华南植物园揭示报春花属植物花粉-胚珠数目的变异模式及影响因素

　　

有花植物的花粉和胚珠数目在物种间和物种内广泛变异，在植物繁殖成功中起关键作用，能够影响异花传粉的成功率、种子产量、对后代的遗传贡献以及子代适应度。探究花粉和胚珠变异的原因能够使我们了解生态和繁殖因素如何塑造有性生殖资源的分配。然而少有研究在系统发育框架下，探讨环境因素和花性状等对近缘物种间花粉和胚珠数目的变异的影响。

研究以中国西南山地广泛分布的报春花属植物为研究对象，解析了其花粉和胚珠数目的变异模式和影响因素。报春花属植物约500种，广泛分布于北半球山地，中国的西南山地是其现代的多样性分布中心，分布范围从海拔50m 到5000m。报春花是典型的虫媒花和二型花柱物种，在群体中有两种花型，在雌雄器官高度上相互异位。二型花柱特性能够促进花粉精确传递并且促进异交，是研究花多态性平衡选择和有性生殖资源分配的模式。此外，二型花柱还会演化为能够主动自花传粉的同型花柱类型。

研究人员收集了报春花属73个物种（包含二型花柱和同型花柱）99个群体的花粉和胚珠数据，花性状数据和群体海拔数据，在系统发育的框架下探讨配子变异的影响因素。结果发现：（1）无论是否考虑物种间的系统发育关系，物种的长柱花和短柱花的单花花粉量都与分别与其海拔高度呈显著正相关。可能的解释是高海拔物种需要产生相对更多的花粉，以应对不确定的传粉环境。（2）在所有物种中，长柱花都产生小而多的花粉，短柱花产生大而少的花粉。物种间花粉大小与其对应的花柱长度呈显著正相关，这有助于维持两种花型间雄性适合度的平衡和花型多态性。（3）物种的胚珠数目在物种内花型间没有差异，也不受物种海拔高度影响，然后表现出很强的系统发育信号。（4）从二型花柱（异交）向同型花柱转变（自交），伴随着花粉数目显著减少。在自交条件下，选择倾向于降低花粉数目以减少资源投入，支持自交综合征的假说。

该研究通过报春花属物种的比较分析强调了影响植物花粉和胚珠产生的内在和外在因素之间的复杂交互作用，并强调了分别考虑花粉和胚珠数据的重要性。以报春花属为代表的二型花柱植物在有性生殖方面存在典型的形态与功能的趋同演化，是进化生物学的经典议题之一。未来通过被子植物多谱系的比较研究，有望进一步理解功能性状多次起源机制与适应意义。

中国科学院华南植物园植物分类与多样性研究团队“动植物互作与生态适应专题组”的袁帅副研究员和西华师范大学讲师曾桂为论文的共同第一作者，张奠湘研究员为通讯作者。多伦多大学Spencer C.H. Barrett 教授，华南植物园罗世孝研究员、徐源副研究员、郝凯助理研究员参与了研究。感谢中国科学院昆明植物研究所钟莉博士，大理大学蒋显锋博士，云南大学张杰博士，贵州师范大学朱兴福博士，江西省科学院刘淑娟博士在样品收集中提供的便利。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院华南植物园青年人才专项的支持。相关研究成果已在线发表在Journal of Systematics and Evolution（JSE）（《植物分类学报》）上。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/js?e.13146

图1. 报春花属物种及其二型花柱特性。A 西南地区代表山地峨眉山广泛分布的12种报春花属物种；B 迎阳报春的花结构特征，分别展示长柱花，短柱花以及同型花。红色箭头分别指示柱头和花药

图2. 基于三个叶绿体片段的报春花属物种系统发育树。右侧展示的条形图分别代表配子数目及花性状数据。