全 文 ：几种同域分布姜花属植物的种间杂交亲和性
及杂交后代种子活力
甘暋甜1,2,李庆军1
(1中国科学院西双版纳热带植物园,云南 昆明暋650223;2中国科学院研究生院,北京暋100049)
摘要:种间配子不亲和以及种间杂交种子活力低是众多的物种间杂交隔离机制中的两个方面。通过对云南澜
沧地区分布的4种 (型)姜花属植物———圆瓣姜花 (Hedychiumforresti)、草果药 (H灡spicatum )、两类
型滇姜花 (H灡yunnanense)间进行野外杂交试验,比较杂交结实率、每果种子数以及杂交种子的萌发参
数等指标来分析4种 (型)姜花之间的杂交亲和性和杂交后代表现,发现4种 (型)姜花属植物配子间都
具有不同程度的亲和性,但种间杂交种子的萌发适合度比同种授粉获得的种子低。结果表明,这4种
(型)姜花属植物间配子亲和性不是有效的种间隔离机制,种间杂交种子活力低是一种不完全的隔离机制,
它们在同域分布的地区,仍然有形成杂交后代的可能性。
关键词:姜花属;种间杂交;配子亲和性;杂交种子活力
中图分类号:Q321暋暋暋暋 暋暋文献标识码:A暋暋暋 暋暋暋暋文章编号:0253灢2700(2010)03灢230灢09
TheCrossabilityandHybridSeedVigoramongSeveral
SympatricHedychium(Zingiberaceae)Species
GANTian1,2,LIQing灢Jun1
(1XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming650223,China;
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
Abstract:Gameticincompatibilityandlowhybridseedvigoraretwoofmultiplespeciesreproductivebarri灢
ers.Inordertoinferthegameticincompatibilityandhybridseedsfitnessofsympatricpopulationsamong
Hedychiumforresti,H灡spicatumandtwomorphsofH灡yunnanense,wehavedoneasetoffieldcrossex灢
perimentsamongtheseHedychiumspeciesinLancang,YunnanProvince,andthencomparedthefruitset,
seednumberperfruitandgerminationdataofseedsfromcrossexperiments.Theexperimentsshowedthat
thegameticcompatibilitybetweenthesespeciesaredifferent,andthegerminationperformancesofhybrid
seedsareworsethantheintraspeciesoutcrossedseeds.Theseresultssuggestedthatgameticincompatibility
isnottheeffectivereproductivebarrieramongthesespeciesandhybridseedsfitnessistheincompleterepro灢
ductivebarrieramongtheseHedychiumspecies,whichindicatedthathybridizationmayexistamongthem.
Keywords:Hedychium;Interspeciescross;Gameticcompatibility;Hybridseedvigor
暋 种间隔离机制是生物学家探讨物种形成的
关键问题之一,也是维持物种多样性和遗传漂变
的保证 (Rieseberg,2007)。通常,种间隔离机
制由不同的部分组成,其中,生态地理隔离长期
以来被看作是植物种间隔离机制中最重要的环节
之一,在许多关于近缘种或亚种的交互移栽试验
中,近缘种和亚种对于生境的偏好也证实了生态
地理隔离机制的重要性 (复旦大学遗传研究所,
1963)。近年来,没有地理隔离的同域物种形成
和分化问题成为进化生物学家们所争论的热点问
云 南 植 物 研 究暋2010,32(3):230~238
ActaBotanicaYunnanica暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋DOI:10灡3724/SP灡J灡1143灡2010灡09240
收稿日期:2009灢11灢27,2010灢04灢08接受发表
作者简介:甘甜 (1983-)女,硕士研究生,研究方向为姜花属物种形成。E灢mail:gantian1220@163灡com
题 (Savolainen等,2006),而同域物种的种间
隔离机制是同域物种形成和分化的保证。大部分
有花植物依赖昆虫授粉以实现繁殖成功,大量研
究表明泛化传粉是有花植物普遍的传粉形式,同
一传粉昆虫倾向拜访同时开花的不同植物
(JohnsonandSteiner,2000;Waser等,1996;
张敬丽等,2007)。因此,传粉者的访花行为可
能不足以隔离同域分布花期重叠的同属植物间的
基因交流。杂交亲和性作为同域分布近缘种间重
要的隔离机制,包括合子前隔离机制———配子亲
和性,也包括合子后隔离机制,如杂交种子活
力。因此,开展近缘植物种间的杂交亲和性研究
对于了解同域物种的隔离分化具有重要的意义。
自然状况下,植物界中营养繁殖和单亲生殖 (即
无融合生殖)现象以及杂交、多倍化等现象的存
在,使得植物的进化呈复杂的网状,物种形成及
生殖隔离常涉及到多个物种 (Grant,1981;Ab灢
bott等,2005)。
姜花属 (HedychiumJ.K昳nig)属于热带
单子叶植物大科姜科 (Zingiberaceae),全世界
约有80种,中国分布有28种左右,其中18种
为特有种 (WuandLarsen,2000)。该属是一个
单系起源类群 (Kress等,2002)。喜马拉雅地区
为其现代分布中心,大部分种类可能是第三纪以
后,随着青藏高原的隆起而分化出来的 (吴德
邻,1994)。该属植物多年生,具有异交繁育系
统,同域分布现象普遍 (高江云等,2006)。自
然居群疑似杂交类群,在形态特征上表现为花部
特征的连续性 (Wood等,2000;高江云等,
2006),这暗示该属植物的自然杂交频繁。姜花
属植物花型奇特,雌、雄蕊外伸,位于远离花瓣
的一侧,是姜科中少数具有不对称花的类群之
一。姜花属植物的每一个花粉囊有一层具有分泌
功能的毛,能分泌胶液覆盖花粉,使花粉能粘到
传粉的鳞翅目昆虫的翅膀上 (Vogel,1984)。在
已研究过的白姜花 (H灡coronarium)(M湽ler,1890;
Kunckeld曚Herulais,1910)、红姜花 (H灡cocc灢
ineum )、毛姜花 (H灡vilosum var灡vilosum )
和 小 毛 姜 花 (H灡vilosum var灡tenuiflorum )
(高江云,2008)中,有效传粉昆虫都为蝶类或
天蛾。该属生活习性中多年生、行营养繁殖、异
交为主等特点与Elstrand (1996)描述的易于
发生自然杂交物种类群的特征相同。这些特点使
得姜花属植物成为研究种间隔离机制的演化以及
种间杂交物种形成的理想材料。高丽霞等
(2008)以SRAP技术对姜花属内分类关系做过
探讨,认为小苞片内小花数的多少是属内分类的
重要特征,但是姜花属种间隔离机制尚未见研
究,种间杂交试验研究仅有熊友华等 (2006)对
外来种金姜花 (H灡gardnerianum )和广州本地
种白姜花 (H灡coronarium )的正反交育种研
究,而对自然居群中同域物种间的杂交试验尚未
见报道。
云南省普洱市澜沧县佛房山地区分布有大量
的姜科植物,仅姜花属植物就分布有4个种5个
类型,包括圆瓣姜花 (H灡forresti )、草果药
(H灡spicatum )、两个类型的滇姜花 (H灡yunnan灢
ense)以及红姜花 (H灡coccineum ),它们都属
于姜花亚属,其中,草果药和滇姜花是姐妹类群
(高丽霞等,2008)。这些姜花中,除了红姜花在
花色、叶形等方面与其它种 (型)差异较大外,
其它4种 (型)姜花都为白色或黄白色,分布生
境相似,花期相近或有重叠。这暗示几个类群间
可能存在杂交。本文拟对这些姜花属植物进行种
间隔离机制的初步研究,通过对这几种姜花属植
物野外杂交授粉试验的座果率与每果种子数,以
及杂交后代的萌发表现 (种子萌发率、平均发芽
时间、发芽指数),回答以下两个问题: (1)这
几种 (型)间杂交的配子亲和性如何? (2)它们
种间杂交的种子活力如何?
1暋材料与方法
1灡1暋研究地点自然概况
野外观测和试验地点位于云南省普洱市澜沧拉祜族
自治县县城附近佛房山 (22曘35灡646曚N99曘59灡252曚E,海
拔1737m)。当地为酸性土壤,南亚热带夏湿冬干山地
季 风 气 候,2008年 年 均 温19灡8曟,年 均 降 雨 量 为
1737灡3mm (张晓改,2008),全年分为明显的干季 (10
月下旬~次年5月中旬)与雨季 (5月中旬~10月下旬)。
1灡2暋研究材料
4种 (型)姜花都为高大的多年生草本植物,陆生,
具有肉质地下茎,可以以地下茎行营养生殖。假茎直
立,生活环境为有荫蔽环境的阳坡或林中空地。4种
(型)姜花都为顶生穗状花序;除了圆瓣姜花每小花序
有2~5朵小花外,其它3种 (型)每花序都只有1朵小
1323期暋暋暋暋暋暋甘甜和李庆军:几种同域分布姜花属植物的种间杂交亲和性及杂交后代种子活力暋暋暋暋暋暋暋
花。小花序最外有小苞片及花萼管,花冠顶部裂成三
裂,为背裂片及两个腹裂片,基部形成管状。花丝伸出
花冠外,花药背部着药,花柱包于花丝内,柱头从两个
花粉囊间伸出。在花序上,伸出的花丝及花药、柱头斜
着歪向一侧。4种姜花都有很明显的香味。各个种的形
态特征及地理分布如表1。
1灡3暋研究方法
1灡3灡1暋野外杂交授粉实验暋授粉实验于2008年8月18
日至23日在选定的试验样地开展。每天上午对次日即
将开放的花朵去雄 (由于姜花花柱位于花丝内,为保证
不伤害花柱及不触碰柱头,用镊子小心地去除未开裂散
粉的花药),并将其它已经开放以及发育尚小的花朵剪
去,最后标记套袋以隔离传粉昆虫 (4种 (型)姜花每
花序处理数不超过10朵花)。次日,采集刚开放花朵中
的花药备用,进行以下授粉实验: (1)种间杂交:分别
以草果药、圆瓣姜花、滇姜花 (紫茎型P)、滇姜花 (白
茎型 W)这4种 (型)各为母、父本进行杂交授粉处
理,其中,由于滇姜花 (白茎型)处于花期末,以滇姜
花 (白茎型)为母本处理组中,只进行以草果药和滇姜
花 (紫茎型)为父本的授粉处理; (2)同种异株授粉,
包括草果药、圆瓣姜花、滇姜花 (紫茎型) (由于滇姜
花 (白茎型)处于花期末,植株较少,未进行异交授粉
处理)。果熟后统计座果率 (成熟果实数目除以处理的
果实数目)、每果种子数 (每果内所得成熟种子数)。
2008年11月26日回收处理的果实。具体杂交组合的处
理花数、植株数、回收果数、回收植株数见表2。
1灡3灡2暋种子活力的测定暋种子在收集后去除果皮、假
种皮并储存于4曟冰箱中6个月。由于收集时圆瓣姜花
及滇姜花 (紫茎型)果实为绿色、未开裂,种子成熟度
不够,导致圆瓣姜花及滇姜花 (紫茎型)为母本的种子
萌发实验失败,仅对以草果药以及滇姜花 (白茎型)为
母本的种子活力顺利进行了测定。萌发实验的种子材料
具体如下:滇姜花 (白茎型)(自然对照),80粒;滇姜
花 (紫茎型)暳滇姜花 (白茎型),64粒;草果药 (自然
对照),100粒;草果药 (异交),100粒;滇姜花 (紫茎
型)暳草果药,100粒;滇姜花 (白茎型)暳草果药,37
粒;圆瓣姜花暳草果药,40粒。
种子在恒温光照培养箱 (型号 MGC灢250,上海一恒
科学仪器有限公司)中,模拟野外田间自然萌发条件
(27曟14h,光照12000lx;20曟10h,黑暗)进行种
子萌发实验,萌发前蒸馏水漂洗5min,70%乙醇浸泡
30s,蒸馏水漂洗干净;最后,在培养皿中以双层滤纸
为基底,加入蒸馏水进行萌发。
以胚根长度伸出种子1~2mm为萌发标准,每天统
计萌发情况,并补充适量蒸馏水。实验时间为2009年5
月21日至2009年6月17日。计算萌发率、平均萌发时
间、发芽指数三项指标。 (吴之坤 等,2005;李亚等,
2007;管康林,2009)
表1暋4种 (型)姜花特征、花期、果期及地理分布范围
Table1暋Character,floweringtime,fruittimeanddistributionof4Hedychiumspecies(type)
特征
Character
圆瓣姜花
H灡forresti
草果药
H灡spicatum
滇姜花 (紫茎型)
H灡yunnanense
暋暋 (P)
滇姜花 (白茎型)
H灡yunnanense
暋暋 (W)
叶舌长
Ligulelength
1~1灡6cm 1~1灡6cm 4cm 2cm
花期
Floweringseason
8~10月 7~8月 8~9月 7月下旬~8月下旬
果期
Fruitingseason
11~12月 10~11月 10~11月 9~10月
染色体倍性数目
Ploidylevelandnum灢
berofchromosome
四倍体,2n=68
(甘甜,未发表数据)
2n=34
(WuandLarsen,2000)
四倍体,2n=68
(甘甜,未发表数据)
二倍体,2n=34
(甘甜,未发表数据)
分布地区
Distribution
云南腾冲、大理、楚雄至
广通、蒙自、西双版纳、
西畴、马关、文山、富宁
等地;四川;贵州和西藏
(童绍全,1997)
云南中部至西北部;
四 川;贵 州;西 藏;
尼泊尔;印度 (童绍
全,1997)
暋暋云南昆明、绿春、孟连;四川;广西
暋暋 (童绍全,1997)
分布海拔
Altitude
600~2100m
(童绍全,1997)
1900~2800m
(童绍全,1997)
暋暋1700~2200m (童绍全,1997)
232暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
表2暋野外人工授粉实验处理及回收果数
Table2暋Thenumberoftreatedfruitandrecruitedfruitoffieldartifitialpolinationexperiment
处理组 (父本暳母本)
Treatment(Maleparent/femaleparent)
处理花数
No.oftreated
flower
处理植株数
No.oftreated
individual
回收果数
No.ofrecruited
fruit
回收植株数
No.ofrecruited
individual
草果药 (异交)
H灡spicatumoutcrossed
35 5 23 5
圆瓣姜花暳草果药
H灡forresti 暳H灡spicatum
71 10 45 10
滇姜花 (紫茎型)暳草果药
H灡yunnanense(P)暳H灡spicatum
37 7 29 7
滇姜花 (白茎型)暳草果药
H灡yunnanense(W)暳H灡spicatum
26 7 10 7
圆瓣姜花 (异交)
H灡forrestioutcrossed
12 2 12 2
草果药暳圆瓣姜花
H灡spicatum 暳H灡forresti
13 3 13 3
滇姜花 (紫茎型)暳圆瓣姜花
H灡yunnanense(P)暳H灡forresti
16 4 10 4
滇姜花 (白茎型)暳圆瓣姜花
H灡yunnanense(W)暳H灡forresti
5 1 — —
滇姜花 (紫茎型)(异交)
H灡yunnanense(P)outcrossed
32 4 17 4
草果药暳滇姜花 (紫茎型)
H灡spicatum 暳H灡yunnanense(P)
60 7 41 6
圆瓣姜花暳滇姜花 (紫茎型)
H灡forresti 暳H灡yunnanense(P)
58 7 43 7
滇姜花 (白茎型)暳滇姜花 (紫茎型)
H灡yunnanense(W)暳H灡yunnanense(P)
48 5 26 5
草果药暳滇姜花 (白茎型)
H灡spicatum 暳H灡yunnanense(W)
2 1 — —
滇姜花 (紫茎型)暳滇姜花 (白茎型)
H灡yunnanense(P)暳H灡yunnanense(W)
9 1 9 1
总计total 424 64 278 61
注:—表示数据缺失。Note:—indicatesdatamissing
暋暋三项指标计算公式如下:
萌发率=正常发芽总数/供试种子总数暳100%
发芽指数=暺 ((第i天的发芽数/供试种子总数暳
50)/相应的萌发天数)
平均发芽时间=暺 (第i天发芽数暳萌发天数)/暺
第i天发芽数
1灡3灡3暋统计分析方法暋将座果率和每果种子数的各处
理结果以不同的母本物种进行分组比较。所有数据采用
SPSS13灡0软件进行统计分析。因试验座果率样本量小
及每果种子数数据不符合正态分布,统计分析时采用非
参检验,以Kruskal灢Walis检验先进行差异显著性比较,
Mann灢Whitney检验进行两两比较。
2暋结果
2灡1暋杂交授粉试验
2灡1灡1暋座果率比较暋 除滇姜花 (白茎型)为母
本的处理组 (66灡7%)无法比较外,草果药作母
本的处理间差异显著 (P =0灡004),其它处理
组内差异不显著。草果药作母本的各处理间,座
果率最高为草果药 (异株)及滇姜花 (紫茎型)
作父本的 (分别为84灡4%、81灡9%),滇姜花
(白茎型)作父本的次之 (54灡8%),圆瓣姜花作
父本的最低 (27灡0%)。各授粉处理座果率详见
表3。
3323期暋暋暋暋暋暋甘甜和李庆军:几种同域分布姜花属植物的种间杂交亲和性及杂交后代种子活力暋暋暋暋暋暋暋
2灡1灡2暋每果种子数比较暋比较每果种子数,除
滇姜花 (白茎型)作母本的授粉处理少,组内无
法比较外,圆瓣姜花作母本的处理组内无显著差
异,而草果药、滇姜花 (紫茎型)作母本的处理
组内差异显著。各授粉处理每果种子数详见表3。
草果药作母本的授粉处理间差异显著 (P
=0灡006)。其中,不同父本处理差异水平由高至
低分别为草果药 (异株)(12灡00暲5灡39)、滇姜花
(紫茎型) (11灡11暲6灡74);滇姜花 (白茎型)次
之 (7灡20暲2灡86);圆瓣姜花最低 (4灡67暲2灡87)。
滇姜花 (紫茎型)作母本的各处理间有显著
差异 (P =0灡004)。不同父本处理由高至低分
别为:滇姜花 (紫茎型) (异株),7灡73暲5灡93;
滇姜花 (白茎型),7灡45暲5灡11;草果药,6灡00
暲3灡00;圆瓣姜花,3灡31暲2灡53。
滇姜花 (白茎型)与滇姜花 (紫茎型)的授
粉处理每果种子数为10灡67暲5灡50。
2灡2暋种子萌发试验
5个人工授粉组合及2个对照所得到的种子
萌发结果如表4所示。异交授粉的草果药萌发率
最高,且生长势一致,种子发芽后比较健壮;各
杂交处理种子三项萌发参数表现都较自然结实对
照差。草果药作母本的各处理间,草果药同种异
交种子表现最优,而滇姜花 (白茎型)为父本的
杂交处理表现最差。滇姜花 (白茎型)为母本的
两处理间,自然结实种子处理表现优于滇姜花
(紫茎型)为父本的杂交处理。
草果药作母本各处理的最终萌发率由高至低
分别为:草果药同种异株授粉处理 (92灡0%),
自然结实对照 (65灡0%)、滇姜花 (紫茎型)
(65灡0%)、圆瓣姜花 (55灡0%)、滇姜花 (白茎
型)(24灡3%);发芽指数由高至低授粉组合分别
为:草果药同种异株授粉处理 (6灡554)、草果药
自然结实对照 (5灡740)、以圆瓣姜花 (4灡210)、
滇姜花 (紫茎型) (4灡063)、滇姜花 (白茎型)
(2灡192)为父本;平均发芽时间由短至长分别
为:草果药同种异株授粉处理 (14灡99d)、自然
结实对照 (15灡80d)、以圆瓣姜花 (17灡07d)、
滇姜花 (紫茎型)(18灡46d)、滇姜花 (白茎型)
(19灡04d)为父本。
滇姜花 (白茎型)作母本的两处理自然结实对
照及滇姜花 (紫茎型)作父本的最终萌发率分别
为:70灡0%,4灡69%;发芽指数分别为:4灡385,
0灡178;平均发芽时间分别为:19灡22d,26灡60d。
表3暋杂交授粉试验座果率与每果种子数
Table3暋FruitsetandseednumberperfruitofthefourHedychiumspeciesunder
differenthandpolinationtreatments
授粉方式
Aritificial
polination
treatment
草果药 曗
H灡spicatum
座果率
Fruitset
每果种子数
Seedsperfruit
圆瓣姜花 曗
H灡forresti
座果率
Fruitset
每果种子数
Seedsperfruit
滇姜花 (紫茎型)曗
H灡yunnanense
(P)
座果率
Fruitset
每果种子数
Seedsperfruit
滇姜花 (白茎型)曗
H灡yunnanense
(W)
座果率
Fruitset
每果种子数
Seedsperfruit
草果药 曖
H灡spicatum
84灡4%
(20/23)a
12灡00暲5灡39,
(n=20)a
77灡8%
(8/13)
9灡88暲4灡88,
(n=8)
59灡7%
(25/41)
6灡00暲3灡00,
(n=23)bc
——— ———
圆瓣姜花 曖
H灡forresti
27灡0%
(13/45)bc
4灡67暲2灡87,
(n=9)c
21灡4%
(3/10)
7灡33暲2灡52,
(n=3)
33灡3%
(13/43)
3灡31暲2灡53,
(n=13)cd
——— ———
滇姜花 (紫茎型)曖
H灡yunnanense
(P)
81灡9%
(24/29)a
12灡00暲5灡99,
(n=16)a
58灡3%
(6/10)
10灡33暲8灡66,
(n=6)
68灡9%
(11/17)
7灡73暲5灡93,
(n=11)ab
66灡7%
(6/9)
10灡67暲5灡50,
(n=6)
滇姜花 (白茎型)曖
H灡yunnanense
(W)
54灡8%
(5/10)ab
7灡20暲2灡86,
(n=5)b
——— ——— 75灡9%
(20/26)
7灡45暲5灡11,
(n=20)ab
——— ———
注:a、b、c (a>b>c)示意非参数检验多重比较结果水平,———表示数据缺失。
Note:statisticalygroupingbasedonanonparametricanalysisofvarianceareindicatedbythesamedifferentletter(a>b>c),
暋———indicatesdatamissing
432暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
表4暋萌发试验种子萌发率、萌发指数、平均萌发时间
Table4暋Germinationrates,indexandaveragetimeofseedgerminationexperiment
处理组
Treatment
滇姜花 (紫茎型)
暳滇姜花 (白茎型)
H灡yunnanense
(P)暳
H灡yunnanense
(W)
滇姜花
(白茎型)
H灡yunnanense
(W)
(natrual
control)
草果药
H灡spicatum
(natrual
control)
草果药
(异交)
H灡spicatum
(outcrossed)
滇姜花
(紫茎型)
暳草果药
H灡yunnanense
(P)暳
H灡spicatum
滇姜花
(白茎型)
暳草果药
H灡yunnanense
(W)暳
H灡spicatum
圆瓣姜花
暳草果药
H灡forresti
暳
H灡spicatum
最终萌发率 (%)
Finalgerminationrate
4灡69 70灡00 65灡00 92灡00 65灡00 24灡30 55灡00
萌发指数
Germinationindex
0灡178 4灡385 5灡740 6灡554 4灡063 2灡192 4灡210
平均萌发时间 (天)
Meangenerationtime
26灡60 19灡22 15灡80 14灡99 18灡46 19灡40 17灡07
3暋讨论
杂交授粉结果显示,4种姜花间种间杂交可
以结实,即它们之间都具有一定的种间亲和性;
杂交种子的活力测定结果表明,种间杂交种子虽
然有一定的活力,但显著低于同种异交种子。
3灡1暋4种 (型)姜花间的配子亲和性
4种 (型)姜花间杂交授粉所得的座果率和每
果种子数反映了种间配子亲和性的大小。座果率与
每果种子数越高,种间配子亲和性越高。实验结果
表明,这4种 (型)姜花种间杂交都能形成果实和
种子,即它们之间都具有一定的配子亲和性。
以座果率及每果种子数推断的种间配子亲和
性中,与草果药和圆瓣姜花亲和性最高的都是滇
姜花 (紫茎型);而与滇姜花 (紫茎型)亲和性
最高的是滇姜花 (白茎型)。以草果药为母本、
滇姜花 (紫茎型)为父本的种间配子亲和性与草
果药的种内配子亲和性相似;以滇姜花 (白茎
型)为父本的种间配子亲和性低于草果药的种内
配子亲和性;而以圆瓣姜花为父本的种间配子亲
和性最低。滇姜花 (紫茎型)为母本的杂交组
合,与滇姜花 (白茎型)、草果药的种间配子亲
和性都与种内配子亲和性相当,而与圆瓣姜花的
种间配子亲和性最低。
高丽霞等 (2008)建议根据每小花序中小花
数的多少来划分姜花属。这4种 (型)中,圆瓣
姜花为每小花序具3至多枚小花,其它3种 (型)
每小花序具1枚小花。并且,高丽霞等 (2008)研
究的种类中,草果药及滇姜花关系最近。实验中以
草果药及滇姜花 (紫茎型)为母本的杂交组合配子
亲和性表明圆瓣姜花与其它3种 (型)姜花亲缘关
系更远,也间接支持了高丽霞等 (2008)的结论。
4种 (型)姜花间配子亲和性的不同可能是
受花粉活力不同的影响。进行野外实验时,盛花
期的草果药、滇姜花 (紫茎型)的花粉活力可能
较高,而花期刚开始的圆瓣姜花及花期快结束的
滇姜花 (白茎型)的花粉活力可能未达到最高水
平,导致这几种植物间以草果药、滇姜花 (紫茎
型)为父本的杂交座果率及每果种子数更高。
在假设花粉活力都正常的前提下,这几种姜
花的形态特征与配子亲和性相关。
形态上,滇姜花 (紫茎型)、滇姜花 (白茎
型)及草果药间相似性大。从假茎高度及假茎颜
色等营养器官判断,滇姜花 (紫茎型)与草果药
相似,从小花形态判断,滇姜花 (白茎型)与滇
姜花 (紫茎型)相似,而滇姜花 (白茎型)与草
果药间易于区分。这与3种 (型)间的座果率及
每果种子数所表现的种间配子亲和性也相对应,
即滇姜花 (紫茎型)作为父本与草果药亲和性
高,作为母本与滇姜花 (白茎型)亲和性高,而
草果药与滇姜花 (白茎型)亲和性略低。依据形
态相似性及配子亲和性的高低推断,与草果药、
滇姜花 (白茎型)亲缘关系最近的都为滇姜花
(紫茎型),而滇姜花 (紫茎型)与滇姜花 (白茎
型)亲缘关系最近。
除了与形态相对应的配子亲和性外,圆瓣姜
花作为父、母本配子亲和性不一致。圆瓣姜花作
为母本,虽然无显著差异,但与其它姜花的亲和
性比同种异交对照高。假如圆瓣姜花的花粉活力
5323期暋暋暋暋暋暋甘甜和李庆军:几种同域分布姜花属植物的种间杂交亲和性及杂交后代种子活力暋暋暋暋暋暋暋
在授粉时候低,可能会造成这种情况的发生,并导
致对其它植物进行种间杂交后的座果率及每果种子
数都低。在假设花粉活力一致的情况下,我们有以
下推断。授粉后阻障根据发生作用的先后顺序,可
分为多种,已知的机制有:花粉附着柱头能力差、
萌发率低、花粉管生长速度低、花粉管损耗 (pol灢
lentubeattrition)(YostandKay,2009),Yostand
Kay(2009)对闭鞘姜 (Costus)进行的26个杂交
组合试验研究表明:当父本花柱短于母本花柱时,
杂交结籽率显著降低,暗示有花粉管损耗。花柱的
长短与花粉管的生长具有相关性,很多细致的研究
表明,长花柱有利于促进花粉管竞争从而提高雌性
适 合 度 (Kay,2006;Lankinenand Skogsmyr,
2001),但是为了适应特定传粉者的大小和形状,
又需要植物必须形成短而适当长度的花柱 (杨春锋
和郭友好,2005)。4种 (型)姜花间花柱长度无显
著差异,但圆瓣姜花的花柱稍短于其它3种 (型)
(甘甜,未发表数据),从短至长分别为圆瓣姜花
7灡91暲2灡93cm(n=20)、滇姜花 (紫茎型)9灡13暲
2灡53cm(n=25)、草果药9灡50暲3灡71cm (n=29)
和滇姜花 (白茎型)9灡89暲0灡44cm(n=33)。在本
研究中,圆瓣姜花作为短花柱物种,可能由于其
花粉管在其它物种花柱中生长的长度短难以到达
胚珠,从而导致圆瓣姜花作为父本形成的杂交座
果率、每果种子数较低;但反过来,圆瓣姜花作
为母本,由于其它物种花粉管生长长度大于其花
柱长度,使得圆瓣姜花作为母本与其它几种姜花
杂交的座果率、每果种子数较高。这个推测还需
要进一步的实验研究来证实,但这个现象从一定
程度上说明,这几种 (型)间正反杂交的阻障强
度是不同的,如熊友华等 (2006)研究所示,白
姜花与金姜花正反交育种结实率不同。相比草果
药与两类型滇姜花之间,以圆瓣姜花为父本与其
它姜花间的配子不亲和作为种间隔离机制发挥的
作用更大。
3灡2暋杂交种子活力
杂交种子活力大小是物种间合子后阻障的一部
分。种子活力水平取决于其遗传特性及种子发育过
程的生态环境 (管康林,2009)。遗传特性为种子活
力所固有的,而发育条件则影响活力的表达。在一
致的发育和发芽条件下,从种子活力的高低,可以
推测出不同杂交组合种子的遗传特性高低,从而推
断出不同杂交组合合子后阻障的高低。
种子萌发时间、萌发指数及萌发率都能反映
种子活力。萌发时间越短、萌发指数越高、萌发
率越高,说明种子活力越高。
从本研究的三项种子萌发参数上看,以草果
药为母本,同种异交所得的草果药种子活力最
高,其次是自然结实种子,第三是以滇姜花 (紫
茎型)为父本和圆瓣姜花为父本的杂交种子,而
以滇姜花 (白茎型)为父本的杂交种子的活力最
低。以滇姜花 (白茎型)为母本,滇姜花 (紫茎
型)与滇姜花 (白茎型)的杂交种子的活力明显
低于滇姜花 (白茎型)自然结果的种子,这表明
对于草果药和滇姜花 (白茎型)而言,杂交种子
的种子活力较自然结果种子的低,具有一定的生
殖隔离作用。
同种异交处理种子活力比自然结实种子活力
更高,符合预期。姜花属植物为鳞翅目昆虫传
粉,由于其传粉过程等因素的限制,很难彻底避
免自体授粉 (包括同株异花授粉和自花授粉)。
与异交后代相比,自交后代由于其高水平的遗传
纯合度而降低了后代质量,即近交衰退 (张大
勇,2004),表现为种子活力低。杂交种子活力
低于同种异交对照及自然对照,说明合子后杂种
活力具有一定的隔离作用。
草果药作为母本,与其它植物的杂交种子都
有一定的活力。一方面,这可能是由于这几种姜
花间遗传成分近导致的杂交种子表现出具有活力,
另一方面,遗传成分异质性导致的后代适应性低
可能在种子萌发之后的生活史时期表现出来。
虽然从形态来看滇姜花 (紫茎型)和滇姜花
(白茎型)间相似性高,但它们在染色体倍性上
具有明显的差异。紫茎型为四倍体,白茎型为二
倍体 (甘甜,未发表数据),它们之间杂交产生
的三倍体种子活力低;草果药为二倍体 (Wu
andLarsen,2000),与滇姜花 (白茎型)倍性相
同,但杂交种子的种子活力仍然较低;而滇姜花
(紫茎型)与草果药的三倍体杂交种子活力稍高。
这可能是与研究的个体数据太少有关,也有可能
是由于在这几个种间,染色体倍数与杂交亲和性
没有完全的相关性。如,Gajewski(1957)对蔷
薇科水杨梅属Geum 的田间试验表明,杂交中
Eugeum 亚属中的任何两种间 (包括不同染色体
632暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
倍性水平)可以杂交;龚洵等 (2001)的报道表
明 不 同 染 色 体 倍 性 的 山 木 兰 (Magnolia
delavayi)(2n =38)与 大 花 木 兰 Magnolia
grandiflora(2n =114)之间有很高的亲和性。
更有可能的是,草果药居群也存在不同倍性水平
的现象。假如试验的草果药为四倍体,则其与滇
姜花 (紫茎型)为同倍体,杂交种子活力高可以
解释,而与二倍体的滇姜花 (白茎型)杂交产生
的三倍体种子活力低也符合预期,这需要进一步
检测草果药的染色体倍性水平。另一个可能的原
因是,草果药与滇姜花 (紫茎型)间在遗传成分
上关系更近,而滇姜花 (白茎型)与滇姜花 (紫
茎型)在遗传成分上更相似,从而导致滇姜花
(紫茎型)与草果药的杂交种子活力较高。
3灡3暋4种 (型)姜花属植物种间隔离机制的推断
物种的形成与维持需要种间隔离机制作为保
证。隔离机制根据在植物生活史中起作用的不同
阶段一般划分为合子前阻障和合子后阻障。合子
前阻障包括生态地理阻障、开花时间阻障、传粉
者阻障,另外还包括花粉竞争、配子不亲和;合
子后阻障包括杂种不活,不育和杂种衰退 (Riese灢
berg,2007;Schemske,2000)。
合子前阻障由于在植物生活史中发挥作用的
阶段比合子后阻障早,被认为是作用大于合子后
阻障的重要隔离机制 (Kay,2006;Ramsey等,
2003;Rieseberg,2007;Schemske,2000)。圆
瓣姜花、草果药和两类型滇姜花在同域分布地区
能根据花部形态特征及营养特征相互区分,并未
出现因杂交等导致的形态方面的完全混杂。这有
可能是由于除配子不亲和及杂种不活外的其它隔
离机制,特别是合子前阻障,在维持种间相对独
立中发挥着更重要的作用。同域分布的这几种
(型)姜花间不存在地理阻障,但这4种 (型)
姜花间,存在一定的开花时间阻障。其中,滇姜
花 (白茎型)与滇姜花 (紫茎型)之间盛花期相
差一个月 (野外观察数据),虽然有一定的重叠
期,但不完全相同的花期在这两种 (型)间起了
一定的隔离作用。从这4种 (型)姜花间的花部
形态特征及传粉昆虫的特点判断,并无明显的花
部机械隔离。在配子竞争方面以及除杂种活力外
的其它合子后繁殖阻障,我们也知之甚少。
本研究中的4种 (型)姜花属植物种间配子
亲和性的阻障作用不大,杂交种子虽然具有一定
的活力,但都低于自然结实种子活力。配子间不
亲和是大多数物种间难以杂交的原因,但是本研
究的4种 (型)姜花种间配子亲和性高,说明配
子间亲和性不是主要的隔离机制,有可能是其它
更重要的隔离机制在起作用;同时,也暗示这几
类姜花属植物间存在种间杂交的可能性。这与
Wood等 (2000)和高江云等 (2006)提到的姜
花属野外形态方面不易区别,易于形成杂交种的
报道是一致的。Elstrand等 (1996)的研究表
明,杂交事件易发生于具有以下特点的类群内:
(1)具有以异交为主,且生殖隔离不完全的特
点,因此种间杂交能够发生;(2)具有足够的发
育上和生态上的灵活性以保证杂种能发育成熟;
(3)具有多年生习性和无融合生殖或者营养繁殖
的特点,因此杂种即使是部分不育,也有足够长
的时间来达到一定程度的繁殖成功。而这4种
(型)姜花不完全的生殖隔离以及其它与 El灢
strand等 (1996)描述相符的特点使我们推断,
这4种 (型)姜花间可能存在种间杂交。
这4种 (型)姜花的隔离机制进一步研究不
仅需要进一步的野外传粉学操控实验及长期实验
观察,也需要分子学证据来检验这些植物间是否
存在杂交及基因渐渗现象,以此推断物种形成中
的遗传结构变化。
致谢暋中国科学院西双版纳热带植物园罗燕江博士、任
盘宇先生、郑曼莉和陈智发同学在野外调查及实验中提
供了帮助,张志强博士对文章提出了修改建议。
暡参暋考暋文暋献暢
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