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兰科植物精巧的花部结构及其独特的传粉机制很早就引起了传粉生物学家和进化生态学家的注意,这为自然选择理论和异花受粉优势提供了强有力的证据。一般认为,植物的花形态(花性状)由传粉者所选择,是专有传粉者和特殊的花形态间形成的对应关系驱动进化的结果。因此,开展兰科植物的传粉生物学特性研究对进一步探讨植物与昆虫的进化关系,繁育机制具有重要意义。石斛属(Dendrobium)作为兰科第二大属,大都由专一的传粉昆虫授粉,这为研究植物的花与昆虫间相互关系提供了理想的材料。更重要的是,石斛属具有极高的药用与观赏价值,在经济利益的驱动下,人们长期无节制的采挖,加之生长缓慢、自然繁殖率低等因素影响,至使石斛野生资源濒临灭绝。因此,开展石斛组培快繁技术体系研究是必要的,这不仅对解决石斛资源利用与保护矛盾具有重要意义,而且可为规模化种植提供技术支持。本研究以石斛属新发现种——夹江石斛(Dendrobium Jiajiangense)作为研究材料,对其传粉生物学特性及其种子组织培养条件进行了研究,主要研究结果如下:
1.研究了夹江石斛的花形态与传粉者间机械性适应关系。结果表明:夹江石斛由专一性的昆虫小地蜂(Andrena parvula)传粉,其花形态与昆虫存在高度的机械适应,表现如下:(1)花的入口宽度(4.01mm)显著大于小地蜂的体宽(3.41mm),这确保了小地蜂不会因为体宽而无法进入;(2)虽然花通道的高度(1.73mm)显著小于小地蜂胸高(3.11mm),但由于唇瓣具有一定弹性,能向下弯曲3mm,这确保了小地蜂的顺利进入,而且唇瓣这种弹性的挤压作用,也促使了昆虫本能地翘起“尾巴”,顶开药帽,确保花粉块的带出;(3)柱头窝中点至蜜道口长度(S,6.15mm)显著大于昆虫胸中点至吻端点长度(T,4.19mm),这迫使小地蜂为取食花蜜,必须向前再爬行一定距离,使得其胸背部便会擦过柱头窝,确保粘附在其背部位置的花粉块有接触到柱头窝的机会,最终完成授粉。
2.研究了夹江石斛的假花粉形态结构及其化学组成。结果表明:唇瓣密布特殊的圆锥体绒毛结构,长度为379.9um,由数个不规则的多边形细胞构成;进一步对其组织化学测定发现,该绒毛结构的细胞富含大量的淀粉颗粒,细胞质富含蛋白质,脂类反应不明显,表现出兰科植物假花粉的特征,且在野外观察中发现小地蜂有啃食假花粉的现象,但假花粉的作用仍不明确,需进一步深入研究。
3.研究了花展示大小及避难所对繁殖成功的影响。结果表明,随着夹江石斛花展示的数量增大,其雌雄繁殖成功率均有增加,这表明大的花展示有利于夹江石斛的繁殖成功;提供传粉者避难所的夹江石斛雄性和雌性繁殖成功率(80.00%和50.83%)均显著高于未提供避难所的夹江石斛雄性和雌性繁殖成功率(66.67%和40.00%),这表明提供避难所有利于夹江石斛的繁殖成功。
4.研究了不同授粉方式对夹江石斛结实率、果实及种子的影响。结果表明,夹江石斛不存在自动自花授粉和无融合生殖,依靠小地蜂进行异花授粉。人工授粉实验显示自交、异交结实率均为100%,说明夹江石斛自交亲和性较高。进一步测定不同授粉方式下夹江石斛蒴果、种子的大小、重量;种子活力及萌发率。发现不同的授粉方式对果实及种子的影响有差异。其中,不同授粉方式对蒴果重量,种子重量(数量),有活力种子数量,有胚种子萌发率的影响表现一致,即异交、自然、同异间差异不显著,但均显著大于自交。不同授粉方式对种子长、宽、种子活力、萌发率影响一致,异交显著大于自然和同异(P<0.05),自然和同异均显著高于自交(P<0.05)。另外,其他所测指标如胚长宽、胚体积等也都显示异交显著大于自交(P<0.05)。体现了异交的优势。夹江石斛自然结实率为46.1%,高于有全球有回报兰科植物的平均结实率37.1%。这可能一方面取决于夹江石斛较高的授粉亲和性,另一方面取决于小地蜂较高的传粉有效性,具体表现为雄性繁殖成功率达73.3%,花粉块传递效率为64.75%。
5.研究了夹江石斛种子萌发的组织培养条件。结果表明,原球茎诱导阶段最佳组合培养基为MS培养基+6-BA0mg/L+NAA0.21-0.40 mg/L,30d后诱导率达92.3%;原球茎增殖分化阶段最佳组合培养基为MS培养基+6-BA0.6-1.0mg/L+ NAA0.61-1.20 mg/L+(5-20%)马铃薯汁,60d后原球茎成苗率达16.5%,苗鲜重为14.2g/株。