樟科植物花部蜜腺與性系統的系統發育分布規律初探

金曉芳，肖昌龍，侯杰希，張北紅，李春江，李 鳳，金志農

(1.南昌工程學院 江西省樟樹繁育與開發利用工程研究中心，江西 南昌 330099；2.武漢大學 生命科學學院，湖北 武漢 430072)

很多開花植物通過蜜腺組織分泌蜜液作為報酬物來吸引動物為其傳粉[1]。Delpino根據蜜腺的功能和位置將其分為花外蜜腺和花內蜜腺?；▋让巯俚膩碓炊酁槲捶只幕ū?、退化雄蕊、雄蕊以及心皮，其中退化雄蕊是最常見的形式[2]。

樟科作為核心被子植物基部類群木蘭類中物種數量最多的一個科，目前全世界有約65屬，3000多種[3-4]。中國有約24屬，446種[5]。在中國，該科植物主要分布在熱帶亞熱帶地區，少數種屬延伸到溫帶地區[6]。樟科的花部蜜腺在不同屬、種之間呈現出多樣性。樟科植物存在兩種類型的花內蜜腺：退化雄蕊蜜腺(staminodial nectary)和可育雄蕊基部的蜜腺(staminal nectary)。這兩種蜜腺在樟科植物雌性先熟兩性花的開花過程中“分工合作”，分期吸引傳粉者：當進入雌性功能期(花藥散粉前)，第1～3輪雄蕊會展平，暴露出第4輪的退化雄蕊蜜腺，此時退化雄蕊蜜腺會分泌花蜜，如圖1(a)中黃絨潤楠(MachilusgrijsiiHance)退化雄蕊蜜腺正在分泌花蜜(圖1中，S1～S3分別代表第1～3輪可育雄蕊，SDN為退化雄蕊蜜腺，SN為可育雄蕊蜜腺，PI為雌蕊)；當進入雄性功能期時(花藥散粉后)，位于第3輪雄蕊基部的可育雄蕊蜜腺分泌花蜜[7]，以花粉和花蜜共同作為報酬物吸引傳粉者[8-9]，此時第3輪雄蕊會立起來，將退化雄蕊藏在最內輪，如圖1(b)中黃絨潤楠可育雄蕊蜜腺正在分泌花蜜。這種雌性先熟的開花方式在樟科植物兩性花中廣泛存在[7，10-13]。 樟科植物除了兩性花，還存在由于敗育而成的單性花，單性花又包括雌雄同株或雌雄異株[14]。兩性花植物存在兩種類型的蜜腺，而單性花植物一般丟失了退化雄蕊蜜腺。

圖1 黃絨潤楠(Machilus grijsii Hance)不同開花階段花蜜分泌情況

到目前為止，關于樟科植物兩種花部蜜腺的系統發育分布鮮有報道[15-17]。本文統計了兩種蜜腺在樟科植物中的系統發育分布，并對其與性系統的關系和生態學意義進行討論。

1 材料與方法

1.1 系統樹構建

從NCBI下載已有的樟科植物完整葉綠體基因組序列，共獲得24屬，65種。選取臘梅科(Calycanthusfloridusvarglaucus)作為外類群(表1)。采用最大擬然法(maximum likelihood，ML)和貝葉斯法(Bayesian Inference，BI)建立系統發育樹。用phylosuite軟件[18]處理序列。用 MrBayes3.2.6[19]構建貝葉斯系統發育樹，選擇partition模型(2 parallel runs，運行長度107次)，burnin值為0.25。最大似然法在PhyloSuite平臺的IQTree進行[20]。并通過中國植物志等網站收集第1～4輪四蜜腺數和性系統數據。

表1 本研究所用樟科植物系統發育樹植物GenBank號

續表1

1.2 兩種花部蜜腺蜜量與含糖量調查

為了驗證兩種類型蜜腺的花蜜分泌功能是否存在差異，選擇武漢植物園內種植的3種樟科兩性花植物(包括樟屬的陰香，楠屬的紫楠和浙江楠)，分別檢測其花蜜量及糖濃度進行對比分析。于盛花期提前一天將花苞標記并套袋處理。第2～3d分別選取雌性功能期(退化雄蕊蜜腺分泌花蜜)和雄性功能期(可育雄蕊蜜腺分泌花蜜)的花，用內徑0.1mm毛細管吸取6朵花測蜜量，10～20朵花測含糖量(折光儀型號為Eclipse 45-81)。根據前期研究經驗[11]，選取雌雄功能期時間段內各選2～3個時間點檢測蜜量和含糖量(見表2)。

表2 樟科3種兩性花植物蜜量及糖度測量

2 結果與分析

2.1 樟科系統發育樹

樟科系統發育樹中將樟科分為7個分支，分別是：楠屬—厚殼桂屬分支Belischmiedia-Cryptocarya clade(S02，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，無根藤分支Cassytha clade(S03，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，檬果樟屬分支Caryodaphnosis clade(S04，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，新樟屬分支Neocinnamomum clade(S05，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，潤楠—鱷梨屬分支Machilus-Persea clade(S06，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，樟屬分支Cinnamomum clade(S07，ML-BS=100，BI-PP=1.00)，月桂—新木姜子屬分支Laurus-Neolitsea clade(S08，ML-BS=100，BI-PP=1.00)(圖 2)。第1類群較為原始，包含瓊楠屬(Beilschmiedia)、厚殼桂屬(Cryptocarya)、土楠屬(Endiandra)、鐵樟屬(Eusideroxylon)、油果樟屬(Syndiclis)(S02，ML-BS=100，BI-PP=1.00)；第2類群更為進化，包含無根藤屬(Cassytha)(S03，ML-BS=100，BI-PP=1.00)；第3個類群包括檬果樟屬(Caryodaphnopsis)(S04)；第4個類群包括新樟屬(Neocinnamomum)(S05)。在樟科的核心類群中，又分為3個分支，其中第一個分支包括第5個類群的油丹屬(Alseodaphne)、潤楠屬(Machilus)、鱷梨屬(Persea)以及楠屬(Phoebe)(S06)；第6個類群包括樟屬(Cinnamomum)、柑樟屬(Nectandra)、檫木屬(Sassafras)(S07)；第7個類群包括木姜子屬(Litsea)、新木姜子屬(Neolitsea)、擬檫木屬(Parasassafras)、山胡椒屬(Lindera)、月桂屬(Laurus)、黃肉楠屬(Actinodaphne)(S08)。

蜜腺和性系統標記在系統樹上(圖2)。圖2中的發育樹包括65個樟科植物，采用最大擬然法和貝葉斯法構建，分支上的數字為貝葉斯后驗概率/最大擬然法自展值。三列花部性狀分別為性系統、第4輪退化雄蕊蜜腺存在與否、第3輪可育雄蕊蜜腺存在與否(星號為性狀無法確定，空心圖標表示雙性花和沒有蜜腺)。右側分別為：大葉新木姜子(A)，山橿(B)，毛桂(C)，黃絨潤楠(D)，無根藤(E)。圖2中顯示兩性花出現在進化樹的基部，是一種比較原始的性狀。單性花最早出現在蜜樟屬(Nectandra)及檫木屬，在山胡椒屬、木姜子屬及新木姜子屬開始大量出現。

圖2 樟科系統發育樹

2.2 兩種花部蜜腺蜜量與含糖量調查

陰香、紫楠和浙江楠花蜜分泌均雌性功能期顯著高于雄性功能期(F1，34=6.028，P=0.019)，(F1，34=12.187，P=0.009)，(F1，22=4.545，P=0.044)。

3 討論

本文利用樟科植物葉綠體基因組來構建系統發育樹，再結合其花部性狀特征進行系統發育分析。結果顯示，樟科植物兩性花和單性花有著很明顯的分化界限；退化雄蕊蜜腺似乎也隨著單性花的出現而在雄花中消失(如新木姜子屬某些種類雄花無退化雄蕊蜜腺)，而可育雄蕊蜜腺依舊保留在雄花的可育雄蕊基部，這與前期研究結果一致[3]。但是，在比較原始的土楠屬中，退化雄蕊蜜腺消失，第1～2輪花藥也經常退化或消失，推測其可育雄蕊基部的腺體可能同時承擔了雌性階段和雄性階段的分泌花蜜的功能。在單性花山胡椒屬、木姜子屬、新木姜子屬中，也有部分單性花的雄花依然存在退化雄蕊蜜腺，而這些物種并不位于在單性花出現與退化雄蕊蜜腺開始消失的系統樹位置，有些甚至位于在進化樹上較高的位置，因此推測這些植物的蜜腺功能很可能是在散粉期協助其他花藥基部的腺體分泌花蜜。丟失退化雄蕊的類群如月桂屬，往往保留可育雄蕊基部蜜腺分泌花蜜[21]。

兩種蜜腺蜜量實驗結果顯示，在陰香、紫楠和浙江楠中，退化雄蕊蜜腺蜜量顯著多于可育雄蕊蜜量，可能是退化雄蕊蜜腺是雌性功能階段的唯一吸引傳粉者的報酬，而可育雄蕊分泌花蜜是作為花粉報酬的補充。

4 結束語

隨著樟科植物由兩性花向單性花演化，雄花的退化雄蕊蜜腺也逐漸消失，故推測由于退化雄蕊蜜腺在兩性花中的主要功能是在未散粉階段作為報酬物吸引傳粉者，而雄花已無需經歷此階段，因此退化雄蕊蜜腺也逐漸丟失花蜜分泌功能。