盗蜜对高山植物麻花艽自交率和近交衰退的影响

Outcrossing alpine plants usually improve their attractiveness to pollinators by increasing floral display size, which, however, could lead to geitonogamy and inbreeding depression. It is reported that nectar robbing could reduce geitonogamy and increase pollen dispersal distance by changing the foraging behavior of pollinators. However, whether this could reduce selfing rate of plants is still lacking molecular evidence. In addition, inbreeding depression of progeny of robbed flowers could be reduced due to selective seed abortion induced by nectar robbing, which has not been proved in outcrossing plants yet. Gentiana straminea Maxim., a self-compatible alpine perennial with big floral display size and experiencing high ratio of nectar robbing could be a good material to examine the effects of nectar robbing on geitonogamy and inbreeding depression. In this proposal, simple sequence repeat (SSR) markers will be used to examine the effects of nectar robbing on the selfing rate of G. straminea. Moreover, the inbreeding depression of progeny from robbed and netted flowers will be compared via common garden experiments. In addition, the differences of nectar robbing frequency between populations of different elevations and their effects on the nectar traits and selfing rates will also be explored. Our results of this proposal will provide a typical model of comprehensive studies on the relationships between nectar robbing, selfing rate and inbreeding depression of plants, and enhance our understanding on the cost and corresponding compensatory mechanism of outcrossing in alpine plants.

异花传粉的高山植物往往通过增大花展示提高对传粉者的吸引力，但这同时可能导致同株异花受精，进而引起近交衰退。研究发现盗蜜可能通过影响合法传粉者的访花行为从而减少同株异花受精并增加花粉的散布距离，但这最终能否降低植物的自交率仍缺少分子证据。另外，盗蜜可能通过消耗资源引起选择性种子败育从而降低植物的近交衰退程度，但这尚未在异交植物中得到验证。高山植物麻花艽种子的产生必须依赖传粉昆虫，其花开放式样较大且自交亲和，同时被盗蜜的比例很高。本项目拟以麻花艽为研究材料，利用简单重复序列（SSR）标记检测盗蜜对其自交率的影响；通过同质园实验比较在盗蜜和套袋条件下获得的后代在生活史各个阶段的近交衰退；并比较分析不同海拔种群盗蜜频率的差异，及其对花蜜特征和自交率的影响。本项目的研究结果将为盗蜜与植物自交率和近交衰退的综合研究提供一个典型的范例，对于理解高山植物选择异花传粉的代价及相应的补偿机制有重要的启发意义。

盗蜜行为广泛存在于高山植物中，而且花展示越大，盗蜜频率往往越高。盗蜜可能通过影响合法传粉者的访花行为从而减少同株异花受精并增加花粉散布距离，但这最终能否降低植物的自交率仍缺少分子证据。另外，盗蜜可能通过消耗资源引起选择性种子败育，从而降低植物的近交衰退程度，但这有待于在更多处于资源限制环境里的高山植物中得到验证。除此之外，盗蜜频率在同一植物不同种群间可能存在显著差异，进而由于盗蜜者的选择压力导致种群间花蜜分泌量不同，并造成自交率的差异。本项目以龙胆科高山植物麻花艽（Gentiana straminea）为研究材料，研究了盗蜜对自交率、近交衰退和花蜜特征进化的影响，取得了以下主要研究成果：（1）苏氏熊蜂（Bombus sushikini）是海北麻花艽种群的唯一合法传粉昆虫，而克什米尔熊蜂（Bombus kashmirensis）则是盗蜜昆虫。盗蜜行为有效提高了麻花艽的异交率，这主要是由于盗蜜通过影响苏氏熊蜂的访花行为，减少其在同一植株上的访花数目，缩短在被盗蜜过的花中的访问时间，以及增加在植株间的飞行距离，减弱了麻花艽中同株异花受精的程度，促进了植株间的花粉流和基因流；（2）盗蜜引起麻花艽不断分泌新的花蜜进行补偿，消耗了本来用于受精胚珠发育的资源，从而引起了选择性种子败育，最终降低了存活后代在生活史后期的近交衰退程度；（3）民和、玉树种群的植株密度显著小于海北种群，目前仅在海北种群中发现了盗蜜现象，且盗蜜比例非常高。在三个不同海拔自然种群以及同质园实验中，民和、玉树麻花艽的花蜜分泌量均显著小于海北种群，表明盗蜜作为一种选择压力作用于麻花艽花蜜特征的进化。另外，海北种群的自交率显著低于民和、玉树种群，这与环境因子以及传粉者的活动等因素有关。本项目的完成为高山植物在严酷环境中进化的选择压力和适应机制提供了新的证据，并为麻花艽这种野生资源濒危药材的保护提供策略，具有潜在的应用价值。