褐鱗苔草種子生物學(xué)特性研究

朱 麗，王 芳，趙 明，邴丹琿，康建軍

(甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730020)

褐鱗苔草(Carex brunnescens)屬莎草科苔草屬，是瑪曲當(dāng)?shù)夭莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)的重要建群種和優(yōu)勢種［1］，具有適應(yīng)高寒環(huán)境、生長速度快、固沙效果好、耐踐踏、耐干旱等特點(diǎn)，對維護(hù)瑪曲高寒草甸生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要作用［2-3］。但是，目前國內(nèi)外學(xué)者對褐鱗苔草的研究報(bào)道較少，特別是對褐鱗苔草的生理生態(tài)方面的研究幾乎是一片空白，加之褐鱗苔草種子具有強(qiáng)休眠、低萌發(fā)率等特性，致使其種子繁殖困難，自然狀態(tài)下主要靠地下莖繁殖［4］，從而使苗源培育困難大，不利于大面積推廣并應(yīng)用于固沙生產(chǎn)實(shí)踐。因此，以褐鱗苔草種子為研究對象，通過觀測其種子的形態(tài)特征、解剖特征，測定種子生活力，分析種子形態(tài)、生活力與種子萌發(fā)之間的關(guān)系，了解其生物學(xué)特性，不僅能更深刻地認(rèn)識褐鱗苔草，而且對瑪曲高寒牧區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的褐鱗苔草種子于2011年7月采自瑪曲縣試驗(yàn)點(diǎn)，該試驗(yàn)點(diǎn)位于瑪曲黃河大橋以西，地處瑪曲縣歐拉鄉(xiāng)歐強(qiáng)村，距縣城8.5 km。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子的形態(tài)特征

通過對形狀、顏色、大小和質(zhì)量的觀測，描述褐鱗苔草種子的基本特征。形狀和顏色采用觀察法描述;大小采用0—150 mm電子數(shù)顯卡尺測定長軸、短軸和厚度;質(zhì)量參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程》(GB/T 2930.5—2001)，采用百粒法(即從純凈種子中隨機(jī)抽取100粒種子為1組，重復(fù)取8組稱量)測定種子千粒重。

1.2.2 種子處理方法

由于褐鱗苔草種子種皮堅(jiān)硬，很難切割，不做任何處理情況下種子幾乎不吸水，因而首先要對種子進(jìn)行處理(見表1)，然后解剖觀察、測定生活力。

表1 褐鱗苔草種子處理方法

1.2.3 種子的解剖特征

待處理過的種子種皮變軟后隨機(jī)選取30粒種子進(jìn)行解剖，在立體顯微鏡下觀察胚的發(fā)育情況。

1.2.4 種子的生活力測定

采用TTC染色法測定種子的生活力。對處理過的種子采用整粒染色和縱切胚之后再染色的方法，用0.5%的四唑溶液在35℃、黑暗條件下染色24 h，然后清水沖洗，在立體解剖鏡下觀察，根據(jù)染色的部位和染色程度，參照《牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程》(GB/T 2930.5—2001)鑒定種子有無生活力。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對種子的影響

所有處理中，只有經(jīng)濃H2SO4和NaOH浸泡過的種子浸出液顏色較深，種皮、種子軟化，容易切割，其余各處理無變化，種皮堅(jiān)硬，很難切割，種子幾乎沒吸水。種子萌發(fā)情況見表2。

表2 濃H2SO4和NaOH對褐鱗苔草種子萌發(fā)率的影響

隨著處理時(shí)間的增加，經(jīng)濃H2SO4處理的褐鱗苔草種子浸出液的顏色由淺變深，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到4 min時(shí)，顏色已經(jīng)變成黑色，處理10 min時(shí)，種子已經(jīng)完全炭化，失去生命活力。研究結(jié)果表明，處理3 min時(shí)種子萌發(fā)能力較其他處理有所提高。

由此可見，用濃硫酸處理種子，在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)芽率與處理時(shí)間呈正相關(guān)。這是由于濃硫酸對種皮的腐蝕需要一定的時(shí)間，其時(shí)間長短與種皮的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)酸腐蝕種皮后，就可解除種皮障礙，打破休眠，提高發(fā)芽率;而當(dāng)處理時(shí)間延長至整個(gè)種皮崩潰、傷及胚時(shí)，發(fā)芽率下降;隨著時(shí)間的增加，胚的受損傷程度加大，此時(shí)發(fā)芽率與處理時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。因此，濃H2SO4的處理時(shí)間應(yīng)使種皮結(jié)構(gòu)受到破壞而又未傷及胚為最好，此時(shí)可增加種皮通透性，有利于種子吸水膨脹而提高其發(fā)芽率［5］。

用4%的NaOH處理6 h種子有萌發(fā)的跡象，但未萌發(fā);用10%的NaOH處理6 h的種子萌發(fā)了，但是萌發(fā)率極低，僅為2.5%;隨著NaOH浸種時(shí)間延長，種子浸出液顏色逐漸加深，8 h時(shí)種子已失去發(fā)芽能力。

2.2 褐鱗苔草種子的形態(tài)特征

褐鱗苔草種子呈褐色，三棱形，具有或長或短的喙，種皮硬。種子較小，長度2.32～2.46 mm，寬度1.35～1.43 mm，厚度1.23～1.25 mm，千粒重1.731 1 g。

2.3 褐鱗苔草種子的解剖特征

成熟的種子由種皮、胚和胚乳三部分組成。通過對30粒褐鱗苔草種子的解剖觀察，發(fā)現(xiàn)有20粒種子具有完全的胚結(jié)構(gòu)，即66.67%的種子胚發(fā)育完全，其余10粒為空秕種子。雖然種子已經(jīng)達(dá)到成熟種子的大小、顏色，但經(jīng)過篩選的種子仍有空秕，這可能是種子形成過程中受到不利環(huán)境條件的影響，使種子的內(nèi)部物質(zhì)積累受阻，不能繼續(xù)正常發(fā)育造成的，也有可能是因?yàn)楹主[苔草種皮厚而且較硬，采用蒸餾水漂浮法無法將空秕粒完全除去。

2.4 褐鱗苔草種子的生活力測定

經(jīng)TTC染色法測定，30粒褐鱗苔草種子中有17粒的種胚大部分被染成紅色，6粒染色非常淺，其余7粒根本不染色。而染色較淺或根本不染色的種子被認(rèn)為屬于不能正常發(fā)育的種子。由此可見，褐鱗苔草種子的生活力較低，平均為56.67%，這說明瑪曲高寒草甸的褐鱗苔草種子一半以上具有萌發(fā)的潛力。

3 討論

3.1 褐鱗苔草種子的形態(tài)特征是長期適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的結(jié)果

種子休眠是植物為了適應(yīng)環(huán)境而在長期演化過程中獲得的一種生物學(xué)適應(yīng)，它對“種”的保存、繁衍是極為有利的。因此，通常情況下除頑拗性種子外［6］，大多數(shù)植物種子或強(qiáng)或弱地具有休眠特性，尤其以寒帶和溫帶的植物種類更為明顯。研究表明，褐鱗苔草種子小而且種皮堅(jiān)硬，這是因?yàn)楹主[苔草產(chǎn)于中國—喜馬拉雅—中亞高山的高寒草甸，長期生長在僅有冷暖二季之別、溫度年較差小而日較差懸殊、太陽輻射強(qiáng)烈的高海拔地區(qū)，形成了一套長期適應(yīng)高寒生境的形態(tài)特征和生態(tài)特征［7］。這與魏疆等［8］學(xué)者的研究結(jié)論“植物的生長規(guī)律受自身生物學(xué)特性和生境條件的制約”一致。至于海拔對種子萌發(fā)的影響，目前為止還沒有得出一個(gè)關(guān)于種子萌發(fā)能力與海拔之間關(guān)系的統(tǒng)一結(jié)論［9］。Neuffer［10］研究發(fā)現(xiàn)采自阿爾卑斯山不同海拔的薺菜(Capsella bursapastoris)種子的萌發(fā)與采集生境之間沒有什么關(guān)系;Vera［11］在研究海拔對西班牙北部的幾種石楠種子萌發(fā)的影響效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采自較高海拔的種子具有較高的萌發(fā)率;而 Miller和 Cummins［12］在研究蘇格蘭一種石楠(Calluna vulgaris)種子萌發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采自低海拔的種子具有較高的萌發(fā)率。

3.2 褐鱗苔草種皮表面結(jié)構(gòu)有可能是阻礙種子萌發(fā)的障礙之一

褐鱗苔草的堅(jiān)硬種皮透水性和透氣性差，使胚生長得不到充足的水分和氧氣，從而抑制了種子的萌發(fā)。李曜東等研究發(fā)現(xiàn)埋存于地下的古蓮(Nelumbo nucifera)種子休眠可達(dá)幾百年甚至上千年，堅(jiān)硬的種殼可阻止氧氣進(jìn)入是重要原因［13-14］。種皮的存在對胚的發(fā)育常常起到機(jī)械的阻礙作用，反枝莧(Amaranthus retroflexus)等植物種皮雖然對水分有透過性，但種皮非常堅(jiān)固，使胚根不能穿破種皮，從而抑制萌發(fā)［15］。藏嵩草(Kobresia tibetica)完整種子室內(nèi)和野外萌發(fā)率分別為4%和2%，而剝?nèi)シN皮后種子萌發(fā)率達(dá)47%［16］，種皮堅(jiān)硬是造成種子萌發(fā)率低的主要原因。

種皮附屬物以及生長抑制物質(zhì)對種子萌發(fā)與休眠也是有影響的。有些荒漠植物果皮或種皮外包有黏液層，這種結(jié)構(gòu)對種子的萌發(fā)及幼苗生長有促進(jìn)作用［17］，如白沙蒿(Artemisia sphaerocephala)成熟瘦果上的黏液物［18］;但是有些植物的種胚覆蓋物含有生長抑制物質(zhì)而抑制種子萌發(fā)，例如褐鱗苔草。解剖鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，褐鱗苔草的種皮表面光亮、質(zhì)地堅(jiān)實(shí)、結(jié)構(gòu)致密，并且嵌有數(shù)量較多的類晶體物質(zhì)，褐鱗苔草種皮表面的這種質(zhì)地與結(jié)構(gòu)，可能會對萌動種子產(chǎn)生較大的機(jī)械束縛力，進(jìn)而限制到褐鱗苔草種子的萌發(fā)。

4 結(jié)論

褐鱗苔草為了適應(yīng)氣候惡劣的高寒草甸環(huán)境，弱化了種子的繁殖能力，自然狀態(tài)下幾乎不萌發(fā)。褐鱗苔草在長期適應(yīng)生態(tài)環(huán)境過程中形成種子生活力較低、種子小且種皮堅(jiān)硬的形態(tài)特征以及生理特征抑制種子萌發(fā)。經(jīng)濃H2SO4和NaOH處理雖能破壞種皮結(jié)構(gòu)，促使種子吸水、透氣，但是種子萌發(fā)率極低，仍不利于大面積推廣使用。因而，對于具有萌發(fā)潛力的褐鱗苔草種子萌發(fā)所需的適宜條件還有待進(jìn)一步深入研究。

［1］張懷山，杜文華，田福平，等.甘南高原沼澤植物群落類型與組成特征研究［J］.中國草地學(xué)報(bào)，2008，30(4):64-67.

［2］魏強(qiáng)，王芳，陳文業(yè).黃河上游瑪曲不同退化程度高寒草地土壤物理特性研究［J］.水土保持通報(bào)，2010，30(5):16-21.

［3］王一博，王根緒，沈永平.青藏高原高寒區(qū)草地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)退化研究［J］.冰川凍土，2005，27(5):633-640.

［4］吉文麗，朱清科，李衛(wèi)忠，等.苔草植物分類、利用及物質(zhì)循環(huán)研究進(jìn)展［J］.草業(yè)科學(xué)，2006，23(2):15-21.

［5］葛俊彥，蔡亞非.不同處理方法對幾種牧草種子發(fā)芽率的影響［J］.資源開發(fā)與市場，2009，25(1):4-6.

［6］楊期和，尹小娟，葉萬輝，等.頑拗型種子的生物學(xué)特性及種子頑拗性的進(jìn)化［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25(1):79-86.

［7］張懷山，張吉宇，喬國華，等.黃河首曲——瑪曲濕地沼生植物的群系分類研究［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(5):924-926.

［8］魏疆，張希明，單立山，等.梭梭幼苗生長動態(tài)及其對沙漠腹地生境條件的適應(yīng)策略［J］.中國科學(xué)D輯:地球科學(xué)，2006，36(z2):95-102.

［9］卜海燕.青藏高原東部高寒草甸植物種子的萌發(fā)與休眠研究［D］.蘭州:蘭州大學(xué)，2007:9-10.

［10］Neuffer B，Bartelheim S.Gen-ecology of capsella bursa-pastoris from an altitudinal transsect in the Alps［J］.Oecologia，1989，81(4):521-527.

［11］Vera M L.Effects of altitude and seed size on germination and seedling survival of heathland plants in north Spain［J］.Plant Ecology，1997，133(1):101-106.

［12］Miller G R，Cummins R P.Role of buried viable seeds in the recolonization of disturbed ground by heather(Calluna vulgaris［L.］Hull)in the Cairngorm mountains，Scotland，UK［J］.Arctic and Alpine Research，1987，19(4):396-401.

［13］李曜東，魏玉凝，徐本美.古蓮子與現(xiàn)代蓮子ABA含量和SOD活性的比較研究［J］.植物學(xué)通報(bào)，2000，17(5):439-442.

［14］秦淑英，唐秀光，王文全，等.藥用植物種子處理研究概況［J］.種子，2001(2):37-39.

［15］曹儀植，宋占午.植物生理學(xué)［M］.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，1998:181-183.

［16］鄧自發(fā)，謝曉玲，王啟基，等.高寒草甸藏嵩草種群繁殖對策的研究［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2001，7(4):332-334.

［17］馬驥，李俊禎，孔紅.我國沙區(qū)6種蒿屬植物的種子微形態(tài)特征［J］.中國沙漠，2002，22(6):586-590.

［18］黃振英，Gutterman Yitzchak，胡正海，等.白沙蒿種子萌發(fā)特性的研究Ⅰ.粘液瘦果的結(jié)構(gòu)和功能［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25(1):22-28.