Университет по образование в Хокайдо, град Асахикава, Япония

Кореспонденция

Акио Имамура, Университет по образование в Хокайдо, кампус Асахикава, Хокумон-чо 9, Асахикава, Хокайдо 070-8621, Япония.

Университет по образование в Хокайдо, град Асахикава, Япония

Университет по образование в Хокайдо, град Асахикава, Япония

Кореспонденция

Акио Имамура, Университет по образование в Хокайдо, кампус Асахикава, Хокумон-чо 9, Асахикава, Хокайдо 070-8621, Япония.

Университет по образование в Хокайдо, град Асахикава, Япония

Резюме

1. ВЪВЕДЕНИЕ

При растенията няколко характеристики могат да повлияят на репродуктивната годност след цъфтежа, включително привличане на опрашители (Ida & Kudo, 2003; Kudo, 1995; Moyroud & Glover, 2016; Overland, 1960), растителнозащитна защита (McCall & Irwin, 2006; Wu & Yahara, 2017), предотвратяване на загуба на цветен прашец (Bynum & Smith, 2001; von Hase, Cowling, & Ellis, 2006; Prokop, Jersáková, Fančovičová и Pipíška, 2019), защита срещу патогени (van Doorn & van Meeteren, 2003), и термична регулация на плодника (Abdusalam & Tan, 2014; Liu, Zhang, Ji, Zhang, & Wang, 2017; van der Kooi, Kevan, & Koski, 2019). Освен това, както е посочено от van der Kooi et al. (2019), въпросът дали затварянето на цветя е адаптивна черта, която подобрява репродуктивния успех, остава да бъде проучен допълнително.

Значението на движенията на растенията първоначално е изследвано от Дарвин (1880), който провежда подробни проучвания на отварянето и затварянето на листата и предполага, че тяхната крайна функция е нощната топлинна поддръжка, улеснена от намаляването на площта на листата, когато листата са затворени. Както посочи Дарвин, дневните движения също могат да бъдат свързани с термичната регулация на растенията. По-рано е проучена екологичната роля на временното затваряне на цветя по отношение на термичната регулация и жизнеността на полените. Прокоп и др. (2019) например показа, че затварянето на цветя повишава жизнеността на полените и възприемчивостта на стигмата през Крокус видове чрез термична регулация и Liu et al. (2017) съобщават, че затварянето на венчелистчетата е от полза по отношение на репродуктивния успех през Магнолия видове.

В това проучване ние се съсредоточихме върху по-нататъшен потенциален терморегулаторен механизъм, свързан с възпроизводството на цветя, т.е. ролята, която играе затвореният и изсъхващ венец, след като цветята са затворени окончателно. При някои видове, когато цветята се затворят за постоянно, венчелистчетата им започват да изсъхват няколко дни след цъфтежа. Във връзка с това Van Doorn (2001) категоризира прекратяването на цветния живот на две фази - стареене (изсъхване) и абцизия, които обикновено показват последователни модели в семействата. Въпреки че затварянето на цветя и остаряването/отпадането на венчелистчетата след опрашването, които съкращават живота на цветята, са добре проучени (van Doorn & Kamdee, 2014), изследването се фокусира предимно върху близки фактори, като физиологичните аспекти. Наскоро обаче Kyogoku, Kataoka и Kondoh (2019) съобщават, че цветята на диплоид Taraxacum видовете бързо затварят главите си в отговор на кацането на прашец, а също така обсъждат екологичните аспекти на това затваряне.

По време на процеса на постоянно затваряне на цветя, някои видове запазват увяхващите си венци по-дълго от други. Екологичната функция на изсъхналите листенца или венчето обаче остава и причината, поради която те остават прикрепени към тръбата на чашката след опрашването и през периода на плододаване, все още не е разгледана подробно. Тъй като цветята носят важни репродуктивни органи, като плодници и тичинки, се предполага, че са развили определени адаптивни черти (Abdusalam & Tan, 2014), като защита от въздушни патогени и плодоядни животни (van Doorn & van Meeteren, 2003; Wu & Yahara, 2017). Следователно, в това проучване ние се опитахме да проучим дали остатъците от увяхването на венците, които се задържат върху чашката, имат някакво екологично значение.

Предположихме, че останките на увяхващите венци имат универсална функция за поддържане на постоянни температури на плодника и яйцеклетките, което допринася за намаляване на нивото на влошаване на семената. Изпробвахме тази хипотеза чрез извършване на експерименти върху Oxalis stricta L. (Oxalidaceae) за изследване на ефектите върху производството на семена от премахването на гамопетални венци от цветя.

2. МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

2.1 Растителни материали

Използвахме O. stricta, многогодишна билка, която расте на кръгове в тревни площи, като нашето експериментално растение. Той е широко разпространен от умерените до субарктичните зони в Източна Азия и източната част на Северна Америка и е натурализиран в Европа и Африка, цъфтящ през юни – октомври (Ohashi, Kadota, Murata, Yonekura и Kihara, 2016b). O. stricta има шизопетален венец с диаметър приблизително 5 mm, който извършва отварящи и затварящи движения. Цветовете са хермафродитни и имат хетероморфни тичинки, т.е. пет къси и пет дълги тичинки. Дългите тичинки, които по дължина са равни на плодника, започват да се опрашват скоро след цъфтежа на растението. Растението произвежда един до три цветя за репродуктивен цикъл. Тези цикли се повтарят последователно за всеки индивид, като последователни цветя цъфтят приблизително. 3–7 дни след цъфтежа на предходните цветя. Въпреки това, броят на циклите на човек на година остава неизвестен. Венчето се затваря през нощта, при ниски температури и при дъждовно време. Тези движения продължават около 1–7 дни, а венчето пада 3–16 дни след цъфтежа. Увяхващото венче остава прикрепено по време на узряването на семената (Фигура 1а).

увяхващите

Избрахме осем лепенки от два сайта в град Асахикава, Хокайдо, Япония; седем петна в Университета за образование в Хокайдо (43.787 ° с.ш., 142.346 ° изток) и един в градината на северните диви растения на град Асахикава (43.790 ° с.ш., 142.298 ° изток). Събрахме осем O. stricta растения от всеки пластир между 29 юли 2018 г. и 14 септември 2018 г. и общо 64 растения. Те бяха засадени в саксии и подложени на климатизация, състояща се от 4 часа накисване във вода в инкубатор (MIR-252; Sanyo Electric Co., Ltd.) при 25 ° C с флуоресцентна светлина (FL15N; Panasonic Co., Ltd .). Всички цъфтящи пъпки, с изключение на една, са откъснати от всяко растение преди цъфтежа, защото ако растението има както повредени цветя (като тези с отстранени венци), така и непокътнати цветя, повредените цветя естествено се абортират при някои растителни видове (Stephenson, 1981).

2.2 Лабораторни експерименти

Въпреки растенията, благоприятстващи самоопрашването с гореспоменатите по-дълги тичинки, ние изкуствено самоопрашихме растенията с малка четка веднага след цъфтежа на цветята, тъй като прашецът на този вид узрява непосредствено след цъфтежа, за да стандартизираме условията на опрашване. Растението се самоопрашва скоро след цъфтежа, което се счита за подобрено от затварящата венца. По този начин венчето е премахнато с помощта на пинсети (Фигура 1b) през първия ден на цъфтежа, точно преди цветето да се затвори за първи път. Третираните (отстранени венци) и необработени или контролни (с непокътнати венци) растения от същия пластир са култивирани заедно при същите условия ден/нощ. Шестдесет и четири растения бяха тествани при две състояния на отстраняване и четири температурни нива и експериментът беше извършен с осем повторения. Експериментът продължи от началото на цъфтежа до края на фазата на зреене на семената, т.е. 15–28 дни. Цветните пъпки, които се появиха само за 3 дни и не бяха резултат от изкуствено самоопрашване, бяха взети незабавно, за да се избегне разпределението на растенията към тях.

По време на експеримента температурата на околната среда в тъмния период беше зададена на четири различни нива, т.е. 23, 18, 13 и 8 ° C, с помощта на гореспоменатия инкубатор. По време на светлия период температурата беше настроена на 25 ° C за всички растения и растенията бяха държани под фотопериод от 12 часа светлина и 12 часа тъмнина, започвайки съответно в 19.00 и 07.00 часа, за да се елиминират ефектите от циркаден ритъм.

Измерихме температурата на всеки плодник с помощта на инфрачервен термометър (IR ‐ 308; Custom Co., Ltd.) след всеки 4 часа в продължение на 24 последователни часа (в 00.00, 04.00, 08.00, 12.00, 16.00 и 20.00, от които 08.00, 12.00 и 16.00 есен в тъмния период). Измерват се температурите на плодниците и измерванията се повтарят два пъти в средата на всеки период на цъфтеж. Затворените венци бяха временно отворени с пинсета и техните температури бяха измерени с помощта на термометър.

Записахме настройка на семената във всички растения и изчислихме общия брой семена и теглото на цвете, използвайки везна на Mettler (METTLER AE260; Mettler Toledo Co., Ltd.). Теглото на единичното семе се изчислява чрез разделяне на общото тегло на семето на броя на семената за всяко растение. Като максимален брой цветя за един цикъл на цъфтеж на отделно от O. stricta е три (Ohashi et al., 2016b), прогнозният общ брой семена и тегло през един цъфтящ сезон (юни – октомври) са изчислени като 3 × общ брой семена на растение × брой репродуктивни цикли годишно и 3 × тегло на семената на растение × брой репродуктивни цикли годишно, съответно.

2.3 Статистически анализи

Използвахме R 3.5.2 за Mac OSX (R Core Team, 2018) за всички статистически анализи. Разликите в температурите на околната среда и пестила бяха тествани с помощта на Welch т тест. Разликите в наборите от плодове между двете състояния за отстраняване на венците бяха тествани с помощта на функцията prop.test в R, която тестваше нулевата хипотеза, че пропорциите (вероятностите за успех) в няколко групи са еднакви въз основа на хидравличния тест на Пиърсън и праговата температура за 50% плод е изчислена с помощта на логистична регресия с биномно разпределение.

Различията в степента на плододаване, броя и теглото на семената бяха анализирани с помощта на обобщен линеен модел (GLM) и тест за съотношение на вероятността с мястото за изследване (две места), нощната температура (четири нива) и третирането на отстраняването на венците (премахнато и непокътнато) като обяснителните променливи. Скоростта на плододаване, броят на семената и теглото на семената са моделирани, като се използват съответно биномно разпределение, разпределение на Поасон и разпределение на Гаус. След това, разликите в броя и теглото на семената между обработките за движение на венци бяха тествани с двойни Welch's т тестове.

Данните за почасова температура от 1 юни до 31 октомври (153 дни), което е сезонът на цъфтеж на O. stricta, са събрани за всички години от 1990 до 2018 г. от Японската метеорологична агенция Асахикава (http://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/index.php?prec_no=12&block_no=47407&year=2018&month=06&day = 01 & view =) с помощта на пакета R XML. Записахме ефективната температура (> 5 ° C) през този период и изчислихме натрупаните градусови часове (ADH; промяна на общо използваните натрупани градусови дни), която беше обозначена като Td.

За да изчислим броя на репродуктивните цикли, ние регистрирахме ефективното търсене на околната температура на всяко растение на всеки час между фазата на цъфтеж и зрялост на семената и след това събрахме тези данни за всички растения. Тази температура беше обозначена като Te (ADH за растения с отстранен венец) и Té (ADH за растения с непокътнат венче). По време на нашето проучване беше забелязано, че следващите цветя цъфтят приблизително 3 или повече дни след цъфтежа на предходните цветя. Следователно ние предположихме, че продължителността на нашия експериментален период е еквивалентна на приблизително половината от обичайния цикъл на цъфтеж и плододаване и изчислихме броя на репродуктивните цикли, като Td (ADH годишно) се раздели на Te/2 или Te '/ 2. Разликите между Te и Te' и в броя на репродуктивните цикли между леченията бяха тествани с двойни Welch's т тест.

3 РЕЗУЛТАТА

Плододаването се наблюдава при 24 от 64 O. stricta растения (девет отстранени венци и 15 контролни растения). Средните периоди за достигане на зрялост на семената са били 22,33 дни (SD = 2,64) и 20,26 дни (SD = 4,90), съответно в отстранени венци и контролни инсталации. Средните периоди на отпадане на венците са били 12,5 дни след цъфтежа (SD = 1,55) и 7,8 дни преди зрелостта на семената (SD = 4.29) в контролните растения. Едно от отстранените от корола растения и неговата контролна двойка бяха изключени от анализите, тъй като отстраненото от корола растение в края на своето плододаване беше повредено от сериозно земетресение (т.е. земетресение в Източен Ибури в Хокайдо през 2018 г.).

Температурите на плодниците през тъмния период са били значително по-ниски при отстранените от венците растения от тези в контролните растения (т тест, стр

Броят на семената, общото тегло на семената и теглото на единични зърна са били значително и отрицателно повлияни от обработката за отстраняване (стр ТАБЛИЦА 1. Резултати от експеримента за премахване на венчелистче за Oxalis stricta. Броят на семената и теглото на семената (g) бяха измерени и теглото на зърно беше изчислено. Броят на размножаването, общият брой на семената и общото тегло на семената бяха изчислени с помощта на метеорологични данни.

Средно за контрол SD Средно за отстранени венчелистчета SD
Брой семена на индивида 21.2 9.54 8.444 3.358 *** *** стр
Тегло на семената на индивида 0,00408 0,00182 0,00132 0,000578 *** *** стр
Изчислено тегло на семената на зърно 0,000197 0,00005 0,000158 0,0000333 * * стр
Очакван брой размножавания годишно 10.98 0,694 9.727 0,615 *** *** стр
Приблизителен брой семена за година на индивида 698.319 44.178 246.412 15.589 *** *** стр
Приблизително тегло на семената годишно за индивида 0,1346 0,00852 0,0385 0,00244 *** *** стр

Очакваното общо количество и тегло на семената през един сезон на цъфтеж в контролните растения са значително по-високи от тези в растенията, отстранени от венци, както е определено от двойката на Welch т тест (стр

4. ДИСКУСИЯ

Както се предположи, установихме, че температурите на плодниците в растенията, отстранени от венчета, са значително по-ниски от тези в контролните растения, което показва, че остатъците от изсъхване на венчета са ефективни за поддържане на температурата на плодника. Това предполага, че функцията на задържания венче е да предотврати излагането на пестила на студен атмосферен въздух. Този ефект е по-забележителен при по-ниски температури на околната среда, когато експозицията може да намали температурата на плодника. Следователно това предполага, че остатъците от венчета са полезни и повишават репродуктивната годност. По отношение на разходите за задържане на изсъхналата корола, цената за задържане на умираща или мъртва тъкан се счита за по-ниска от тази, необходима за поддържането на жива тъкан като венчелистчета (Ashman & Schoen, 1997; Franchi, Nepi и Pacini, 2014; Той, Дуан, Лиу и Смит, 2005).

Тъй като всички останали органи са непокътнати в цветята, отстранени от венчетата и на растенията не са останали допълнителни цветя, получаващи репродуктивни ресурси, селективният аборт не е активиран в растенията, премахнати от венците (Stephenson, 1981). По този начин степента на плододаване не се различава съществено между растенията, отстранени от венците и контролните растения. Въпреки това, праговата температура за 50% плод в отстранените от венците растения е по-висока от тази в контролните растения.

Теглото на семената на зърно и броят на семената на растение при отстранени от венчета растения са по-ниски от тези в контролата. Това показва възможната роля на оставящите венеца останки в производството на повече и по-обемисти семена чрез поддържане на температурата на плодника, което е най-значимата функция на оставящите венеца останки върху цветята. Нашите резултати са в съответствие с предходни изследвания като Wada (1998), Zhang, Ai, Yu, Wang и Li (2010) и Liu et al. (2017), който съобщава, че термичното задържане чрез хелиотропизъм или затваряне на венчелистчета засилва производството на семена.

Компромисите между броя на семената и теглото на зърното предполагат или по-леки семена, или по-малко тежки семена. За разлика от това, нашите резултати показват по-голям брой по-тежки семена в контролните растения. Тъй като наборът от плодове не се различава между експерименталните и контролните растения, резултатите вероятно са причинени от разликите в растежа на поленовите тръби или в узряването след оплождането.

Очаквахме зреенето на семената в отстранените от корола растения да отнеме повече време от това в контролата, тъй като регистрираният Te беше значително по-висок от Te '. По този начин потенциалният брой на репродуктивните цикли годишно в отстранени от корола растения се оценява на по-нисък от този в контролата. Следователно общият брой на семената годишно в отстранени от венци растения също е по-нисък от този в контролните растения.

ПРИЗНАНИЕ

Благодарим на д-р K Horie, управител на Северната градина на дивите растения в град Асахикава, който ни помогна да съберем О. стрикта физически лица.

КОНФЛИКТ НА ИНТЕРЕСИ

Авторите са декларирали, че не съществува конкурентен интерес.