两侧对称花退化雄蕊在传粉中的功能

Staminode is a floral structure that exists in many taxa through out the angiosperms. It usually shares the same origin with fertile stamens, while differs in the capability of producing viable pollen. Staminodes are strongly associated with the evolution of zygomorphic flowers.Exploring the functions of staminodes in the pollination of zygomorphic flowers will shed light on the origin of staminodes in angiosperms as well as the evolutionary trends of stamens.Various hypotheses had been proposed by researchers with the effort to explain the functions of staminodes. However, systematic and intensive studies are scant due to the experimental limitations. The lack of unequivocal experimental verification for staminodes' functions is the most prominent defect in previous studies. In this project,representative species with different form of staminodes and zygomorpic flowers are selected from Bauhinia and Cassia (Leguminosae).The functions of staminods in these species will be examined using multiple experimental approaches, including controlled pollination, anatomy, microscopic investigation and flower scent analysis. The results of the study will provide important reference for elucidating the functions and adaptive significance of staminodes in zygomorphic flowers, and also could help in exploring the co-evolution of angiosperms and their pollinators, as well as the formation of floral structure diversity.

退化雄蕊是被子植物花内普遍存在的结构，通常与可育雄蕊具有相同的起源，但不能形成可育花粉。退化雄蕊与两侧对称花型的产生密切相关。研究两侧对称花退化雄蕊在传粉中的功能，对于探索退化雄蕊的起源、阐明被子植物雄蕊演化规律具有重要意义。关于退化雄蕊的功能学者曾提出多种假说，但由于实验方法与材料的限制，长期以来缺乏系统深入的研究；特别是关于其功能的验证，是目前研究中的薄弱环节。本项目拟选取豆科羊蹄甲属（Bauhinia）和决明属（Cassia）雄蕊退化程度各异的代表种为实验材料，综合运用多种实验手段，对其退化雄蕊在传粉中的功能进行检验，验证关于退化雄蕊功能的假说，以明确其在植物有性繁殖中的作用。同时比较退化雄蕊与可育雄蕊的结构和发育过程，为解释其功能提供依据。本研究的结果可以为阐明两侧对称花中退化雄蕊的功能及其适应意义提供重要依据，并有助于揭示被子植物与传粉者的协同进化机理和花部结构多样性的成因。

退化雄蕊是被子植物花内普遍存在的结构。研究两侧对称花中退化雄蕊的功能，对于探索退化雄蕊的起源、阐明被子植物雄蕊演化规律等具有重要意义。本项目针对以往研究中的薄弱环节，选取豆科羊蹄甲属和决明属代表种为实验材料，综合运用多种实验手段，验证其在植物有性繁殖与系统演化中的作用。借助解剖学和微形态学技术，比较退化雄蕊与可育雄蕊的结构和发育过程，为解释其功能提供依据。同时结合转录组高通量测序，对典型种腊肠树的退化雄蕊及可育雄蕊的基因表达情况进行对比分析。研究结果表明，同属的研究材料之间，退化雄蕊的数量和分化样式差别显著。三种羊蹄甲属植物的退化雄蕊对于传粉者的吸引作用不明显；铁刀木和豆茶决明中的结果类似。而腊肠树三组雄蕊分化明显。去除退化雄蕊或传粉型雄蕊，木蜂的访花频率不受影响；去除给食型雄蕊后，木蜂的访花频率显著降低。宫粉羊蹄甲、羊蹄甲和首冠藤的退化雄蕊均未发现可育花粉或败育花粉存在。而铁刀木、豆茶决明与腊肠树退化雄蕊的花药存在花粉，但在花粉数量、花粉微形态等方面与可育雄蕊之间存在差异。其中腊肠树的分化最为显著，其花粉具有二型性，且只与雄蕊所在的器官轮有关，与雄蕊类型、花粉活力和大小等均无关。这是二型花粉与雄蕊位置相关性的首次发现。通过对花器官发生与发育过程的研究表明，退化雄蕊和可育雄蕊的器官发育及小孢子发育存在显著差异。转录组分析显示，腊肠树可育雄蕊内部、退化雄蕊之间、可育雄蕊与退化雄蕊之间均存在转录水平的差异。其中可育雄蕊与退化雄蕊之间差异表达基因的数量显著多于可育雄蕊之间（长雄蕊 vs. 短雄蕊），而两轮退化雄蕊之间的差异表达基因数量最少。这一趋势与雄蕊间的形态及生理差异相符。本研究的结果不仅为阐明两侧对称花中退化雄蕊的功能及其适应意义提供了重要依据，更有利于揭示被子植物与传粉者的协同进化机理和花部结构多样性的成因；同时为后续分子层面的研究提供了详实的转录组学数据资源。在本项目支持下目前已发表研究论文4篇（SCI期刊论文3篇，均已标注），培养硕士研究生2名。