《Plants》：Chitosan and Microalgae Nanoparticles: Synergistic Role in Enhancing Drought Stress Tolerance in Wheat Seedlings
Fatemeh Gholizadeh,
Agampodi Gihan S. D. De Silva,
Asish Samuel,
Zoltán Molnár and
Tibor Janda
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本研究深入探讨了冬花植物Brandisia hancei宿存花萼的适应功能。通过形态测量、温度监测（ΔT）和花萼操纵实验（CK, ER, PR, TR），我们首次证实宿存花萼在花后持续生长，并能独立发挥显著的增温效应，将花/果温度维持在环境温度之上。花萼移除导致花部温度显著降低，并与种子产量（seed production）呈显著负相关。这表明，在冬季低温条件下，宿存花萼通过类似微型温室的热调节机制，为繁殖器官（reproductive structure）创造并维持更有利的微气候（microclimate），从而直接提升了植物的生殖成功率（reproductive success）。
引言
在植物界，花萼（calyx）作为花的最外层轮生体，其经典功能是保护发育中的花芽。多数植物的花萼在开花后迅速衰老脱落，但唇形科（Lamiaceae）、锦葵科（Malvaceae）等多个类群中的物种，其花萼会在开花后持续存在，被称为“宿存花萼”。这种持续存在意味着代谢成本的投入，暗示着其应能带来超越初始保护功能的适应性收益。研究表明，宿存花萼可能具有物理保护、贡献光合产物、辅助种子传播等多种生态功能。然而，其实验证据仍然有限，且与生殖产出（reproductive output）的直接关联尚不明确。
低温胁迫会损害植物的繁殖过程，如授粉、受精和种子发育。为应对此挑战，一些植物进化出了特殊的被动增温策略，例如通过苞片等结构吸收并截留太阳辐射，为繁殖组织营造更温暖的微环境。宿存花萼可能是一种类似但未被充分研究的被动增温结构，其形成的空腔或半封闭结构可能通过“温室效应”调节花部温度，但其在低温条件下的直接热调节功能及其对生殖成功的影响，仍需实验验证。
本研究以冬花常绿灌木Brandisia hancei Hook. f.为材料。该植物冬季开花，其花萼寿命远长于花冠，从花期持续到果期，部分包裹着花冠和后续的果实。这种持续性暗示了其对多个生殖阶段可能具有更长久的影响。我们通过整合花萼形态测量与操纵实验，旨在解决三个核心问题：(1) 花萼尺寸在花、果发育过程中如何变化？(2) 在关键生殖阶段，花萼在温度调节中扮演何种角色？(3) 宿存花萼在多大程度上增强了种子产量？
花萼形态变化
在从开花到结果的发育过程中，花萼持续存在。根据形态变化，其发育可分为四个阶段：(1) 开花前，花即将开放；(2) 开花期，花冠完全展开，此阶段末期花冠开始脱落；(3) 花后期，花冠脱落后，子房在宿存花萼内开始发育；(4) 结果期，果实在花萼内发育。花萼的长度、高度和宽度从开花到结果期持续显著增长。在结果期，其各项尺寸均显著大于开花前和开花期。
花部温度调节
在环境温度为12至22°C的测量条件下，无论是人工去除花冠（开花前、开花期）还是花冠自然脱落后（花后期），花萼都能独立维持正的温差（花部温度与环境温度之差），证实了其独立的热调节功能。在开花后期，由花萼维持的温差显著高于开花前和开花期。
花萼移除对花部温度的影响因发育阶段而异。在开花前和开花后期，移除花萼会导致花部温度相对于完整对照组显著降低。然而，在开花期移除花萼反而观察到花部温度升高。这可能与开花期花冠完全展开，移除花萼后增强了花部对太阳辐射的直接暴露有关，尽管缺少花萼的保温作用，但辐射增强可能暂时提升了温度。而对于开花前阶段的花，花冠尚未完全展开，花萼的移除直接消除了关键的保温层，导致温度下降。这些结果表明，花萼是维持花部温暖微环境的关键结构。
花萼对种子产量的影响
在贵州花溪和惠水两个种群中进行的实验均表明，花萼操纵处理与发育阶段对种子产量均有极显著影响。比较不同处理（CK：完整对照；ER：仅移除花萼边缘；PR：部分移除花萼；TR：完全移除花萼）发现，种子产量与花萼移除程度呈强烈的负相关关系。完全移除花萼导致种子产量急剧下降。然而，仅切除花萼边缘的处理，其种子产量在多数情况下与完整对照组无显著差异。这说明种子产量的减少并非实验操作本身造成的机械损伤所致，而是花萼结构功能丧失的直接后果。
此外，在花后期进行花萼移除处理，其种子产量普遍高于在开花期进行相同处理。这可能是因为在开花期移除花萼会使对温度敏感的传粉受精过程更早暴露于低温胁迫，而花后期子房已初步发育，对低温的敏感性可能相对较低。这也与一次早春寒潮后观察到的现象一致：即使是对照组，开花期完整花的种子产量也显著低于花后期完整花，印证了低温对开花期繁殖过程的直接伤害。
讨论
本研究发现，Brandisia hancei的花萼在开花前就已相当可观，部分包裹花冠，并持续生长至果期，最终包裹发育中的果实。在功能上，花萼能独立维持一个更温暖的花部微环境，移除花萼通常会降低花部温度。这种通过“微型温室效应”实现的热调节是一个被动的、太阳能驱动的过程：它将辐射能转化为热能，在无阳光时增温效应即停止。这主要通过三个关键过程实现：吸收太阳辐射、将热量传导至内部组织、以及减少对流热损失。
花萼移除在开花期导致温度升高的异常现象，很可能源于花冠直接暴露于阳光下导致的辐射吸收增强。而对于开花前阶段，花萼的移除消除了保温层，即使辐射暴露增加，仅凭花冠也无法有效保留热量，这凸显了花萼在保温中的关键作用。
早期移除花萼对种子产量的负面影响更持久，且在所有处理中，开花期处理的种子产量均低于花后期。这种阶段特异性效应可能源于移除触发了更早的低温暴露。低温会引发一系列异常，包括绒毡层细胞退化、花粉粒中淀粉颗粒积累以及花粉壁结构缺陷，这些都会损害花粉活力并最终影响结实。研究还发现，花萼对食草昆虫的物理防御效果有限，但它在鸟类传粉过程中可能起到稳定花朵的平台作用，为传粉提供了保护。
鉴于其物理防御能力有限、实验操作损伤被排除为主要减产原因、且光合贡献可忽略，宿存花萼必然承担着另一种功能。虽然它为花和果实提供了一些保护益处，但花萼更重要的作用可能是调节发育中繁殖器官周围的热微环境。种子产量与花萼移除程度之间的显著负相关强有力地支持了这一假说。虽然湿度也可能影响该微环境，但对于冬季寒冷条件下的花朵，温度调节显得更为关键——这正是本研究明确证实的关键热调节作用。已知较高的温度能加速种子成熟所必需的关键发育过程。在Brandisia hancei中，中空的花萼吸收太阳辐射，向内传导热量，并作为绝缘层减少对流损失，从而有效地积聚和保存热量。因此，我们提出，宿存花萼的一个主要功能是通过保温作用，对发育中的花和果实进行热调节。
结论
Brandisia hancei的宿存花萼从开花到结果持续生长，最初部分包裹花冠，后期则包裹发育中的果实。在关键的生殖阶段，它通过形成特殊的微观结构，将花部温度维持在显著高于环境温度的水平，从而实现了关键的热调节功能。实验性移除花萼在大多数发育阶段导致了花部温度的显著下降，证实了其在保温中的重要作用。此外，宿存花萼显著提高了种子产量，花萼移除程度与种子产量之间的强负相关关系即为明证。这些发现共同提供了将宿存花萼与花部热调节及生殖成功联系起来的实证证据，深化了我们对其在植物繁殖中功能重要性的理解。本研究为未来植物繁殖生物学的功能研究呼吁采用更精细的对照（如边缘切除处理）。这些见解可指导针对性的育种或管理策略，以改善那些具有宿存花萼或类似常被忽视结构的作物的生殖成功率。值得注意的是，其他具有宿存花萼的Brandisia属物种主要在夏季开花。这引发了一个有趣的问题：它们的花萼是否进化出了不同的热调节作用，例如缓解热胁迫？因此，有必要研究这些同属植物在夏季条件下宿存花萼的功能。未来的微气象学研究可以探索宿存花萼内部维持的花部湿度，因为适宜的湿度对于成功的果实和种子发育也至关重要。最后，完整的机制理解需要多尺度研究，将机制分析从器官水平扩展到细胞和分子水平。
