沙丘稀有植物准噶尔无叶豆繁育系统及其对结实的影响

特殊生态系统下稀有物种的保育日益受到关注。准噶尔无叶豆是仅生存在流动沙丘上的豆科稀有灌木，该种结实率低(<16%)，结籽率低(<20%)，种子萌发率低(<3%)、成苗率极低(<0.1%)，有性繁殖过程存在障碍。为了深入解析基于交配方式和(或)传粉过程的、使有性繁殖过程受阻的作用或效应，解答 "有性繁殖过程存在障碍"的繁育生物学机制，本研究拟在两个自然种群开展：①交配系统研究，回答繁育系统的核心问题-交配系统，并定量化探查不同种群近交衰退效应及其对种群结实的影响；②传粉生态学研究，探查传粉环节上有无生物学、生态学障碍； ③结实的花粉与传粉者限制研究，从传粉角度揭示自然种群结实率低的生物学机制。研究结果将直接服务于该物种的保育。此外，研究还将为深入理解极端环境下"花-传粉者"这一繁殖生态学热点命题的相互作用及适应机制提供理论数据及个例分析。

通过对沙丘稀有物种准噶尔无叶豆进行连续三年的野外观察及室内控制性实验分析，对该种自然种群结实率低、有性繁殖更新存在障碍从繁育生物学角度进行了解析。取得研究结果如下：①探明了花部综合性状对传粉机制及交配系统的影响。该种具有集中开花模式，在短期内集中开花为了更有效吸引昆虫是对荒漠环境的一种生态适应。花粉成熟与散布呈“花粉逐次呈现”模式，在时空尺度上减少了花粉一次散布所带来的风险。进一步对花柱超微结构进行研究，发现该种存在“柱头刷”结构，是保障异交的机制；同时，柱头具有“划”机制，表明该种花粉管的萌发必须依赖昆虫足部对柱头表面的划破作用，说明该种生殖成功严重依赖于传粉者；②确定了主要交配方式并量化自交、异交在不同地理种群的分配及贡献。通过去雄、套袋等控制性实验确定了该种的交配系统为混合交配系统。该种自交高度亲和，但主动自交很少发生，主要营同株异花自交方式，而异花异交很少发生，表现出一种“花粉限制“效应，主要是自然种群缺少异花花粉。此外，该种胚珠成功受精至果实完全成熟阶段存在自交衰退；③明晰了传粉过程及其对极端荒漠环境的适应机制。通过对不同地理种群的昆虫种类、访花行为、访花频率、花朵酬物以及繁殖成功率的比较，分析准噶尔无叶豆的传粉特性及其对荒漠生境的生态适应策略。准噶尔无叶豆通过分泌花蜜、补偿次日花蜜分泌减少的花色变化、较大的花展示以及缺少传粉者情况下的花期和柱头可授期延长来共同吸引不稳定传粉环境下出现的传粉者；④揭示了自然种群结实率低的生物学机制。通过观察植株内花序间和花序内结实格局以及果荚内结籽格局，揭示准噶尔无叶豆不同时空动态的资源分配情况及其对沙漠生境的生态适应性。通过人工补充授粉以及人工疏花、疏果，补充无机养分的控制试验，分析花粉和资源的有效性对雌性生殖成功的影响。准噶尔无叶豆存在“花多果少”的生殖格局，人工补充异株异花花粉，剔除部分花芽、果荚以及补充肥料，均有助于提高结实率，说明缺少异株异花花粉和沙丘环境土壤资源有限是影响其结实的主要因素。实验性验证了该种结实存在“花粉限制”及“资源限制”。.项目超额全部研究任务。发表文章10篇，其中SCI文章8篇，远高于预期发表文章5篇，其中SCI文章1篇的目标。申请专利2项，批准1项；软件登记1项。培养博士研究生2名，硕士研究生1名。研究为深入理解花—传粉者—环境这一热点命题的生态进化及适应机制提供理论数据及个例分析。