花粉管生长两项实验, 探讨花柱卷曲性植物个体两性功能的隔离方式及其适应意义。云南草蔻(Alpinia blepharocalyx)操控授粉实验表明, 自花花粉对其异交率影响不显著(P > 0.05), 但可能由于自花花粉沉降导致胚珠贴现进而引起近交衰退, 操控条件下每果结籽数显著减少(P < 0.01)。云南草蔻和红豆蔻(Alpinia galanga)花粉管生长实验都显示无论对两种表型进行怎样的授粉处理, 花粉粒萌发和花粉管生长的速率仅在柱头处于可授位置时表现出最大值, 与自交和异交授粉方式无关; 上举型植株上午花粉囊虽未裂但其内花粉已成熟。研究结果表明即使不考虑花柱运动, 山姜属植物也具有异型雌雄异熟的特性。这一结果证实了花柱卷曲运动机制是通过互补式雌雄异位和异型雌雄异熟相结合形成的花部二态性, 异型雌雄异熟促进了异交, 而花柱运动的功能可能在于避免雌雄干扰。     

侧穗凤仙花的传粉生态和繁育系统

通过对峨眉山特有种侧穗凤仙花的开花生物学特性、花器官结构、传粉者种类和访花行为、繁育系统、花粉胚珠比(P/O)及花粉活力的研究.发现居群之间花的寿命变化比较大,它们的雄蕊期长,雌/雄蕊期比为0.12～0.17;花粉胚珠比达到4.6万,花粉在开花第一天有很高的活力(＞90%);传粉者为熊蜂和天蛾,熊蜂包括贞洁熊蜂、白背熊...     

花柱卷曲性异交机制及其进化生态学意义

 有花植物具有纷繁复杂的繁育系统,以避免或促进自交或异交。花柱卷曲性异交机制(Flexistyly)是最近在热带山姜属(Alpinia)植物中发现的一种促进异交的行为机制。具有这一机制的种类其自然种群中的个体根据开花行为的不同分为两种表型：一种上午散发花粉而其柱头向上反卷,远离昆虫拜访的通道;另一种其柱头上午垂向唇瓣,能够接受拜访昆虫的传粉,但自身的花药却不打开。到中午时分,两种表型花通过互为相反的柱头卷曲运动转换性别——前者柱头向下卷曲,后者柱头向上卷曲且花药打开。每朵花的花期为12 h,两种表型在自然种     

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。     

雄蕊合生植物半边莲的花部综合征与繁育系统

 为了解花内雄蕊合生结构的繁殖适应意义, 初步研究了雄蕊合生植物半边莲(Lobelia chinensis)的花部综合征、传粉特性和繁育系统。半边莲花大且鲜艳, 花瓣中下部弯折并合生成背部有裂缝的不封闭的花冠筒。5雄蕊的花药紧密合生成花药筒, 花丝中上半部也合生在一起, 只有花丝基部分离插生于花冠筒上。柱头被包裹在花药筒内。半边莲单花寿命可达5 d左右。雄性先熟, 柱头在伸出花药筒之后才具活性。花的主要访问者为蚂蚁、食蚜蝇和苍蝇类等小型昆虫。半边莲单花花粉数约为(5 200±130)粒、胚珠数约为(55±6)颗, 花粉胚珠比为94.54, 应属于兼性自交繁育系统, 但异交指数和其它特征都显示其以异交为主, 部分自交亲和。套袋和人工授粉实验发现, 半边莲不存在无融合生殖与自发自交, 但自交亲和性高。雄蕊合生(尤其是花药的合生)能把花药中的花粉聚拢在一起在传粉者的一次访问中就被同时带出, 与同样具有较低花粉胚珠比的花粉聚联(Pollen aggregation)传粉过程近似。半边莲的雄蕊合生结构(花药合生成筒、花丝上部也合生)可能与一些特定的花部特征, 如花被合生成未完全封闭的筒、雌雄异熟以及低花粉胚珠比等联系在一起, 形成了适应小型传粉者的“花部综合征”     

高山植物全缘叶绿绒蒿在不同海拔地区的传粉生态学研究北大核心CSCD

为了探明高山植物全缘叶绿绒蒿(Meconopsis integrifolia)的繁育系统特点和其对高山气候环境的繁殖适应特征,我们沿海拔梯度选择了5个样地(样地1(4 452 m)、样地2(4 215 m)、样地3(4 081 m)、样地4(3 841 m)、样地5(3 681 m))对其传粉生态学进行了连续2年的观察试验。结果发现,样地1、2的全缘叶绿绒蒿的单花寿命显著长于样地3、4和5。花开放早期柱头高于花药,之后花药不断伸长,并在开放中后期与柱头接触,说明全缘叶绿绒蒿具有不完全雌雄异位的花部特征。自然状态下,柱头可授能力持续期约8天(雌蕊先熟),但花药于开花第5天才散粉,花粉寿命约2天,说明全缘叶绿绒蒿为雌雄异熟,但存在一定的重叠期。人工授粉试验表明,全缘叶绿绒蒿自交部分亲和,且不存在无融合生殖现象。各样地中自然对照的结实率显著低于人工异交处理的结实率,说明自然状态下全缘叶绿绒蒿存在一定程度的传粉限制。传粉昆虫观察发现,样地1和2的传粉昆虫主要是蝇类,样地3、4和5的传粉昆虫主要是蝇类和蓟马(Thripidae spp.),蝇类在不同植株间的活动能够保证异花传粉结实,同时,蝇类和蓟马在花内的活动会引起\"协助自交\"。全缘叶绿绒蒿约65%的观察个体存在\"自动自交\"。蝇类在各样地的访花频率存在显著差异,样地1访花频率最低,样地2访花频率最高。各样地的结实由于异花传粉者的不足而受到传粉限制。两种不同类型的自交机制恰恰为该植物异花传粉者不足提供了一定程度的繁殖补偿。全缘叶绿绒蒿不分泌花蜜,当环境温度降低时,采取为昆虫提供保温庇护场所的方式来吸引传粉者。     

雌先熟植物茄参（茄科）的繁育系统

对分布于云南西北部的茄参（Mandragoraca caulescens）的繁育系统进行了研究。茄参的花期为5月底到6月初,单花持续时间为（9．9±2．8）d,其性表达方式为雌性先熟。有三种昆虫拜访茄参的花,白背熊蜂蜂王是最有效的传粉昆虫,但其访花频率很低;苍蝇和蚂蚁的访花频率较高,但苍蝇传粉效率十分有限;蚂蚁是窃蜜者。授粉实验证明茄参具有部分自交亲和能力,但由于雌性先熟,不具备主动自交能力。人工添加异交花粉显著提高了结实率和结籽数,证明茄参存在花粉限制。茄科的大部分植物是严格自交不亲和的,但茄参族的茄参是自交部分亲和,这和茄科天仙子族的部分成员类似。我们认为这两个独立起源于新世界向欧亚大陆扩散事件的族,各自从自交不亲和向自交亲和转变可能与高山地区恶劣的自然条件有关,这种繁育系统的进化模式是否具有普遍性值得进一步研究。     

雌先熟植物茄参 （茄科）的繁育系统

对分布于云南西北部的茄参（Mandragora caulescens）的繁育系统进行了研究。茄参的花期为5月底到6月初,单花持续时间为（9.9±2.8）d,其性表达方式为雌性先熟。有三种昆虫拜访茄参的花,白背熊蜂蜂王是最有效的传粉昆虫,但其访花频率很低;苍蝇和蚂蚁的访花频率较高,但苍蝇传粉效率十分有限;蚂蚁是窃蜜者。授粉实验证明茄参具有部分自交亲和能力,但由于雌性先熟,不具备主动自交能力。人工添加异交花粉显著提高了结实率和结籽数,证明茄参存在花粉限制。茄科的大部分植物是严格自交不亲和的,但茄参族的茄参是自交部分亲和,这和茄科天仙子族的部分成员类似。我们认为这两个独立起源于新世界向欧亚大陆扩散事件的族,各自从自交不亲和向自交亲和转变可能与高山地区恶劣的自然条件有关,这种繁育系统的进化模式是否具有普遍性值得进一步研究。     

高山植物全缘叶绿绒蒿在不同海拔地区的传粉生态学研究

为了探明高山植物全缘叶绿绒蒿(Meconopsis integrifolia)的繁育系统特点和其对高山气候环境的繁殖适应特征, 我们沿海拔梯度选择了5个样地(样地1 (4452 m)、样地2 (4215 m)、样地3 (4081 m)、样地4 (3841 m)、样地5 (3681 m))对其传粉生态学进行了连续2年的观察试验。结果发现, 样地1、2的全缘叶绿绒蒿的单花寿命显著长于样地3、4和5。花开放早期柱头高于花药, 之后花药不断伸长, 并在开放中后期与柱头接触, 说明全缘叶绿绒蒿具有不完全雌雄异位的花部特征。自然状态下, 柱头可授能力持续期约8天(雌蕊先熟), 但花药于开花第5天才散粉, 花粉寿命约2天, 说明全缘叶绿绒蒿为雌雄异熟, 但存在一定的重叠期。人工授粉试验表明, 全缘叶绿绒蒿自交部分亲和, 且不存在无融合生殖现象。各样地中自然对照的结实率显著低于人工异交处理的结实率, 说明自然状态下全缘叶绿绒蒿存在一定程度的传粉限制。传粉昆虫观察发现, 样地1和2的传粉昆虫主要是蝇类, 样地3、4和5的传粉昆虫主要是蝇类和蓟马(Thripidae spp.), 蝇类在不同植株间的活动能够保证异花传粉结实, 同时, 蝇类和蓟马在花内的活动会引起“协助自交”。全缘叶绿绒蒿约65%的观察个体存在“自动自交”。蝇类在各样地的访花频率存在显著差异, 样地1访花频率最低, 样地2访花频率最高。各样地的结实由于异花传粉者的不足而受到传粉限制。两种不同类型的自交机制恰恰为该植物异花传粉者不足提供了一定程度的繁殖补偿。全缘叶绿绒蒿不分泌花蜜, 当环境温度降低时, 采取为昆虫提供保温庇护场所的方式来吸引传粉者。     

Floral syndrome and insect pollination of the Qinghai-Tibet Plateau endemic Swertia przewalskii（Gentianaceae）

A combination of dichogamy and herkogamy in hermaphroditic plants is an effective mechanism to encourage outcrossing and avoid selfing.In this paper,we studied whether such a mechanism completely avoids geitonogamous selfing in Swertia przewalskii Pissjau     

The best of both worlds? A review of delayed selfing in flowering plants

Premise of Study

In a seminal body of theory, Lloyd showed that the fitness consequences of selfing will depend on its timing in anthesis. Selfing that occurs after opportunities for outcrossing or pollen dispersal can provide reproductive assurance when pollinators are limited and is expected to incur little cost, even when inbreeding depression is high. As a result, delayed selfing is often interpreted as a “best‐of‐both‐worlds” mating system that combines the advantages of selfing and outcrossing.

Methods

We surveyed 65 empirical studies of delayed selfing, recording floral mechanisms and examining information on inbreeding depression, autofertility, and other parameters to test the support for delayed selfing as a best‐of‐both‐worlds strategy.

Key Results

Phylogenetic distribution of the diverse floral mechanisms suggests that some basic floral structures may predispose plant taxa to evolve delayed selfing. Delayed selfing appears to serve as a best‐of‐both‐worlds strategy in some but not all species. While the capacity for autonomous selfing is often high, it is lower, in some cases, than in related species with earlier modes of selfing. In other delayed‐selfers, low inbreeding depression and reduced investment in corollas and pollen suggest limited benefits from outcrossing.

Conclusions

Despite a growing literature on the subject, experimental evidence for delayed selfing is limited and major gaps in knowledge remain, particularly with respect to the stability of delayed selfing and the conditions that may favor transitions between delayed and earlier selfing. Finally, we suggest a potential role of delayed selfing in facilitating transitions from self‐incompatibility to selfing.     

Sexual interference within flowers of Chamerion angustifolium

Hermaphroditism is prevalent in plants but may allow interference between male function (pollen removal and dispersal) and female function (pollen receipt and seed production) within a flower. Temporal or spatial segregation of gender within a hermaphroditic flower may evolve to reduce this interference and enhance male and female reproductive success. We tested this hypothesis using Chamerion angustifolium (Onagraceae), in which pollen removal (male) and pollen deposition (female) were measured directly on hermaphroditic and experimentally produced unisexual flowers. During a single flower visit in the field, bees deposited 159±24 (SE) pollen grains on a stigma and removed 1058±198 grains from each flower. Anther removal did not alter deposition rates. In the laboratory, bees removed 2669±273 pollen grains and deposited 209±72.3 cross-pollen and 120±28.4 facilitated self-pollen grains per visit. The presence of anthers significantly reduced cross-pollen deposition on the stigma. In contrast, pollen removal was not affected by presence of the pistil. These results suggest that within-flower interference affects female function and represents a fitness cost that can be reduced through temporal segregation of gender within the flower. Co-ordinating editor: S.-M. Chang     

青藏高原特有植物祁连獐牙菜（龙胆科）的花综合征与虫媒传粉

雌雄异熟和异型花在一些被子植物中的共同存在被认为是一种有效避免两性花植物自交并促进异交的机制。本文报道青藏高原特有植物祁连獐牙菜Swertia przewalskii Pissjauk.的花同时具有雌雄异熟和异型花这两种特征。在此基础上,我们详细观察了该植物访花昆虫的访花行为,主要探讨这种促进异花传粉的机制是否能完全避免株内异花传粉的自交。繁育系统试验证明祁连獐牙菜单花套袋不结实,说明雌雄异熟和异型花的花特征完全避免了单花的自花传粉,自然结实必须依赖昆虫传粉才能完成。然而,该植物却是高度自交亲和的,因为人     

Pollen limitation,fruit abortion,and autonomous selfing in three populations of the perennial herb Ruellia nudiflora

Multiple factors determine plant reproductive success and their influence may vary spatially. This study addresses several factors influencing female reproductive success in three populations of Ruellia nudiflora, specifically we: (i) determine if fruit set is pollen‐limited and if pollinator visitation rates are related to this condition; (ii) estimate fruit set via autonomous self‐pollination (AS) and relate it to the magnitude of herkogamy; and (iii) evaluate if fruit abortion is a post‐pollination mechanism that determines the magnitude of pollen limitation. At each site we marked 35 plants, grouped as: unmanipulated control (C) plants subjected to open pollination, plants manually cross‐pollinated (MP), and plants excluded from pollinators and only able to self‐pollinate autonomously (AS). Fruit set was greater for MP relative to C plants providing evidence for pollen limitation, while a tendency was observed for lower fruit abortion of MP relative to C plants suggesting that fruit set is influenced not only by pollen delivery per se, but also by subsequent abortion. In addition, although pollinator visits varied significantly among populations, the magnitude of pollen limitation did not, suggesting that pollinator activity was not relevant in determining pollen limitation. Finally, fruit set tended to decrease with the degree of herkogamy for AS plants, but this result was inconclusive. These findings have contributed to identify which factors influence reproductive success in populations of R. nudiflora, with potentially relevant implications for population genetic structure and mating system evolution of this species.     

高山植物扁蕾的延迟自交机制

扁蕾(Gentianopsis barbata)具有鲜艳的花和显著的腺体,并且花开放的前5 d柱头和花药始终处于不同的位置(雌雄异位),这些花综合征表明该植物应为异花传粉。为检验这一假设,我们对青藏高原植物扁蕾的海北站种群进行了3年的传粉生物学研究实验。与花综合征所表明的繁育系统相反,两年的野外观察发现昆虫的访花频率十分低,不去雄并隔离昆虫处理也能产生大量种子,说明这一种群的繁殖主要是依赖于自花传粉。尽管利用种子结实评价的柱头可授性从花开放4 d后开始下降,但随着花的发育进程,雄蕊的伸长能使得花药与柱头完全接触。实验也证明,柱头可授性和花粉活力都超过5 d,说明花药和柱头的接触能够发生自花授粉。扁蕾的这种自花传粉机制应属于典型的延迟自交类型。自花授粉发生在单花花期快要结束前,自交之前仍然保持异交传粉机制,这种延迟自交避免了自交与异交竞争造成的花粉或者种子折损,并为扁蕾在青藏高原极端环境下由于访花昆虫缺乏造成的异交失败提供了繁殖保障。