蘭科植物的生殖隔離

崔　靜，吳記貴，黃伯高，蔣萬杰，范雅倩，程　瑾（.北京林業大學 生物科學與技術學院，北京 0008；.北京松山國家級自然保護區 管理處，北京05；.廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區 管理處，廣西 百色509）

蘭科植物的生殖隔離

崔靜1，吳記貴2，黃伯高3，蔣萬杰2，范雅倩2，程瑾1
（1.北京林業大學 生物科學與技術學院，北京 100083；2.北京松山國家級自然保護區 管理處，北京102115；3.廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區 管理處，廣西 百色533209）

生殖隔離是物種形成過程中最關鍵的步驟之一，它保證了每個物種相對穩定的遺傳系統，是物種保持完整性和獨立性的基礎。蘭科Orchidaceae作為有花植物中物種多樣性最豐富的類群之一，有關其生殖隔離主要機制的研究對探討物種分化的條件具有重要的科學意義。蘭科植物的生殖隔離機制包括合子前隔離和合子后隔離。還分析了不同傳粉類型的蘭科植物的生殖隔離機制，其中性欺騙蘭科植物主要是合子前隔離的行為隔離機制，食源性欺騙蘭科植物主要是合子前隔離的機械隔離以及合子后隔離機制。同時，對蘭花育種領域通過人工雜交等形式打破生殖隔離獲得新品種的機理和成果開展了分析和展望，并從蘭科植物與真菌區域共生的機制及其在蘭科植物生殖隔離中的作用的角度展望了今后相關研究的重點研究方向。表1參73

植物學；蘭科植物；合子前隔離；合子后隔離；地理隔離；時間隔離；機械隔離；行為隔離；綜述

蘭科Orchidaceae植物是被子植物的大科之一，全世界約有800屬2.5萬種，特別是熱帶和亞熱帶地區的蘭科植物具有極高的生物多樣性。中國約有蘭科植物194屬1 388種以及許多亞種、變種和變型［1］。蘭科植物絕大多數都生長在濕潤、溫暖、有散射光線而且排水良好的地方。根據生活型特點，蘭科植物可分為附生蘭、地生蘭和腐生蘭3種類型。一般來說，附生蘭主要分布于熱帶地區，而溫帶和亞熱帶地區則以地生蘭為主［2］。蘭科植物具有獨特的傳粉機制，約1/3的蘭科植物具有欺騙性傳粉系統，即蘭花不為傳粉者提供花蜜、花粉等回報，而是通過花部結構和花氣味等模擬有報酬的花、雌性昆蟲、產卵地等，從而誘騙昆蟲為其傳粉［3］。欺騙性傳粉主要包括食源性欺騙（generalized food deception）和性欺騙（sexual deception）［4-5］，食源性欺騙機制是指蘭科植物利用昆蟲的覓食行為，通過欺騙性視覺信號 （如假花粉等）或者模擬花蜜以及花粉結構欺騙昆蟲，或者通過模擬同期開花的食源植物誘導昆蟲進行覓食訪問其花朵，實現有效的傳粉［6］；性欺騙機制是指蘭科植物利用昆蟲的交配行為，通過具有和雌性昆蟲相似的形狀或是釋放相應的性信息素吸引雄性昆蟲訪問其花朵，實現有效的傳粉［7］。生物多樣性形成和演化的重要基礎是物種形成，這也是進化生物學研究的核心問題之一，涉及突變、選擇、居群遺傳分化、生態適應、地理隔離直至生殖隔離的形成過程［8-9］。其中，生殖隔離是指由于各種機制，親緣關系相近的類群之間在自然條件下不受精，即使能受精也不能產生后代或不能產生可育性后代的隔離機制［10］。生殖隔離被認為是物種形成過程中最關鍵步驟之一，也是物種得以保持完整性和獨立性的基礎［11］，物種界限的保持是各種隔離方式綜合發揮作用的結果，在物種形成中起著十分重要的作用［12］。生殖隔離包括合子前隔離和合子后隔離2種形式［13］。其中合子前隔離是指不同個體間不能交配，或者交配后不能形成合子，包括地理隔離、時間隔離、花部隔離等；合子后隔離是指交配形成的合子不能發育到成體，或成體的生殖力缺失或低下，包括雜種不活、雜種不育和雜種衰敗等。合子前隔離主要受生態和生殖因素的影響；合子后隔離高度依賴于遺傳因素，受親本間的相配程度的影響［14］。蘭科是有花植物中物種多樣性最豐富的類群之一，在其進化過程中，群體間進化出現了阻止遺傳交換的生殖隔離機制，并可能伴隨著物種形成或者基因流傳播的物理障礙，其中合子前隔離機制，限制了花粉在物種個體間的轉移；合子后隔離機制保證了同種花粉在受精過程中的優勢［15-16］。蘭科植物的多樣性是多種隔離機制共同作用的結果［17］，其中合子前隔離方式對蘭科植物物種多樣性起到了深遠的影響［18-19］。生殖隔離作為阻斷物種間基因交流的手段，避免物種間雜交，保持了物種間彼此間隔，使得每個物種形成一個相對穩定的遺傳系統［20］。蘭科植物作為被子植物中最進化的類群之一，有關其生殖隔離主要機制及其在蘭科植物多樣性形成中作用的研究具有重要的科學意義。本文對已發現的蘭科植物生殖隔離方式進行了系統的介紹，并綜合分析生殖隔離在蘭科系統進化和物種形成中的作用機制。

1　蘭科植物的合子前隔離

1.1地理隔離（geographical isolation）

蘭科植物在長時間的進化歷程中形成了不同的生活型，有地生、腐生和附生，它對自身所處生態系統的變化非常敏感，只要環境稍加改變就可能無法生存，因此，蘭科植物對不同生境地的選擇使得其分布在不同地方［21］。不同地域的分布保障了蘭科植物間有效的地理隔離。紅門蘭屬Orchis植物O.anthropophora，O.purpurea和O.militaris的花期均為5－6月，但O.anthropophora和O.purpurea主要分布在大西洋地中海（Atlantic-Mediterranean）一帶，而O.militaris主要部分在歐洲大陸一帶，因此通過主要分布區不同起到地理隔離作用［22］。除此之外，這3種蘭花偏好的生態環境也稍有不同，O.anthropophora和O.purpurea偏好溫暖一些的地方，而O.militaris喜歡在潮濕或季節性濕潤的地方生長，通過適宜生長環境的不同起到一定的隔離作用。但是仍然存在著3種蘭科植物具有重疊分布的區域（如比利時東部），在失去地理隔離方式的情況下，O.purpurea和O.militaris可以形成雜交群落，O.anthropophora和另外2種間也有較少的雜交發生［23］。BOWER等［24］在對Chiloglottis屬的研究中發現，與C.valida相比，C. trapeziformis通常分布在低海拔且較干燥的地區。然而，這2種蘭花在中海拔的過渡區域有較少量的重疊分布，該區域內存在罕見的C.valida和C.trapeziformis雜交種，而在其他區域地理隔離起到很好的生殖隔離作用［24-25］。

由此可見，蘭科植物物種間地理上的障礙，在生殖隔離方面起到了一定的作用，但當地理隔離不存在時，物種間的生殖隔離就需要其他隔離方式的保障。

1.2時間隔離（temproal isolation）

時間隔離是一種重要的合子前隔離機制，是指植物通過不同的開花期阻礙物種間花粉的轉移。如在希臘的克里特島的眉蘭屬Ophrys植物Op.iricolor和Op.mesaritica花期不重疊，通過巧妙的開花時間隔離阻止了彼此間基因的交流［26-27］。此外，物種開花高峰期的差異也可能影響植物的傳粉受精［28］。SEDEEK等［29］在對4種眉蘭屬植物Op.exaltata，Op.garganica，Op.incubacea和Op.sphegodes的研究中發現，開花高峰期的差異起到了時間隔離的作用。

1.3花部隔離（floral isolation）

花部隔離是蘭科植物合子前隔離主要方式，由行為隔離和機械隔離引起［28］。其中行為隔離指植物通過花顏色、氣味等特征吸引特化傳粉者；機械隔離指植物通過不同花結構來減少或者避免種間授粉［30］。

1.3.1行為隔離（ethological isolation） 作為被子植物中最進化的類群，絕大多數的蘭科植物花的結構與昆蟲傳粉高度適應，具有高度特化的傳粉系統，在統計的456種蘭花里約67%僅有唯一的傳粉者［31］。而同域分布的蘭科植物最常見的生殖隔離機制就是依靠傳粉者特化而形成隔離［32］。蘭科植物的多樣性也更多被認為是適應多樣化的特化傳粉者的結果［7，33］。特化傳粉系統對同域物種形成和種間隔離都起到了深遠的影響［17］。JOHNSON［34］將這種機制歸納為傳粉者驅使生殖隔離假說（pollinator-driven speciation），認為傳粉者的偏好可以導致植物間的生殖隔離，植物的多樣性的形成過程則是一個適應有效傳粉者的過程。具有性欺騙傳粉系統的蘭科植物中表現出典型的行為隔離［35-36］。依靠性欺騙進行傳粉的不同蘭科植物主要通過花氣味和花形態的差異來吸引不同種類的雄性昆蟲，進而實現種間的生殖隔離［37］。這在分布于歐洲的多種眉蘭屬植物和分布于澳大利亞的Chiloglottis屬植物中得到證實。在眉蘭屬植物中主要通過行為隔離來實現有效的種間隔離［29］。如Ophrys sphegodes，Op.exaltata和Op.garganica具有相同的分布區且花期重疊，但分別吸引3種不同昆蟲的雄性個體為它們授粉，保證了彼此間不發生交叉授粉的現象［37］。雖然，人工授粉實驗表明Chiloglottis valida sensu stricto，C.affinity valida和C.affinity jeanesii種間雜交可孕，但在自然條件下，Chiloglottis屬植物種間雜交非常稀有［36-37］。大量的野外實驗證明這歸因于Chiloglottis屬蘭科植物的傳粉者高度特化，每種植物平均僅有1.1種傳粉者，即幾乎每種蘭科植物有其唯一的傳粉者［38］。

1.3.2機械隔離（mechanical isolation）花朵結構和昆蟲的訪花行為是機械隔離的基礎［30］。蘭科植物具有精巧的花部構造。首先，它的花瓣中有1枚特化成唇瓣，在吸引傳粉者中起到重要作用。其次，蘭科植物花的雄蕊與雌蕊合生成合蕊柱。雄蕊通常在合蕊柱上端或后上方，柱頭在合蕊柱前方，花藥和柱頭之間為蕊喙隔開；花粉通常黏合成團狀，大多具花粉塊柄。在大多數蘭科植物傳粉過程中，傳粉者首先飛向唇瓣，接著會觸碰到蕊喙，導致粘盤與蕊喙分離，并直接粘附于傳粉昆蟲的身體之上，昆蟲在退出花朵時，可以拖出整個花粉團，并將其攜帶在昆蟲身體上［17，39－40］。蘭科植物憑借花粉塊、合蕊柱和唇瓣等獨特的花部結構與昆蟲傳粉高度適應保障了機械隔離。機械隔離有2種形式，①花適應不同群體的不同身體大小和形狀的傳粉者；②共享傳粉者的物種之間，通過花粉在身體攜帶部位的差異實現生殖隔離［30］。

1.3.2.1傳粉體型不同不同的花結構可以吸引不同的傳粉者。這在杓蘭屬蘭科植物中有很好的體現，盡管杓蘭屬物種兩兩之間可能不存在嚴格的合子后隔離機制，但是在自然條件下很少發現雜交種［30］。分布于中國黃龍自然保護區的多種杓蘭屬傳粉者都與其花形態相適應：如花較大的黃花杓蘭Cypripedium flavum，西藏杓蘭Cy.tibeticum和褐花杓蘭Cy.smithii之間花期重疊，且不存在合子后隔離，三者都由熊蜂Bombus lepidus傳粉，然而唇瓣較小的黃花杓蘭的傳粉者是熊蜂工蜂，唇瓣較大的西藏杓蘭和褐花杓蘭的傳粉者是由熊蜂蜂王，工蜂的體型相比蜂王的小很多，傳粉者之間明顯的體型大小差異有效地防止了黃花杓蘭與其他2種蘭科植物的種間雜交［41］。

1.3.2.2攜粉位置不同不同的蘭科植物具有的精巧的花部構造具有很高的多樣性，另外昆蟲訪花行為也具有極高的多樣性，于是當同一種傳粉者訪問不同的蘭花時，花部構造和不同的傳粉者訪花方式的差異性導致蘭花的花粉塊攜帶于昆蟲身體的不同部位，通過機械隔離保證同種間的授粉，防止雜交［42］。在南非德拉肯斯堡山脈、西開普省和納馬夸蘭有大量的Pterygodium屬和Corycium屬植物同域分布，傳粉者在收集這些花朵分泌油的過程中為其傳粉。在以Rediviva peringueyi（準蜜蜂科Melittidae）為傳粉者的蘭科植物的傳粉過程中，油脂的附著位置與花的形態（如花瓣與萼片的形態）將影響傳粉昆蟲的訪花行為，使得花粉攜帶在不同位置，從而實現機械隔離來保障種間隔離（表1）［42-44］。

作為具有性欺騙特化傳粉系統的眉蘭屬植物通常被作為由行為隔離導致生殖隔離的典型案例。但在某些情況下眉蘭屬Ophrys植物也可以共享一種傳粉者，此時傳粉者可以將花粉攜帶在身體的不同部位，通過機械隔離實現生殖隔離。如分布于意大利的Ophrys iricolor和Op.incubacea生長在一起，并且都由Andrena morio（地花蜂科Andrenidae）的雄性昆蟲傳粉。在傳粉過程中，昆蟲將Op.iricolor的花粉塊攜帶在頭部，而將Op.incubacea的花粉塊攜帶在腹部，有效地避免了傳粉過程中的種間交叉授粉［45］。此外，花粉塊柄的運動也是蘭科植物與昆蟲傳粉高度適應性的重要體現，當昆蟲將花粉塊攜帶在身體上后，很多蘭科植物的花粉塊柄會通過彎曲運動來保證花粉在授粉過程中準確的朝向柱頭［46-47］。PAUW［43］曾發現Rediviva peringueyi（準蜜蜂科Melittidae）從Pterygodium alatum花朵中退出時，花粉塊柄發生彎曲運動以適應花柱頭的方向。類似的現象還在其他很多蘭科植物傳粉過程中有過報道，如Dactylorhiza sambucina［48］，Orchis spitzelii，O.morio［49］，O.mascula［50］，Anacamptis pyramidalis［47］。蘭科植物通過花粉塊在傳粉者不同身體部位的攜帶和花粉塊柄的運動，保證了傳粉的精確性，從而實現生殖隔離。

表1　傳粉者攜粉位置的多樣性Table 1　Diversified pollen location of the pollinator

總之，在給傳粉者提供報酬的非欺騙性傳粉和無回報的欺騙性傳粉這2種蘭科植物傳粉系統中，花部隔離介導的生殖隔離都起到了重要作用［32，37，43－44］?；ú扛綦x是蘭科植物合子前隔離最重要的形式之一。

2　蘭科植物的合子后隔離

在蘭科植物中，合子前隔離起著主要作用，它保證了物種的穩定和蘭花的多樣性，但是仍有一定程度的雜交授粉出現在同域分布蘭科植物之間［51］。系統發育和生態學上的一系列證據表明，合子后隔離在保持蘭科植物生殖隔離中也起著重要的作用［33，52］。由物種間親緣關系導致的合子后隔離表現在異源花粉會影響結實率，甚至影響后代的存活率［53］。澳大利亞蘭科植物的Chiloglottis trapeziformis和Ch.valida由同一傳粉者傳粉，這2種蘭科植物可以雜交產生F1代，但傳粉后隔離作用使得F1代表現出低結實率［54］。COZZOLINO等［55-56］對倒距蘭屬Anacamptis，紅門蘭屬Orchis和Neotinea等屬的17種蘭科植物研究中發現，它們有較低的傳粉者特異性，在自然界中存在著雜交，但是存在高的胚胎死亡率、雜種不活和雜種不育：在17種蘭科植物的113組人工雜交中，有41組在胚胎期死亡，占36.3%，有45組屬于雜交不活，在7組兩兩雜交實驗的F1代與親本的回交實驗中，只有2組表現出低的結實率，其他5組都不可育。分布在熱帶伯迪亞哥的Epidendrum denticulatum和E.fulgens是食源性欺騙傳粉的蘭科植物，吸引多種蝴蝶傳粉，兩者存在雜交，但表現出低的結實率及可育性［57-58］。意大利亞平寧山脈的食源性欺騙蘭科植物Orchis mascula和O.pauciflora由熊峰共同傳粉，種間雜交也表現出低的結實率、雜種不活等合子后隔離現象［59］。同時，具有相同傳粉者的蘭科植物間通常有著不同的染色體組型，這些不同的染色體組型起著合子后隔離的作用。如Serapias apulica和S.politisii，S.vomeracea和S.parviflora，Anacamptis laxiflora和A.palustris，Dactylorhiza romana和D.saccifera等4對兩兩之間共享同一種傳粉者，但是彼此染色體組型不相同，而不同染色體組型物種間的雜交將減弱F1代的繁殖力甚至導致不育［60］。另外，眉蘭屬植物Ophrys iricolor和Op.incubacea之間染色體不對稱，雜交產生的F1代結實率極低［61-62］。

總之，對于非特異性傳粉者的蘭科植物來說，合子后隔離可以有效地防止其物種間的雜交成功，在保障物種間的生殖隔離中起到了重要的作用。

綜上所述，在蘭科植物的生殖隔離中合子前隔離是主要的，其中地理隔離和時間隔離分別為不同地域和不同花期蘭科植物的生殖隔離提供了保障。而在同域分布同花期蘭科植物之間，花部隔離有效保障了物種間的生殖隔離。蘭科植物可以通過行為隔離和機械隔離實現生殖隔離，利用不同花顏色和花氣味以及昆蟲體型的差異性和行為的多樣性來保障蘭科植物之間有效的生殖隔離［36-37，43，63］。此外，在共享同種傳粉者的蘭科植物中，如食源性欺騙蘭科植物，合子后隔離和機械隔離在保持其生殖隔離中也起著重要的作用［50-51，54］。大量的研究表明：以性欺騙和食源性欺騙為傳粉機制的蘭科植物具有不同的生殖隔離機制［37，55，57］。性欺騙的蘭科植物通常有特異的傳粉者，通過行為隔離保證生殖隔離［7，37，63］。然后，多種蘭科植物共享同一種傳粉者在食源性欺騙蘭科植物中普遍存在，合子后隔離和機械隔離在保障其物種間的生殖隔離中起著主要作用［50-51，54］。

3　討論與展望

在蘭科植物中，合子前隔離與合子后隔離共同作用保障了蘭科植物之間的生殖隔離［55，64］。如果合子前隔離較弱，那么合子后隔離就在物種形成中承擔著關鍵的作用；反之，在合子后隔離的作用較弱時，合子前隔離就保障著物種形成［65］。同時，蘭科植物在生長過程中與菌根真菌之間形成復雜的相互關系，蘭科植物-菌根之間的交互作用可能參與到生殖隔離，影響蘭科植物物種間雜交種子的萌發和生長［62，66-68］。WATERMAN等［42］對南非蘭科植物與菌根的互利共生關系的研究中發現，在生命周期的早期，蘭科植物的生長完全依賴于菌根真菌提供營養和能量，由于菌根的分布沒有明顯的特征，在不同地區都存在的相同的菌根，所以菌根對蘭科植物生殖隔離的作用不大，但是不排除菌根影響蘭科植物從而形成地理隔離進而導致蘭科植物的生殖隔離的可能性［69］。

盡管合子前隔離機制和合子后隔離機制在蘭科植物物種之間形成了強大的屏障，但是在自然條件下，仍存在打破物種界限的情況。如分布中國四川省黃龍寺自然保護區的杓蘭屬蘭科植物褐花杓蘭Cypripedium smithii和西藏杓蘭Cy.tibeticum，兩者花期重疊且共享同一種傳粉者，可以實現雜交親和，因此認為之間不存在生殖隔離［70］；分布在巴西沿岸平原的食源性欺騙傳粉Epidendrum屬蘭科植物E. fulgens和E.puniceoluteum花期重疊，由多種蝴蝶傳粉，也表現出相對較弱的生殖隔離，兩者雜交種在接受E.puniceoluteum的花粉后表現出高的可育性，可以在自然條件形成雜交群落［71］；分布在澳大利亞的Chiloglottis屬蘭科植物缺少機械隔離，傳粉者都將花粉塊攜帶在胸部，存在種間雜交［36，72］。由于對蘭科植物進行人工育種可以打破地理隔離和合子前隔離等生殖隔離的限制，實現雜交育種。人工雜交也是蘭科植物育種的重要手段之一。五大盆栽蘭花之一的大花蕙蘭Cymbidium hybridum就是由原產于中國獨占春Cymbidium eburneum作母本和碧玉蘭Cymbidium lowianum作為父本在英國雜交成功的。獨占春和碧玉蘭在自然界存在一定的地理隔離（分布區域有差異）和時間隔離（花期不完全重疊）［1，73］；越南通過引進歐洲蘭花原生種人工雜交選育出四倍體產物Cymbidium alexandri-westonbirt（C.eburneo-lowianum ‘Concolor'×C.insigne-sanderi）［71］。中國擁有豐富的蘭科植物資源，通過人工雜交不斷選育優良新品種，可以提供更豐富的蘭花觀賞資源。

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The mechanisms of reproductive isolation in orchids

CUI Jing1，WU Jigui2，HUANG Bogao3，JIANG Wanjie2，FAN Yaqian2，CHENG Jin1
（1.College of Biological Sciences and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2. Administrative Office，Beijing Songshan National Nature Reserve，Beijing 102115，China；3.Administrative Office，Yachang Orchid National Nature Reserve，Baise 533209，Guangxi，China）

Reproductive isolation，one of the key processes of speciation and which has ensured a relatively stable genetic system for each species，is fully studied with orchids having the highest biodiversity in flowering plants.Different reproductive isolation mechanisms including prezygotic isolation and postzygotic isolation are introduced and different pollination systems are analyzed.The main mechanism of reproductive isolation for the sexually deceptive orchid is ethological isolation，and for the food deceptive orchid is mechanical isolation and postzygotic isolation.New species can be obtained by artificial cross breeding which breaks the reproductive isolation.Moreover，the relationship between symbiotic germination and reproductive isolation mechanisms in orchids is worth studying in the future.［Ch，1 tab.73 ref.］

botany；Orchidaceae；prezygotic isolation；postzygotic isolation；geographical isolation；temporal isolation；mechanical isolation；ethological isolation；review

Q944.4；S682.31

A

2095-0756（2016）04-0695-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.020

2015-06-19；

2015-11-03

北京市教育委員會科學研究與研究生培養共建項目（BLCXY201515）；國家自然科學基金資助項目（J1103516）；國家林業局野生植物保護管理項目（2013-LYSJWT-05）

崔靜，從事蘭科植物的傳粉生物學研究。E-mail：cuijing19900925@163.com。通信作者：程瑾，副教授，博士，從事蘭科植物繁殖生態學相關研究。E-mail：chengjin9912@163.com