全 文 ：植物分类学报 46 (6): 856–860 (2008) doi: 10.3724/SP.J.1002.2008.08072
Journal of Systematics and Evolution (formerly Acta Phytotaxonomica Sinica) http://www.plantsystematics.com
新牧 I号杂花苜蓿异交机制与自花粉的生殖干扰
1张爱勤 2谭敦炎 2朱进忠
1(新疆大学生命科学与技术学院 乌鲁木齐 830046)
2(新疆农业大学草业与环境科学学院, 新疆草地资源与生态重点实验室 乌鲁木齐 830052)
The cross-fertilization mechanism and reproductive interference of
self-pollen of Medicago varia ‘Xinmu No. 1’
1Ai-Qin ZHANG 2Dun-Yan TAN 2Jin-Zhong ZHU
1(Life Science College, Xinjiang University, Ürümqi 830046, China)
2(Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology, College of Grassland and Environment Sciences,
Xinjiang Agricultural University, Ürümqi 830052, China)
Abstract Some control tests and a technique employing the fluorescent properties of pollen and pollen tube
stained with aniline blue dye were utilized to study the stigma receptivity, the optimum pollination period, the
self-pollen clogging effect, pollen germination and the pollen tube growth state in alfalfa. The results can be
summarized as follows: (1) The stigma receptivity and flower longevity barely overlap. On the first day after
pollination, the pollination efficiency was the highest, with a pod-seting rate per raceme of 65.17%±2.01%
(P<0.01). The period of the highest pollination efficiency was the same as the peak of stigma receptivity. When
pollination was on the fourth day after flowering, the pod-setting percentage per raceme was still 34.25%±6.73%.
(2) Self-pollination led to a lower pollen germination frequency and a lower pollen tube growth rate than
cross-pollination. When artificial cross-pollination was applied after self-pollen grains on the stigma was re-
moved, the pod-setting percentage per raceme was 72.31%±6.24%, and the number of seed per pod was
3.46±0.25, In contrast, these two values were 51.76%±5.37% (P<0.01) and 2.11%±0.18 respectively (P<0.01)
when the self-pollen grains were not removbed in the artificial cross-pollination experiements. Hence, the clog-
ging effect of self-pollen to stigma was significant. (3) In the breeding system of alfalfa, there are two mecha-
nisms that help the plants to avoid self-fertilization: dichogamy and self-incompatibility. However, due to the
structure of flowers, they were not effective enough to improve cross-fertilization rate, even if the stamen matured
earlier than the stigma. The typical self-incompatibility system guaranteed the lower self-fertilization rate, but
cannot avoid the reproductive interference of self-pollen.
Key words alfalfa, clogging effect, cross-fertilization mechanism, reproductive interference.
摘要 通过控制试验和荧光观测等手段对新牧I号杂花苜蓿Medicago varia Martyn ‘Xinmu No. 1’柱头可授期与最佳授粉时
间、自花粉的堵塞效应、花粉萌发与花粉管生长状况等进行研究, 结果显示: (1)苜蓿柱头可授期与单花寿命具高度的同步性,
在单花开放的第1天授粉, 传粉效率最高, 结荚率达65.17%±2.01% (P<0.01), 为柱头的最佳授粉时期; 在单花开放后第4天授
粉, 其结荚率仍达34.25%±6.73%。(2)自花授粉比异花授粉有着较低的花粉萌发率和花粉管生长速度; 清除柱头自花粉后再授
异花粉, 其结荚率/花序和荚内种子粒数由原来的51.76%±5.37%和2.11±0.18粒, 提高到72.31%±6.24% (P<0.01)和3.46±0.25粒
(P<0.01), 自花粉对柱头的堵塞效应非常明显。(3)在繁育系统中, 苜蓿采取了雌雄异熟和自交不亲和两套机制来避免自交, 但
是由于其独特的花结构, 即使雄蕊先熟, 在保证苜蓿异交机制中也没有起到有效的作用, 而其典型的自交不亲和系统, 虽然
保证了苜蓿较低的自交率, 却无法避免自花粉的生殖干扰。
关键词 苜蓿; 异交机制; 生殖干扰; 堵塞效应
植物的交配方式一般分为自交和异交。植物往
往有多种适应方式来保证其自交或异交。从适应异
花授粉的方式来看, 有花植物的性习性可分为三大
类: 雌雄异位、 雌雄异熟和自交不亲和系统(Waser
& Price, 1991; Broyles & Wyatt, 1993; Ramadan &
El-Keblawy, 1994; 方炎明, 樊汝汶, 1996)。苜蓿
Medicago spp.是我国栽培面积最大的一种优质牧
草, 为典型的异花授粉植物。由于其独特的花结构

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2008-05-16 收稿, 2008-07-28 收修改稿。
张爱勤等: 新牧 I 号杂花苜蓿异交机制与自花粉的生殖干扰

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和对传粉的需求, 传粉问题在我国一直是制约其种
子产量的重要因素之一。
在苜蓿传粉、受精及种子形成过程中, 受环境
因素、花展示方式与昆虫访花行为的影响造成的传
粉效率低下(张爱勤等, 2006); 苜蓿克隆生长习性
和昆虫传粉所造成的自花粉滞留; 自花粉在花粉萌
发和受精过程中的生殖干扰等相关因素都会对生
殖过程产生负面效应, 并通过加大生殖败育的风险
对种子产量和品质产生重要影响。在自然状态下,
其结籽率即使在充分授粉的情况下也仅为50%左右
(张爱勤等, 2005)。自花粉滞留对受精和结实有着怎
样的影响? 苜蓿又是以怎样的方式来避免自交? 还
不曾有很多的文献涉及。本文通过对柱头可授期及
最佳授粉时间、柱头自花粉的堵塞效应的测定及不
同来源的花粉在柱头上的萌发和花粉管生长状况
的荧光观察, 来分析苜蓿的异交机制与自花粉的生
殖干扰。
1 材料和方法
1.1 研究材料和观测地点
研究材料为生长第3年的新牧1号杂花苜蓿
Medicago varia Martyn ‘Xinmu No.1’。试验地位于
新疆农业大学呼图壁草地生态试验站(44°08′ N,
86°07′ E), 该地海拔439–454 m, 年总辐射量为5.56
×10² kJ/cm², 年日照时数为3110 h以上, >10 ℃年
积温为3561.3 ℃, 年无霜期165–190天, 年降雨量
155.2 mm, 属典型温带荒漠气候区。
1.2 测定项目和方法
1.2.1 柱头可授期与最佳授粉时间的测定 在生
长第3年的新牧1号杂花苜蓿种子试验田的盛花期,
建立一个5×4×2 m3的网室, 避免昆虫进入, 从单花
发育的第III期(花粉已成熟)、第IV期(刘淑明, 1996)
开始, 到开放后的第1、2、3、4天分别进行不去雄
人工异花授粉。每一处理随机标记30个单花, 并对
单花所在的花序挂牌标, 之后去掉网室。荚果成熟
后统计结荚率/花序和荚内种子粒数。
1.2.2 自花粉的堵塞效应与结实 盛花期, 从新牧
1号杂花苜蓿种子试验田选取30株健康植株, 每植
株上标记等高、对称的花序2个, 一个花序在单花开
放后分别用小毛刷进行自花粉的清除处理后授异
花粉, 一个花序不作任何处理, 只进行人工异花授
粉作对照。荚果成熟后统计每花序结荚率和荚内种
子粒数。另外, 随机取30枚龙骨瓣刚刚弹开的单花
用上述同样方法进行柱头自花粉的清除处理后, 统
计柱头上残留的花粉数; 同时, 随机取30枚龙骨瓣
刚刚弹开的花, 进行柱头花粉数的统计作对照。
1.2.3 不同来源的花粉萌发与花粉管生长状况的
观察 在盛花期, 分别标记一定数量的单花, 进行
人工异花授粉、自花授粉等不同处理后; 分别取自
然状态、人工异花授粉、自花授粉后1 h、3 h、5 h、
10 h、15 h、20 h、25 h、30 h、36 h的单花固定, 带
回室内进行染色处理, 观察授粉后不同来源花粉的
萌发和花粉管生长状况。其中人工异花授粉的操作
方法是在花发育的第III期去雄套袋, 花开放后分别
授异花粉; 自花授粉是在花粉成熟后通过人工轻微
挤压辅助自花授粉后套袋; 自然状态是在龙骨瓣弹
开后开始标记时间, 每隔一定时间取一次单花固
定。同时取一定数量第IV、V时期的单花固定, 进
行同样的荧光观察。FAA固定液的配置: 50%的酒精
89 mL+福尔马林5 mL+丙醋酸6 mL。采用苯胺蓝染
色。
1.3 数据分析
用Excel、SPSS软件进行数据处理和绘制图表。
2 结果和分析
2.1 柱头可授期与最佳授粉时期
通过对不同时期的柱头授粉后, 进行结实率的
观测与分析显示(表1), 在苜蓿花粉发育成熟的第III
期, 对柱头授粉已有荚果形成, 结荚率为18.21%±
11.07%, 荚果内种子数为0.62±0.24粒; 第V期即单
花开放的第1天, 结荚率为65.17%±2.01%, 荚内种
子粒数为2.53±0.31粒, 经方差分析, 开花第1天的
结荚率与第VI期比较表现为显著差异(P<0.05), 与
其他各时期比较均表现为极显著差异(P<0.01)。荚
内种子粒数以授粉的第 1 天和第 2 天为最高
(P<0.01)。说明在单花开放的当天即第1天传粉效率
最高, 为柱头的最佳授粉时期。在单花开放后第4
天授粉, 其结荚率仍达34.25%±6.73%, 说明柱头还
具有活力, 但活力与第1天相比明显降低。
从结实率看, 在单花发育的第III期进行人工异
花授粉, 已有部分花可以结实, 但是还不能判断该
时期柱头已成熟, 因为花粉成熟后可持续较长一段
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷6期 858
表1 不同时期柱头授粉后的结实情况(mean±sd, n=30)
Table 1 The pod-set state of alfalfa pollinated in different period after flower opening (mean±sd, n=30)
授粉时期 Pollination period
第III期
III period
第VI期
VI period
第1天
First day
第2天
Second day
第3天
Third day
第4天
Fourth day
df F sig
被授粉的单花数/花序
No. of flowers
pollinated/raceme
1.38±0.24 1.20±0.13 11.88±1.55 11.00±0.72 8.75±0.96 7.92±0.66
结荚率/花序(%)
Pod-setting
percentage/raceme (%)
18.21±11.07 30.00±13.33 65.17±2.01 41.40±3.65 36.25±6.62 34.25±6.73 5 3.48** 0.008
荚内种子粒数
No. of seed/pod
0.62±0.24 1.20±0.51 2.53±0.31 2.06±0.31 1.65±0.30 1.63±0.33 5 3.83** 0.004
** 表示变量间在0.01水平上存在差异。Significantly different at the 0.01 level.

时间保持其活力, 授粉后柱头即使不成熟, 花粉在
柱头上停留着一直等到柱头成熟后再萌发是完全
有可能的。所以还需要对该时期进行花粉萌发的荧
光观测来提供证据。
2.2 自花粉堵塞效应与结实
独特的花结构使得苜蓿花在开放后, 雌雄蕊仍
然被龙骨瓣紧紧包裹着, 被施加外力后才能从龙骨
瓣中弹出。在弹花过程中早已成熟的自花粉最先被
抖落在柱头上, 而异花粉往往是在昆虫接触到花柱
后才被带到柱头上的。自花粉要比异花粉先到达柱
头, 并占据有限的柱头空间, 通过对柱头上的自花
粉进行清除处理后 , 柱头上的自花粉由原来的
36.20±2.12粒降到了17.67±1.83粒, 小刷子并不能彻
底清除柱头上的自花粉。对苜蓿单花柱头清除自花
粉后再授异花粉, 其结荚率/花序为72.31%±6.24%,
荚内种子粒数为3.46±0.25粒, 而对照的结荚率/花
序为51.76%±5.37%, 荚内种子粒数为2.11±0.18粒
(P<0.01; P<0.01), 结荚率/花序和荚内种子粒数均
表现出显著性差异。上述比对试验是在柱头上的自
花粉相对减少的情况下进行的, 而结果出现了极显
著的差异, 这说明柱头上的自花粉经适当减少就可
明显提高结实率。
2.3 花粉萌发与花粉管生长状况
通过对苜蓿柱头上不同来源的花粉萌发和花
粉管生长状况的观测显示, 自花授粉和异花授粉
后, 柱头上花粉的萌发数量和花粉管的生长速度明
显不同。自花授粉后5 h大部分柱头的花粉没有萌
发, 10 h后柱头上有少量花粉萌发(图1), 15 h后柱头
上有60%的花粉萌发(图2), 20 h后有部分花粉管出
现(图3)。25 h后(图4)少数花粉管继续伸长。而异花
授粉后3 h (图5), 柱头上的花粉就大量萌发, 5 h后
花柱中有少量花粉管(3–5条), 10 h后大量花粉管出
现(图6), 15 h、20 h后(图7, 8)大量花粉管迅速生长,
25 h后花粉管消失(图9), 受精结束。自然状态下在
龙骨瓣弹开后5 h, 少数柱头上有20%的花粉萌发,
10 h后柱头上花粉大量萌发, 15 h后大部分花粉管
进入花柱。异花授粉后花粉萌发率和花粉管生长速
度明显高于自然状态和自花授粉两种情况。
对于弹花前的第IV、第V期的柱头及花柱的荧
光观察显示(图10, 11), 两个时期既没有花粉的萌发
也没有花粉管的生长, 但第V期的柱头明显出现了
膨胀, 表现出成熟柱头的状态, 而第IV期柱头紧缩,
仍处在发育阶段。这说明龙骨瓣弹开前, 自花粉即
使早熟, 也不能在柱头上萌发。
3 讨论
3.1 异交机制
花粉到达柱头后的命运除了与到达柱头的时
间、不同来源的花粉粒之间的相互作用以及与柱头
的亲和性相关外, 还与柱头的可授期和柱头的最佳
授粉时间密切相关。苜蓿花粉活力较长, 持续7天后
还有约一半的花粉有活力(张爱勤等, 2005), 大部分
花粉在花发育的第III期已经成熟(刘淑明, 1996)。在
本实验中所进行的柱头可授期的测定显示: 苜蓿柱
头可授期也较长 , 在花开放后的第4天授粉仍有
30%的结荚率。这与苜蓿单花寿命较长有关, 单花
开放后在没授粉的情况下, 可持续7天不凋谢(张爱
勤等, 2006)。在试验期间, 由于天气干热, 单花开放
后第4天已经凋谢。因此中止了授粉。但从测定结
果和开花习性看, 苜蓿柱头的可授期应该与单花寿
命同步, 最佳授粉时期在单花开放的第1天。
张爱勤等: 新牧 I 号杂花苜蓿异交机制与自花粉的生殖干扰

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图1–11 不同来源的花粉在柱头授粉后花粉的萌发和花粉管的生长状况 1. 自花授粉后10 h。2. 自花授粉后15 h。3. 自花授粉后20 h。4. 自
花授粉后25 h。5. 异花授粉后3 h。6. 异花授粉后10 h。7. 异花授粉后15 h。8. 异花授粉后20 h。9. 异花授粉后25 h。10. 弹花前第IV期。
11. 弹花前第V期。
Figs. 1–11. The pollen germination and pollen tube growth after self-and cross-pollination in alfalfa. 1. 10 h after self-pollinated. 2. 15 h after
self-pollinated. 3. 20 h after self-pollinated. 4. 25 h after self-pollinated. 5. 3 h after cross-pollinated. 6. 10 h after cross-pollinated. 7. 15 h after
cross-pollinated. 8. 20 h after cross-pollinated. 9. 25 h after cross-pollinated. 10. The IV period before tripping. 11. The V period before tripping.

柱头保持活力与花粉散布的时间对植物繁育
系统的影响不亚于活动昆虫的种类和频率等因子
(何亚平, 刘健全, 2003)。在苜蓿单花发育的第III期,
花粉虽然已成熟, 但通过对弹花前第IV期柱头上花
粉萌发的荧光观察显示, 该时期的柱头紧缩, 上面
没有花粉的萌发, 说明柱头还没有成熟。即苜蓿雌
蕊的成熟滞后于雄蕊, 为雌雄异熟, 而在该时期进
行人工授粉后形成的荚果, 应该是花粉在柱头上停
留到雌蕊成熟后萌发产生的。
自交不亲和是有花植物最常见的一种阻止自
植物分类学报 Journal of Systematics and Evolution 2008 46卷6期 860
交、促进异交的机制, 在植物中广泛存在。其表现
包括: 自花粉在柱头上的黏着程度降低、自花粉萌
发率低、花粉管生长受抑制、胚胎败育等(方炎明,
樊汝汶, 1996)。对苜蓿不同来源的花粉在柱头上的
萌发和花粉管生长状况的荧光观测显示。苜蓿自花
授粉不仅花粉萌发率低而且花粉管的生长速度也
非常缓慢, 表现出自交不亲和的现象。苜蓿自花授
粉所表现出的极低的结实率(刘淑明, 1996), 也充分
说明了苜蓿的这种自交不亲和性。在繁育系统中,
苜蓿采用了雌雄异熟和自交不亲和两种机制来避
免自交。
雌雄异熟按发育的顺序可分为雄蕊先熟和雌
蕊先熟, 从理论上分析, 雌蕊先熟在减少自花授粉
方面比雄蕊先熟更有效(方炎明, 樊汝汶, 1996)。从
我们的观测结果看, 苜蓿花粉虽然在花发育的第III
期已经成熟, 但雄蕊仍被龙骨瓣紧紧包裹, 无法散
粉。等到雌蕊成熟时, 如果龙骨瓣没有弹开, 自花
粉仍然散不出去, 在弹花过程中已成熟的自花粉不
可避免地被抖落在柱头上。所以, 在异交机制中,
苜蓿自花粉的早熟(雄蕊先熟)在提高苜蓿异交率上
并没有起到有效的作用。近年来的观点认为, 在具
有自交不亲和的植物中, 雌雄异熟或单性花在减少
自花受精方面并没有增加优势(Bertin, 1993)。苜蓿
的这种雌雄异熟也充分证明了这一现象。
3.2 自花粉的生殖干扰
对于自交不亲和系统的植物来说, 自花粉虽然
在柱头上不能萌发或萌发率极低, 但自花粉的危害
并没有消除。因为自花粉可能挤占了柱头上有限的
空间, 或干扰异花粉与柱头的接触, 或抑制异交花
粉管在花柱中的生长, 或堵塞花柱或珠孔, 从而降
低结实率和结籽率(Bertin & Sullivan, 1988; Waser
& Price, 1991; 方炎明, 樊汝汶, 1996)。在上述试验
中, 对清除自花粉后的柱头进行异花授粉, 结实率
和荚内种子粒数均得到了显著提高, 而且该结果仅
仅是在柱头自花粉数相对减少的情况下得出的, 在
苜蓿中柱头自花粉的堵塞效应非常显著。结合花粉
萌发的荧光观察, 说明苜蓿自花授粉不仅表现出较
低的花粉萌发率和花粉管生长速度, 而且占据柱头
有限的空间, 堵塞花柱。这可能是苜蓿在自然状态
下即使充分授粉, 由于自花粉的生殖干扰仍表现出
较低结籽率的重要原因之一。
综上所述, 苜蓿在生殖过程中, 虽然采取了雌
雄异熟和自交不亲和两种机制来避免自交, 但是由
于苜蓿独特的花结构, 使雄蕊先熟在保证苜蓿异交
机制中并没有起到有效的作用。而典型的自交不亲
和系统, 虽然保证了苜蓿较低的自交率, 却无法避
免自花粉对结实的干扰, 自花粉对结籽率的影响并
没有消除。
致谢 感谢国家自然科学基金(30760176)的资助。
参考文献
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