雌雄同体的性别差异繁殖成功与花性状选择鼠尾草pratensis

背景

雌雄同体，即一个群体中有雌雄同体和雌性个体的生殖系统，提出了如何保持这两种性形态的问题。鼠尾草pratensis是一种雌雄异株的物种，其特征是修饰的雄蕊在授粉中起杠杆作用。鉴于该物种花的两性特征，可以预测的是，两种两性形态在与传粉者的相互作用中是不同的，因此在它们的适合度上也是不同的。在本研究中，我们研究了一个种群的性别特异性繁殖成功和花的适应S. Pratensis.．

结果

我们在S. Pratensis.他们的花卉比例明显不同。当探测时，触摸柱塞而言，女性花比雌雄同体更好地拟合肺素，因此在花粉沉积中更有效。花卉特征整体接受了较强的人口选择，耻辱位置和花冠长度受到不同体积朝向蜂窝的破坏性选择;关于花卉特征的一些选择在强度下显着不同，即使在两个变形的方向上也相反。花卉生产趋于与花卉结构性状相关的相关选择，暗示一个有许多花的大型植物在健身上没有显示出优势，除非其花施工良好地匹配了花粉师。

结论

总之，传染案介导的选择在妇女中的性二甲性的进化和维持中发挥了重要作用S. Pratensis.；与粉碎机的性行为机械相互作用作为一种关键机制，其中雌性个体在花粉沉积效率（即接受花粉）中具有女性优势。

雌雄同体是一种双形性系统，雌雄同体个体在群体中共存[1]. 这是罕见的，但广泛分布于被子植物[2］．它出现在至少81个被子植物科中，但在被子植物种类中远远不到1% [2那3.那4.］．雌雄同体可以通过种子和花粉传播基因，而雌性只能通过种子[1］．由于雌蕊雌雄异株的这种适应性劣势，研究雌蕊雌雄异株的进化，特别是雌蕊雌雄异株群体中维持雌蕊的机制一直是进化生物学研究的热点。理论上，人们认为，女性的优势，即女性的适合度高于两性，是弥补女性个体中男性功能丧失的必要条件[5.］．

首先，由于更多资源，通过更高的资源来实现的女性优势可以通过否则重新分配给花粉生产[6.]. 第二，雌性可以通过避免近亲繁殖而获得健康的优势[7.那8.]，有时被认为是负责牙科的主要过程[9.］．从理论上讲，性差异与生物因子的性差异相互作用也可能发生女性优势（通过[5.])例如性别偏见的种子捕食[10那11花蜜抢劫[12］．然而，性别与传粉者的相互作用有助于雌性在适合度上的优势，目前还没有报道。相反，雌性昆虫的缺点被记录得更频繁，这主要是由于授粉者吸引力低[13那14那15和/或缺乏花粉作为奖励[16那17那18那19］．

授粉介导的选择已被广泛认为不仅在人口（或物种）中在花卉分歧中发挥关键作用[20]，但也在一个群体内[21那22］．性别二形态，即性交差异的性质之间的性欲，普遍存在牙科偶像物种中[18那23］．考虑到花卉和粉丝簇之间的密切相互作用在授粉过程中，可以预测，牙科人群中的性感在与粉粉师的相互作用中不同，从而对花卉特征进行不同的选择压力。由于其对吸引力的更多分配（例如，花瓣大小，花蜜或花粉），雌雄同体花卉通常比女性更大且比女性更大。24那25］．因此，雌雄曲线可能向功能性发育出来，只要它在雄性函数中的效果比女性函数更多地，从增加的人机探索（26那27]. 除了授粉吸引力的性别差异外，与传粉者的性别差异机械配合可能是造成两性生殖成功差异的另一个原因。因此，利用传粉生态学和表型选择研究花部性状的性别特异性适应，对雌雄同体性二型性的进化过程和维持具有重要意义。

鼠尾草pratensis是一种多年生雌雄同体种，主要分布在欧洲。该物种是自我兼容的混合交配系统[28]，主要由大黄蜂和/或蜜蜂授粉[29那30]， （图。1)．与大多数属植物一样，雌雄同体花的两个雄蕊被改造成杠杆状结构，在授粉过程中起杠杆机制的作用，每个雄蕊的下层膜减少，上层可育[31]， （图。1b） 是的。在雌花中，雄蕊的囊甚至整个上臂减少，导致杠杆机制失效。关于杠杆机制，有人认为，花和传粉者之间的相互作用很容易受到每个相互作用部分变异的影响，而且花的性状受到强烈的选择，如文献所述S洋地黄[32]， （图。1C）。这意味着，粉丝器或花卉结构的比例的微小变化可能对授粉成功产生重大后果，因此适用于健身[29］．

在本研究中，我们假设雌雄同体S. Pratensis.可作为研究两性二形性演化的理想模型。考虑到两性间花的性状不同，我们预测两种有性变体与传粉者的相互作用不同，因而传粉效率和繁殖成功率也不同。因此，花的性状将受到传粉者介导的性别差异选择的影响。具体来说，我们要解决以下三个问题。1） 雌雄同体的花性状表现出两性二型性吗S. Pratensis.？2)选择是如何作用于花的特征和性别变异之间的区别?3)雌雄同体种群中维持雌性的机制是什么?

顽固性的性别二态和粉丝组合S. Pratensis.

在人口中的两个性感之间的花卉特征有显着差异S. Pratensis.(表1)．与雌雄同体的花相比，雌花的花冠和花筒平均更短，花台更小(如花嘴)，柱头更靠近花台。花柱外露量、花产量和花柄直径在两个变种间差异不显著。

人口的粉丝器组合包括皇后和工人b . terrestris，工人B. Sylvarum.和女王的B. Lapidarius.．他们之中，b . terrestris是主要的物种，频率超过75.9％（图。2)．工人b . terrestris平均体长16.07±0.63 mm，胸厚5.38±0.22 mm，舌长4.14±0.21 mm (n = 4)。的皇后b . terrestris和b .宝石占大黄蜂总数的17.4%。它们的体长、胸厚和舌长明显大于其它传粉昆虫b . terrestris蜂王分别为27.2 mm、7.82 mm和5.15 mm。

性别差异授粉和繁殖成功S. Pratensis.

在觅食比赋予其相对较大的身体比例时，朝鲜大黄蜂蜜蜂的女王在触摸耻辱方面是更成功的。进入成功，即触及耻辱的探针，占总探针的86.3％（n = 87）。两个性感在占主导民粉粉的成功率的百分比显着不同（即b . terrestris)（图。3.)．雌花接触柱头的次数占总次数的65%以上，而雌雄花接触柱头的次数小于30%。

如图所示。4.，人口中的雌雄同体个体具有39.5％±2.9％（平均±SE，N = 42）的水果套，每花的种子套0.76±0.07（平均±SE，n = 42）。女性套装具有更高的水果套（平均±SE，N = 36），比雌雄同体高出0.87±0.08（平均±SE，N = 36）的较高种子组;但两个变体之间的每一个都没有显着差异。

花卉特征的性别差异选择S. Pratensis.

选择梯度分析的完整模型解释了雌雄同体组（F = 5.88）之间的女性健康总变化的约86.1％。P. = 0.0001), and 85.4% of total variation among female group. The ANCOVA model for selection comparison between two morphs was also highly significant, explaining about 87.8% of total variation (F = 2.88,P.= 0.004)。

在确定的五种花卉特征中，只有风格的exserion在人口中女性植物之间的显着方向选择。其梯度为0.52±0.20（P. = 0.034), but not significantly different with that among hermaphrodite plants. As for nonlinear selection, positive quadratic selection was consistently detected on corolla length among each sexual group. The selection gradient was 2.17 ± 0.96 (P. = 0.05) among female individuals, significantly higher than 0.58 ± 0.23 (P. = 0.022）2， 图。5.一种）。在雌雄同体中还检测了在雌雄同体的抗剥离中进行了显着的二次选择（P. = 0.006), but the selection gradient did not differ significantly with the female’s. Strong quadratic selection acted consistently on style height in both sexual groups. The selection gradient for the female was 4.43 ± 1.13 (P. = 0.004），显著高于0.92 ± 0.22 (P.< 0.001)为雌雄同体(表2， 图。5.b)。

在花柱高度和花台高度上存在正相关选择，在花柱高度和花冠长度上存在负相关选择；每个组合的选择梯度在两个性变体之间显著不同（表1）2， 图。5.C，E）。风格的exsertion和花冠长度仅在雌雄同体之间进行正相关选择，选择梯度为0.77±0.21（P. = 0.001），与雌性之间无显著差异。雌雄同体个体在花柱外露和平台组合上存在负相关选择。在女性群体中，花柱高度与外露度的组合存在极显著的相关选择。花数（即花产量）和花冠长度在两个性态组中均呈负相关选择。选择梯度为− 0.45 ± 0.22 (P. = 0.0006），显著高于对照组− 1.06 ± 0.44 (P. = 0.042）2， 图。5.f） 是的。两性间花产量和花柱高度呈显著正相关选择；然而，增加的变量图只反映了雌性个体的明显选择，两个变种之间存在显著差异（表1）2， 图。5.一世）。花卉生产和平台的组合仅在雌性组之间青睐，受到正相关选择。花卉生产和风格exsertion在不同的性晶组中接受相反的相关选择（图。5.h)。雌雄同体的选择梯度为−0.44±0.14，雌性的选择梯度为0.63±0.232)．

雌雄同体花性状的进化差异S. Pratensis.

雌雄同体的物种通常在花性状上表现出性别差异。通常，雌雄同体的花比雌花大[18那23]. 本研究还发现，雌雄同体的花性状（如花冠、花管长度和柱头高度）显著大于雌雄同体S. Pratensis.．两性雌雄异株种花大小的二型性进化有两种非排他的解释。首先，有少量胚珠的物种通常雌花较小[18]，因为它们要么很少受到花粉限制，因此不需要在花粉镜吸引力的花大小上投入太多，或者有较少的花卉结构来保护[24那33］．其次，雌花小可能有助于雌花优势，节省种子生产的资源(即资源补偿)[34那35]而较大的雌雄同体花增强了传粉者的吸引力，从而增强了雄性功能[36那37］．

除花的大小外，二型种的花的产生通常也具有不同程度的两性二型性[38那39］．然而，没有证据表明花生产的性别二型性S. Pratensis.人口。除了对研究中植物大小相似性的影响外，高度相当于遗传相关性可能是花号中缺乏性二态性的主要原因之一[40]，这限制了两种性变形之间的分歧。此外，两种性变形在牙科人群中具有相对一致的花卉生产也是合理的。因为花序的花序通常会影响花卉展示，因此粉丝师吸引力，而且均衡器中的类似花卉生产的花卉可以保证粉碎机以性别无偏见的方式觅食所有人[19］．否则，如果性变形具有比另一个更小的花卉显示器，所以由粉丝簇的探索降低将影响雌雄同体的花粉出口，即男性健身，并减少女性授粉的机遇和效率。

雌雄同体的性别特异性生殖成功率S. Pratensis.

从理论上讲，雌性优势是在雌雄异体群体中维持雌性以弥补雄性功能缺失的前提[1那2］．在目前的研究中，女性花具有相对较小的花卉结构（特别是较低的耻骨位置），使得它们与粉丝器不同比雌雄同体花更好地匹配。结果，女性个体对花粉沉积的雌雄同体具有优势在柱塞上，即接受花粉以实现女性健康。然而，女性中的果实和种子套装略高于雌雄​​同体中的种子。原因可能是由于通过自我授粉缺乏生殖保证，女性易于花粉限制[19那41.］．在研究的人群中，每一种性别形态S. Pratensis.有一个大的花卉展示，朝向花序内序列倾向于探测花朵（也见[42.]）。因此，雌性可能接受了局部花粉耗尽（即携带）[43.]当传粉者不断探测雌花内部或中间的花时[44.那45.］．因此，如果没有足够的花粉进口，雌性在花粉沉积方面的优势可能会被花粉限制所抵消。

虽然理论上是牙科西所必需的，但在牙科生物的自然群体中并不总是发现女性优势[5.]，例如Beta寻常魅力[46.]，桂叶芫花[47.] 和Raphanus sativus[48.］．由于没有雌性优势，一个令人信服的解释是，这些种群正处于一个进化动态阶段，其特征是雌性出现的频率很高。如上所述，在这种情况下，雌性容易受到花粉限制[49.因此，由于花粉可用性的总体下降，因此具有下降且甚至不可检测的女性优势[5.］．尽管如此，观察到这种轻微的女性优势S. Pratensis.人口仍未违反维持核细胞质牙科的最不要求[50.那51.]，尽管还没有关于该物种性别决定的详细信息。

妇女中的花卉特征的选择S. Pratensis.

性别选择被认为是主要的进化过程之一，负责进化和保持性别二型，与限制性状性别差异的雌雄间遗传关联的分解相互作用[40那52.］．在本研究中，虽然样本量相对较小，但在雌雄异株的花性状上仍有显著的选择S. Pratensis.；雌雄型对某些性状的选择强度和模式表现出明显的差异。

花卉生产决定了植物通过男性和女性职能交配机会的能力，因此，趋于正向选择[53.那54.］．然而，在本研究中，两种性别型个体的花产生均未发现明显的定向选择。也就是说，雌性适合度对花产量的增加没有积极的反应。在一定程度上，研究中使用的类似大小的植物样本可能人为地减少了两性群体中花数的差异，因此可能隐藏了花数选择的证据。此外，严重的花粉限制可能是另一个原因，因为雌雄异株居群中雌蜂的频率很高。在这种情况下，雌性适合度与花产量的正相关就会减弱甚至消失(见[42.]）。该论点得到了在花序和其他花卉特征上的相关选择的调查结果，如遵循的。

在群体中，花的产生(即花的数量)倾向于与花的结构特征(如台地、花柱高度和柱头位置)相关选择。这意味着花产生对雌性适合度的贡献受到植物中特定的花结构的影响。在雌雄同体个体中，花的数量和花柱外露量受到负相关选择的影响，表明花多的大型植物具有较短的花柱外露量而具有较高的雌性适合度。雌雄同体花的花结构明显大于雌花，花冠较长，花台较大(即花嘴相对较大)，因此，大黄蜂在探测时能够以水平方式降落进入花中。在这种情况下，相对较短的柱头可以帮助大黄蜂探测花，柱头位于大黄蜂背部的正上方，而不是在花入口作为屏障。雌花的结构明显较小，尤其是在平台上;因此，大黄蜂以垂直的方式降落花朵，探测时悬挂在花朵的下唇上。在这种情况下，雌花的选择倾向于与平台大小、花柱外露或柱头高度呈正相关。也就是说，大的平台和(或)离平台相对较远的柱头有利于大型雌植物的适应度实现。这是合理的，因为这样的花结构不仅可以为大黄蜂提供足够的空间以水平的方式降落，而且使柱头更容易被触摸。 Taken together, given a large inflorescence, many more flowers produced could not be transformed into the advantage in female fitness unless the flower construction mechanically fitted pollinators well.

最后，我们的研究结果表明，耻辱高度倾向于在雌雄同体或女性个体中的破坏性选择下，并且在女性群体中选择强度要强烈。暗示，具有高或低位柱头的植物在群体中同样受到青睐。同时，花尺寸（即Corolla长度）也受到任何性感个体中的破坏性选择。考虑到群体中具有不同体型的两种朝向腮腺蜜蜂，可以合理地解释，由于它们对两种大彩蜜蜂的均衡，这两种类型的花卉授予成功的机会相同。此外，平台和风格高度的显着相关性也反映了特征对与不同的传导粉的不同调整。带有大平台和高柱头的花朵可能适合大朝向蜂蜜，而两朵较小的特质的花朵适合小朝鲜蜜蜂。因此，粉丝器介导的破坏性选择可能在妇女中性二甲语的进化和维持中发挥着重要作用S. Pratensis.．

雌雄同体长期以来一直是生物学家关注的一个问题，即雌性是如何在种群中维持的。从理论上讲，女性优势是维持雌雄同体的必要条件。在这项研究中，我们发现在雌雄同体的两个性变体之间，花的性状有显著的差异S. Pratensis.．花大小的性分歧赋予女性在花粉沉积（即接受花粉）过度雌雄同体的优势，因为女性的相对较小的花朵对粉丝器更好地适合。然而，由于在授粉期间花粉可用性的固有缺点，女性刚刚获得了比雌雄同体略高的健康;也就是说，花粉限制可能是两种性变形之间的女性健康差异差异的主要原因之一。因此，它是可预测的，适用性的女性优势在于人口动态（例如性别比例）和粉丝器的活动而变化。花卉特征在顽固的人口中整体接受了强烈的选择，花尺寸和耻辱位置受破坏性选择。花卉生产趋于与花卉结构性状相关的相关选择，暗示大型植物中的更多花卉不能转化为健身的优势，除非花卉结构良好地匹配了花粉剂（即授粉中有效）。总之，传染案介导的选择在妇女中的性二甲性的进化和维持中发挥了重要作用S. Pratensis.而且与花粉师的性伴随机械相互作用用作雌性个体具有花粉沉积效率优势的机制，其维持在牙科人群中。

研究物种和现场

这项研究是在主要开花季节进行的鼠尾草pratensis2016年5月在德国美斯。学习人口靠近Mainz-Hechtsheim的农田中的小灌木丛（49°56'23“N，8°15'04”E; 197 M A.S.L.），面积为45×3.5米²．整个地区被人们密集地覆盖S. Pratensis.（超过500人）。雌性和雌雄同体个体几乎均匀地分布在人口中，它们的相对比例（即性别比例）接近50％。

实验方法

在花期中期，我们在雌雄同体种群中随机标记了80只个体(44只雌雄同体，36只雌性)。这些贴上标签的植物大小相同，同时开花。为了进行形态测量，在每个标记的花序中随机选择三到四朵完全开放的花作为植株的代表。测量了每朵花的5个花的结构特征(见图。1）：花冠长度（CL），花冠长度（TL），风格高度（STH）定义为下唇和柱头之间的距离，通过从“TL”中减去“CL”来确定的平台尺寸“。第一分支下的主轴的直径被测量为植物尺寸的代理。

当营养物成熟时，每次被标记的植物约20天收集约20天，但仍然封闭在Calyx中。通过计数花朵枯萎后的花序数量的花梗数来确定花序。每种花序的种子（Nutlet）数量计为每种植物的女性健身组分的估计。通过使用±0.01mm误差的数字卡钳来测量所有特征。

在试验期间，选择3个晴天（每次10:00～14:00）鉴定不同传粉种类的范围和相对频率，观察其传粉行为。通过观察特定区域内出现的蜜蜂来记录不同传粉物种的频率（2） × 2. M²）或沿横向部门（50米²）在人口中。对于粉丝器和花卉之间的机械匹配，我们随机瞄准探测的植物（或花）（完全用于400个花），然后记录其性感并观察觅食者是否可以触摸其耻辱。为物种鉴定收集每种调用粉剂种类的三到五种，并且用于形态学测量，包括体长，胸部厚度（即胸部的体厚），胸部宽度和舌长（天然延长长度）。

数据分析

采用R(3.5.0)线性模型测定雌雄异株雌雄型间花性状的差异S. Pratensis.．我们以每花的果实数计算坐果数，以每花每花序的种子(小坚果)数计算坐果数。采用广义线性回归(GLM)方法检测两个品种间的果实结实度和种子结实度(准二叉科，logit链接函数)差异。我们通过计算传粉者接触柱头的相对频率来测量传粉效率，并通过皮尔逊卡方检验来确定其在不同形态间的差异。

多变量回归分析用于估计花卉特征上的选择的强度和模式[55.那56.那57.]. 我们采用最完整的回归模型来估计不同的选择梯度（见[58.]）。完整的模型包括每个特征的线性和二次术语，以及包括所有特征的成对的产品。每个性状的部分回归系数用作定向选择（β）的主要指示器，以及作为特征上的非线性选择量的特征系数的系数的双值（γ，即非线性选择梯度）;以及一对特征的产品的显着系数，作为两种特征的组合的选择的衡量标准（即Colrelation选择梯度）[58.那59.］．我们对每种性别形态分别进行了分析。在分析前，将每个个体的种子数标准化为相对种子数(即个体种子数/形态均值)，作为雌性适合度分量的估计。单株性状值为3或4个花的平均值。将每个变异的性状值标准化(即平均值= 0，标准差= 1)，方法是将个体的性状值减去变异均值，再除以标准差。由于花冠长度与花筒长度、花冠平台显著相关(各相关系数> 0.86)，因此在选择分析中，我们采用相对平台(r-platform)，而不是将平台除以花冠长度，作为花开口的度量(即1-筒/花冠)。即在模型中引入花数、花柱高度、花柱外露量、花冠和不含花冠筒的r-platform进行选择分析。此外，考虑到资源可利用性对植物大小的影响，进而对花性状大小和繁殖力的影响，我们在模型中引入了茎直径作为植物大小的变量，以消除母性对性状选择的影响[53.那60.］．

在建立完整模型后，我们进一步通过步骤回归获得了最不充分的模型。完整模式中的重要术语在数量中几乎一致，并与最低适量模型的标志，除了增强了重要性。因此，为了保持两个变形模型的完整性和一致性，我们从研究中的完整模型提出了结果。最后，我们通过建立具有性感的Ancova模型作为一个因素来表现了两种性变形之间的花卉特征的比较。对于所有模型，我们检查了Shapiro测试的误差分布的正常性（W = 0.96，p = 0.19用于雌性组; W = 0.98，p = 0.55，对于hermaphrodite组），通过非恒定方差分数测试的方差恒定（女性组Chisquare = 0.01，p = 0.92; Chisquare = 0.13，p = 0.71用于雌雄同体组）。我们还评估了使用全球测试使用r中的全局测试的线性模型的假设，并且每个假设是可接受的（P> 0.05）。模型中包含的特征的相关矩阵的Kappa值为8.50，雌性组为11.3，对于雌雄同体组11.3，因此没有证据表明多联合性问题。最后，我们说明了两个性能与添加变量图之间有显着差异的选择梯度[61.］．除了变量的标准化之外，没有完成转换。对于所有数据分析，R版本3.5.0 [62.使用了)。

在本研究期间生成或分析的数据要么包含在本发表的文章中，或者可从合理的请求中获取相应的作者。

ANCOVA:

协方差分析

ANOVA：

方差分析

肤色线:

花冠长度

全球语言监测机构:

广义线性回归

pf:

平台大小

rua:

减少上部花药

SE：

风格exsertion.

某事：

风格高度，即下唇与耻辱之间的距离

TL：

花冠管长度

UFA：

上部可育花药

齿龈:

上杠杆手臂

我们感谢Laura Leineweber和Joshua Wachlin在实验中的帮助，也感谢匿名的审稿人和编辑们对手稿的宝贵意见和建议。

本研究由中国国家自然科学基金（41461014; 31760703）和中国奖学金委员会提供资金，并得到甘肃农业大学的科技创新基金 - 特别资金纪律建设（Gau-XKJS-2018-001)．融资机构没有参与研究的设计;收集，分析，数据诠释和写作稿件。

从属关系

1. 教育部草原生态系统的重点实验室，中山。甘肃农业大学草原科学学院格拉泽兰生态系统可持续发展中心，兰州730070

   张波

2. 德国美因茨约翰内斯古滕堡大学生物与分子进化研究所，55099

   博张＆RegineClaßen-Bockhoff

贡献

BZ开发了这个概念，并进行了现场工作和数据分析。BZ和RCB对结果进行解读并起草稿件。两位作者审阅并批准了本文的最终版本。

相应的作者

通信张波或RegineClaßen-Bockhoff．

伦理批准和同意参与

鼠尾草pratensis在德国没有保护，并收集物种的数据符合国家指导方针。至于蜜蜂，允许通过Struktur - UndEnehmigungsdirektionsüd，oppenheim收集Mainz附近和周围的研究原因的标本。

同意出版物

不适用。

利益争夺

提交人声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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