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The pattern of seed reproduction and its response to resources in Pedicularis semitorta individuals

半扭卷马先蒿个体内的种子生产模式及其对资源的响应



全 文 :书半扭卷马先蒿个体内的种子生产
模式及其对资源的响应
王晓娟,张龙冲,赵志刚
(兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃 兰州730000)
摘要:花序内部雌性繁殖成功的差异在很多植物当中都存在,解释花序内部雌性繁殖成功的假说主要有3种:传粉
不均匀假说、结构效应假说和资源限制假说。但外部因素对植物花序内雌性生殖成功模式的影响的研究非常少。
本实验对半扭卷马先蒿设置了3个密度梯度、2个剪叶水平,收取不同部位的果实,以研究密度和剪叶对半扭卷马
先蒿个体内种子产量的影响。实验参数包括:单个果实种子数、种子重、种子均重和胚珠数。同时,还做了人工补
充授粉和自然授粉单个果实种子数/胚珠数和单株果实数/花数的比较实验,结果证明,半扭卷马先蒿的繁殖不受
花粉资源的限制;密度对单个果实的种子数、种子均重有显著影响。剪叶对单个果实的种子数、败育数、胚珠数、种
子重有显著影响。剪叶和位置的交互作用在单个果实的种子数、败育数、胚珠数方面有显著作用,密度和位置的交
互作用对上述参数均无显著影响。在剪叶和密度处理下,位置对果实的上述参数均有显著影响,剪叶植株的单个
果实种子数、败育数、胚珠数、种子重均小于未剪叶的植株。由此可以看出,在半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功当中,
结构效应和资源限制假说可能同时起着作用。且资源条件不但影响着半扭卷马先蒿雌性生殖成功,而且影响着花
序内的变异程度,表明了该种植物对种子生产的可塑性调节。
关键词:半扭卷马先蒿;密度;剪叶;果实位置;雌性繁殖成功
中图分类号:S324  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)04023607
  植物花序内部繁殖差异很久以来就受到人们的广泛关注[14]。不同位置的果实在种子的产量等方面存在差
别,一般的情况是种子的大小或数量沿花序由下而上或是先开的花到晚开的花递减[510]。然而另外有报道,植株
中部[11]或是基部晚开的花[12,13]有较高的果实、种子形成率;当然,也有少量的文献证明果实和种子的形成是不受
位置效应影响的[14]。不同位置的果实在种子产量、种子成分等方面有差异[15,16],甚至是不同位置的胚珠发育成
种子的几率都是不同的[17]。
其中解释植物花序内部雌性繁殖成功的假说主要有3类:结构效应假说、资源限制假说和传粉不均匀假说。
结构效应假说认为:植物花序基部的花本身就具有生产较多的胚珠的能力,这是花序发育不可避免的内部因素作
用的结果[2022]。资源限制假说认为,由于资源是有限的,基部的花通常先开,离资源生产、运输和储存器官比较
近,与顶部的花相比对于资源竞争更有优势,所以果期的种子生产要高于顶部的花[1,7]。不均匀传粉假说认为,
花序内的不同部位花接受的花粉质量或是数量的不同造成了结籽率的差异[23]。
开花植物的有性生殖对环境因素的各个方面都很敏感,尤其是资源环境条件。例如:密度可能通过增加传粉
者的吸引[2428],改变植物对光照、营养、水分的吸收[29]或植株叶面积的大小[30]等影响植物的繁殖。密度也可能
通过改变植株个体的大小[31]、种子形成率[32]或花的受精率[33]影响植物的繁殖成功。密度对植物果实和种子产
量的影响因物种不同而异。有文献报道随植株密度的增加,单位面积植株种子产量均有所增加[16,34]。但有研究
表明植株密度的增加并不一定伴随着种子产量的增长[35,36],甚至植株密度与植物的雌性繁殖成功成负相关关
系[28]。密度对某些植物的种子产量等存在显著影响[16,37],而有些文献认为密度影响的是种子的大小和重量而不
是种子的产量[38]。但密度无论是改变叶面积的大小、还是对光照水分等的吸收,都引起了植株对环境资源的竞
争。人们还可以通过去除叶片来控制植物资源环境条件。
236-242
2010年8月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第19卷 第4期
Vol.19,No.4
 收稿日期:20090518;改回日期:20090622
作者简介:王晓娟(1982),女,河南新乡人,硕士。Email:xjwang2003@163.com
通讯作者。Email:zhaozhg03@163.com
剪叶对植物繁殖的影响也有很多研究[39,40]。有的研究发现,剪叶会减少种子的产量和种子的成分[5,15,40,41]。
Valius[5]在其研究中发现,补给资源将降低剪叶引起后发生的或代价较高的雌性繁殖成功的负作用。对多年生
植物来讲,剪叶还将影响来年植物的开花或其他方面[40]。有的研究却发现剪叶对植物种子的产量是没有影响
的[42]。
但是,很少有研究讨论植物花序内的繁殖模式是否受环境条件尤其是可利用资源的影响,这对更全面地认识
植物对资源的利用能力及调节能力是十分重要的。在过去的几十年当中,针对马先蒿的研究主要集中在传粉生
态学[4348]和繁殖适应机理方面[48,49]。本实验中通过研究半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功对花序内位置及资源条
件的响应,主要回答下列问题:1)半扭卷马先蒿花序内部雌性繁殖成功是否变化,如果变化符合哪种假说;2)资源
处理(密度和剪叶处理)对半扭卷马先蒿花序内雌性繁殖模式是否有影响。
1 材料与方法
1.1 实验材料
半扭卷马先蒿(犘犲犱犻犮狌犾犪狉犻狊狊犲犿犻狋狅狉狋犪)是一年生草本植物,有的高达60cm,茎1(3-5)条,上部多分枝,枝细
弱,穗状花序,花(1-3-4-5)轮生[50],黄色。
1.2 实验地点
本研究是在兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室高寒草甸与湿地生态系统定位研究站进行的。实验
地处青藏高原东部,甘肃省合作市(东经120°53′,北纬34°55′),海拔2900多m,年平均气温为2℃,最冷的12,1,
2月3个月的平均气温为-8.9℃;最热的6-8月3个月的平均气温为11.5℃,属于亚高山草甸植被类型[51]。
1.3 实验时间及方法
2008年9月-2009年9月,先后做了以下实验步骤:收取自然生长的半扭卷马先蒿种子,筛选饱满果实,播
种(每个样方的面积为0.75m2)。样方分为3个密度:高、中、低密度分别为32,16和8株/样方。当花序出现时,
对选定的样方进行剪叶处理(每个叶片剪掉约其1/2的面积)。收取成熟果实,按照Kudo等[8]在实验中提供的
位置分配方法,将整个花序的花分为上中下3部分,相应的果实则分为上中下部位果实。测量并记录各个实验参
数。野外随机选取40株半扭卷马先蒿,每组2株、大小相近(每个植株花序上只保留10朵花)。分别进行自然授
粉和人工补充授粉处理。测量记录植株的果实数/花数和种子数/胚珠数的比例。所有实验数据用SPSS16.0处
理。
2 结果与分析
2.1 自然授粉和人工补充授粉条件下的单个果实种子数/胚珠数和单株的果实数/花数
狋检验的结果显示自然授粉和人工补充授粉的植株在单个果实种子数/胚珠数上没有显著差异(表1),自然
授粉的植株和人工补充授粉的植株在果实数/花数上也没有显著差异(表1)。可见,半扭卷马先蒿的繁殖不受花
粉资源的限制。
表1 自然授粉和人工补充授粉条件下的单个果实种子数/胚珠数和单株的果实数/花数的狋检测
犜犪犫犾犲1 犐狀犱犲狆犲狀犱犲狀狋狊犪犿狆犾犲狋犲狊狋犳狅狉狋犺犲狉犪狋犻狅狅犳狊犲犲犱狀狌犿犫犲狉狋狅狅狏狌犾犲狆犲狉犳狉狌犻狋犪狀犱狋犺犲狉犪狋犻狅狅犳犳狉狌犻狋狊狋狅犪犾犳犾狅狑犲狉狊
狅犳犻狀犱犻狏犻犱狌犪犾狆犾犪狀狋狌狀犱犲狉狀犪狋狌狉犲狆狅犾犻狀犪狋犲犱犪狀犱犪狉狋犻犳犻犮犻犪犾狊狌狆狆犾犲犿犲狀狋狆狅犾犻狀犪狋犲犱狋狉犲犪狋犿犲狀狋
项目Item 处理Treatment 处理对象数目N 均数±方差 Mean±SE 狋值狋value 显著性概率Sig.
单个果实种子数/胚珠数Theratioof
seednumbertoovuleperfruit
自然授粉Naturepolinated 155 0.705±0.161 1.258 0.209
补充授粉Supplementpolinated 136 0.675±0.179
单株的果实数/花数 Theratioof
fruitstoalflowersofindividualplant
自然授粉Naturepolinated 19 0.847±0.400 0.518 0.608
补充授粉Supplementpolinated 19 0.874±0.314
2.2 果实位置、密度及其交互作用对半扭卷马先蒿雌性繁殖成功的影响
果实位置对半扭卷马先蒿单个果实的种子数、胚珠数、种子重和种子均重均有显著影响(犘<0.05)。下部和
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中部单个果实的种子数、胚珠数明显大于上部果实(表2)。而植株下部单个果实的种子重、种子均重明显小于中
上部的果实(表2)。
密度对半扭卷马先蒿的单个果实种子数和种子均重有显著影响(犘<0.05),而对单个果实胚珠数和种子重
没有显著影响(犘>0.05)。多重比较显示,高密度植株的单个果实种子数明显小于低、中密度样方内的植株。不
同密度的植株单个果实胚珠数没有显著差异(表2)。不同密度水平之间,单个果实的种子重没有显著差异(表
2)。低密度样方内的植株其种子均重明显小于中、高密度样方内的植株(表2)。
密度和位置的交互作用对上述参数均无显著影响(犘>0.05)。说明在本实验所设的密度条件下,密度对结
构效应的影响较小。
表2 不同密度下花序内部不同位置的单个果实的种子产量
犜犪犫犾犲2 犛犲犲犱狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀犪犿狅狀犵狆狅狊犻狋犻狅狀狊狑犻狋犺犻狀狉犪犮犲犿犲狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犱犲狀狊犻狋犻犲狊
项目Item
高密度 Highdensity
下部Lower中部 Middle上部Upper
中密度Intermediatedensity
下部Lower中部 Middle上部Upper
低密度Lowdensity
下部Lower中部 Middle上部Upper
种子数Seednumber
22.265±
0.391a
22.420±
0.375a
19.500±
0.374b
22.714±
0.423a
23.164±
0.399a
21.278±
0.408b
22.446±
0.521a
23.649±
0.473a
21.019±
0.493b
胚珠数Ovulenumber
25.797±
0.409a
26.411±
0.393a
23.761±
0.392b
25.348±
0.443a
25.838±
0.417a
24.112±
0.420b
25.307±
0.545a
26.982±
0.496a
24.126±
0.515b
种子重Seedmass(mg)
0.014±
0.001b
0.016±
0.001a
0.015±
0.001a
0.015±
0.001b
0.018±
0.001a
0.018±
0.001a
0.014±
0.001b
0.016±
0.001a
0.015±
0.001a
种子均重
Averageseedweight(mg)
0.001±
0.000b
0.001±
0.000a
0.001±
0.000a
0.001±
0.000b
0.001±
0.000a
0.001±
0.000a
0.001±
0.000b
0.001±
0.000a
0.001±
0.000a
 注:平均值由平均数和标准差组成。平均值上标有不同字母的,说明该值与其他平均值存在显著差异。下同。
 Note:Meanvaluesarecomposedofmean±SE.Meanvalueswithdifferentsuperscriptlettersaresignificantlydifferentfromothermeans.Thesame
below.
2.3 果实位置、剪叶及其交互作用对半扭卷马先蒿雌性繁殖成功的影响
果实位置对半扭卷马先蒿单个果实的种子数、胚珠数、种子重和种子均重均有显著影响(犘<0.05)。植株下
中部果实的种子数、胚珠数明显大于上部果实的(表3)。中部单个果实的种子重最大,下部的单个果实的种子重
最小,上部果实与下中部的相比没有显著差异。下部果实种子均重明显小于中上部的果实。
剪叶对半扭卷马先蒿的单个果实的种子数、胚珠数和种子重有显著影响(犘<0.05),而对种子均重没有显著
影响(犘>0.05)。但剪叶的植株单个果实胚珠数、种子数、种子重和种子均重均小于未剪叶植株(表3)。
剪叶和果实位置的交互作用对半扭卷马先蒿的单个果实的种子数和胚珠数有显著影响(犘<0.05)。说明剪
叶对半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功起到了抑制作用。
表3 在剪叶和未剪叶处理下花序内部不同位置单个果实的种子产量
犜犪犫犾犲3 犛犲犲犱狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀犪犿狅狀犵狆狅狊犻狋犻狅狀狊狑犻狋犺犻狀狉犪犮犲犿犲狊狌狀犱犲狉犱犲犳狅犾犻犪狋犻狅狀犪狀犱狌狀犱犲犳狅犾犻犪狋犻狅狀狋狉犲犪犿犲狀狋狊
项目Item
剪叶Defoliation
下部Lower 中部 Middle 上部Upper
未剪叶Undefoliation
下部Lower 中部 Middle 上部Upper
种子数Seednumber 21.483±0.338a 22.595±0.317a 20.285±0.320b 23.688±0.376a 23.480±0.354a 20.733±0.364b
胚珠数Ovulenumber 24.187±0.352a 25.800±0.331a 23.665±0.334b 27.173±0.391a 27.036±0.369a 24.364±0.379b
种子重Seedmass(mg) 0.130±0.001b 0.160±0.001a 0.150±0.001ab 0.160±0.001b 0.180±0.001a 0.160±0.001ab
种子均重
Averageseedweight(mg)
0.001±0.000b 0.001±0.000a 0.001±0.000a 0.001±0.000b 0.001±0.000a 0.001±0.000a
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3 讨论
无花蜜半扭卷马先蒿依靠采粉者震动花药而散播花粉,这种方式称为巴斯传粉[52]。半扭卷马先蒿的传粉属
于该类型。尽管,有许多关于以巴斯传粉方式的马先蒿受花粉资源限制的报道[5255]。本实验结果证明该植物的
雌性繁殖不受花粉的限制。
果实位置对各个参数的影响结果显然表明,结构效应是半扭卷马先蒿花序内部雌性繁殖成功变化的一个原
因。结构效应作为解释植物花序内部雌性繁殖成功的一种假说,在许多文献当中都有报道[7,8,14,56,57]。不同的物
种间可能存在差异,但是大多数是下部的靠近资源供应源或是早开的花具有较大的种子产量[2,14,57,58]。在半扭
卷马先蒿中,也具有上述现象,即下中部的果实有较大的种子产量,但中部的果实种子产量最大。
密度对植物的种子均重和种子数量有影响。而密度对单个果实的胚珠数和种子总的生物量没有显著影响。
这在很多的实验中都有类似的结果[16,27,34,38,59]。随密度的增加,半扭卷马先蒿单个果实的种子数减少,说明过高
的密度对半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功是存在负相关关系的[28]。在本实验当中,密度和果实位置的交互作用对
其单个果实的种子数、种子重、胚珠数和种子均重都没有显著影响,可能是本实验当中所设的密度较低,交互作用
没有体现出来的原因。
剪叶的植株果实各个参数均小于未剪叶的植株,总的生物量受到营养资源的限制[60]。剪叶使得半扭卷马先
蒿的雌性繁殖成功率减低[5,15,3941]。在剪叶的情况下,结构效应引起的植株花序内部雌性变化仍然存在,但剪叶
和果实位置的交互作用对半扭卷马先蒿的单个果实种子数和胚珠数有显著作用,可见结构效应对剪叶作用来说
不是独立的。
综上所述,高密度和剪叶对半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功有抑制作用。剪叶对结构效应是有影响的,说明半
扭卷马先蒿植物雌性繁殖模式是其自身可塑性的结果。在半扭卷马先蒿的雌性繁殖成功当中,资源限制和结构
效应同时起作用。
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WANGXiaojuan,ZHANGLongchong,ZHAOZhigang
(KeyLaboratoryofAridandGrasslandEcologyatLanzhouUniversity,
MinistryofEducation,Lanzhou730000,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thereisacommonphenomenonthatadiscrepancyinfemaleproductivesuccessexistsintheinflores
cenceofmanyplants,especialyalpineplants.Thenonuniformpolinationhypothesis,thearchitectureeffect
hypothesis,andtheresourcecompetitionhypothesisarethreehypothesestoexplainsuchpatternsofwithinin
florescencevariationinfemalereproductivesuccess.However,experimentstoevaluatetheinfluenceofoutside
environmentalfactorsonfemalereproductivesuccessarerare.Inthisexperiment,theeffectsofpopulation
densityanddefoliationonthefemaleproductivesuccessof犘.狊犲犿犻狋狅狉狋犪wereinvestigated.Theparameters
testedincludeseednumber,seedmass,ovulenumberperfruit,andindividualseedweight.Wealsochoose
twentynaturalgroupsof犘.狊犲犿犻狋狅狉狋犪tofindwhetherthisplant’sreproductionalocationisrestrictedbypolen
resources.Therewasnosignificantdiscrepancyintherateoffruitsetandtherateofseedsetbetweennatural
polinatedandartificialsupplementpolinatedplants.However,populationdensityhadasignificanteffecton
seednumberperfruitandindividualseedweight,whiledefoliationaffectedseednumbers,seedmass,and
ovulenumberperfruit.Indensityanddefoliationtreatments,fruitpositionhadamarkedrelationshiptoalthe
aboveparameters,indicatingthatarchitectureeffectsplayaroleinthisplant’sfemalereproductivesuccess.Al
theparametersofdefoliatedindividualplantswerelessthanthoseofthenondefoliatedones.Theinteraction
effectofdefoliationandfruitpositionhadasignificantinfluenceonseednumbersandovulesperfruit,indica
tingthatdefoliationhadanegativeeffectonfemalereproductivesuccess.Wesuggestthatthearchitecture
effectandresourcecompetitionbothaffectfemalereproductivesuccessof犘.狊犲犿犻狋狅狉狋犪andthattheyarethere
sultsofplantplasticity.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犘犲犱犻犮狌犾犪狉犻狊狊犲犿犻狋狅狉狋犪;density;defoliation;fruitsposition;femaleproductivesuccess
242 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4