《Biology》：Early Shedding of Sepals Promotes Cross-Pollination of Actaea erythrocarpa (Ranunculaceae)
Jiudong Zhang,
Weijun Xu,
Deng Yang,
Xiaoxiao Liu,
Xiaohui Zhang,
Rui Guo,
Jing Xu,
Ziwei Li,
Jie Sui and
Tianpeng Gao
+ 1 author
编辑推荐：
本研究系统揭示了红果类叶升麻（Actaea erythrocarpa）通过花萼早期脱落，吸引潜蝇（Agromyzidaesp.）和食蚜蝇（Episyrphus balteatus）在其花药开裂前频繁访花，从而有效促进异交的繁殖适应机制。相比同属以萼片宿存实现自交的类叶升麻（A. asiatica），该研究阐明了萼片形态微变与繁育系统（如兼性异交Facultative xenogamy）分化的关联，为理解植物传粉生态与形态协同进化提供了新案例。
引言
被子植物（angiosperms）花卉性状的多样性是长期适应繁殖需求演化的结果。毛茛科（Ranunculaceae）植物在花部形态和传粉机制上表现出显著的多样性和复杂性，其异花授粉（cross-pollination）从泛化到特化均有体现。以往研究多集中在花瓣与昆虫的适应性上，例如耧斗菜属（Aquilegia）的花距与其传粉者口器的协同进化关系，以及乌头属（Aconitum）的两侧对称花对熊蜂传粉的特化适应等。相比之下，同科类叶升麻属（Actaea）的花部特征普遍更为保守。在中国，该属仅分布有广布的种类（A. asiatica）和分布狭窄的种类（A. erythrocarpa）。已有的研究表明，不同地区的类叶升麻属植物存在繁育系统（breeding system）的分化。为了厘清分布于中国的红果类叶升麻（A. erythrocarpa）的关键花部性状（特别是萼片特征和繁育系统）与主要自交的A. asiatica有何不同，本研究提出了“早期萼片脱落促进异花授粉”的假说，旨在系统研究其传粉生物学和繁育系统，阐明其异交模式和繁殖适应机制。
材料与方法
本研究以Actaea erythrocarpa和 A. asiatica为研究对象，实验分别在吉林长白山和陕西太白山两个地点进行。对Actaea erythrocarpa的研究内容包括：花部形态与开花动态、繁育系统评估（包括花粉-胚珠比Pollen–ovule ratio P/O测定、杂交指数Outcrossing index OCI评估、控制授粉实验等）以及访花昆虫观察。数据采用PRISM10.1.2软件进行分析。
结果
1. 形态特征与开花动态
Actaea erythrocarpa的主花序轴长31–82 mm，着生26–68朵密集排列的花。单花开放直径8.06–12.21 mm。每朵花有4枚萼片，顶端粉红色，其余花器官为白色。萼片长2.03–3.25 mm，宽0.98–2.34 mm。其开花期在6月中旬至7月初，持续20–25天。同一花序上的花自下而上顺序开放，单花寿命5–6天。在开花时，常有一枚萼片因花瓣或雄蕊伸长而首先脱落，其余萼片在花开放后一天内完全脱落。萼片脱落后一天内，雄蕊开始直立伸长，花药自内轮向外轮开裂，花粉散发持续3–4天。花粉散尽后，除柱头外的所有花器官衰老脱落。
该植物表现为雌雄异熟（dichogamy）中的雌蕊先熟（protogyny）。柱头在蕾期即具有可授性，开花后2–3天达到可授性高峰。花粉活力在花药开裂后最高，散布后48–56小时内降至50%以下，84–96小时后几乎完全丧失。与同属Actaea asiatica相比，两者萼片形态差异显著。A. asiatica的萼片形状均一，顶端渐尖，长宽比约为1:1，且先端内卷。而A. erythrocarpa的萼片形态有两种：一种长大于宽，两侧近平行并稍向内弯曲，包被内部花器官；另一种不对称，两侧向内折叠，两端渐尖。
2. 繁育系统评估
Actaea erythrocarpa的花直径为10.03 ± 1.44 mm，表现为雌蕊先熟且雌雄蕊空间分离。其杂交指数为4，表明其繁育系统为异交为主，部分自交亲和，依赖传粉者。其花粉-胚珠比（P/O）为1773.58 ± 689.75，进一步支持了其为兼性异交（facultatively xenogamous）的繁育系统。控制授粉实验显示，自花授粉（self-pollination）的结籽率为83.78%，同株异花授粉（geitonogamous pollination）的结籽率为88.54%。未检测到风媒传粉（wind pollination）或无融合生殖（apomixis），且自交与异交处理间的结籽率无显著差异。综上，结合杂交指数、花粉-胚珠比及野外观察到的丰富昆虫访花现象，确认Actaea erythrocarpa具有以异交为主的繁育系统。
3. 传粉者
Actaea erythrocarpa的访花昆虫包括潜蝇科（Agromyzidae）、麻蝇科（Sarcophagidae）、黑带食蚜蝇（Episyrphus balteatus，食蚜蝇科Syrphidae）、阎甲科（Histeridae）和蚊科（Culicidae）昆虫，未观察到夜间访花者。其中，双翅目潜蝇科昆虫是其主要传粉者。这些昆虫具舐吸式口器，以花粉为食。它们甚至在花药尚未开裂的早期开花阶段就开始访花。其典型觅食行为包括沿花序爬行取食花粉，常以柱头和花丝为支撑点在单花内或花朵间移动。它们通常在同一花序上回访2-3次后再转移到另一花序。访花频率很高，每日每花序55-85次，平均每花每日8.96次。另一个重要的传粉者是食蚜蝇E. balteatus，它也以花粉为食，在爬行取食时身体频繁接触柱头和花粉。其访花频率为每日每花序10-25次，平均每花每日2.16次。
进一步分析发现，这两类昆虫在花序上花药开裂开始前就表现出很高的访花频率，其访问未开裂花药的频率与访问已开裂花药的频率有显著差异。此外，移除花瓣并未显著影响昆虫访花频率，而移除雄蕊则使昆虫访问完全停止。扫描电镜显示，潜蝇在足、胸部和腹部携带花粉，负载量为5-10粒。E. balteatus在其前足、中足、后足、胸部和腹部携带花粉，不同身体部位负载5-20粒花粉。尽管其访花频率低于潜蝇，但每次访问携带的花粉粒更多。因此，这两种昆虫都是A. erythrocarpa的有效传粉者。
讨论
在毛茛科类叶升麻属内，A. pachypoda、A. spicata、A. asiatica和 A. erythrocarpa亲缘关系密切。在传粉方面，这些近缘种共享象鼻虫和小型蝇类作为其主要传粉者，尽管涉及的特定昆虫类群可能不同。混合交配系统在被子植物中也普遍存在，从异花授粉向自花授粉转变也很常见。当植物处于无法进行异交的自然环境中时，自交有利于确保胚珠受精。尽管以自交为主的A. asiatica和以异交为主的A. erythrocarpa在花色、退化雄蕊形态、柱头和花药形状上相似，但它们在萼片形态上存在细微差异。与A. erythrocarpa相比，A. asiatica具有单一、包被更紧密且不易脱落的萼片类型，而A. erythrocarpa的萼片则早期脱落。此外，A. asiatica的花丝在蕾期卷曲，直至开花后完全伸长仍保持弯曲，这可能与其宿存的包被萼片有关。虽然两个物种都自交亲和，但A. asiatica通过其宿存萼片的收缩实现自交，这与A. erythrocarpa及类叶升麻分支的其他物种机制不同。相比之下，A. erythrocarpa通过早期萼片脱落，即使在花药开裂前也能吸引传粉者频繁访问，从而有效避免了自交和同株异交。
值得注意的是，A. erythrocarpa的繁育系统存在地理变异：美国和本研究中长白山种群都表现出依赖传粉者、以异交为主的系统，而芬兰种群能够进行无融合生殖。A. asiatica表现出明确的兼性自交系统，且无无融合生殖，而A. spicata和 A. pachypoda则表现出兼性异交系统。因此，类叶升麻属表现出了复杂多样的繁育系统，涵盖异交、自交和无融合生殖。A. erythrocarpa在不同环境中异交和无融合生殖的表达可被视为一种适应性响应。
结论
综上所述，本研究证实Actaea erythrocarpa是一种以异交为主、依赖虫媒传粉的植物。柱头的可授性早于萼片的脱落。潜蝇科（Agromyzidaesp.）和黑带食蚜蝇（E. balteatus）是其主要传粉者。与同域分布的A. asiatica相比，仅萼片形态的差异导致了完全不同的繁育系统。类叶升麻属内近缘种在环境适应过程中演化出的多样化繁殖策略（包括异交、自交和无融合生殖），可能与动物介导的该属植物种子长距离传播有关。
