AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU II
str. 137 – 142
Srní 4. – 7. října 2004
Opylovací strategie a reprodukční úspěšnost hořce šumavského (Gentiana pannonica Scop.) Pollination strategy and reproductive success of Gentiana panonica Scop. Ester Hofhanzlová1 & Zdeňka Křenová1,2,* Jihočeská Univerzita v Českých Budějovicích, Biologická fakulta, Katedra botaniky, Na Zlaté stoce 1, CZ-37005 České Budějovice, Czech Republic 2 Správa NP a CHKO Šumava, Sušická 399, CZ-34192 Kašperské Hory, Czech Republic *
[email protected] 1
Abstract The effects of different pollination treatments (open-pollination, cross-pollination with stamen, cross-pollination with castrated stamen, handselfing, spontaneous selfing) and year-to-year variation on reproductive success of Gentiana pannonica Scop. were investigated in a two year field experiment, which was carried out a native population. A high sensitivity of this species to inbreeding depression was confirmed by low seed production and seed-set of hand-selfed flowers. The highest seed production was found in open-pollinated flowers in both years. The seed-set of open-pollinated flowers was not limited and the population did not suffer inbreeding depression despite the fact that the investigated population recovered from few individuals. Herkogamy (spatial isolation of stigma and stamens) together with a mild protoandry prevent selfing. The occurrence of pollinators (mainly bumblebees) seems to be essential for the successful pollination and development of viable seeds. Significant year-to-year variability was found only in the number of ovules per fruit but the same trends in seed-set were observed in both years. No significant differences in viability of seeds of different pollination treatments were recorded in an experiment that tested seed germination. Key words: endangered species, seed-set, pollination experiment, herkogamy, inbreeding, clonal plant
ÚVOD Hořec šumavský, Gentiana pannonica Scop., je druh šumavské květeny, který je pro mnohé erbovní rostlinou Šumavy. Počet a velikost populací tohoto chráněného druhu v minulosti značně kolísaly. Alpský migrant se dostal na Šumavu v období preboreálu (P ROCHÁZKA 1961), kdy odlesnění území umožňovalo migraci tohoto světlomilného druhu. V souvislosti s klimatickými změnami však již v období atlantiku téměř všechna vhodná stanoviště druhu v šumavské krajině vymizela a druh přežíval pouze v několika málo refugiích. Mezi ně zcela nepochybně patřily kary ledovcových jezer, kde extrémní geomorfologické podmínky neumožnily vytvoření zapojeného lesa ani v jeho klimatickém optimu. S příchodem člověka na Šumavu začala vznikat území sekundárního bezlesí, na která se světlomilný hořec šumavský pravděpodobně již od středověku spontánně šířil. Maximum rozšíření spadá do 18. a 19. století, kdy se druh vyskytoval téměř na všech lučních enklávách ve vyšších polohách Šumavy (PROCHÁZKA & ŠTECH 2002). Stejně jako kořeny Gentiana lutea v alpských oblastech, byly i kořeny G. pannonica využívány jako léčivka. Sběr byl velmi intenzívní a tak ve
137
30. letech 20. století byl hořec šumavský již velmi vzácný a někteří botanici volali po jeho přísné ochraně. K významnému obratu v rozšíření tohoto druhu došlu po vysídlení Šumavy po 2. sv. válce, kdy se druh začal ze zbytkových lokalit spontánně šířit. V 70. letech 20. století byl zaznamenán ústup druhu z některých lokalit a jako možná příčina jsou uváděny plošné emise (PROCHÁZKA & ŠTECH 2002). V posledních desetiletích je počet i velikost populací stabilizovaný. Vedle relativně početných populací v oblastech Šumavských plání, existují izolované populace v Královském Hvozdu a Trojmezenské hornatině. Na většině lokalit se druh rozmnožuje pouze vegetativně a vytváří rozsáhlé klony, které se věkem rozpadají. Generativní rozmnožování a úspěšné uchycování semenáčků umožňující omlazení demografické struktury bylo pozorováno pouze v několika málo populacích, mimo jiné v karech Černého a Plešného jezera (K ŘENOVÁ & HOFHANZLOVÁ, in prep.). Experiment, jehož výsledky jsou zde prezentovány, si kladl za cíl objasnit, které faktory mohou být limitujícími pro generativní rozmnožování druhu Gentiana pannonica.
METODIKA Terénní experiment byl proveden nedaleko obce Horská Kvilda (1048 m n.m., 49°03' N, 13°33' E), v jednom z center výskytu Gentiana pannonica v Národním parku Šumava. Stabilní populace hořce šumavského je tvořena asi 400 listovými růžicemi, které pravidelně vytvářejí okolo 300 květních lodyh. Manipulativní opylovací experiment byl zopakován ve dvou po sobě následujících letech 2000 a 2001. Důvodem pro opakování pokusu byla především snaha podchytit variabilitu mezi sezónami. V červnu 2000 bylo náhodně vybráno a označeno 120 květních lodyh. Na 90 lodyhách bylo s pomocí monofilových sáčků překryto vrcholové květenství. Zbývajících 30 lodyh bylo ponecháno bez zakrytí. Na každé označené lodyze byl proveden jeden z následujících typů opylení: • umělé samosprášení: jeden náhodně vybraný květ z překrytého vrcholového květenství byl samosprášen štětečkem; • přirozené samosprášení: jeden náhodně vybraný květ z překrytého vrcholového květenství byl ponechán k přirozenému sprášení; • umělé cizosprášení: jeden náhodně vybraný květ z překrytého vrcholového květenství byl s pomocí štětečku sprášen pylem studovaného druhu přineseného z lokality vzdálené 5 km; • přirozené cizosprášení (=kontrola): jeden náhodně vybraný květ z nepřekrytého vrcholového květenství byl označen a ponechán přirozenému opylení. V roce 2001 bylo na stejné lokalitě náhodně vybráno 150 květních lodyh, a kromě stejných způsobů opylení jako v předcházejícím roce, které bylo provedeno na 120 lodyhách, bylo na květech 30 vybraných lodyh provedeno odstranění tyčinek a na jejich blizny byl přenesen pyl z 5 km vzdálené lokality (umělé cizosprášení s odstraněním tyčinek). Na rozdíl od předcházejícího roku, kdy malé monofylové sáčky zakrývaly pouze vrcholová květenství, byly v roce 2001 překryty monofylovým obalem opevněným na drátěné konstrukci celé lodyhy. Monofylové obaly byly na květních lodyhách ponechány až do září, kdy byly zralé semeníky opatrně sebrány a přeneseny do laboratoře.V laboratoři byla životaschopná, dobře vyvinutá semena oddělena od nevyvinutých semen a abortovaných zárodků, semena spočítána a zvážena. Kromě počtu semen a biomasy semen v každém semeníku, byla reprodukční úspěšnost stanovena také jako poměr vyvinutých semen k celkovému počtu založených vajíček v semeníku (tzv. seed-set). Životaschopnost získaných semen byla testována ve dvou výsevových pokusech, kdy byla semena pocházející ze semeníků různě opylených květů vysévána na plošky uspořádané do
138
úplně znáhodněných bloků. První experiment byl zahájen hned po dozrání semen v roce 2001. Semena byla vyseta na pokusné lokalitě a počty vyklíčených semenáčků byly zaznamenávány od května do srpna 2002. Druhý experiment byl založen na podzim 2002. Byla opět použita semena z roku 2001, která byla po přechodnou dobu uložena v prostředí s teplotou 4 °C. Semena byla vyseta v zahradě a pravidelně zalévána. Počty semenáčků byly zaznamenávány od května do srpna 2003.
VÝSLEDKY Statisticky významné rozdíly v reprodukční úspěšnosti květů opylených různým způsobem byly zaznamenány v počtu životaschopných semen v semeníku a seed-set. Obdobné trendy byly pozorovány v obou sezónách. V přirozeně i ručně cizosprášených květech byl zaznamenán signifikantně vyšší seed-set než v ručně samosprášených i zakrytých květech ponechaných přirozenému samosprášení (p<0,001). Nejvyšší seed-set byl zaznamenán v přirozeně cizosprášených květech (Fig. 1). V samosprášených květech se vytvářel pouze velmi malý 100
80
seed set (%)
60
40
20
0
Open
Handselfing Crossing-a
Selfing
year 2000 year 2001
Obr. 1. Seed-set ze semeníků různě opylených květů Gentiana pannonica. Výsledky experimentu v letech 2000 a 2001. Dvoucestná ANOVA, faktor roku: p=0,2148, faktor typu opylení: p<0,001, interakce obou faktorů: p=0,0225. Typy opylení: Open = květy ponechané přirozenému opylení, Crossing-a = cizosprášení s ponechanými tyčinkami v květech, Handselfing = ruční samosprášení, Selfing = přirozené samosprášení. Úsečky (error bars) ukazují směrodatnou odchylku. Tukey-Kramer HSD test ukázal statisticky významné rozdíly mezi samosprášenými a cizosprášenými květy (p>0,05). Fig. 1. The seed-set of differently pollinated flowers of Gentiana pannonica in both seasons (2000, 2001). Two-Way ANOVA, year: p=0.2148, pollination type: p<0.001, interactions: p=0.0225. Back- transformed data to the original scale are used for graphical presentation. Treatments: Open = open-pollination, Crossing-a = cross-pollination with stamens, Handselfing = hand self-pollination, Selfing = spontaneous self-pollination. Error bars represent standard deviation values. Tukey-Kramer HSD test; selfing treatment significantly differed from the others (p>0.05).
139
počet dobře vyvinutých semen. Semeníky různě opylených květů se nelišily v počtech založených vajíček. Hmotnost semen v semenících byla úzce korelována s počtem semen, protože hmotnost dobře vyvinutého semene vysoce převyšuje hmotnost vajíčka nebo abortovaného semene. Nejmenší hmotnost biomasy semen byla zaznamenána v semenících přirozeně samosprášených květů. Při testování rozdílů mezi dvěma sezónami byl zaznamenán statisticky významný rozdíl v počtu založených vajíček v semenících (p<0,001). Přestože v roce 2001 bylo v semenících založeno signifikantně více vajíček než v roce 2000 (Fig. 2), v obou letech byly zaznamenány stejné trendy ve vlivu různých typů opylení na reprodukční úspěšnost zkoumaného druhu. Při prvním testování klíčivosti v roce 2001 byla zjištěna průměrná klíčivost 28,3 % a nebyly zaznamenány statisticky významné rozdíly v klíčivosti dobře vyvinutých semen pocházejících z různě opylených květů (p=0,21635). V následujícím roce byla průměrná klíčivost mnohem nižší (1,7 %) a navzdory pozorovaném lepšímu klíčení semen z cizosprášených květů (2,5 %) nebyly zaznamenány statisticky významné rozdíly.
320 300
Number of all ovules in ovary
280 260 240 220 200 180 160 140 Open
Crossing-a
Handselfing
Selfing
year 2000 year 2001
Obr. 2. Počet vajíček v semenících různým způsobem opylovaných květů Gentiana pannonica v letech 2000 a 2001. Dvoucestná ANOVA, faktor roku p<0,001, faktor typu opylení: p=0,6539, interakce obou faktorů: p=0,8906. Typy opylení: Open = květy ponechané přirozenému opylení, Crossing-a = cizosprášení s ponechanými tyčinkami v květech, Handselfing = ruční samosprášení, Selfing = přirozené samosprášení. Úsečky (error bars) ukazují směrodatnou odchylku. Tukey-Kramer HSD test ukázal statisticky významné rozdíly mezi samosprášenými a cizosprášenými květy (p>0,05). Fig. 2. The number of ovules in ovary of differently pollinated flowers of Gentiana pannonica in both seasons (2000, 2001). Two-Way ANOVA, year: p<0.001, pollination type: p=0.6539 interactions: p=0.8906. Treatments: Open = open-pollination, Crossing-a = cross-pollination with stamens, Handselfing = hand self-pollination, Selfing = spontaneous self-pollination. Error bars represent standard deviation values. Tukey-Kramer HSD test; selfing treatment significantly differed from the others (p>0.05).
140
DISKUZE A SHRNUTÍ Pozorování vývoje reprodukčních orgánů v květech druhu Gentiana pannonica potvrdilo význam herkogamie v procesu opylování tohoto druhu. Přestože květy G. pannonica jsou méně protonadrické než květy jiných zástupců čeledi Gentianaceae (např. G. pneumonanthe – PETANIDOU et al. 1995a; G. cruciata – PETANIDOU et al. 1995b; G. lutea – K ÉRY et al. 2000; G. newberryi – SPIRA & POLLAK 1986), také dichogamie snižuje pravděpodobnost samosprášení. Tak jak mnoho jiných druhů, i druh G. pannonica je druh cizosprašný, který je však při absenci opylovačů schopný samosprášení. V rámci provedeného experimentu nebyl zjištěn snížený seed-set u nezakrytých květů ponechaných přirozenému opylení, a proto se můžeme domnívat, že množství vytvářeného pylu v květech i početnost opylovačů na lokalitě je dostatečná. Jedná se pravděpodobně o vitální a početnou populaci, která je dostatečným atraktantem pro opylovače, a neprojevuje se zde absence opylovačů případně nedostatečná produkce pylu, která byla pozorována v malých a izolovaných populací řady druhů (SPIRA & POLLAK 1986, KWAK 1988, KWAK & JENNERSTEN 1991, FISCHER & MATTHIES 1997). Vyšší podíl abortovaných nebo špatně vyvinutých semen v semenících samosprášených květů je možné považovat za důkaz inbrední deprese, jejíž projev ve fázi vývoje semen byl zaznamenán u řady druhů rostlin (CHARLESWORTH & CHARLESWORTH 1987, BARRETT & KOHN 1991, ELLSTRAND & ELAM 1993). Protože nebyly zjištěny statisticky významné rozdíly v klíčivosti semen pocházejících z různě opylených květů, můžeme se domnívat že inbrední deprese se projevuje pouze v časných fázích reprodukčního cyklu studovaného druhu. Inbreeding se tedy projevuje především u dlouhověkých a klonálních druhů jako je G. pannonica nebo G. lutea (K ÉRY et al. 2000). U jiných druhů rodu Gentiana (G. cruciata – PETANIDOU et al. 1995b; G. pneumonathe – OOSTERMEIJER et al. 1995) nebyl zjištěn významně snížený seed-set v samosprášených květech. Opakování pokusu ve dvou po sobě následujících letech odhalilo významné rozdíly v počtu vajíček založených v semenících. Možných vysvětlení je samozřejmě několik, ale jako jedno z možných se nabízí výrazný rozdíl v klimatických podmínkách let 2000 a 2001. Domníváme se, že pro vývoj květenství i jednotlivých květů jsou mimo jiné významné srážkové podmínky v období červen – srpen. Extrémně suché léto roku 2000 se negativně projevilo jak na počtu květů tak na počtu vajíček založených v jednotlivých květech G. pannonica. Závěrem můžeme konstatovat, že provedený terénní experiment pomohl odhalit některé zákonitosti týkající se reprodukční strategie druhu G. pannonica. Mimo jiné bylo zjištěno, že populace střední velikosti (na Šumavě existují početnější populace, ale i místa s výskytem jen několika málo listových růžic a květních lodyh) není pod vlivem inbrední deprese a vytváří dostatečné množství dobře vyvinutých semen. Klíčivost těchto semen v přirozených podmínkách je však relativně nízká. Stanovištní podmínky na řadě lokalit silně limitují klíčení a uchycování semenáčků, stávající populace G. pannonica se rozmnožují především vegetativním růstem.
LITERATURA BARRETT S.C.H. & KOHN J.R., 1991: Genetics and evolutinary consequences of small population size in plants: implication for conservation. In: Genetics and Conservation of Rare Plants, FALK D.A. & HOLSINGER K.E. (eds) Oxford University Press, New York, pp. 3−30. CHARLESWORTH D. & CHARLESWORTH B., 1987: Inbreeding depression and its evolutionary consequences. Annual Review of Ecology and Systematic, 18: 237−268. ELLSTRAND N.C. & ELAM D.R., 1993: Population genetic consequences of small population size: Implications for Plant Conservation. Annual Review of Ecology and Systematic, 24: 217−242.
141
FISCHER M. & MATTHIES D., 1997: Mating structure, inbreeding depression and outbreeding depression in the rare plant Gentianella germanica (Gentianaceae). American Journal of Botany, 82: 1685−1692. K ÉRY M., MATTHIES D. & SPILLMANN H.H., 2000: Reduced fecundity and offspring performance in small populations of the declining grassland plants Primula veris and Gentiana lutea. Journal of Ecology, 88: 17−30. K ŘENOVÁ Z. & HOFHANZLOVÁ E., in prep.: Biological flora of Central Europe: Gentiana pannonica L. KWAK M.M., 1988: Pollination ecology and seed-set in the rare annual species Melampyrum arvense L. Acta Botanica Nederlandica, 37: 153−163. KWAK M.M. & JENNERSTEN O., 1991: Bumblebee visitation and seed-set in Melampyrum pratense and Viscaria vulgaris: heterospecific pollen and pollen limitation. Oecologia, 86: 99−104. P ETANIDOU T., DEN NIJS J.C.M., OOSTERMEIJER J.G.B. & ELLIS-ADAM A.C., 1995a: Pollination ecology and patch-dependent reproductive success of rare perennial Gentiana pneumonanthe L. New Phytologist, 129: 155−163. P ETANIDOU T., DEN NIJS J.C.M. & OSTERMEIJER J.G.B., 1995b: Pollination ecology and constraints on seed-set of the rare perennial Gentiana cruciata L. in The Netherlands. Acta Botanica Nederlandica, 44: 55−74. P ROCHÁZKA F., 1961: Gentiana pannonica SCOP. v ČSSR [Gentiana pannonica SCOP. in the Czechoslovakia]. Preslia 33: 268 − 276. PROCHÁZKA F. & ŠTECH M. (eds), 2002: Komentovaný černý a červený seznam cévnatých rostlin české Šumavy [Annotated Black and Red List of vascular plants of the Czech Bohemian Forest (Šumava Mts.)]. Správa NP a CHKO Šumava & Eko-Agency KOPR, Vimperk, 140 pp. SPIRA T.P. & POLLAK O.D., 1986: Comparative reproductive biology of alpine biennial and perenial gentians (Gentiana: Gentianaceae) in California. American Journal of Botany, 73: 39−47.
posl
142
