Interannual fluctuations in floral longevity, pollinator visitation and pollination limitation of an alpine plant (Gentiana straminea Maxim., Gentianaceae) at two altitudes in the Qinghai-Tibetan Plateau

Prolonged floral longevity and bumblebees as dominate pollinators in alpine ecosystem have been suggested to overcome pollination limitation of alpine plants arising from the decrease of pollinator activity with increasing altitude. However, this conclusion has never been examined in the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP), the highest and largest plateau in the world. In this study, we intended to test year-to-year correlations between floral longevity, visiting frequency and pollen limitation of this species between two populations (at 3200 m and 4000 m) of Gentiana straminea in this plateau. Pollinator exclusion elongated both male and female phases greatly at both sites, and durations of both male and female phases in natural condition varied greatly over three years. The visiting frequency of bumblebees varied greatly at the higher altitude, but seemed to be stable at the lower altitude. Seed production was pollination limited in both populations in most studied years. The floral durations, pollinator frequency and pollination limitation showed no significant and consistent variations with the increase of altitude. The previous hypothesis that the prolonged floral longevity of alpine plants can compensate for low levels of pollinator visitation therefore could not be confirmed, and our results further suggested that in the QTP platform, the altitude shows no consistent effect on the reproductive performance of this species, despite that the fluctuation of visit frequency intensified at the higher altitude.

Floral closure in response to temperature and pollination in Gentiana straminea Maxim. (Gentianaceae), an alpine perennial in the Qinghai-Tibetan Plateau

Floral closure may be induced by pollination and various other factors, but is rarely studied comprehensively. Different kinds of floral closure should have various effects on reproductive fitness of plants. Two contrasting types of floral closure were observed in the flowers of Gentiana straminea Maxim. in the eastern Qinghai-Tibetan Plateau. The first type occurred prior to pollination during both gender phases, in response mainly to decreasing air temperatures. Flowers closed when decreasing temperatures approached 20 degrees C and subsequently began to reopen the following day during mid-morning when air temperatures warmed to approximately 13-15 degrees C. This kind of floral closure can protect pollen grains on either stamens or stigmas, increasing fitness of both male and female. Following pollination, permanent floral closure occurred, although there was a delay between the dates of pollination and permanent closure, during which flowers continued to show temporary closure in response to low temperature episodes. The time required for permanent, pollination-induced closure varied according to the age of the gender phase, including a prolonged time before closure if pollination occurred early in the female phase. The retaining of permanent closed flowers increased both approaching (to inflorescences) and visiting (to unpollinated flowers) frequencies of individual plants when with fewer open flowers and the persisting corolla is further beneficial for seed sets of these pollinated flowers. Thus, two separate types of floral closure, one in response to environmental cues and the other in response to the age of each gender stage, appeared to have a strong influence on reproductive fitness in this species. These results revealed a different adaptive strategy of alpine plants in the sexual reproduction assurance in addition to the well-known elevated floral longevity, dominant role of more effective pollinators and increased reproduction allocation in the arid habitats.

石荠苎属的系统学与进化

石荠苎属(Mosla (Benth.) Buch.-Hamilt. ex Maxim.)是唇形科的一个小属，仅分布于东亚，该属复杂的变异式样一直困扰着系统学家．本论文是对该属进行三年物种生物学研究的结果．本研究从居群生物学出发，在广泛的野外调查后选取了47个居群进行取样和观察，在控制环境因素的实验设计条件下，测量了31个居群53个形态性状并分析了其变异规律;在扫描电镜下观察了含外类群在内的6属38个居群的花粉和小坚果表面微形态：对27个居群做了细胞学研究：对22个居群15个酶系统做了等位酶分析，获得了28个位点的资料;进行了35个组合的796次人工杂交．综合上述各方面资料的分析结果，对石荠苎属的形态变异与进化、居群分化、生殖隔离、物种形成、类群划分，以及起源和扩展作了详细的分析和讨论． 形态特征的数量遗传学分析表明，叶片大小和形状、苞片形态、花序（果序）和花萼（果期花萼）的复杂变异式样是造成分类混乱的主要原因．叶片大小和形状在小鱼仙草(M. dianthera)中呈现幅度很宽的连续变异，极端情况常分别被描述为不同的种，如M．remottllora和M．grosseserrata．少数突变体以及种间偶尔产生的杂交个体在苞片和花序形态上表现异常，都曾引起分类的混乱．本研究已经澄清M. bracteata和M. tamdaoensis是突变体，而M. exfoliata和M. longispica则是种间杂种．M.fomosana花萼上唇裂片长度的变异是导致分类困难的另一个原因，是小鱼仙草花萼上唇中裂片变异的极端类型。 通过比较分析揭示了石荠苎属中苞片形状、花序结构、花朵大小、花萼形态、小坚果和花粉粒表面纹饰以及染色体的变异和演化趋势，苞片由发达的叶状类型向披针形方向演化;花序由花朵疏离的松散状向紧缩的头状类型演化;花萼由近辐射对称，五个裂片近等长向二唇形演化;花冠由发达、鲜艳向退化方向演化：小坚果由具旋涡状深雕纹向具网纹类型演化;花粉粒由无明显突起向有明显条文或块状突起的类型演化;核型由不对称性小向不对称性增强发展;繁育系统由以异交为主向以自交为主演化，并且带动一系列花部形态的相关变异． 等位酶分析结果表明，石荠苎属种内的进化以遗传变异的积累和繁育系统的转变造成的居群间分化为主要特征．杭州石荠苎各居群的平均遗传距离为0.026，聚类分析结果发现7个居群明显分化为两支，居群3704，4704和3712为一支，其他居群为一支，等位酶资料获得的结果也得到形态和生殖特征的支持．3704、4704和3712在毛被、花朵大小、小坚果大小和颜色在均与其他居群有差异，繁育系统上，这三个居群表现出更明显的异交特性．小鱼仙草居群之间遗传分化甚至大于少数亲缘种之间的遗传分化，平均遗传距离达到0.034，但杂交实验发现，居群之间并不存在生殖隔离，不同的居群之间在叶片大小、叶形、苞片长短和花萼上唇中裂片的长短也有所不同．杭州石荠苎和小鱼仙草种内居群之间的形态和等位酶分化说明居群之问正处于分化和物种形成的早期阶段，生殖隔离还没有建立。 突变（包括染色体结构变异）的积累和繁育系统的转变是石荠苎属物种形成的基础，苏州石荠苎和石荠苎的分化是由于染色体结构变异的积累，具体表现在核型不对称性上的差异，造成生殖隔离．另一些比较明显的物种形成机制为：染色体多倍化，形成M.pauciflora;染色体结构变异，如随体染色体的臂间易位，产生M.cavaleriei;繁育系统由异交转变为自交产生M．chinensis．另外，在物种形成过程中，花期和生态位分化等促进了生殖隔离的完善． 石荠苎属形态上界限清楚，而且存在生殖隔离的种有八个，它们是小花荠苎(M.cavaleriei Levl.);石香薷 (M. chinensis Maxim.);小鱼仙草 (M. dianthera (Buch.-Hamilt. ex Roxb.) Maxim.);杭州石荠苎(M．hangchouensis Matsuda);日本石荠苎(M. japonica (Benth.) Maxim.);疏花荠苎(M. pauciflora (C. Y. Wu) C. Y. Wu et H. W. Li);石荠苎(M. punctulata (J.F. Gmelin) Nakai)和苏州石荠苎(M. soochouensis Matsuda). 石荠苎属的近缘属是香薷属(Elsholtzia)、香简草属(Keiskea)和紫苏属(Perilla)。石荠苎属与近缘属的分化大约在260万年之前，因为那时石荠苎属的祖先就发生了分化，形成以杭州石荠苎一一石香薷的祖先和以小花荠苎一一小鱼仙草的祖先为代表的两条进化主线，从香薷属和香简草属的现代分布式样-以及石荠苎属的分布特点推断，华东地区可能是石荠苎属的起源和演化的舞台，华东地区具有最大的种类多样性、变异性、特有性和多度．

横断山区马先蒿属的形态分化与分子进化

半寄生植物马先蒿属（Pedicularis）是列当科（Orobanchaceae）中最大的属，也是北温带被子植物最大的属之一。该属至少有500种植物，主要分布在北半球的高山、亚高山地区或高纬度地区，其中超过一半的种类分布在东喜马拉雅至横断山区，构成该地区高山植物区系的主要成分。马先蒿属花部器官的强烈分化程度在被子植物中极为罕见，导致这种分化发生的机制仍是难解之谜。马先蒿属下系统非常混乱，迄今为止该属属下分类系统不下10个。关于该属的起源时间、地点及迁移散布过程只是基于一些间接证据的推测。针对以上问题，本文通过大量的标本查阅、野外考察、传粉生物学观察以及分子系统学研究，得出了一些初步的结果。 　　1．形态学 通过大量的野外考察及标本观察，发现马先蒿属花部器官变异非常复杂，是区分近缘种的主要性状依据，但是花部器官存在明显的平行进化现象，不适合作为划分群、组等属下高级分类单元的主要依据;而营养性状比较保守，可作为划分群、组的主要依据。通过考证，发现直管群万叶系的德钦马先蒿（P. deqinensis）实属轮枝群纤细系多枝马先蒿（P. ramosissima）的异名。同时发现一个新种，即折喙马先蒿（P. inflexirostris），该种属于直管群的万叶系。 　　2.传粉生物学 对27种马先蒿的昆虫传粉行为进行了初步的观察。发现横断山区的马先蒿主要靠熊蜂进行有效的传粉。昆虫的传粉方式有两种，即背触式（Nototribic）和腹触式（Sternotribic）。不同花冠类型的马先蒿属植物中，昆虫的传粉方式也有所区别。对短管、无喙、无花蜜的马先蒿，昆虫主要以腹触式完成传粉;对短管、无喙、具花蜜的马先蒿，昆虫既可以通过背触式也可以通过腹触式完成传粉;而对短管、具喙和长管、具喙的马先蒿，昆虫都以腹触式完成传粉。没有发现鳞翅目的昆虫访问长管类型的马先蒿。不同花冠类型传粉方式的不同说明马先蒿花部形态结构和传粉媒介的行为之间存在协同进化关系。 3.核rDNA ITS分析 对12个群的42种马先蒿的核rDNA ITS序列进行了分析。基于ITS序列构建的基因树和经典的属下分类系统很不一致，基因树上的大部分分支和经典系统中的高级分类单元不相吻合，原因可能是马先蒿属花部器官发生了平行进化，而经典的分类系统过于权重这些花部形态性状。此外，发现在横断山区这一相对狭小的地域范围内，nrDNA ITS序列在马先蒿种间存在很大差异。造成此差异的原因可能有两个方面：一方面是马先蒿属的起源和分化的时间可能较早，不同的支系从其他地域先后多次迁入横断山区;另一方面可能是由于半寄生植物马先蒿中快速的分子进化造成的。 4.叶绿体基因组trnT-F区序列分析 对8个群的11种马先蒿的trnT-F区序列进行了分析，发现种间存在大量的插入/缺失序列，其中甘肃马先蒿（P. kansuensis）和大王马先蒿（P. rex）分别在trnT-trnL（UAA）和trnL–trnF基因间区发生了长达228bp和303bp碱基序列缺失，说明半寄生植物的叶绿体基因组也可能存在大量基因丢失现象。 5. GLOBOSA-like MADS-box基因的研究 对11种马先蒿属植物（8个群）中控制花瓣发育的GLOBOSA（PGLO）基因的部分片段进行了分离、克隆和测序，发现该基因在种间发生了明显的分化，但是碱基的变异主要发生在非编码区或非结构域，基因的同义突变率远高于非同义突变率，说明PGLO基因的进化受到强烈的功能制约。PGLO基因在马先蒿种间的明显分化表明：在辐射分化类群中，调节基因也可能发生了快速分化。对11种马先蒿属植物的PGLO基因树、nrDNA ITS基因树以及trnT-F基因树的比较发现：三个树图在结构上既有一致、也有相互矛盾之处，推测可能是因为这些基因具有不同的遗传体系或经历了不同的进化历史所致，另一方面说明GLOBOSA基因在探讨近缘类群系统发育关系方面的价值有待进一步验证。

独花兰和扇脉杓兰的传粉生态学

兰科植物精巧的花部结构及其独特的传粉机制为自然选择理论和异花受粉优势学说提供了强有力的证据。开展兰科植物的传粉生态学研究对进一步探讨植物进化中的一些关键问题（如生殖隔离、物种形成、适应和繁育系统进化等）具有重要意义。本文通过对独花兰 (Changnienia amoena) 和扇脉杓兰 (Cypripedium japonicum) 两种兰科植物进行植物与传粉者之间关系、种内形态变异、花粉散布等方面的研究，探讨其适应进化方式、传粉系统的进化趋势，同时为开发适用的分子标记，在独花兰中初步摸索和探讨了微卫星标记的分离。主要研究结果如下： 1. 濒危植物独花兰的传粉生态学 在神农架2个地点进行了连续2年的野外观测和实验。结果表明，独花兰是一种自交亲和、需要昆虫传粉的欺骗性植物。在2个地点独花兰的传粉者种类不同，在龙门河三条熊蜂 (Bombus (Diversobombus) trifasciatus) 是主要传粉者，在关门山仿熊蜂 (B. (Tricornibombus) imitator) 是唯一的传粉者。尽管它们出现的丰度和觅食行为不同，但其传粉行为和携粉部位非常相同，因此，可以看作是一个功能群（functional group）。从种群水平上看，开花个体的分布式样不是显著的偏斜曲线图，传粉者的有效访问主要集中在开花的前、中期。由于没有花蜜，传粉者在花内停留的时间很短，花粉块输出和传粉发生在熊蜂劳而无获的访问、退出花时。自然条件下，独花兰的结实率很低，只有6%-12%，并呈现明显的年份和地点变化。传粉者限制是结实率低的主要原因。与同亚族近缘种布袋兰相比，分布于中国中部的独花兰受冰期的影响很小，其传粉环境相对稳定，在进化历史中，形成了一种稳定的传粉系统。本研究结果纠正了前人对独花兰繁殖方式的错误认识，并为其保护策略的制订提供了重要资料。 2. 独花兰种群大小、传粉者访问和花粉流 为了检验独花兰种群大小、空间格局与传粉者访问之间的关系，连续2年对10个独花兰种群的花粉块输出和输入进行了统计分析，同时对花粉块进行标记研究其散布式样。结果显示，花粉块输出比例与种群大小之间关系在2003年呈显著负相关，但在2004年这种负相关关系不显著。尽管独花兰的空间分布格局在不同种群不同，但传粉者的访问除了在有蜂巢的种群为聚集式访问外，其余种群内均为随机访问式样。花粉块的散布式样呈尖峰态分布，多数花粉块散布很短的距离，少数散布较远。花粉块的平均散布距离在龙门河为7.3 m，在关门山为10.6 m。由于各种群之间相隔很远，种群之间花粉块交流受到限制，很少有种群外的花粉块输入。花粉块传递只在种群内近缘个体中进行，有可能导致种内遗传或形态分化。 3. 独花兰种内形态变异及其适应意义 对庐山、新宁和神农架3个地点15个独花兰自然种群的形态变异进行了研究，探讨了形态多样性水平和地理变异式样及其可能的适应机制。结果表明，在物种水平上独花兰形态性状存在丰富的变异。单因素方差分析显示3个地区间多个形态性状存在极显著差异（P<0.01），UPGMA聚类分析也表明这3个地区分别形成明显不同的分支，说明3个地区种群植物形态已经出现分化。在神农架地区，龙门河和关门山两个地点间出现明显的形态分化，而这两个地点的传粉者在形体大小表现出显著差异。适合度与形态性状之间的相关性分析显示，独花兰种内形态分化是以传粉者为媒介的自然选择作用的结果。移栽实验显示，本地传粉者对本地和移栽种群花的访问表现出一定的选择性。 4. 扇脉杓兰的传粉生态学研究 与独花兰同域分布、花期不遇的扇脉杓兰是杓兰属的一个特殊类群，具有典型“Japonicum”型唇瓣类型。对神农架6个种群连续两年野外观测和实验结果表明，扇脉杓兰是一种自交亲和、需要昆虫传粉的欺骗性植物。在种群水平上开花个体的分布式样呈显著的偏斜曲线图，在短时间内迅速到达盛花期。扇脉杓兰的传粉者是三种熊蜂，其访问频次很低，访问时间很短，有效访问主要集中在开花的前、中期。自然结实率只有4.3％－8.5％，人工授粉实验证明，传粉者限制是结实率低的主要原因，且传粉者限制程度在花期不同阶段和不同地点存在差异。对欺骗性植物聚集生长、开花有利于吸引传粉者这一假说进行检验，结果显示，克隆群丛大小与传粉者有效访问（花粉块输出比例）呈弱负相关关系。聚集生长的结实率与分散生长的没有显著差异，说明繁殖成功与开花个体的密度无关。扇脉杓兰的花粉集结为未蜡质化的花粉块，是杓兰属中粘质花粉和蜡质花粉块的中间进化类型。传粉生态学和形态学证据显示C. acaule和扇脉杓兰是东亚-北美间断分布的姐妹种对。 5. 独花兰微卫星位点的分离 为了深入研究独花兰种群的基因流和交配系统，用Dynabeads和选择性杂交法分离微卫星位点、筛选引物。首先将基因组DNA用合适的内切酶消化为400-1000 bp大小的片段，然后用生物素标记的简单重复寡核苷酸序列做探针与其杂交，杂交复合物用抗生链霉素蛋白包裹的磁珠吸附，经过一系列洗脱、沉淀，得到富含重复片段的DNA，然后在进行克隆、测序，利用SSR两侧翼区设计引物，经过多态性分析可得到微卫星标记。结果显示，35个克隆序列中18个（51.4％）含有重复片段（SSRs），说明用Dynabeads富集效率明显高于传统方法。到目前为止所得引物共4对。这一实验方法的探索为以后分离杓兰属等兰科植物微卫星位点、进而进行群体遗传学研究奠定了一定的基础。

四川黄龙杓兰属植物的传粉生物学

兰科植物传粉生物学的研究以往多集中于单个物种上，很少对两个以上的物种同时进行研究。但后一类研究对于理解一个地区或一个代表类群的传粉适应是大有裨益和非常必要的，毕竟单一种植物与其传粉者在一个居群或是一年中的相互关系所提供的有效信息是非常有限的。杓兰属Cypripedium L.是兰科植物中比较原始的类群，全世界约有50种;中国是杓兰属植物的分布中心，有30多种。但是，有关该属植物的传粉生物学研究集中在欧、美的种类，中国绝大部分物种尚未进行这方面的研究。本文通过对分布于四川省黄龙寺自然保护区的8种杓兰属植物的传粉生物学研究，探讨了该属植物的传粉机制、适应进化及生殖隔离等问题。 1． 杓兰属植物的繁育系统 虽然所研究的8种杓兰人工自交授粉均可以成功结实，但在自然条件下都必须依赖于昆虫才能结实成功，表明杓兰属植物的繁殖系统以异交授粉为主。 2． 杓兰属植物的传粉系统以及传粉系统的进化趋势 杓兰属植物一向被认为是典型的蜂类传粉物种，本文所包括的西藏杓兰C. tibeticum King ex Rolfe、离萼杓兰C. plectrochilum Franch.、绿花杓兰C. henryi Rolfe与褐花杓兰C. smithii Schltr.的传粉生物学研究也证明了这一点。但研究发现最进化的“无苞组”的3种杓兰，即无苞杓兰C. bardolphianum W. W. Smith et Farrer、小花杓兰C. micranthum Franch.与四川杓兰C. sichuanense Perner都是由蝇类传粉的，而黄花杓兰C. flavum P. F. Hunt et Summerh.则可由蜂类和蝇类共同传粉。结合杓兰的种间系统关系，本文认为杓兰属中存在从蜂类传粉系统向蝇类传粉系统的进化趋势。 3．杓兰属植物传粉系统的特化机制 传粉观察表明8种杓兰均有多种多样的访花昆虫，但只有1种或1类具有相同功能的昆虫能成为其传粉者。这说明杓兰属植物是具备特化传粉系统的种类。以离萼杓兰为例进行的花色、花香及花结构的分析表明，杓兰拥有特化的传粉者几乎完全是由于受到花结构的限制，特别是雄蕊到唇瓣底高度（AL）、柱头到唇瓣底高度（SL）、唇瓣入口直径（DL）与唇瓣出口宽度（EL）的大小。这些因素决定了昆虫是否能进入唇瓣，是否能碰触到柱头和花粉，是否能从出口挤出来。因此，杓兰的唇瓣的主要功能不仅是象原来所认为的作为“陷阱”来诱捕昆虫，而且同样作为一种促进产生“特化传粉”的机制而存在。 4． 杓兰属植物吸引昆虫的机制 杓兰属植物具有复杂的吸引昆虫的机制。离萼杓兰、黄花杓兰主要以泛化的食源性欺骗机制来吸引昆虫，绿花杓兰能通过其唇瓣和退化雄蕊的光滑特性诱使其传粉昆虫被动进入唇瓣中，西藏杓兰可以通过“筑巢式欺骗”来吸引昆虫，无苞杓兰则可通过模拟成熟果实来吸引其特化的传粉者—果蝇Drosophila spp.。 5． 杓兰属植物的花部特征与传粉系统的适应 在整个杓兰属内，不同种类植物的花色与花香和传粉者种类间没有统一的规律。但是，杓兰属植物的唇瓣大小与其传粉者大小之间存在比较明显的适应关系。体积最大的西藏杓兰、褐花杓兰与黄花杓兰由体型最大的熊蜂Bombus spp.传粉，体积中等的离萼杓兰、绿花杓兰、四川杓兰由中等大小的蜂或蝇传粉，而体积最小的无苞杓兰与小花杓兰由体型很小的果蝇传粉。 在杓兰属中，大部分种类的花粉只是粘性的团状，只有一部分能在一次访问中被昆虫带出，如黄花杓兰、西藏杓兰、离萼杓兰及绿花杓兰的花粉团。与此不同，在2个“无苞组”的杓兰，即无苞杓兰、小花杓兰中，它们的花粉凝聚成块状，而且它们的传粉昆虫(果蝇)的一次访问可带出一侧雄蕊的全部花粉。它们的花粉成块可能是对果蝇这类小昆虫传粉的一种适应。 6． 杓兰属植物的生殖隔离机制 本文的研究表明，杓兰属植物之间人工杂交授粉可以成功结实，它们主要是通过受精前隔离机制保持物种界限的。它们的受精前隔离机制多种多样。具有相同传粉者—果蝇的无苞杓兰与小花杓兰通过地理隔离机制保持物种界限; 同域的西藏杓兰与黄花杓兰通过利用不同大小的熊蜂作为传粉者来保持生殖隔离;同域的离萼杓兰与绿花杓兰可能通过花香成分的不同特化吸引同一属中不同种的传粉昆虫;而同域的西藏杓兰与褐花杓兰之间并不具备完善的生殖隔离机制。