Sci Hortic| 南京林业大学田如男课题组在观赏植物张家界鼠尾草濒危机制方面取得新进展

乐活 2024-06-11 09:34 河南

近日，Scientia Horticulturae在线发表了南京林业大学风景园林学院田如男课题组题为Effects of ecological factors on the pollination biology and seed production of Salvia daiguii: A critically endangered ornamental species from China 的研究论文。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scienta.2024.113282

研究背景

鼠尾草属约1000种，是唇形科最大的属，遍布于世界各地，由于富含多种生物活性次生代谢物和不饱和脂肪酸等物质而被广泛用于医药和食品健康等领域。同时，许多种类株型优美，花色多样且具有芳香气味广泛应用在观赏园艺中。张家界鼠尾草是2019年被命名的鼠尾草属一新种，仅分布在张家界市天门山国家森林公园附近悬崖及溪流石头上。前期研究发现张家界鼠尾草具有较好的耐胁迫能力，也是潜在的园艺观赏植物，同时，它根部的咖啡酸、丹酚酸B和迷迭香酸含量较高，具有极高的药用价值。然而，由于张家界鼠尾草栖息地严重破碎化、分布范围狭窄、幼苗更新率低、土壤养分缺乏、居群内伴生物种生态位竞争以及旅游区人为干扰等原因，使其居群植株数量持续下降，面临着极高的灭绝风险，因此，迫切需要对张家界鼠尾草进行保护。此外，我们前期的调查发现在天门山国家森林公园(TNFP)分布的张家界鼠尾草居群悬崖上方有一个喷泉，无论晴天还是阴雨天均不间断喷水。张家溪森林生态保护区(ZEFR)位于地势开阔的石头上，阳光直射，居群温度较高湿度较低。我们推测居群的生物和非生物因素可能影响了张家界鼠尾草的传粉和种子产生。因此，我们试图从生物和非生物因素角度探讨影响张家界鼠尾草传粉和种子产生的因素，本研究将有助于探索悬崖栖息地物种受威胁的传粉生物学原因，为具有潜在观赏和药用价值的张家界鼠尾草的成功保护和可持续利用提供至关重要的信息。同时，也为保护鼠尾草属以及其他濒危物种提供科学见解和经验教训。

研究结果

本研究从2021-2022年在TNFP和ZEFR两个居群观察和研究了张家界鼠尾草的开花物候和花特征、花寿命、花蜜体积和浓度、花粉活力和柱头可授性、传粉者及其拜访频率、花粉剩余量和沉积量以及繁育系统特征等生物因素和栖息地喷泉、温度和湿度等非生物因素对其传粉生物学和种子产生的影响。

1. 生物因素对张家界鼠尾草传粉和种子产生的影响

我们连续两年观察和研究生物因素对张家界鼠尾草传粉和种子产生的影响，结果表明张家界鼠尾草的花是两侧对称的筒状花，花蜜位于花冠筒基部，雄蕊先熟，雌雄异位，具有传粉者异花授粉的花形态结构(图1)。传粉生物学研究结果表明两个居群都具有较高的传粉者拜访频率(表1)。然而，在TNFP居群，我们观察到花粉移除和沉积均是有效传粉者介导的(图2)，繁育系统结果也发现该居群的自然结实没有受到花粉和传粉者限制(图4)。而在ZEFR居群，我们观察到非有效传粉者隧蜂科物种在花蕾期即咬破花朵取食花粉(图3)，至花刚开放(雄性期)98%以上花粉被移除(图2和图3)，繁育系统也检测到该居群的结实受到严重的花粉限制(图4)。

图1张家界鼠尾草花形态结构

图2 张家界鼠尾草不同花期花粉剩余量及花粉移入量

图3 ZEFR居群非有效传粉者隧蜂科物种花蕾期咬破花朵(A)，取食花粉(B)，被咬破的花(C)及雄性期雄蕊上剩余的花粉(D)

图4 张家界鼠尾草两个居群不同处理的结实率。不同大写字母表示相同居群不同处理之间显著差异(p < 0.05)，不同小写字母表示不同居群同一处理之间显著差异(p < 0.05)

表1两个居群传粉者的访花频率

2. 非生物因素对访花频率和结实率的影响

我们连续两年在TNFP和ZEFR两个居群观察和研究了张家界鼠尾草栖息地喷泉有无、温度和湿度等非生物因素对其传粉生物学和种子产生的影响。结果发现不存在喷泉区域三种有效传粉昆虫(中华蜜蜂、三条熊蜂和青背长喙天蛾)均有访花，而存在喷泉区域的2021年未见三条熊蜂访花，2022年未见青背长喙天蛾的访花(表2)。没有喷泉区域最主要传粉者中华蜜蜂访花频率显著高于有喷泉区域(表2)。在适当的温度范围内，TNFP温度的升高显著促进了主要传粉者中华蜜蜂的访花频率(图5A)。相反，随着湿度的增加显著减少了中华蜜蜂的拜访频率(图5D)。在适当的温度范围内，TNFP温度的升高也显著促进了三条熊蜂的访花频率(图5B)，但湿度几乎没有影响三条熊蜂的拜访频率(图5E)。在ZEFR居群，温湿度对熊蜂拜访频率的影响与TNFP相反。随着温度的升高显著减少了三条熊蜂的拜访频率(图5C)。而湿度的增加，显著增加了熊蜂的拜访频率(图5F)。以TNFP没有喷泉区域人工异花授粉的结实率为对照，两个居群三种不同环境条件下的自然结实率结果也发现TNFP没有喷泉区域的自然结实率没有受到影响。而喷泉区域和ZEFR的自然结实率显著较低(图6)。

表2 喷泉有无对昆虫访花频率的影响

表中不同小写字母表示相同年份相同传粉者在存在和不存在喷泉区域单株连续访花数、单花拜访时间和每天每朵花访问次数之间的差异(p < 0.05)

图5 居群温度和湿度对传粉者访花频率的影响。图中灰色部分为95%置信区间

图6 非生物因素对自然结实率的影响。不同小写字母表示四个地点结实率的极显著差异(p < 0.05)

3. 保护意义及结论

张家界鼠尾草是2019年新发现的极度濒危物种，仅分布在张家界市天门山国家森林公园及其附近海拔300-1400m的悬崖或溪流的石头上，目前仅3个居群分布约500株。考虑到它的潜在园艺观赏价值和药用价值，我们分别从种群生态学(审稿中)，传粉生物学(本研究)，种子萌发和保护遗传学(未发表数据)等方面探讨影响张家界鼠尾草濒危机制，并提出了一些可行性措施。本研究对张家界鼠尾草的传粉生物学进行了详细的研究，探讨了影响其传粉和种子产生的生物和非生物因素，这对极度濒危物种和极小种群物种的有效保护和种群恢复至关重要。本研究的结果表明张家界鼠尾草主要依赖传粉者结实，因此，我们应加强传粉者的保护。由于ZEFR隧蜂科的一昆虫盗取花粉导致严重的花粉限制，我们可以进行人工异花授粉或人工增强种群间花粉流动，以缓解花粉限制压力。考虑到居群环境，如喷泉存在、温度和湿度等对传粉者和结实率的影响，应侧重于采取就地保护策略和重新引入植物增加种群来恢复其自然栖息地。此外，除了有限的分布外，该物种还面临栖息地破碎化、旅游的干扰和附近居民采伐等威胁，当地政府和森林公安要积极向周边居民和游客宣传保护张家界鼠尾草，提高当地居民和游客的保护意识和参与积极性，同时，加强法律制度建设和相关部门的监管。这些结果对张家界鼠尾草的保护管理、繁殖和开发利用具有重要意义。

南京林业大学风景园林学院田如男教授为该论文通讯作者，博士研究生肖汉文为该论文第一作者。上海辰山植物园工程师黄艳波和联合培养研究生刘清山也参与了该研究。我们感谢上海植物园魏宇昆博士、中科院昆明植物所任宗昕博士和德国美因茨大学Regine, Claßen-Bockhoff教授对本文实验设计和写作建议。本研究得到江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)和上海市绿化和市容局辰山专项基金(G222402)的资助。

团队或作者（第一或者[和]通讯作者）简介

通讯作者：田如男，女，南京林业大学风景园林学院教授，博士生导师。

研究方向：园林植物生态修复、园林植物种质资源、园林植物繁殖栽培、园林植物应用。

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Scientia Horticulturae属农林科学Top期刊，由Elsevier出版社出版，发表果树、蔬菜、观赏植物和食用菌生产等与园艺有关（栽培、育种、生物化学、组织培养、营养学、植物生理学、植物病理学等)的原创论文，综述和短讯等。CiteScore：8.6 ,期刊影响因子：4.342。2023年中科院期刊分区，中科院大类：农林科学2区，Top期刊；中科院小类：园艺2区。JCR分区：Q1 （6/115 Horticulture）。

编辑：王泽行

审核：郭大龙裴茂松

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