瀕危植物大果青杄種子形態(tài)及萌發(fā)特性研究

楊帆,郭星,李興明,魏海龍,齊瑞,閆倩倩,丁光武,侯亞莉

(白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所,甘肅蘭州730070)

瀕危植物大果青杄種子形態(tài)及萌發(fā)特性研究

楊帆,郭星,李興明,魏海龍,齊瑞,閆倩倩,丁光武,侯亞莉

(白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所,甘肅蘭州730070)

對甘肅白龍江林區(qū)生長的瀕危植物大果青杄種子的形態(tài)和萌發(fā)特性進行了研究,結(jié)果表明:不同海拔和不同年齡的大果青杄種子千粒質(zhì)量、空殼率、含水量、生活力、長、寬及直徑等差異顯著。不同年齡樹木種子形態(tài)和部分萌發(fā)指標之間存在多樣性;而且樹木年齡越大,空殼率隨之減少,生活力減少的幅度更大。在常溫(20℃)下,經(jīng)蒸餾水浸種,濃硫酸催芽的種子的發(fā)芽率為0;而42年的大果青杄種子經(jīng)200 mg L-1赤霉素(GA 3)處理24 h后,在14 d內(nèi)發(fā)芽率達到70%,且發(fā)芽整齊。大果青杄種子的休眠屬綜合休眠,且種皮透性并不是導(dǎo)致大果青杄種子休眠的主要原因。

瀕危植物;大果青杄;種子;形態(tài)特性;萌發(fā)特性

大果青杄(Picea neoveitchii Mast.)隸屬于裸子植物松科(Pinaceae)云杉屬(Picea)常綠喬木[1,2],我國特有樹種,是國家二級重點保護野生植物和國家二級保護珍貴樹種[3],同時也是國家二級珍稀瀕危保護植物[4],被列入中國珍稀瀕危植物紅皮書。大果青杄在我國僅分布于湖北西部、陜西秦嶺北坡戶縣及南部、甘肅天水及白龍江流域海拔1 300～2 000 m的地區(qū)[4],種群數(shù)量稀少,亟待保護。大果青杄對生境條件要求比較嚴格,通常只生于自然植被保存比較完整的山谷溝底或山坡下部及半陰坡巖石縫隙中,其生長地帶比較陰濕,空氣濕度很高,腐殖質(zhì)深厚,土壤酸性至微酸性[5]。近年來,由于過度砍伐和人為干擾,大面積的大果青杄純林基本已經(jīng)消失,剩余殘存種群的生存和生長狀況遭受嚴重威脅,瀕臨滅絕。

近年來,雖然大果青杄的瀕危情況已經(jīng)逐漸引起了許多學(xué)者的關(guān)注,但是相關(guān)的研究主要集中在大果青扦的殘存地理分布、群落特性和種群動態(tài)研究[5-7]、譜系地理學(xué)研究[8]、播種育苗技術(shù)[9]、起源與物種形態(tài)[3]、珍稀樹種資源及其價值探討[10]、保護現(xiàn)狀及保護策略[11]等方面,對大果青杄種子形態(tài)和萌發(fā)特征等方面研究很少。此外,由于大果青杄存在種子產(chǎn)量低、種質(zhì)差、種子生活力和發(fā)芽率低等問題,由此導(dǎo)致林下幼苗少,這些因素導(dǎo)致大果青杄生活周期中出現(xiàn)了從種子到幼苗轉(zhuǎn)化率較低的脆弱環(huán)節(jié),最終成為大果青杄種群缺乏后繼資源而導(dǎo)致物種瀕危的主要因素。

本文通過對白龍江林區(qū)采集的四種區(qū)域生長的大果青杄種子形態(tài)和萌發(fā)特性進行試驗研究,試圖打破大果青杄種子的休眠,揭示其萌發(fā)所必備的條件,旨在為大果青杄種群大面積繁殖提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試種子于2014年9月在甘肅省白龍江林業(yè)管理局舟曲林場采集,種子除雜后于-4℃冰箱中保存?zhèn)溆?采種地點見表1。

表1 大果青杄種子采集地點概況

1.2 種子特性測定

1.2.1 種子大小(長、寬度、直徑)、千粒重、飽滿度的測定 隨機取出籽粒飽滿的4種大果青杄種子各30粒,用游標卡尺分別測量種子長、寬及直徑;千粒質(zhì)量采取百粒法(四分法),隨機各抽取凈種子100粒稱質(zhì)量,重復(fù)4次,結(jié)果的加權(quán)平均值×10即得種子千粒質(zhì)量;隨機抽取100粒種子,計算出種子的空殼率。

1.2.2 種子含水量的測定 取一定量樣品稱質(zhì)量,將樣品放在(105±2)℃烘箱中烘18 h。取出后稱重,以3次重復(fù)平均值為最終含水量。種子含水量(%)=(樣品烘前重量-樣品烘后重量)/樣品烘前重量×100%。

1.2.3 種子生活力的測定 采用四唑染色法測定種子的生活力。設(shè)計3個重復(fù),每個重復(fù)50粒種子。先把種子浸泡于20-30℃的水中4 d,然后取胚在25℃條件下用四唑染色24 h,染完色后根據(jù)種胚的著色程度和部位,按國際種子檢驗規(guī)程上的標準鑒定種子的生活力。

1.3 種子萌發(fā)處理

1.3.1 濃硫酸處理 用濃硫酸分別酸蝕大果青杄種子2、5、10、15、20 min,用清水沖洗3次,置于酒精中消毒1 min,再用蒸餾沖洗5次,最后用蒸餾水浸泡48 h。處理完成后放入雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,放入恒溫箱中萌發(fā);培養(yǎng)條件是:溫度20℃,光照強度24μmol m-2s-1,濕度75%;以清水浸種為對照。每皿50粒,3組重復(fù)。逐日統(tǒng)計發(fā)芽率。種子萌發(fā)過程中,以胚根生出種皮1 mm為標準,記錄種子萌發(fā)的個數(shù),連續(xù)2周內(nèi)不再有種子萌發(fā)為萌發(fā)結(jié)束。算出種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢。

1.3.2 赤霉素處理 抽取飽滿的種子,以未用GA3浸泡的種子為對照,設(shè)置50、100、200、250、300 mg L-15個濃度的GA3處理,浸泡24 h,放置于雙層濾紙的培養(yǎng)皿中萌發(fā)(以清水浸種為對照),培養(yǎng)條件和測定指標與濃硫酸處理相同。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗所得形態(tài)(千粒質(zhì)量、空殼率、含水量、生活力、長、寬及直徑等)用SPSS 13.0軟件進行單因素方差統(tǒng)計分析;發(fā)芽率和發(fā)芽勢用SPSS 13.0軟件進行雙因素方差統(tǒng)計分析;所有數(shù)據(jù)用Excel制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采集地大果青杄種子形態(tài)差異分析

由表2和表3可知,4個采種地的大果青杄種子千粒質(zhì)量介于18.05～29.83 g,其中42樹齡的種子千粒質(zhì)量最大,為29.83g,樹木年齡越小,千粒質(zhì)量越大;種子空殼率普遍都很高,介于86.67%～66.33%,其中42樹齡和51年樹齡的種子空殼率最高,分別達86.67%和85.27%,樹種年齡越大,空殼率越低;種子含水量和生活力的變化與千粒質(zhì)量的變化趨勢相一致。種子長度介于9.09～6.68 mm,寬度介于5.27～3.4 mm,種子長寬比在1.96～1.70的范圍內(nèi);直徑介于2.15～4.22 mm。其中, 116年齡的種子長度和寬度均最大,為9.40和5.27 mm;而300年齡的種子長寬比最大,為1.96;42樹齡的種子的直徑最大,為4.22 mm。

表2 大果青杄種子千粒質(zhì)量、空殼率、含水量及生活力

表3 大果青杄種子長度、寬度、長寬比及直徑

2.2 不同濃度濃硫酸酸蝕處理對不同采種地大果青杄種子萌發(fā)的影響

將大果青杄種子用不同濃度的濃硫酸處理后,清水沖洗,酒精中消毒,在用蒸餾水浸泡48 h后,放入恒溫箱中萌發(fā)。14 d后,和清水浸種為對照相比,不同濃硫酸處理后的大果青杄種子均未發(fā)芽。

2.3 不同濃度GA3處理對不同采集地大果青杄種子萌發(fā)的影響

不同年齡樹木與赤霉素濃度對種子萌發(fā)特性的雙因素方差分析表明:GA3濃度和樹齡對種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽速率的影響均極顯著(P＜0.05);GA3濃度和年齡的交互作用對發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽速率的影響均極顯著(P＜0.05)(表4),其中200 mg L-1的GA3處理和42年齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢達到最大,分別為0.70和0.33,其次是100 mg L-1的GA3處理和42年樹齡、200 mg L-1的GA3處理和51年樹齡和250 mg L-1的GA3處理和42年樹齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢次之,分別為0.542和0.28、0.55和0.23、0.592和0.19;50 mg L-1的GA3處理和300年樹齡和50 mg L-1的GA3處理和116年樹齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢最小,分別為0.075和0.03、0.05和0.07。

表4 大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢

3 討論與結(jié)論

種子是下一代新生植株的開始,無論從結(jié)構(gòu)上還是生理上已做好了傳播的準備[12]。然而,為了適應(yīng)不良環(huán)境條件以及季節(jié)變化,植物種子經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)育暫?；蛏[蔽的現(xiàn)象。種子休眠是指具有生活力的種子在適宜(水分、溫度和氧氣)萌發(fā)條件下仍不能正常萌發(fā)的現(xiàn)象[13]。種子休眠在植物中普遍存在,且具兩面性,一方面它是一種有益的生物學(xué)特性,可以使種子避開不良環(huán)境條件,適時萌發(fā);而另一方面在科學(xué)研究和農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)過程中,常需要破除種子的休眠,此時種子休眠就成為人類生產(chǎn)實踐過程中的障礙[14]。我們的前期調(diào)查表明,大果青杄種子具有強休眠、低萌發(fā)率的特性,致使其苗木的繁殖困難,從而限制了人們對這種資源植物的開發(fā)和利用。結(jié)果表明,不同海拔和不同年齡的大果青杄種子千粒重、空殼率、含水量、生活力、長、寬及直徑等差異顯著(表2和表3)。樹木的年齡對種子的千粒重、含水量、長寬比、生活力等影響顯著,說明不同年齡樹木種子形態(tài)和部分萌發(fā)指標之間存在多樣性。而且樹齡越大,空殼率雖然也減少,但是生活力減少的幅度更大(表2和表3)。目前,破除種子休眠的方法大體分為物理、化學(xué)和生物三類。本研究表明,濃H2SO4處理并沒有顯著打破大果青杄種子的休眠,因此,排除了種皮不透水、不透氣、機械限制及存在萌發(fā)抑制物等導(dǎo)致大果青杄種子休眠的可能[15]。

赤霉素(GA)在種子發(fā)芽中起著重要的作用。GA能誘導(dǎo)產(chǎn)生水解酶,使種子中的貯藏物質(zhì)從大分子水解為小分子,如淀粉水解為糖,蛋白質(zhì)水解為氨基酸,從而為胚生長所用,進而促進種子的萌發(fā)[16,12]。此外,外源GA的加入能提高胚的生長勢,促進種子萌發(fā)障礙組織的降解,從而有效破除種子休眠[17]。我們的研究表明:不同樹齡林木與赤霉素濃度對大果青杄種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢的影響均極顯著(P＜0.05);GA3濃度和年齡的交互作用對發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽速率的影響均極顯著(P＜0.05)(表4),其中200 mg L-1的GA3處理和42年樹齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢達到最大, 100 mg L-1的GA3處理和42年樹齡、200 mg L-1的GA3處理和51年樹齡和250 mg L-1的GA3處理和42年樹齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢次之,50 mg L-1的GA3處理和300年樹齡和50 mg L-1的GA3處理和116年樹齡的大果青杄種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢最小(表4)。值得注意的是,大果青杄種子發(fā)芽率隨著赤霉素的濃度增加而增長,當赤霉素的濃度達到200 mg.L-1時,種子的萌發(fā)率和發(fā)芽勢達到最大值;但是,種子發(fā)芽率隨著樹木年齡的增大而減低,樹木年齡越大,種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢越小,當樹木年齡為42年時,種子的發(fā)芽率達到最大值(表4)。本研究結(jié)果表明,200 mg L-1的GA3處理42年樹齡的大果青杄種子使其種子的發(fā)芽率達到70%,此研究結(jié)果可應(yīng)用于大果青杄的苗木培育,提升其育苗技術(shù)水平,從而使這種具有重要生態(tài)和經(jīng)濟價值的資源植物能被人類充分利用。然而,在本研究中,盡管200 mg L-1的GA3處理42年樹齡的大果青杄林木種子使其發(fā)芽率達到了70%,但其余30%的種子仍處于休眠狀態(tài),這表明大果青杄種子休眠屬綜合休眠,且種皮透性并不是導(dǎo)致大果青杄種子休眠的主要原因,大果青杄種子的萌發(fā)和休眠機理還需要進一步研究。

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Seed Morphological and Germination Characters of Endangered Plant Picea neoveitchii

Yang Fan,Guo Xing,Li Xingming,Wei Hailong,Qi Rui,Yan Qianqian,Ding Guangwu,Hou Yali
(Research Institute of Forestry,Bailongjiang Forestry Management Bureau,Lanzhou 730070,China)

The seed morphological and germination characters of endangered plant Picea neoveitchii were studied in Bailongjiang forest region of Gansu Province.Result shows that the thousand seed weight,shell ratio,water content of seed,percentage of undeveloped seed,viability,length,width and diameter of seed have significant differences at different attitudes and ages of tree.Seed morphology and parts of germination indexes of trees with different ages have diversity.The bigger the ages of tree is,the lower the percentage of shell ratio is and the even greater the reduce range of viability is.The seed germination rate is 0 by soaking in distilled water at the temperature(20°C);the germination rate of 42-year-old Picea neoveitchii seeds reach 70%within 14 d while treated with 200 mg L-1GA3for 24 h;the seeds germinated more trimly.Picea neoveitchii seeds belong to combined dormancy.The permeability of seed coat is not the main reason for the seed dormancy of Picea neoveitchii.

endangered plant;Picea neoveitchii;seeds;morphological characteristics;germination characteristics

S751.3

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.006

1005-5215(2015)11-0016-04

2015-08-26

甘肅省科技支撐計劃(1304NKCK128)

楊帆(1988-),男,甘肅武威人,大學(xué),從事林木育種研究,Email:kangjj07@lzu.edu.cn

郭星,Email:gslnwddj@163.com