甘草属GlycyrrhizaL.分类与实验研究

摘 要：本研究通过对乌拉尔甘草和光果甘草的花部特征及花期物候、花粉活力和柱头可授性、繁育系统、传粉生物学特性的研究，揭示了两种药用甘草属植物的开花、传粉特性和繁育系统。研究主要结论如下。

1．两种甘草花部特征与花期物候：乌拉尔甘草和光果甘草的花均具有雌雄异熟和雌雄异位现象，且均属柱头探出式雌雄异位，这是它们避免自交、避免雌雄干扰的一种适应机制。乌拉尔甘草花期为5月下旬至6月下旬，种群水平花期持续时间为28d；个体花期为10～25d，平均17d；花序花期持续时间为9d；单花花期持续2d。光果甘草花期为6月，种群水平花期持续时间为25d；个体花期为12～16d，平均15d；花序花期持续时间为10d；单花花期持续2d。两种甘草种群水平花期重叠天数达到21d，为两种甘草的种间杂交提供了可行性。个体和花序开花物候进程研究表明：由于天气的影响，乌拉尔甘草个体开花物候进程呈一个多峰曲线，花序开花物候进程呈一个双峰曲线；光果甘草个体和花序开花物候进程均呈单峰曲线。乌拉尔甘草和光果甘草的开花同步指数分别为0．839和0．933，表现出一种集中大量开花的式样。

2．两种甘草花粉活力和柱头可授性：两种甘草的花粉活力在开花当天均随着温度的变化呈现出一定波动。从8：00开始逐渐增强，至12：00最强，分别达到93．3％和91．8％；随后花粉活力迅速下降，16：00达到最低值；最后，随着温度的继续下降，活力又逐渐恢复。10：00—14：00为花粉活力最强时段。乌拉尔甘草从第4时期开始部分柱头具有可授性，而光果甘草从第3时期开始部分柱头具有可授性，开花当天两者的可授性都达到最强，且均可以持续到开花后第4天。因此，可确定开花当天的12：00是进行人工杂交实验的最佳时间。

3．两种甘草繁育系统：乌拉尔甘草和光果甘草杂交指数（OCI）均为≥4，依据Danfi的标准，两种甘草的繁育系统均为异交、部分自交亲和、需要传粉者；两者的花粉－胚珠比（P／O）分别为2 110．0±44．560和1 751．1±217．002，依据Cruden的标准，两者繁育系统均为兼性异交，而乌拉尔甘草更接近于专性异交型；套袋、去雄及人工授粉实验表明，两者均不具有自发自花授粉能力，不具有无融合生殖。

4．两种甘草传粉生物学特性：蜂类是它们主要的传粉昆虫。在众多访花昆虫中，通过日活动规律、访花频率和停留时间发现，紫木蜂、花黄斑蜂、宽板尖腹蜂和意大利蜂等是最主要的访花昆虫。紫木蜂的日活动规律呈单峰曲线，12：00—18：00为其访花高峰期；其他蜂类呈双峰曲线，先在10：00—14：00出现一个大的高峰，然后迅速下降，最后在18：00—22：00又出现一个小峰。两者相互补充，避免了访花昆虫对花粉的竞争，提高了花粉的利用率。

关键词：乌拉尔甘草；光果甘草；繁育系统；传粉生物学

1．两种药用甘草花部特征及花期物候研究

1．1 材料与方法

试验地位于石河子大学农学院实验站，地处北纬44°45′，东经123°45′。年均气温2．4～2．7℃，≥10℃年有效积温3 000～3 500℃；年均降水量300～500mm，主要集中在6—8月；年均蒸发量1 500～2 000mm。供试材料为种植30年左右处于半野生状态的甘草属居群，重点研究对象为乌拉尔甘草（G．uralensis Fisch．）和光果甘草（G．glabra L．）。

花部特征的观察与物候的观测：于盛花期，分别标记10个彼此相隔1m左右的花序，对其开花动态进行连续观察并记录；同时，随机采集花序上处于开花当天的小花10朵，测量其花冠直径、花瓣长度、花瓣宽度、雄蕊长度、雌蕊柱头高度、柱头至花药之间的距离，并计算其平均值和标准误差。

群体、个体和花序水平观测：参照马文宝等（2008）的方法，于试验地中随机选取乌拉尔甘草30株、光果甘草20株，其个体大小和长势基本一致。在选取的样株上随机标记一个花序，记录花序和植株上每天开花的数量。分别从群体、个体和花序水平上观察和统计其始花日期（first flowering date）、盛花日期（peak flowering date）、持续时间（duration）和终花日期（last flowering date）等主要开花物候参数。花序和个体的始花日期为第一朵花在花序和个体上开花的日期，花序和个体开花数大于或等于50％时为开花盛花日期，无花开放时为终花日期；群体水平（以样地为标准）以25％的个体开花时视为始花日期， 50％的个体达到开花高峰时视为群体盛花日期，95％的植株开花结束时视为群体终花日期。

根据植株和花序每天开花的数量计算植株和花序的平均开花振幅（mean flowering amplitude）和开花同步性（又称同步指数，synchrony index，Si）。开花同步指数计算方法根据文献（Mclntosh，2002；马文宝等，2008）：

其中，ej表示个体i和j花期重叠时间（d），fi表示个体i开花的总时间（d），n表示样地中个体总数。Si的变异范围为0～1，0表示花期无重叠，1则表示完全重叠（肖宜安等，2004）。

单花水平：于样地随机选取生长状况良好、发育完整的小花，参照马文宝等（2008）的方法观测记录小花的物候参数。

1．2 结果分析

1．2．1 花的形态特征

乌拉尔甘草和光果甘草均为总状花序，花序轴上着生小花，近似轮生，4～5朵1轮。依据甘草花蕾的发育状态，将其划分为5个时期（图1：a，b，i，j）：①花瓣全为花萼所包裹；②花瓣已在花萼裂片间出现，但长度尚未超过萼片；③花瓣已超过花萼2mm以上，但龙骨瓣仍被旗瓣包裹；④龙骨瓣已在旗瓣腹面出现，旗瓣尚未向上翻转；⑤小花开放，旗瓣向上翻转，龙骨瓣已由裂瓣之间露出。

光果甘草的小花由花柄、花萼、花冠、雄蕊和雌蕊构成。花萼钟状，上被黄色腺点和短柔毛，萼齿5裂，上方2枚连合（图1：c）；花冠为蝶形，一般为紫色或淡紫色（图1：d）；具（9＋1）二体雄蕊，9枚雄蕊花丝下部联合呈筒状包围雌蕊，上部花丝分离且5长4短，长短交错呈二型排列，另1枚雄蕊独立（图1：e）；雌蕊在花蕾前期被包围在雄蕊管中，花蕾后期花柱逐渐伸长，柱头伸出雄蕊管，开花后柱头上部卷曲（图1：f，g，h）。乌拉尔甘草的小花结构同光果甘草（图1：i，j）。两种甘草的花部特征见表1、表2。

由表1、表2可知，两种甘草均存在雌雄异位现象。光果甘草的雌雄蕊异位距离为0．113±0．005 8cm，稍大于乌拉尔甘草的0．083±0．007 6cm。

1．2．2 花期物候及开花动态

乌拉尔甘草和光果甘草均为多年生草本植物，每年均开一次花。乌拉尔甘草于4月中上旬开始花芽萌动；而光果甘草为4月下旬至5月上旬（表3）。在特殊年份，如气候条件特异，七八月有再次开花现象，但往往难以结实或结实不能成熟。

种群水平：乌拉尔甘草花期为5月下旬至6月下旬，种群水平花期持续时间为28d；光果甘草花期为6月，种群水平花期持续时间为25d，两种甘草的种群水平花期重叠时间达到了21d。个体水平：乌拉尔甘草个体花期为10～25d，平均17d，其个体花期差异很大；光果甘草个体花期为12～16d，平均15d。花序水平：乌拉尔甘草和光果甘草均为总状花序，小花由底部向上顺序开放，花序花期持续时间分别为9d和10d。

实验统计得出：每株乌拉尔甘草平均开260朵小花，每株光果甘草平均开577．5朵小花；乌拉尔甘草每花序平均开37．4朵小花，光果甘草每花序平均开49．4多小花。光果甘草个体和花序日平均产花数远远高于乌拉尔甘草（15．29朵／天和4．16朵／天），分别达到38．5朵／天和4．94朵／天，表现出一种集中大量开花的式样。

图1 乌拉尔甘草和光果甘草花的形态特征

a．示光果甘草小花发育的5个时期；b．示光果甘草不同时期雌雄蕊的状态；c．示光果甘草花萼形态；d．示光果甘草花冠；

e．示光果甘草异型雄蕊；f．示光果甘草花药未成熟时雌雄异位状态；g．示光果甘草花药成熟时雌雄异位状态；

h．已散粉的花药；i．示乌拉尔甘草小花发育的5个时期；j．示乌拉尔甘草不同时期雌雄蕊的状态

表1 光果甘草的花部特征 单位：cm

表2 乌拉尔甘草的花部特征 单位：cm

表3 乌拉尔甘草和光果甘草种群、个体和花序水平的开花物候

乌拉尔甘草个体开花物候进程呈一个多峰曲线，花序开花物候进程呈一个双峰曲线，两条开花振幅曲线均在6月2—4日呈明显向下波动（图2）。据气象资料统计显示：6月2—4日为阴雨天、气温14～25℃，而其余时间均为晴天、气温17～39℃；这表明天气和温度可能对乌拉尔甘草的开花物候进程产生影响。

图2 乌拉尔甘草个体和花序的开花振幅曲线

单花水平：表4显示，当处于第4个时期，两种甘草的花药已经开始开裂，但旗瓣尚未向上翻转。到第5个时期（小花开放当天），花药全部开裂，且旗瓣已经向上翻转，观测发现有昆虫开始访花。两种甘草单花花期均持续2d。

表4 乌拉尔甘草和光果甘草的开花动态

光果甘草个体和花序开花物候进程基本呈单峰曲线，开花比例迅速上升到高峰，然后逐渐下降（图3）。在开花高峰期，个体和花序开花比例分别能够达到14．9％和19．6％，表现出集中大量开花式样。

图3 光果甘草个体和花序的开花振幅曲线

图4显示了乌拉尔甘草（A）和光果甘草（B）个体开花的始花日期、盛花日期、终花日期和持续时间的变化情况。同时，两种甘草均表现出很高的开花同步指数，分别为0．839和0．933。

图4 乌拉尔甘草（A）和光果甘草（B）个体始花日期（）、开花高峰日期（）、终花日期（）和花期持续时间变化

1．3 花形态特征与物候期的生态学意义

张大勇（2004）将雌雄异位分为同型（柱头探出式雌雄异位、柱头缩入式雌雄异位、动态式雌雄异位）和异型（异长花柱、镜像花柱、柱高二态）两大类。其适应意义主要表现在避免自交和避免雌雄干扰两方面。本研究表明，乌拉尔甘草和光果甘草的雌雄异位类型属于同型柱头探出式雌雄异位。在它们的花蕾发育过程中，雄蕊先于雌蕊发育；当花蕾处于第1、2时期时，雌蕊短于或等长于雄蕊，此时雌雄蕊均未成熟；到第3时期，雌蕊迅速生长并高于雄蕊，出现雌雄蕊异位，此时花药尚未成熟；到第4时期，花药成熟且开始散粉，此时雌雄蕊异位距离也达到最大值，从而可以避免自花花粉落置在自花柱头上；到第5时期即小花开放当天，开放的花朵吸引了大量的访花昆虫带走自花花粉，同时将异花花粉携带至柱头；开花后第2、3天，花粉已经散尽萎蔫，而柱头继续伸长，最后靠近龙骨瓣上面，这样更有利于接受访花昆虫带来的异花的花粉，完成异花传粉过程。

开花物候和传粉有密切的联系，是植物生活史中一个重要组成部分，它对生殖成功有一定的影响（Primack，1987）。花期物候可表现在群落、科、属、种、居群、个体、花序或单花等多个水平上（Pickering，1995），在一定程度上反映了植物的开花式样与遗传及环境因子的关系（Ollerton ＆Diaz，1999）。一些研究表明，花期物候不仅与植物类群的系统发生（常为属内）及遗传特性有关，而且还与环境条件（如纬度、海拔、光照、温度和湿度等）有密切的联系（Rathcke ＆Lacey，1985）。

本研究中两种甘草的开花进程和开花同步指数均呈现出一种集中大量开花的式样，马文宝等（2008）对准噶尔无叶豆的研究也得出类似结论。Bawa（1983）、Gentry（1974）和Herrera（1986）把这种开花式样称为“集中开花模式”（mass－flowering pattern）或“总巢式开花模式”（cornucopia－flowering pattern）。乌拉尔甘草和光果甘草均为广布种，其主要分布区集中在干旱、半干旱地区，它们是新疆荒漠地区的主要植被物种，且光果甘草在中国仅分布于新疆（李学禹，1993）。每年4—6月，新疆地区风沙盛行，天气和温度多变，对于主要生活在荒漠地区的甘草属植物，只有通过采取大量的集中开花模式以及更高的开花同步性来吸引更多的访花昆虫为其传粉，达到异花传粉的目的，以保持物种遗传的多样性。这是植物在长期进化过程中对恶劣环境和气候适应的一种生殖保障策略。

Whitehead（1983）、Mc Call和Primack（1992）认为，温度、光照、阴雨天气和季节等因素能够对昆虫的访花行为产生较大的影响，同时影响植物的传粉和坐果。本研究中，乌拉尔甘草和光果甘草在晴朗高温天气里日产花数很高；而低温和阴雨天气导致乌拉尔甘草个体和花序开花振幅曲线出现了一个大的波动（见图2），日产花数明显下降。在低温和阴雨天里，访花昆虫的访花行为受到影响，访花频率降低，对植物的传粉效率也明显降低。黄双全等（1999）研究发现，温度对访花昆虫的活动有明显的影响，同时研究发现，鹅掌楸［Liriodendron chinense（Hemsl．）Sarg．］的花药在阴雨天有推迟开裂的现象。刘林德等（2004）对华北蓝盆花（Scabiosa tschifiensis Grünning）的研究也得出类似结果。在花期，植物为了适应低温阴雨等不良天气，减少繁殖资源的浪费，在长期的进化过程中形成了特殊的开花机制，如减少日产花数，推迟花药开裂时间等，以提高访花昆虫的传粉效率，增强后代的适合度。

李学禹（1993）通过多年野外考察发现，新疆境内的乌拉尔甘草存在不少的多型性种群，而自然界的光果甘草也存在密被腺毛的种群，表明两种甘草在不同分布区产生了形态特征的变化。然而，这种变化是由如水和肥料营养或光照等环境因子影响而产生的饰变，还是由于内部遗传物质改变而产生的具有有性繁殖遗传特征的变异呢？该方面的研究未见报道，需要进一步研究。本研究中，乌拉尔甘草和光果甘草种群花期重叠时间达到21d，为两种甘草的种间杂交提供了一定的可行性。

2．两种甘草花粉活力和柱头可授性检测

2．1 方法

花粉活力测定：①不同开花天数花粉活力的测定。采集花序带回实验室，立即取处于开花不同天数的小花的新鲜花粉，用0．5％的TTC（2，3，5－氯化三苯基四氮唑）染色，置于25°C恒温箱中20min左右，在光学显微镜（Olympus BX51）下选取3个视野观察统计花粉的染色情况，每个视野花粉数不少于30粒，重复3次；②开花当天花粉活力的动态变化。每天8：00—20：00，每隔2h取开放状态的小花花粉测定花粉活力，方法同上。凡是染成紫红色的花粉，其活力为强，淡红色的次之，无色的为不具活力的花粉或不育花粉（铁军等，2008）。

花粉活力＝（紫红色花粉数＋淡红色花粉数）／总花粉数×100％

柱头可授性测定：取不同花期和开花天数的小花柱头，置于凹面载玻片的凹槽处，滴加联苯胺－过氧化氢溶液（1％联苯胺－3％过氧化氢－水4∶11∶22），检测柱头可授性。若柱头具可授性（呈现出过氧化物酶活性），则降解过氧化氢，氧化联苯胺，柱头周围的反应液呈现蓝色并有大量气泡出现（红雨等，2006），根据气泡数的多少确定其柱头可授性的强弱。

2．2 结果分析

花粉活力：根据对甘草属植物花蕾期的划分，当花还处于第4时期时，两种甘草花药已经成熟，但第5时期（小花开放）的花粉活力最强。图5显示了乌拉尔甘草和光果甘草一天中花粉活力的变化情况。两种甘草的变化情况基本一致，只是不同时间的花粉活力稍有差异。在开花当天，乌拉尔甘草和光果甘草的花粉活力从8：00开始逐渐增强，至12：00最强，分别达到93．3％和91．8％；随后逐渐下降，尤其从14：00开始，花粉活力迅速下降，16：00达到最低；之后随着温度的继续下降，又逐渐恢复。由图5分析，开花当天乌拉尔甘草和光果甘草的花粉在10：00—14：00时间段均保持了较高的活力，是其成功传粉的主要时段，而12：00为最佳传粉时间。

图5 开花当天乌拉尔甘草和光果甘草花粉活力变化

柱头可授性：由表5可以看出，乌拉尔甘草从第4花期（龙骨瓣已在旗瓣腹面出现，旗瓣尚未向上翻转）开始，柱头已经具有一定的可授性；到第5花期，即小花开放当天，柱头可授性达到最强；这种强的可授性可以延续到开花后第2天；随着开花时间的延长，可授性逐渐减弱，到开花后第4天，部分柱头已经失去了活性。光果甘草柱头可授性变化和乌拉尔甘草类似，不同的是光果甘草从第3花期开始部分柱头就已经具有可授性。

表5 不同花期乌拉尔甘草和光果甘草柱头可授性

注：＋具可授性；＋／－部分具可授性；＋＋具强可授性；－不具可授性。

2．3 讨论

传粉是植物生殖过程中的一个重要环节，植物只有通过有效地传粉才能达到有性繁殖下一代的目的，而植物的花粉活力和柱头可授性又是决定传粉是否有效的重要保证。鉴于此，不同植物花粉活力和柱头可授性的研究吸引了大批学者的关注（刘林德等，2001；红雨等，2006；铁军等，2008；孙玉琴等，2009；丁春邦等，2009），这些研究为植物的杂交育种等后续研究奠定了一定的基础。植物的花粉活力主要由遗传基因所决定，但环境（如温度等）也能对其产生一定的影响（刘林德等，2001）。本研究中，我们在测定小花开放当天两种甘草花粉活力变化情况的同时也记录了一天温度的变化，发现两种甘草花粉活力变化所呈现出来的有规律的波动与温度的变化具有一定的关系。从8：00开始，随着温度的上升，花粉活力也逐渐增强；到12：00时，平均温度达到31．4℃，而此时花粉活力达到最强；随着温度的继续上升，花粉活力迅速下降；到16：00时，平均温度达到35．2℃，花粉活力达到最低；之后又逐渐恢复。这种关系表明，花粉活力具有一个最适温度，当低于或高于这个最适温度，都会降低其活性。这给以后的杂交育种等试验提供了一个重要的理论基础。

乌拉尔甘草和光果甘草在小花开放前，部分雄蕊均已成熟开裂，且柱头也具有一定的可授性。经观察发现，由于两种甘草的雌雄蕊存在异位现象，所以在小花开放前几乎没有花粉落置在柱头上，说明两种甘草均不具有自发的自花传粉能力。同时也发现，虽然在小花开放前柱头能够与联苯胺－过氧化氢溶液发生冒泡反应，但观察发现其柱头顶端的乳突细胞未发育成熟，柱头表面很光滑；而在小花开放当天，随着乳突细胞的发育成熟，其柱头表面呈现出凹凸不平的沟状结构。据前人研究发现，柱头表面的这种沟状结构有利于花粉的落置，同时也为成熟花粉的萌发提供了一个稳定的场所。乌拉尔甘草和光果甘草这种通过雌雄异位和雌雄异熟的现象来避免自交，避免雌雄干扰的能力是在长期的进化过程中形成的，对保证其物种的遗传多样性，提高其适应能力具有重要意义。

3．两种甘草繁育系统的检测

3．1 方法

杂交指数（OCI）的测定：随机采取开放的小花10朵，按照Dafni（1992）的标准进行花序直径、花朵大小和开花行为的测量及繁育系统的评判。具体方法是：①花朵或花序直径＜1mm记为0，1～2mm记为1，2～6mm记为2，＞6mm记为3；②花药开裂时间与柱头可授期之间的时间间隔，同时或雌蕊先熟记为0，雄蕊先熟记为1；③柱头与花药的空间位置，同一高度记为0，空间分离记为1。三者之和为OCI值。评判标准为：OCI＝0时，繁育系统为闭花受精；OCI＝1时，繁育系统为专性自交；OCI＝2时，繁育系统为兼性自交；OCI＝3时，繁育系统为自交亲和，有时需要传粉者；OCI＝4时，繁育系统为部分自交亲和，异交，需要传粉者。

花粉－胚珠比（P／O）测定：分别随机采集花药未裂开的乌拉尔甘草和光果甘草小花10朵，剥出花药，放入10m L离心管中，加入1m L 10％HCl溶解花药壁，然后用微量进液器取5μL于载玻片上，在显微镜下统计花粉数，重复10次，算出平均数。在体视显微镜下用解剖针划开心皮，在体视显微镜下观察并统计每朵花的胚珠数，最后计算P／O值。按Cruden和Me Clain（1996）的标准，P／O为2．7～5．4时，其繁育系统为闭花受精；P／O为18．1～39．0时，繁育系统为专性自交；P／O为31．9～396．0时，繁育系统为兼性自交；P／O为244．7～2 588．0时，繁育系统为兼性异交；P／O为2 108．0～195 525．0时，繁育系统为专性异交。同时，P／O值的降低意味着近交程度的升高，P／O值的升高伴随着远交程度的上升。

套袋、去雄及人工授粉实验：在10m×10m的小样地中分别对乌拉尔甘草和光果甘草进行以下处理。A）对照：不做任何处理，用以检测自然状态的传粉情况；B）自然套袋：开花前套袋，检测是否具有自发的自交能力；C）人工自花授粉套袋：开花前套袋，开花当天授以自花花粉然后套袋，检测人工授粉是否能导致自交；D）异株异花授粉套袋：开花前去雄套袋，开花当天授以异株异花花粉套袋，检测杂交是否亲和；E）去雄套袋：开花前去雄套袋，检测是否有无融合生殖；F）去雄不套袋：开花前去雄，检测异交率，最后统计结荚情况。

3．2 结果分析

3．2．1 人工杂交与杂交指数（OCI）

按照Dafni（1992）的标准对乌拉尔甘草和光果甘草的杂交指数进行测定，观察结果见表6。从结果可以看出，乌拉尔甘草和光果甘草关于杂交指数的各项指标结果相同，杂交指数均≥4。虽然乌拉尔甘草的花部特征均大于光果甘草，但是两者的花朵直径均在2～6mm之间，同时两种均为总状花序，它们的花序直径也均大于6mm。先前的研究也发现，两种甘草均存在雌雄异位现象，且花药在花朵开放前已经开始成熟。综合上述观测结果得出，乌拉尔甘草和光果甘草的繁育系统为异交，部分自交亲和，需要传粉者。

表6 乌拉尔甘草和光果甘草杂交指数的观测结果

3．2．2 花粉－胚珠比（P／O）(www.xing528.com)

表7显示，乌拉尔甘草的花粉－胚珠比（P／O）为2 110．0±44．560；表8显示，光果甘草的花粉－胚珠比（P／O）为1 751．1±217．002。依据Cruden和Me Clain（1996）的标准，两种甘草的繁育系统均为兼性异交，而乌拉尔甘草更接近于专性异交型。

表7 乌拉尔甘草花粉－胚珠比（P／O）

表8 光果甘草花粉－胚珠比（P／O）

3．2．3 套袋、去雄及人工授粉实验

从表9可以看出，乌拉尔甘草和光果甘草在自然状态。没有人为干扰的情况下（对照处理），具有高的结荚率，分别为62．8％和52．3％；而在自然套袋情况下，光果甘草结荚率为0，而乌拉尔甘草结荚率有0．7％；人工自花授粉实验中，两种甘草的结荚率也不高；在异株异花授粉实验中，乌拉尔甘草结荚率仅有7．8％，而光果甘草达到了45．3％；去雄不套袋实验中，两者结荚率分别达到27．8％和28．9％；而去雄套袋实验表明，两者均不具有无融合生殖。

表9 乌拉尔甘草和光果甘草去雄、套袋及人工授粉实验的结果

3．3 结果与讨论

植物的繁育系统是与植物的繁殖紧密相连在一起的，是植物繁殖的核心内容之一（张大勇，2004），其在决定植物的进化路线和表征变异上起重要作用（Grant，1881）。在自然界中，很少存在完全自交和完全异交的植物，大多数植物都是自交与异交兼具有的，其交配方式大致可划分为自交为主、混合交配、异交为主等。研究发现，一些兼具自交和异交两种交配方式的植物能够通过延迟自交等方式，在外界环境变化的情况下选择更倾向于某种交配方式以保证繁殖成功。

本研究对乌拉尔甘草繁育系统的研究中，3个实验的结论产生了一定的差异：杂交指数（OCI）和花粉－胚珠比（P／O）测定实验结果都表明其繁育系统以异交为主，部分自交亲和；而在去雄、套袋及人工授粉实验中，异株异花授粉套袋实验的结实率仅有6．3％，人工自花授粉套袋实验的结实率为7．8％，异交率还略低于自交率。分析实验发现，很可能在进行异株异花授粉套袋实验时，人工去雄操作影响了雌蕊的柱头可授性，从而不利于花粉的落置和萌发，最终导致传粉失败。同时去雄不套袋实验中27．8％的结实率也能证明其异交率高于自交率。而在自然套袋实验中出现的0．7％的结实率，原因很可能是在套袋过程中对花朵产生作用力，导致其自花授粉。且在前面章节的研究中发现，由于乌拉尔甘草的雌雄异位，导致其自花花粉没有自发的能力传递到自花柱头上。所以，通过实验表明，乌拉尔甘草的繁育系统以异交为主，部分自交亲和，无自发的自花传粉现象，不具有无融合生殖。同时本研究对光果甘草的3个实验结果均表明，光果甘草的繁育系统也以异交为主，部分自交亲和，无自发的自花传粉现象，不具有无融合生殖。

另外，在去雄、套袋及人工授粉实验中，两种甘草的对照处理结实率均超过了50％，而其他处理中的结实率均低于对照，其主要原因是人为对花的处理既影响了花粉活力，又影响了柱头可授性，最终导致结实率降低。

甘草属植物具有一个共同特点，即植株不仅具有强的有性繁殖能力，同时也具有强的无性繁殖能力。表面上看，植物同时具有强的有性和无性繁殖能力是资源的不合理配置，然而深入研究却可以发现，两者可以相互协调，以提高植株的生存能力和后代适合度。在一般干旱的环境中，它们可以通过水平根茎的无性繁殖拓展新的生长领域；但当干旱危及植株存活时，有性繁殖能力产生的种子能够繁衍后代以保持物种的延续。

自然环境中多年生的乌拉尔甘草和光果甘草植株均由一个基株和着生在基株上的水平根茎无性繁殖产生的众多分株组成，随着生长年限的增加分株越来越多，形成了一个巨大的辐射网状结构，覆盖较大的面积（王照兰等，2002）。当植株处于花期时，这种结构能够增加植株的花展示，有利于吸引更多的昆虫对其进行传粉，这对于生长在干旱和半干旱地区，缺少访花昆虫的植物具有重要的意义。然而，增加自花的花展示的同时也影响了植株的有性繁殖方式。据前人研究发现，乌拉尔甘草的水平根茎长度可超过10m，如此，一株乌拉尔甘草基株和分株所形成的辐射网状结构可覆盖相当大的面积。那么，昆虫在传粉过程中，很可能只是将一个分株上的花粉传递到同一植株的另一个分株上，这样只达到了同株异花传粉，而不是异株异花传粉，并不利于丰富种子的遗传多样性。先前研究也发现，乌拉尔甘草和光果甘草的雌雄蕊具有异位现象，这样有利于避免自交（自花授粉），避免雌雄干扰，促进异交（异花授粉，可以是异株异花或同株异花）。两种甘草所具有的无性和有性繁殖之间产生了矛盾，那么乌拉尔甘草和光果甘草是如何权衡两者之间的关系呢？需要进一步的深入研究。

4 两种甘草传粉生态学观察

4．1 材料与方法

材料：乌拉尔甘草和光果甘草。由于试验材料乌拉尔甘草和光果甘草同处于一块试验地，且两种甘草均为多年生，相互之间混杂在一起，所以在对访花昆虫进行采集和观察时相互之间会产生一些干扰。

方法：①访花昆虫采集鉴定。在甘草试验地中选取3块5m×5m、人为干扰小的样地，于盛花期用捕虫网捕捉具有访花行为和在花上停留过的昆虫，用毒瓶杀死，带回实验室进行鉴定，并检测昆虫携带花粉的状况。②访花行为。分别对在乌拉尔甘草和光果甘草花上停留过的昆虫进行跟踪观察，记录其传粉行为和其传粉习性。同时，参考张奠湘（1998）的方法，每天从8：00—22：00，每隔2h分别记录样地中访花昆虫的数量，统计其日活动规律；观察主要访花昆虫的访花频率（1min内该昆虫所访问过的小花数）和停留时间（每个访花昆虫对每一朵小花上的平均访问时间）；用相机拍摄传粉昆虫的访花行为。

4．2 结果与分析

4．2．1 访花昆虫种类及携粉比例

从表10可以得出，乌拉尔甘草和光果甘草的访花昆虫有很多相同，大多数访花昆虫在访问乌拉尔甘草的同时也访问光果甘草，两者总共有17种访花昆虫。其中，膜翅目（Hymenoptera）10种，占58．8％；鳞翅目（Lepidoptera）4种，占23．5％；鞘翅目（Coleoptera）2种和缨翅目（Thysanoptera）1种，分别占11．8％和5．9％。而膜翅目中只有1种为蚁科（Formicidae）昆虫，其余9种均为蜂类昆虫，且占总访花昆虫的52．9％。

表10 乌拉尔甘草和光果甘草访花昆虫种类

注：同一列不同小写字母表示差异显著（p＜0．05）。

由表10可见，在携粉比例方面，木蜂科（Xylocopidae）的紫木蜂（Xylocopa valga Gerstaecker）达到65％，为所有访花昆虫中携粉比例的最高值；切叶蜂科（Megachilidae）的花黄斑蜂（Anthidiellum florentinum Fabricius）和宽板尖腹蜂（Coelixys afra Lepeletier）分别为57．8％和40％；隧蜂科（Halictidae）的粗腿彩带蜂（Nomia femoralis Pallas）、蜜蜂科（Apidae）的意大利蜂（Apis mellifera Linnaeus）、熊蜂科的明亮熊蜂（Bombus lucorum Linnaeus）和一种未知熊蜂分别为29．4％、28％、22．2％和15％。而其余非蜂类访花昆虫中，只有蛱蝶科（Nymphalidae）的德珍蛱蝶（Clossiana dia Linnaeus）和蓟马科（Thripidae）一种未知蓟马具有一定携粉比例，且两种甘草的携粉量相当少。

4．2．2 主要传粉昆虫的形态、访花行为和分布

通过表10可知，虽然两种甘草具有较多的访花昆虫，但是真正有效的传粉昆虫却不多。其中花黄斑蜂仅对光果甘草有访花行为，而粗腿彩带蜂、明亮熊蜂和一种未知熊蜂只对乌拉尔甘草有访花行为。乌拉尔甘草的主要传粉昆虫有宽板尖腹蜂、紫木蜂、明亮熊蜂、一种未知熊蜂、意大利蜂和粗腿彩带蜂；光果甘草的主要传粉昆虫有花黄斑蜂、宽板尖腹蜂和紫木蜂。宽板尖腹蜂和紫木蜂是两种甘草的共有传粉昆虫。主要访花昆虫的访花行为如下。

（1）宽板尖腹蜂Coelixys afra Lepeletier（中国动物志，2006）

访花行为：先在花丛中飞舞悬停，然后落在花朵正面，头部深入旗瓣下方并往上顶，同时中足和后足分别抓住翼瓣和龙骨瓣往下用力。在力的作用下，旗瓣和龙骨瓣向两边展开，雌蕊和雄蕊向上弹起，接着前足抓住雌雄蕊，花粉通过三对足的共同作用转移到腹毛刷上，同时伸出喙吸食花蜜。访问完一朵花后，又在花间飞舞悬停，接着访问下一朵花，同时把上一朵花的花粉传递给下一朵花的柱头，完成授粉。

（2）紫木蜂Xylocopa valga Gerstaecker（中国动物志，2000）

访花行为：先在花间飞舞，然后落在一个花序上，三对足抓住一朵小花的翼瓣和龙骨瓣（或者直接抓住花序上其他小花的花瓣），利用自身的重量下压使花瓣展开，雌雄蕊弹出并打到其头部和腹部，使花粉黏在头部、腹部以及足上的毛上，同时伸出口器吸食花蜜。有时不落在花朵上，而是保持悬停，利用中足和后足抓住翼瓣和龙骨瓣，同时伸出长的喙吸食花蜜。访问完一朵花后，在飞翔过程中，三对足依次作用，将黏在身体上的花粉转移到后足的花粉篮中。

（3）明亮熊蜂Bombus lucorum Linnaeus（李子忠和金道超，2002）

访花行为：首先在花间飞舞，然后悬停在一个花序前，当发现有未被访问过的花朵时便迅速靠近并伸出喙，停落在花朵正面，中足和后足抓住翼瓣和龙骨瓣，利用身体重量使花瓣展开，雌雄蕊弹出，在吸食花蜜的同时采集花粉储存在后足的花粉篮中。当访问完一朵花后并不立即飞开，而是继续围绕这个花序自下而上飞舞悬停，发现有未被访问过的花朵就继续访问；反之，就飞向其他花序。

（4）熊蜂科一种未知熊蜂

体型较小，访花行为与明亮熊蜂类似，只是两者的访花频率和停留时间有差异。

（5）粗腿彩带蜂Nomia femoralis Pallas［中国农业昆虫（下），1987］

访花行为：首先在花间快速飞舞，然后停到花朵正面，中足和后足抓住翼瓣和龙骨瓣，利用身体的重量使花瓣打开，同时挺起身体胸部和腹部勾成90°，腹部后方贴在花瓣上以支撑身体。在吸食花蜜的同时采集花粉并储存于后足的花粉篮中。

（6）意大利蜂Apis mellifera Linnaeus（中国动物志，2006）

访花行为：先围绕一个花序从下往上环绕飞行，当发现有可访问对象时便停落在花序下部开始访花，利用身体重量使花瓣展开，将喙从花朵的正面深入吸食花蜜，同时前足采集花粉，并最终转送到花粉篮当访问完一朵花后便沿着花序以往上爬，访问其他花朵。其访花频率较低，停留时间较长。

（7）花黄斑蜂Anthidiellum florentinum Fabricius（中国动物志，2006）

访花行为：先在花间迅速飞行徘徊，发现有目标后迅速停花，其停花姿态不定，有时停在花朵正面，有时停在一朵花上却访问另一朵花，且为跳跃式访花（刘红平等，2008），在吸食花蜜的同时采集花粉储存在腹部的腹毛刷上。该蜂种的雄蜂具有攻击其他访花昆虫的行为，当其在花间飞舞时发现其他访花昆虫，便迅速飞近用头部撞击驱逐对方；当其发现访花者为同种雌蜂时，迅速飞上去交尾。

4．2．3 主要访花昆虫的日活动规律

从图6可以看出，从8：00开始，平均气温仅有16℃，明亮熊蜂、粗腿彩带蜂和花黄斑蜂是最早出现的访花昆虫，但数量都很少；随着气温的上升，到10：00，平均气温达到27．5℃，访花昆虫开始大量出现；到12：00，平均气温达到31．4℃，大多数访花昆虫（除紫木蜂）的数量达到一天中的最大值；随着气温的继续升高，访花昆虫（除紫木蜂）数量开始迅速下降；到16：00，平均气温高达35．2℃，访花昆虫（除紫木蜂）数量下降到最低值，其中明亮熊蜂和粗腿彩带蜂甚至消失；随后气温又逐渐下降，到20：00，平均气温降至29．3℃，访花昆虫（除紫木蜂）数量又开始增加。综合整个访花昆虫的日活动规律变化趋势可以发现：大多数访花昆虫在一天内的日活动规律随着气温的变化均呈现出一个双峰型曲线，即先在10：00—14：00出现一个高峰，访花昆虫总量也达到一天中最大值；到20：00又出现一个小峰，到22：00访花昆虫基本消失。而紫木蜂却只呈现出一个单峰型曲线，即在12：00—18：00出现一个访花高峰。所以主要访花昆虫中，花黄斑蜂、宽板尖腹蜂、紫木蜂和意大利蜂在一天中7个观察时段出现的访花昆虫总量平均都超过40只，远远高于另外3种访花昆虫，是最主要的访花昆虫。在阴雨天，气温较低，访花昆虫较少。

图6 乌拉尔甘草和光果甘草主要访花昆虫的访花日活动规律

4．2．4 主要访花昆虫的访花频率和停留时间

由于乌拉尔甘草和光果甘草混杂生长在同一块试验地，导致不能分别观察访花昆虫对两种甘草的访花频率和停留时间。在试验中也观察发现，两者所拥有的共同访花昆虫紫木蜂和宽板尖腹蜂在分别访问它们时访花频率和访花时间没有差异。

访花频率：从表10可以看出，紫木蜂的访花频率最高，达到了21．3±0．040次／分钟；花黄斑蜂、宽板尖腹蜂和意大利蜂分别达到（15．8±0．035）、（12．7±0．044）和（10．2± 0．036）次／分钟；而明亮熊蜂、未知熊蜂和粗腿彩带蜂分别只有（6．7±0．030）、（5．8± 0．015）和（5．6±0．015）次／分钟。从表中还可以发现，鳞翅目的访花昆虫也具有高的访花频率，德珍蛱蝶、菜粉蝶、斑缘豆蜂蝶分别达到了（19．2±0．031）、（18．3±0．036）和（15．4±0．047）次／分钟，但是它们却几乎没有携粉比例。主要访花昆虫访花频率具有显著差异。

停留时间：不同的访花昆虫因其访花习性不同，在每朵小花上停留的时间也不相同（刘红平等，2008）。从表10可以看出，在所有有效访花蜂类昆虫中，意大利蜂在每朵小花上的停留时间最长，达到（4．38±0．032）s；其次粗腿彩带蜂、宽板尖腹蜂、花黄斑蜂、未知熊蜂、明亮熊蜂和紫木蜂分别为（3．46±0．010）、（3．12±0．023）、（2．20±0．021）、（2．14± 0．015）、（1．80±0．038）和（1．74±0．025）s。主要访花昆虫访花时间具有显著差异。

4．3 讨论

4．3．1 两种甘草花部特征对访花昆虫的适应

近年来，对于访花昆虫的研究越来越多（刘林德等，1998，2004；王英强等，2005；庾晓红等，2008；赵亚美等，2008），但是由于我国对该领域研究起步比较晚，所以对其生物学和生态学还缺乏系统的研究（官昭瑛等，2005）。

大约三分之二的植物需要昆虫传粉（Schoonhoven et al．，1998），植物和传粉昆虫之间形成一种互惠互利的关系。访花昆虫在访花过程中帮助植物传粉，同时植物提供花粉和花蜜作为报酬（钦俊德，1987）。植物在长期的进化过程中为了吸引更多访花昆虫对其进行传粉，其花部特征也相应地发生变化以适应昆虫的访花行为，这就是由传粉昆虫框定的协同进化（张红玉，2005）。在本研究中，乌拉尔甘草和光果甘草均为典型的豆科蝶形花亚科植物，据报道该亚科植物多数为虫媒花，泌蜜丰富，是重要的蜜源植物（唐宏亮等， 2004）。研究结果表明，两种甘草的有效访花昆虫均为蜂类，Faegri和Pijl（1979）认为蜂媒花都具有两侧对称、花色泽艳丽等共同特征。本研究结果表明，两种甘草的小花构造均为两侧对称，花冠蓝紫色，这些特征均是对蜂类访花昆虫的适应（官昭瑛等，2005；肖乐希等，2009）。对两种甘草的繁育系统的检测结果表明，两者均没有自发的自花授粉和异花授粉能力，需要昆虫的访花行为才能达到有效地传粉，而这种访花行为和蜂类在访问苜蓿时的弹花现象类似（姜华等，2003）。

4．3．2 两种甘草的传粉昆虫

不同的访花昆虫具有不同的访花目的。本研究中，鞘翅目的苹斑芫菁和叶甲科某种未知昆虫以取食花冠和雌雄蕊等花部器官为访花的主要目的，因此对两种甘草的传粉没有任何帮助；鳞翅目的菜粉蝶、斑缘豆粉蝶、德珍蛱蝶和鹿蛾科某种未知昆虫以取食花蜜为主要目的，由于它们的喙很长（官昭瑛等，2005），在吸食花蜜时并不需要把头部伸入花冠中，也不需要利用身体的重力作用使花瓣展开，所以不能达到类似弹花的效果，因此对传粉也几乎没有任何作用；而蜂类访花昆虫由于其特殊的访花行为，使其在吸食花蜜采集花粉的同时无形中帮助花朵实现了传粉。

Thomson等（1992）研究表明，不同蜂类访花昆虫访花行为的相互影响，导致不同的蜜蜂群落组成具有不同的传粉效率。本研究中，紫木蜂在分别访问两种甘草时，其日活动规律均呈现出一个单峰型曲线，与刘红平等（2008）对苜蓿访花传粉昆虫研究中得出的紫木蜂的日活动规律结论一致；而花黄斑蜂、宽板尖腹蜂、意大利蜂、粗腿彩带蜂等昆虫呈现出一个双峰型曲线。乌拉尔甘草和光果甘草主要访花昆虫日活动规律所呈现出来的两种曲线类型，相互之间能够形成一种传粉互补效应，同时也避免了访花昆虫对花蜜和花粉的竞争，提高了花粉的利用率。

访花昆虫的日活动规律也受天气和温度的影响（陈河龙等，2006），在一天中访花昆虫的日活动规律随温度的变化呈现出一定的变化规律：温度升高有利于访花昆虫的访花行为（刘林德等，2006），每天10：00—14：00，气温在30℃左右，此时的访花昆虫总量达到最高峰；但当温度超过一定程度，反而抑制了访花昆虫的（除紫木蜂）访花行为；紫木蜂由于体型较大，需要较高的空气温度保持体温以维持其正常的访花行为，所以其访花高峰期出现在12：00—18：00。我们在前面的研究得出乌拉尔甘草和光果甘草（廖云海等，2010）开花当天花粉活力也随着温度呈现一定的波动，10：00—14：00花粉活力达到最强，且柱头可授性也达到最强，这与访花昆虫的日活动规律刚好对应；同时对两种甘草的花期物候研究也发现，晴朗高温天气日产花明显高于阴雨低温天气，而访花昆虫数量在晴朗天气也较阴雨低温天气明显增多，这都是植物对天气、温度和访花昆虫的一种适应。

在表10中，乌拉尔甘草和光果甘草主要访花昆虫的访花频率和停留时间之间存在一个相互关系：即具有高访花频率的昆虫，其在每朵小花上的停留时间也相对较短，这与已报道的其他植物的访花昆虫的行为相似（李宏庆等，1999；何承刚等，2005；方海涛等，2007），如紫木蜂的访花频率高达（21．3±0．040）次／min，而停留时间只有（1．74±0．025）s；花黄斑蜂的访花频率为（15．8±0．035）次／min，而停留时间为（2．20±0．021）s。这种短停留时间，高访花频率的访花行为也与访花昆虫的体型有一定关系。紫木蜂体型较大，访花时并不需要像其他小型蜂类必须保持一个正确的姿态才能达到有效地传粉，其往往只需要悬停在空中就能完成对花的有效访问，大大缩短了停留时间，提高了其访花频率，这对植物的传粉具有重要意义。

本研究中乌拉尔甘草和光果甘草的访花昆虫均不是它们的特化访花昆虫，它们在访问两种甘草的同时也对周围的苜蓿、野豌豆、苦豆子、苦马豆等植物有访花行为，所以它们都不是忠实的传粉者。同时，本研究中两种甘草属植物混杂生长在一片试验地中，且它们拥有共同的访花昆虫，这样就增加了种间杂交的可能性。

5 结论

本研究通过对乌拉尔甘草和光果甘草的花部特征及花期物候、花粉活力和柱头可授性、繁育系统、传粉生态学的研究，揭示了两种药用甘草属植物的繁育系统和生殖生物学特性。主要结论如下。

（1）两种甘草花部特征与花期物候研究结果表明，乌拉尔甘草和光果甘草均具有雌雄异熟和雌雄异位现象，且均属柱头探出式雌雄异位，这是它们避免自交，避免雌雄干扰的一种适应机制。乌拉尔甘草花期为5月下旬至6月下旬，种群水平花期持续时间为28d；个体花期为10～25d，平均17d；花序花期持续时间为9d；单花花期持续2d。光果甘草花期为6月，种群水平花期持续时间为25d；个体花期为12～16d，平均15d；花序花期持续时间为10d；单花花期持续2d。两种甘草种群水平花期重叠天数达到21d，为两种甘草的种间杂交提供了可行性。

两种甘草的个体和花序开花物候进程研究结果表明，由于天气的影响，乌拉尔甘草个体开花物候进程呈一个多峰曲线，花序开花物候进程呈一个双峰曲线；光果甘草个体和花序开花物候进程均呈单峰曲线。乌拉尔甘草和光果甘草的开花同步指数分别为0．839和0．933，表现出一种集中大量开花的式样。

（2）两种甘草花粉活力和柱头可授性研究结果表明，两种甘草的花粉活力在开花当天均随着温度的变化呈现出一定波动。从8：00开始逐渐增强，至12：00最强，分别达到93．3％和91．8％；随后花粉活力迅速下降，16：00达到最低值；最后，随着温度的继续下降，活力又逐渐恢复。10：00—14：00为花粉活力最强时段。乌拉尔甘草从第4时期开始部分柱头具有可授性，而光果甘草从第3时期开始部分柱头具有可授性，开花当天两者的可授性都达到最强，且均可以持续到开花后第4d。因此，我们可确定开花当天的12：00是进行人工杂交实验的最佳时间。

（3）两种甘草繁育系统检测结果表明，乌拉尔甘草和光果甘草杂交指数（OCI）均为≥4，依据Danfi的标准，两种甘草的繁育系统均为异交、部分自交亲和、需要传粉者；两者的花粉－胚珠比（P／O）为分别2 110．0±44．560和1 751．1±217．002，依据Cruden的标准，两者繁育系统均为兼性异交，而乌拉尔甘草更接近于专性异交型；套袋、去雄及人工授粉实验表明两者均不具有自发自花授粉能力，不具有无融合生殖现象。

（4）两种甘草传粉生物学研究结果表明，蜂类是它们主要的传粉昆虫。而在众多访花昆虫中，通过日活动规律、访花频率和停留时间发现，紫木蜂、花黄斑蜂、宽板尖腹蜂和意大利蜂等是最主要的访花昆虫。紫木蜂的日活动规律呈单峰曲线，12：00—18：00为其访花高峰期；其他蜂类呈双峰曲线，先在10：00—14：00出现一个大的高峰，然后迅速下降，最后在18：00—22：00又出现一个小峰。两者相互补充，避免了访花昆虫对花粉的竞争，提高了花粉的利用率。

存在的问题和不足：首先，在套袋、去雄及人工授粉实验中未进行同株异花授粉实验；其次，在对两种甘草的传粉生态学研究中，由于两种甘草混杂生长在同一块地中，不能分别对它们进行研究。

廖云海 陆嘉惠 李学禹

国家自然科学基金项目：30760028

石河子大学自然科学与技术创新项目：ZRKX2009YB10