六種粘液種子性狀多樣性及其對綿羊瘤胃消化的反應(yīng)

王樹林，娜麗克斯·外里，魯為華*，王偉強(qiáng)，汪傳建(.石河子大學(xué)動物科技學(xué)院，新疆 石河子 83003；.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 83003)

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六種粘液種子性狀多樣性及其對綿羊瘤胃消化的反應(yīng)

王樹林1，娜麗克斯·外里1，魯為華1*，王偉強(qiáng)2，汪傳建2
(1.石河子大學(xué)動物科技學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

以條葉車前、伊犁絹蒿、澀芥、播娘蒿、異果芥和群心菜這6種粘液種子為研究材料，首先對其進(jìn)行種子性狀觀測，然后將其置入永久性綿羊瘤胃瘺管內(nèi)進(jìn)行不同時間段的消化處理，并對處理前后的種子進(jìn)行吸水率、粘沙率、粘液含量、萌發(fā)率等指標(biāo)的測定，以期揭示這6種粘液種子對綿羊瘤胃消化的反應(yīng)，并豐富有關(guān)植物種子消化道傳播的內(nèi)容。結(jié)果表明，這6種種子表層粘液物質(zhì)都能被綿羊瘤胃液消化，且消化后的種子顏色變深。異果芥種子粘液構(gòu)成其種翅附屬結(jié)構(gòu)，不同處理時間其寬度差異顯著(P<0.05)，長和高差異均不顯著(P>0.05)，而其他5種種子長、寬、高(厚)差異均不顯著(P>0.05)。粘液量隨消化時間的增加而減少，且二者之間符合形如y=-1.98+48.26e-x/8.40(R2=0.95441,P=0<0.01)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨粘液量的減少,種子吸水率和粘沙率也減少，且二者隨消化時間的變化分別符合形如y=90.04+428.03e-x/4.43(R2=0.75934,P=0<0.01)和y=-0.71+342.76e-x/5.05(R2=0.81124,P=0<0.01)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。消化后的粘液種子萌發(fā)率顯著降低(P<0.05)，可萌發(fā)種子集中在0～12 h處理時間段內(nèi)，但仍有部分種子經(jīng)消化道作用后成功“逃逸”，這為草食動物對其進(jìn)行消化道傳播提供了可能。

粘液種子；瘤胃消化；形態(tài)特征；吸水率；粘沙；萌發(fā)；消化道傳播

遇水能分泌粘液的種子稱為粘液種子[1]。種子或果實(shí)粘液是在種皮或果皮外層細(xì)胞的高爾基體內(nèi)產(chǎn)生并分泌到細(xì)胞腔內(nèi)或細(xì)胞壁層的吸濕膨脹的一類多糖類物質(zhì)[2]。具有粘液種子的植物多分布在干旱區(qū)，已有報道表明燈心草科(Juncaceae)、十字花科(Brassicaceae)、爵床科(Acanthaceae)、車前科(Plantaninaceae)、唇形科(Lamiaceae)、玄參科(Scrophulariaceae)和菊科(Asteraceae)的很多植物能夠產(chǎn)生粘液種子[3]，種子產(chǎn)生粘液是植物應(yīng)對干旱少雨的惡劣環(huán)境的有效對策之一[4]。種皮粘液物質(zhì)的存在對荒漠植物種子的擴(kuò)散、定居、防御捕食、萌發(fā)及幼苗存活等具有重要的生態(tài)意義[2]。粘液物質(zhì)可以使種子迅速吸水膨脹，并能通過粘沙(土)而使種子大?；?，有利于種子萌發(fā)和幼苗建成。但是，粘液層的存在一方面為種子萌發(fā)提供了良好的條件，另一方面降低了種子的流動性，限制了該類種子的遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，進(jìn)而影響到該類植物種群新生境的拓殖。

種子傳播是指種子從母株脫離后散布到其他生境位點(diǎn)的過程，是恢復(fù)生態(tài)學(xué)、植物生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)研究中最受關(guān)注的內(nèi)容。動物在種子傳播過程中起到重要作用，在熱帶和亞熱帶，80%～90%的植物依賴于動物傳播以實(shí)現(xiàn)更新[5]。動物傳播粘液種子的方式可分為兩種：一種為體外傳播，指粘液種子遇濕分泌粘液后粘附在鳥類羽毛、喙或動物皮毛上進(jìn)行傳播；另一種為動物消化道傳播(endozoochore)，是指種子被食草(果)動物所采食，經(jīng)過消化道作用以后，通過反芻或糞便排出體外的現(xiàn)象[6]。尤其是后者，傳播距離較遠(yuǎn)，并且覆蓋種子的糞便能為種子提供天然保護(hù)層和萌發(fā)所需的各種營養(yǎng)成分，對植物種群更新和荒漠植被恢復(fù)具有重要意義。有研究報道，粘液種子的天然種衣結(jié)構(gòu)在家畜消化道內(nèi)可以起到保護(hù)種子不受深度傷害，并能使在特定時間段排出的種子仍然保持活力[7]，因此，草食動物可以通過消化道傳播而作為粘液種子的傳播者，但目前此方面的報道較匱乏。本研究正是基于消化道傳播的原理展開，把粘液種子與消化道傳播進(jìn)行結(jié)合研究，以車前科的條葉車前(Plantagolessingii)、菊科的伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)、十字花科的澀芥(Malcolmiaafricana)、播娘蒿(Descuminiasophia)、異果芥(Diptychocarpusstrictus)、群心菜(Cardariadraba)這6種粘液種子為研究材料，用尼龍袋法[8]進(jìn)行瘺管羊瘤胃消化，明確不同粘液種子對瘤胃消化的反應(yīng)，以豐富有關(guān)植物種子消化道傳播的內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 研究材料

實(shí)驗(yàn)所用到6種種子均為2015年6-7月采集于新疆石河子市南山牧場(E 84°58′-86°24′，N 43°26′-45°20′,海拔2252 m)，分別是條葉車前、伊犁絹蒿、播娘蒿、澀芥、異果芥、群心菜；它們隸屬于3個科，分別為車前科、十字花科、菊科。這6種種子遇水均能分泌粘液，為草地常見良等牧草，家畜采食率較高[9]。

1.2 種子瘤胃消化及回收

種子瘤胃消化采用瘤胃瘺管尼龍袋法[8]。選用3只體重為(52.0±2.97) kg左右的安裝了永久性瘤胃瘺管的哈薩克羊，代謝籠內(nèi)單籠飼養(yǎng)。投放種子前預(yù)飼1周，每只羊每天飼喂精料200 g，苜蓿(Medicagosativa)干草1.8 kg，自由飲水。實(shí)驗(yàn)開始后將種子放入尼龍袋內(nèi)(尺寸6 cm×9 cm，孔徑40～50 μm)，每種種子每個處理1000粒，用尼龍線扎口后綁在鐵鏈上。將尼龍袋在晨飼前(9:00)由瘤胃瘺管投入到瘤胃中，鐵鏈末端用尼龍線連接一鐵夾子，固定在瘤胃瘺管外部背毛上，以防止鏈條脫落入瘤胃內(nèi)[10]。共設(shè)置0、4、8、12、16、20、24、36和48 h這9個處理時間。試驗(yàn)期間正常飼喂。到相應(yīng)處理時間后分別從3只羊瘤胃內(nèi)各取出1個尼龍袋(代表3個重復(fù))。種子取出后用自來水沖洗干凈，放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然干燥后于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 種子形態(tài)特征的測定

分別用1/10000電子天平和體視顯微鏡測量種子的千粒重和長、寬，用游標(biāo)卡尺測量種子高度，并觀察有無附屬結(jié)構(gòu)。

1.4 種子粘液量觀測

挑選各時間段處理的每種種子10粒浸入蒸餾水中，待種子吸水飽和后(約2 h[10-11])，于體視顯微鏡下觀察粘液消失狀況。再挑選各時間段處理的每種種子100粒，用1/10000電子天平稱其重量。之后將種子放入培養(yǎng)皿中，向培養(yǎng)皿中加水至淹沒種子，待種子吸水飽和后，將種子取出，用擦鏡紙將種子表面殘留的粘液物質(zhì)擦拭干凈，然后將其放入25 ℃烘箱中干燥至恒重，再用1/10000電子天平稱其重量。根據(jù)公式(1)計算粘液占種子重量的百分率：

粘液百分率(%)=[(去粘液前重量-去粘液后重量)/去粘液前重量]×100

(1)

1.5 種子吸水量測定

挑選各處理時間的每種種子100粒，用1/10000電子天平稱其重量(M1)后，裝入塑料圓柱筒(直徑2 cm,高3 cm)內(nèi)，圓柱筒一端蒙上一層尼龍布(孔徑40～50 μm)，用1/10000電子天平稱其重量(M2),將圓柱筒插入蒸餾水中，待種子吸水飽和后，取出圓柱筒，用濾紙將柱筒周圍多余的水擦去，放在1/10000電子天平上稱其重量(M3)[12]。根據(jù)公式(2)計算吸水率：

吸水率(%)=[(M3-M2)/M1]×100

(2)

1.6 種子粘沙量測定

挑選各處理時間的每種種子100粒，在1/10000電子天平上稱其重量。在高5.9 cm、直徑6.6 cm的圓筒形金屬罐中放置粒徑小于0.25 mm的風(fēng)干沙,沙層厚度4.5 cm,將稱重后的種子均勻擺放在沙層表面,每種種子3罐(3個重復(fù)),再鋪上一層厚度為5 mm的沙層。之后用噴壺往罐中澆水，至水淹沒沙層表面，使沙層全部浸透。完成上述操作后,將金屬罐置于室內(nèi)自然干燥。待完全干燥后,用0.25 mm粒徑土壤篩輕輕篩出(或挑出)種子,觀察粘沙情況,并用1/10000電子天平稱量重量[13]。根據(jù)公式(3)計算粘沙率:

粘沙率(%)=[(粘沙后重量-粘沙前重量)/粘沙前重量]×100

(3)

1.7 萌發(fā)率的測定

挑選各處理時間的每種種子100粒，用紙上法(top paper, TP)[14]進(jìn)行萌發(fā),重復(fù)3次。根據(jù)采集地植被生長氣候條件設(shè)置15 ℃/25 ℃變溫和8 h光照/16 h黑暗[10],胚根出現(xiàn)1～2 mm即可認(rèn)為已經(jīng)萌發(fā)，每24 h進(jìn)行萌發(fā)檢測，統(tǒng)計萌發(fā)個數(shù)并將已萌發(fā)種子移除，到連續(xù)40 d后不再有種子萌發(fā)為止。根據(jù)公式(4)計算萌發(fā)率：

萌發(fā)率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù))×100

(4)

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007輸入整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 13.0和Origin 8.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同消化時間下的種子形態(tài)學(xué)特征

通過對消化前后種子形態(tài)特征進(jìn)行觀察和測量，發(fā)現(xiàn)只有異果芥種子具有種翅這一附屬結(jié)構(gòu)，且不同處理時間種子的長、寬、高和千粒重不同。處理前長度最大的是條葉車前(3.73 mm)，最小的是澀芥(1.12 mm),二者相差約3倍；寬度最大的是異果芥(2.18 mm)，最小的是播娘蒿(0.40 mm)，二者相差約5倍；高(厚)度最大的是群心菜(0.94 mm)，最小的是澀芥(0.37 mm)，二者相差約3倍；千粒重最大的是條葉車前(2.06 g)，最小者是播娘蒿(0.18 g)，二者相差約11倍。不同處理時間6種種子的長度和高(厚)度之間均差異不顯著(P>0.05)，由于異果芥具有種翅附屬結(jié)構(gòu)，故除異果芥外，其他5種種子寬度之間差異均不顯著(P>0.05)。隨著消化時間增加，粘液物質(zhì)逐漸被消化，故種子千粒重逐漸減小，處理48 h的千粒重和處理前相比均差異顯著(P<0.05)(表1)。

表1 不同處理時間種子形態(tài)學(xué)特征Table 1 Morphological characteristics of six kinds of mucilaginous seeds as influenced by digestion time

注：同行不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters within the same row indicate significant differences between digestion time treatments at the 0.05 level. The same below.

2.2 不同消化時間下種子粘液層變化特征

經(jīng)過不同消化時間處理后粘液種子的粘液層明顯發(fā)生變化，首先是隨著消化時間的增加,種子表層粘液物質(zhì)逐漸消失，即這6種粘液種子的粘液都能被綿羊瘤胃液消化；伊犁絹蒿、群心菜、播娘蒿、澀芥在消化8 h后表層粘液已被消化殆盡，條葉車前粘液層較厚，消化時間持續(xù)到12 h時表層粘液才被徹底消化，異果芥種子表面的粘液物質(zhì)構(gòu)成種翅這一附屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)消化時間持續(xù)到48 h后種翅才被徹底消化；其次是種子表面顏色也發(fā)生明顯變化，播娘蒿、條葉車前、澀芥種子表面由處理前的亮黃色逐漸變成黑褐色；群心菜種皮由處理前的亮紅色逐漸變成暗黑色，異果芥種翅消失的同時種皮顏色也逐漸變成暗黃色(圖1)。進(jìn)一步對各處理時間的每種粘液種子的粘液量進(jìn)行測量并對測量結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)粘液量隨消化時間的變化符合形如y=-1.98+48.26e-x/8.40(R2=0.95441,P=0<0.01)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖2)。

圖1 不同處理時間粘液種子形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of mucilaginous seeds as affected by digestion time A: 澀芥 M. africana; B: 播娘蒿 D. sophia; C: 伊犁絹蒿 S. transiliense; D: 異果芥 D. strictus; E: 條葉車前 P. lessingii; F: 群心菜 C. draba.

2.3 不同處理時間粘液種子吸水率和粘沙率

圖2 不同處理時間粘液種子粘液百分率Fig.2 Mucilage percentage as affected by digestion time

粘液物質(zhì)的吸水和粘沙是粘液種子的兩個重要特征，粘液物質(zhì)在種子吸水膨脹過程能吸收大量水分，即粘液種子對水分的吸收主要集中于種皮表面的粘液層，因此吸水率也逐漸降低；粘沙是粘液種子特有的性質(zhì)，隨消化時間增加粘液種子的粘液量逐漸減少，粘沙能力逐漸減弱直至喪失。對各處理時間的粘液種子進(jìn)行吸水率和粘沙率的測定并對測定結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者隨消化時間的變化分別符合形如y=90.04+428.03e-x/4.43(R2=0.75934,P=0<0.01)(圖3A)和y=-0.71+342.76e-x/5.05(R2=0.81124,P=0<0.01)(圖3B)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2.4 萌發(fā)率的測定

種子經(jīng)過消化道消化后能夠萌發(fā)是實(shí)現(xiàn)消化道傳播的前提，隨著消化時間增加，6種粘液種子的萌發(fā)率均逐漸降低。異果芥處理8 h后萌發(fā)率降為0；播娘蒿和伊犁絹蒿處理12 h后萌發(fā)率降為0；條葉車前處理16 h后萌發(fā)率降為0；澀芥處理20 h后萌發(fā)率降為0；群心菜在處理48 h后萌發(fā)率仍能達(dá)到16.67%。將這6種種子按萌發(fā)率高低分為3組：高萌型(80%～100%)、中間型(30%～80%)、低萌型(0～30%)，則條葉車前、群心菜、伊犁絹蒿屬于高萌型，澀芥屬于中間型，異果芥和播娘蒿屬于低萌型。單因素方差分析結(jié)果顯示，異果芥、澀芥、播娘蒿和伊犁絹蒿處理4 h萌發(fā)率即出現(xiàn)差異(P<0.05)，條葉車前處理8 h萌發(fā)率出現(xiàn)差異(P<0.05)，群心菜處理48 h萌發(fā)率才出現(xiàn)差異(P<0.05)(表2)。

圖3 不同處理時間粘液種子吸水率(A)和粘沙率(B)Fig.3 Water absorption rate (A) and sand adherence rate (B) as affected by digestion time

表2 不同處理時間粘液種子的萌發(fā)率Table 2 Germination rates of six types of mucilaginous seeds as affected by digestion time %

3 討論

3.1 瘤胃消化對粘液種子形態(tài)特征的影響

種子形態(tài)特征是種子與其生長環(huán)境長期相互作用的結(jié)果，不同植物種子的形態(tài)特征不僅會影響種子的萌發(fā)特性，同時對種子的散布方式也有一定的影響[10]。通過對6種粘液種子經(jīng)過綿羊瘤胃消化前后的形態(tài)特征的觀察發(fā)現(xiàn)，除異果芥外，其他5種種子長、寬、高(厚)差異均不顯著(P>0.05)，這是因?yàn)?種種子都不具備附屬結(jié)構(gòu)，而粘液膜通常生長在次生細(xì)胞壁中，幾乎沒有由次生細(xì)胞壁通過形態(tài)變化而形成的粘液膜，種子表皮細(xì)胞中的粘液從裂縫中擠出，粘液僅限在亞表皮產(chǎn)生，表皮由于粘性細(xì)胞的膨脹而破裂[15]，表層粘液在干燥時僅為一層膜狀膠質(zhì)。異果芥種子的表層粘液物質(zhì)構(gòu)成其種翅，一方面這種結(jié)構(gòu)有利于種子在空中飛行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，還可增加種子與地面的摩擦，從而更有利于種子的散布與萌發(fā)[10]；另一方面，粘液種子種皮粘液的化學(xué)成分主要是果膠類多糖物質(zhì)，如半乳糖醛酸和纖維素等[2]，反芻家畜瘤胃環(huán)境具有消化這類物質(zhì)能力[7]，因此其消化前后種子寬度差異顯著(P<0.05)，長和高差異不顯著(P>0.05)。

3.2 粘液種子粘液物質(zhì)的功能

本研究通過對6種種子消化前后粘液量的測定，結(jié)果表明粘液量隨消化時間的增加而減少，再次說明種子粘液逐漸被家畜瘤胃環(huán)境所消化[7]。但是粘液物質(zhì)的存在對種子至關(guān)重要。首先，它可以調(diào)控種子吸水過程，而吸水是種子萌發(fā)的前提。通過對6種種子消化前后的吸水率進(jìn)行測定，結(jié)果表明種子吸水率隨消化時間增加而減少，這是因?yàn)殡S消化時間延長種子表面的粘液物質(zhì)逐漸減少，而對于粘液種子而言，種子表面粘液物質(zhì)的吸水能力遠(yuǎn)高于種子自身，其吸收的水分在種子的吸水過程中占主導(dǎo)地位[11,16]，因此粘液量減少的同時種子吸水率也逐漸減少。然而吸水率的減少必然影響種子的萌發(fā)。伍晨曦等[11]通過對小車前(Plantagominuta)萌發(fā)策略的研究發(fā)現(xiàn)粘液物質(zhì)的存在能保證種子表面有足夠的有效水分，減緩種子在干旱脅迫下萌發(fā)的不良影響，保障種子正常吸水。同時其保水能力還可使種子在干旱少雨的荒漠環(huán)境中有效利用有限的降雨，不至于快速死亡，保持生命力和活力。當(dāng)外部環(huán)境干旱脅迫程度加劇時，粘液物質(zhì)強(qiáng)吸水作用與種子本身爭奪水分，使種子內(nèi)部水分含量減少，減緩種子萌發(fā)速率，避免種子在惡劣環(huán)境中大批萌發(fā)而導(dǎo)致種群滅絕。對抱莖獨(dú)行菜(Lepidiumperfoliatum)[17]種子粘液物質(zhì)的研究也得出類似結(jié)論。

其次，粘液種子的粘液具有粘沙功能，而粘沙是粘液種子特有的屬性。本研究通過對6種種子消化前后粘沙率的測定，結(jié)果表明粘沙率隨消化時間的增加而減少，這是因?yàn)殡S消化時間的增加種子粘液量減少，粘液量越少種子粘沙率也越低[3]。而粘沙率的降低必然會影響種子萌發(fā)和傳播。據(jù)已有研究報道，具粘液種子的植物大多數(shù)分布在干旱荒漠區(qū)[1,18-21]。當(dāng)粘液種子遇濕粘沙后，粘附于種子上的沙粒不僅增加種子重量，還加大該單元的體積和表面積。體積的增加限制了種子在土壤中的深埋，種子通過這種途徑將種子保留在土壤表面以保證種子萌發(fā)所需的光照條件[14]。粘沙還能促進(jìn)種子大?；?，防止風(fēng)將其移位并進(jìn)一步傳播；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)粘液種子的啟動風(fēng)速由粘沙前的5.14 m/s提高到粘沙后的7.17 m/s，抗風(fēng)能力明顯提高[18]，且粘附的沙粒形成一層保護(hù)層，避免種子受到風(fēng)蝕或螞蟻等昆蟲采食[15]。

3.3 粘液種子的消化道傳播

種子經(jīng)過消化道作用后能夠萌發(fā)是實(shí)現(xiàn)消化道傳播的前提。通過對6種粘液種子消化前后的萌發(fā)率測定，結(jié)果表明6種種子的萌發(fā)率隨消化時間的延長，粘液量降低的同時萌發(fā)率都逐漸降低，即同具粘液種子相比，去粘液種子萌發(fā)率降低[11,16],這可能是因?yàn)樘烊环N衣結(jié)構(gòu)在家畜消化道內(nèi)起到了保護(hù)種子不受深度傷害并能使其在特定時間段內(nèi)排出的種子仍然保持活力[7]。但群心菜萌發(fā)率降低速度最慢，即抵抗瘤胃消化能力最強(qiáng)，究其原因，首先是因?yàn)槠浞N子形狀接近圓形，而種子形狀在很大程度上影響到其在消化道內(nèi)滯留時間的長短，因?yàn)楸M管攝入初期的咀嚼過程會對種子產(chǎn)生一定的破壞作用，但是，同后期在消化道內(nèi)嚴(yán)酷的環(huán)境相比較，這種破壞便顯得微不足道[28]。動物消化道傳播種子效果實(shí)際上是由種子形狀是否有利于其快速通過消化道而決定的[22-27]。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，圓形種子通過消化道的速度要快并且回收后的萌發(fā)率高[29]。其次，群心菜種皮較厚，具有類似于豆科植物種子的硬實(shí)現(xiàn)象，草食動物的消化過程能通過軟化種皮或者打破休眠從而增加硬實(shí)種子的萌發(fā)率[24,30-31]。相比之下，同為十字花科的播娘蒿、澀芥和異果芥三者的萌發(fā)率隨消化時間的增加顯著降低(P<0.05)，首先是因?yàn)椴ツ镙锖蜐娴姆N子形狀為橢圓形，通過消化道的時間較長，其次是二者的種皮較薄，同具有高強(qiáng)度種皮保護(hù)的種子比較，柔軟種皮不能為種子提供有效的保護(hù)[23]。異果芥雖具有種翅，但經(jīng)瘤胃消化后其萌發(fā)率降低最快，8 h即降為0，原因可能是種翅結(jié)構(gòu)在其種子傳播過程中起作用[10]，而在抵抗瘤胃消化方面作用不明顯。

本研究發(fā)現(xiàn)，條葉車前種子結(jié)構(gòu)特殊，種子背腹壓扁，背部隆起，腹面凹陷，邊緣內(nèi)卷，似舟狀。干燥的條葉車前種子表面有光澤，并具可見的胚。當(dāng)種子遇水后，其表面的粘液物質(zhì)迅速吸水膨脹包裹在整粒種子周圍[11]。當(dāng)條葉車前種子表面粘液物質(zhì)被消化完(12 h)，瘤胃液直接與其種胚接觸而將其消化，故萌發(fā)率在粘液物質(zhì)消失后降為0。伊犁絹蒿隸屬于菊科，本研究其粘液種子在瘤胃處理12 h后萌發(fā)率降為0，這與其種子形狀近似橢圓形和種皮厚度較薄有關(guān)[23,29]。

植物種子傳播有效性是評估草食動物通過消化道傳播對植物種群更新貢獻(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，它包括傳播數(shù)量和質(zhì)量兩方面[34]。種子在動物體內(nèi)的平均滯留時間(mean retention time， MRT)是影響傳播有效性的重要指標(biāo)[35]。將絹蒿種子直接投喂給綿羊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)攝食6 h后便有大量種子排出，至10 h達(dá)到高峰，此時糞便中可萌發(fā)種子數(shù)量最多，每100 g糞便可萌發(fā)種子數(shù)量達(dá)到60粒，至14 h數(shù)量開始下降，到36 h每100 g糞便中只有1～2?？擅劝l(fā)種子，48 h后再無可萌發(fā)種子排出[7]。本實(shí)驗(yàn)通過對6種粘液種子的綿羊消化道處理研究發(fā)現(xiàn)，可萌發(fā)種子集中在0～12 h這段時間內(nèi)，即雖然經(jīng)消化道作用后種子萌發(fā)率顯著降低(P<0.05)，但仍有部分種子成功“逃逸”。此外，因?yàn)槟钢甑腏-C效應(yīng)，即由于母株的郁閉和母株附近存在大量的植物病原菌，使得母株附近種子和幼苗的死亡率特別高[36-37]，粘液種子借助草食動物的消化道傳播能很好地逃避這一弊端。再者，草食動物傾向于將種子定向排放在空曠地[38]，并且覆蓋種子的糞便能為種子提供天然保護(hù)層和萌發(fā)所需的各種營養(yǎng)成分。由于消化道傳播存在以上優(yōu)勢，且對粘液植物種群更新和植被恢復(fù)具有重要意義，這為草食動物對粘液種子進(jìn)行消化道傳播提供了可能。

4 結(jié)論

將粘液繁殖體(myxospermy)與消化道傳播(endozoochore)結(jié)合研究是本實(shí)驗(yàn)最大的特色。以條葉車前、異果芥、澀芥、播娘蒿、群心菜、伊犁絹蒿這6種粘液種子為研究材料，采用瘺管羊瘤胃消化處理，并對處理前后種子的形狀特征、吸水率、粘沙率、粘液含量、萌發(fā)率等指標(biāo)進(jìn)行測定，主要結(jié)論如下：

1)這6種粘液種子表層粘液物質(zhì)都能被綿羊瘤胃液消化，且隨消化時間延長，種皮顏色變深，紋理模糊，種翅等附屬結(jié)構(gòu)消失。

2)這6種粘液種子表層粘液物質(zhì)含量隨瘤胃消化時間的變化符合形如y=-1.98+48.26e-x/8.40(R2=0.95441,P=0<0.01)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，種子吸水率和粘沙率消化時間之間分別符合形如y=90.04+428.03e-x/4.43(R2=0.75934,P=0<0.01)和y=-0.71+342.76e-x/5.05(R2=0.81124,P=0<0.01)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3)瘤胃處理后可萌發(fā)種子多集中在0～12 h處理時間段內(nèi)，即使是相同科的植物在抵抗瘤胃消化方面能力也不相同，但這6種粘液種子均可通過草食動物消化道進(jìn)行傳播。

References：

[1] Ma J L, Liu Z M. Myxospermy and its ecological function. Chinese Journal of Ecology, 2006, 25(11): 1400-1404. 馬君玲, 劉志民. 粘液繁殖體及其生態(tài)功能. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(11): 1400-1404.

[2] Liu X F, Tan D Y. Ecological significance of seed mucilage in desert plants. Chinese Bulletin of Botany, 2007, 24(3): 414-424. 劉曉風(fēng), 譚敦炎. 荒漠植物種子粘液的生態(tài)學(xué)意義. 植物學(xué)報, 2007, 24(3): 414-424.

[3] Liu Z M, Yan Q L, Luo Y M,etal. Comparison of mucilage produced by achenes of 5Artemisiaspecies under different rainfall treatments. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(6): 1497-1501. 劉志民, 閻巧玲, 駱永明, 等. 不同降水量處理時5種蒿屬植物瘦果粘液溶出. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(6): 1497-1501.

[4] Huang Z Y, Gutterman Y. Water absorption by mucilaginous achenes of artemisia monosperma: floating and germination as affected by salt concentrations. Israel Journal of Plant Sciences, 1999, 47(1): 27-34.

[5] Jordano P. Frugivores and seed dispersal: mechanisms and consequences for biodiversity of a key ecological interaction. Biology Letters, 2011, 7(3): 321-323.

[6] Oudtshoorn K V R V, Rooyen M W V. Dispersal Biology of Desert Plants[M]//Dispersal Biology of Desert Plants. Berlin Heidelberg: Springer, 1998.

[7] Lu W H, Wan J J, Yang J J. Morphological and physiological characteristics ofSeriphidiumtransilienseseed and response of endozoochorous by sheep. Highlights of Science Paper Online, 2015, (8): 500-509. 魯為華, 萬娟娟, 楊潔晶. 伊犁絹蒿種子形態(tài)/生理學(xué)特征及其對綿羊消化道傳播的響應(yīng). 中國科技論文在線精品論文, 2015, (8): 500-509.

[8] Han J G. Grassland Science[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2007. 韓建國. 草地學(xué)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2007.

[9] Yu L, Lu W H, Yan P,etal. Resources and assessment of natural grassland in Shaertao mountain, Zhaosu county in Xinjiang. Chinese Journal of Grassland, 2014, 36(6): 4-11. 于磊, 魯為華, 閻平, 等. 新疆昭蘇縣境沙爾套山天然草地牧草資源與評價. 中國草地學(xué)報, 2014, 36(6): 4-11.

[10] Yang J J, Wan J J, Nalikesi,etal. Seed morphology and effect of sheep rumen digestion on germinability of 28 grass of Tianshan. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(2): 104-115. 楊潔晶, 萬娟娟, 娜麗克斯, 等. 28種植物種子形態(tài)學(xué)性狀及其萌發(fā)對綿羊瘤胃消化的反應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2015, 24(2): 104-115.

[11] Wu C X, Sun Y, Feng G. Water absorbance features of mucilage on the seeds of a desert ephemeral plant,PlantagominutaPall, and its role in germination of the seeds under drought stress. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(4): 1849-1858. 伍晨曦, 孫羽, 馮固. 小車前(PlantagominutaPall)種子表面粘液物質(zhì)的吸水特性及其對種子在干旱環(huán)境中萌發(fā)的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(4): 1849-1858.

[12] Deng W, Jeng D S, Toorop P E,etal. A mathematical model of mucilage expansion in myxospermous seeds ofCapsellabursa-pastoris(shepherd’s purse). Annals of Botany, 2012, 109(2): 419-427.

[13] Liu Z M, Yan Q L, Luo Y M,etal. A comparative study on mucilaginous diaspores of four plant species. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(10): 1869-1872. 劉志民, 閻巧玲, 駱永明, 等. 四種植物粘液種子粘液的比較研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2004, 15(10): 1869-1872.

[14] State Bureau of Technical Supervision. GB/T 3543. 4-1995, Rules for the Inspection of the National Standard of the People’s Republic of China Crop Seed Germination Test[S]. Beijing: China Standards Press, 1995. 國家技術(shù)監(jiān)督局. GB/T 3543. 4-1995, 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1995.

[15] Van R V O K, Van R M W. Dispersal Biology of Desert Plants[M]. Berlin Heidelberg: Springer, 1999.

[16] Abduwayit A, Tursunay Y, Halida Z,etal. Studies on relationship between the natural seed coat and moisture ofSeriphidiumtransiliense. Arid Zone Research, 2000, 17(4): 53-56. 阿衣古力·阿不都瓦依提, 吐爾遜娜依, 哈麗旦, 等. 伊犁絹蒿種子天然種衣與水分關(guān)系初步研究. 干旱區(qū)研究, 2000, 17(4): 53-56.

[17] Sun Y. Eco-Adaptability of Mucilaginous Seeds Germination in EphemeralAlyssumminus[D]. Urumchi: Xinjiang Agricultural University, 2012. 孫穎. 短命植物新疆庭薺粘液種子的萌發(fā)生態(tài)適應(yīng)性[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[18] Huang Z Y, Gutterman Y, Hu Z H,etal. Seed germ inArtemisiasphaerocephalaI. the structure and function of the mucilaginous achene. Acta Phytoecologica Sinica, 2001, 25(1): 22-28. 黃振英, Gutterman Y, 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. 植物生態(tài)學(xué)報, 2001, 25(1): 22-28.

[19] Witztum A, Evenari M. Integumentary mucilage as an oxygen barrier during germination ofBlepharispersica(Burm.) Kuntze. Botanical Gazette, 1969, 130(4): 238-241.

[20] Osborne D J. A. Fahn plant anatomy 4th Edn. 1990 pergamon press chichester 588 hardback ￡57. 50, US $99. 00; paperback ￡24. 95, US ￡49. 95. Endeavour, 1991, 15(2): 98.

[21] Liu Z M, Yan Q L, Luo Y M,etal. Screening on myxospermy of 124 species occurring on the sandy habitats of western Horqin Steppe. Journal of Desert Research, 2005, 25(5): 716-721. 劉志民, 閆巧玲, 駱永明, 等. 科爾沁沙地124種天然植物粘液種子的甄別. 中國沙漠, 2005, 25(5): 716-721.

[22] Janzen D H. Dispersal of small seed by big herbivores: foliage is the fruit. American Naturalist, 1984, 123(3): 338-353.

[23] Lu W H, Wan J J, Yang J J,etal. Review of endozoochory of plant seeds by herbivores. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(3): 306-313. 魯為華, 萬娟娟, 楊潔晶, 等. 草食動物對植物種子的消化道傳播研究進(jìn)展. 草業(yè)學(xué)報, 2013, 22(3): 306-313.

[24] Blackshaw R E, Rode L M. Effect of ensiling and rumen digestion by cattle on weed seed viability. Weed Science, 1991, 39(1): 104-108.

[25] Gardener C J, Mcivor J G, Jansen A. Survival of seeds of tropical grassland species subjected to bovine digestion. Journal of Applied Ecology, 1993, 30(1): 75-85.

[26] Doucette K M, Mccaughey W P. Seed recovery and germination of reseeded species fed to cattle. Journal of Range Management, 2001, 54(5): 575-581.

[27] Cosyns E, Delporte A, Lens L,etal. Germination success of temperate grassland species after passage through ungulate and rabbit guts. Journal of Ecology, 2005, 93(2): 353-361.

[28] Claudia M. Endozoochory by native and exotic herbivores in dry areas: consequences for germination and survival ofProsopisseeds. Seed Science Research, 2008, 18(2): 91-100.

[29] Whitacre M K, Call C A. Recovery and germinability of native seed fed to cattle. Western North American Naturalist, 2006, 66(1): 121-128.

[30] Wang Y, Hou Y, Li X Y,etal. A study on the relationship between the pod, seed development and the occurrence of seed hardiness ofMelissttusruthenicus. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(3): 303-307. 王穎, 侯宇, 李曉宇, 等. 扁蓿豆莢果和種子發(fā)育及硬實(shí)發(fā)生的關(guān)系. 草業(yè)學(xué)報, 2012, 21(3): 303-307.

[31] Isselin-Nondedeu F, Bédécarrats A. Soil microtopographies shaped by plants and cattle facilitate seed bank formation on alpine ski trails. Ecological Engineering, 2007, 30(30): 278-285.

[32] Huang Z Y, Gutterman Y. Germination ofArtemisiasphaerocephala(Asteraceae), occurring in the sandy desert areas of Northwest China. South African Journal of Botany, 1999, 65(3): 187-196.

[33] Song M F, Liu H L, Zhang D Y,etal. Screening and comparison on myxospermy of 120 species occurring on the Junggar Desert. Journal of Desert Research, 2009, 29(6): 1134-1140. 宋明方, 劉會良, 張道遠(yuǎn), 等. 準(zhǔn)噶爾荒漠120種植物粘液種子的甄別與比較. 中國沙漠, 2009, 29(6): 1134-1140.

[34] Li N, Zhong M, Leng X,etal. Seed dispersal effectiveness of plant by frugivores: A review. Chinese Journal of Ecology, 2015, (7): 2041-2047. 李寧, 鐘明, 冷欣, 等. 食果動物傳播植物種子的有效性. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, (7): 2041-2047.

[35] Warner A C I. Rate of passage of digesta through the gut of mammals and birds. Nutrition Abstract and Review, 1981, 51: 789-820.

[36] Janzen D H. Herbivores and the number of tree species in tropical forests. American Naturalist, 1970, 104: 501-528.

[37] Connell J H. On the role of natural enemies in preventing competitive exclusion in some marine animals and in forest trees. Center Publishing & Documentation Wageningen, 1970, 298: 298-312.

[38] Martínez I, García D, Obeso J R. Differential seed dispersal patterns generated by a common assemblage of vertebrate frugivores in three fleshy-fruited trees. Ecoscience, 2008, 15(2): 189-199.

Morphological characteristics of six kinds of mucilaginous seeds and their response to digestion in the rumen of sheep

WANG Shu-Lin1, Narkes Wali1, LU Wei-Hua1*, WANG Wei-Qiang2, WANG Chuan-Jian2

1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China; 2.CollegeofInformationScienceandTechnology,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China

An experiment has been undertaken to compare the morphological characteristics of mucilaginous seeds from six plant species (Plantagolessingii,Seriphidiumtransiliense,Malcolmiaafricana,Descuminiasophia,DiptychocarpusstrictusandCardariadraba) and to study their digestion in the rumen of sheep. After determining their morphological characteristics, seeds were put into nylon bags which were then placed in the rumen of sheep through a fistula. The bags were removed at different times and then the mucilage percentage, water absorption rate and sand adherence rate of the seeds were determined. The results were compared with seeds that had not been digested. The results showed that mucilage on the seed surface of all six species was digested by the rumen fluid of sheep. The seeds became dark after digestion. The seed wings ofD.strictusconsisted primarily of mucilage. As a result, the width ofD.strictusseeds changed significantly as digestion time increased (P<0.05). In contrast, the length and thickness ofD.strictusseeds were not significantly affected by digestion time (P>0.05). Digestion time had no significant effects on the length, width and thickness of seeds of the other five plant species (P>0.05). The mucilage percentage, water absorption rate and sand adherence rate decreased as digestion time increased. The relationship between mucilage percentage and digestion time is expressed as the equationy=-1.98+48.26e-x/8.40, wherexis time in hours (R2=0.95441,P=0<0.01). The relationship between water absorption rate and digestion time is expressed by the equationy=90.04+428.03e-x/4.43 (R2=0.75934,P=0<0.01). The relationship between sand adherence rate and digestion time is expressed as the equationy=-0.71+342.76e-x/5.05 (R2=0.81124,P=0<0.01). Seed germination rates decreased significantly after digestion (P<0.05), with the largest decreases occurring when digestion time was >12 h. Although seed germinability decreased after passage through the rumen, the survival of some seeds indicates that grazing sheep are a possible pathway for seed dispersal.

mucilaginous seeds; rumen digestion; morphological characteristics; water absorption; sand-holding capacity; germination; endozoochore

10.11686/cyxb2016185

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-03；改回日期：2016-06-07

國家自然科學(xué)基金(31360568；31560659)資助。

王樹林(1992-),男，河南信陽人，在讀碩士。E-mail: 2294997914@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: winnerlwh@sina.com

王樹林, 娜麗克斯·外里, 魯為華, 王偉強(qiáng), 汪傳建. 六種粘液種子性狀多樣性及其對綿羊瘤胃消化的反應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(4): 89-98.

WANG Shu-Lin, Narkes Wali, LU Wei-Hua, WANG Wei-Qiang, WANG Chuan-Jian. Morphological characteristics of six kinds of mucilaginous seeds and their response to digestion in the rumen of sheep. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 89-98.