馬藺萌發(fā)過程中的形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化

孫躍春， 王 堃 汪 矛， 石潤春

(1.玉林師范學(xué)院， 廣西 玉林 537000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100193；3.河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 河北 沽源 076550)

馬藺是一種多年生草本植物，可用于園林綠化、植被恢復(fù)[1-3]，種子中含有馬藺子甲素, 可入藥，具有清熱利濕、消腫解毒、止血等功效[4]。馬藺的種子與其他鳶尾屬植物一樣，需要較長時間的休眠[5-8]?，F(xiàn)普遍認(rèn)為馬藺種子休眠的主要原因是珠孔區(qū)種皮和胚乳的機(jī)械阻力、種皮中含有抑制物質(zhì)等[9]。將鳶尾屬植物的胚取出放在有生長素的基質(zhì)上可促進(jìn)胚的生長[10]，在層積過程中種子的赤霉素含量增加[11]。有效解除休眠的方法是去除種皮和層積處理[12-14]。目前，對雙子葉植物種子和種苗結(jié)構(gòu)研究較多，而對單子葉的研究相對較少，主要集中在禾本科植物，洋蔥、絲蘭(龍舌蘭科)、海棗、蘆筍、毛百合、椰子等也有一些研究[15-16]，而對鳶尾屬植物種子結(jié)構(gòu)和種苗發(fā)育報道較少。因此，本試驗對馬藺種子萌發(fā)過程的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，以期揭示馬藺種子休眠的原因。

1 材料和方法

供試馬藺種子采收于河北沽源國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站。蒴果在空氣中干燥20 d，取出種子，將種子放在室溫條件下20 d左右。

1.1 種子形態(tài)和胚層積前后的結(jié)構(gòu)變化觀察

將種子用水浸泡20 h，用刀片切開種子觀察胚、胚乳和種皮。32 ℃下取150 g種子放在500 mL 14.38mol·L-1NaOH溶液中攪拌處理20 h，用水充分沖洗后放在7 ℃條件下層積40 d，將層積的種子和沒有層積的種子的胚小心取出[6]，將胚和去除種皮的種子固定在70%標(biāo)準(zhǔn)固定液(FAA)中，并且24 h真空滲透，用70%的酒精沖洗，然后用系列酒精脫水，將組織包埋在石蠟中，用旋轉(zhuǎn)薄片切片機(jī)切成8～12 μm厚的薄片，切片放在玻璃載玻片上，用番紅固綠染色，觀察并拍照[17]。

1.2 種苗發(fā)育過程中的形態(tài)變化

將低溫層積的種子播種在直徑10 cm的培養(yǎng)皿中(用蛭石227 cm3)。在每個培養(yǎng)皿中放入約100粒種子，光照為16 h，光照強(qiáng)度2 800 lx。每2 d澆500 mL水，多余的水流走[17]。種子7～8 d發(fā)芽，當(dāng)胚根伸出前3 d，每天取出20個種苗，以后每5天取20個，至胚乳營養(yǎng)被吸收完。取出的種子用FAA固定保存，制作切片同上。進(jìn)行切片觀察，照相。

2 實驗結(jié)果

馬藺種子長4～5 mm，寬3～4 mm，厚3～4 mm，質(zhì)地堅硬，形狀不規(guī)則，有棱角，千粒重24.85 g。由圖1可見，種子外層包被種皮，與胚乳緊密連結(jié)，顏色較深。種皮由外種皮和內(nèi)種皮組成，外種皮革質(zhì)，由2層近柱狀厚壁細(xì)胞組成，內(nèi)種皮由5～6 層胞壁栓化的細(xì)胞和1層表皮下層細(xì)胞組成(圖2)。去除種皮的種子石蠟切片可見種子的主要組成是胚乳(圖3)，白色半透明角質(zhì)，堅硬，細(xì)胞壁具有大量半纖維素。胚小，細(xì)長圓柱形，略彎曲，長1～2 mm，將胚取出進(jìn)行縱切(圖4)，可見上胚軸的分生組織發(fā)生在一個下陷處。將根部和上胚軸的分生組織放大(圖5)，可見根端和上胚軸的頂端分生組織緊密相連，根端分化尚未完全。對胚的頂端分生組織部位進(jìn)行縱切，可見其被鞘狀結(jié)構(gòu)包圍(圖6)。

在萌發(fā)過程中，大體可分為3個階段(圖8至圖13)。首先是子葉中間部分伸長，將包含胚根、胚芽的鞘狀結(jié)構(gòu)推出，然后是在種皮外部鞘狀結(jié)構(gòu)膨大，形成胚芽鞘和初生根，最后子葉原基發(fā)育從胚芽鞘中從伸出，形成真葉，不定根從胚芽基部伸出。將種子培養(yǎng)7～8 d后，子葉中間部位伸長，將胚根、包含上胚軸的芽的鞘部推出種皮(圖9)，在萌發(fā)后2～3 d，被推出的鞘狀結(jié)構(gòu)在種皮外，凹入部分的頂端分生細(xì)胞則開始進(jìn)行平周與垂周分裂，促進(jìn)了凹入邊緣組織的生長，子葉基部膨大并呈鞘狀延伸，形成胚芽鞘，同時胚根由于重力作用向下彎曲(圖10)。隨著子葉鞘的形成，凹入底部的胚性細(xì)胞分裂形成胚芽，分化產(chǎn)生第一營養(yǎng)葉原基，真葉由第一營養(yǎng)葉原基發(fā)育而來，同時胚根伸出。這時的種苗可見明顯導(dǎo)管系統(tǒng)形成，導(dǎo)管為螺紋導(dǎo)管(圖11)，導(dǎo)管將吸器從胚乳中轉(zhuǎn)化的營養(yǎng)物質(zhì)首先向上提供給胚芽鞘，再向下提供給根部伸出。在這階段可見芽端發(fā)育明顯好于根端。當(dāng)萌發(fā)后15 d左右，可見真葉從胚芽鞘縫隙伸出(圖12、圖13)，長出不定根，萌發(fā)過程中吸器的先端始終包被在種子內(nèi)，子葉為留土型。在萌發(fā)后30 d左右，胚乳營養(yǎng)基本耗盡，種皮可與吸器脫離，但吸器仍保留。比較吸器在萌發(fā)前后的變化，可見吸器在萌發(fā)過程中在種子內(nèi)明顯增大，萌發(fā)前整個胚的長度為1～2 mm，當(dāng)萌發(fā)后30 d時，將種皮剝離時吸器長度可達(dá)3 mm以上，萌發(fā)初期沒有明顯的導(dǎo)管系統(tǒng)，此時，可見明顯的木質(zhì)部導(dǎo)管系統(tǒng)。

3 討 論

馬藺種子低溫層積是打破休眠的有效方法。在層積過程中，王永春等[18]在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，馬藺種皮表面并不光滑，覆蓋有大量的蠟質(zhì)。隨著處理時間的延長，種子表面的蠟質(zhì)不斷減少，層積40 d種皮表面會出現(xiàn)裂縫，這些裂縫可能會提高種子的透水、透氣性，同時種皮的機(jī)構(gòu)束縛作用也會減弱。去除種皮的種子層積前后GA3和玉米素(Z)的含量明顯升高，說明種子層積過程中主要完成生理后熟[18]，赤霉素丙酮可打破馬藺種子休眠，但種苗往往長勢弱[19]，這可能與胚乳通過子葉吸器提供營養(yǎng)的系統(tǒng)還不健全有關(guān)，層積過程不單是激素含量的變化，同時胚乳也發(fā)生降解，從而更好地為胚發(fā)育提供營養(yǎng)[20]。由于胚乳質(zhì)地堅硬，沒有得到種子層積后的種子結(jié)構(gòu)圖，而在層積過程中很可能發(fā)生胚乳類似于喜樹的果皮阻止胚根伸出部分降解過程，這需要進(jìn)一步驗證[21]。

馬藺種子與其生存環(huán)境中的其他植物種子比較，體積較大。大種子對種苗建植具有重要作用，這可使種子度過艱難時期，而且使種苗在資源競爭中處于有利地位。密集型生長的植物往往比在開闊地生長的植物種子更大，這是對蔭蔽條件下種苗建植的適應(yīng)。大種子中貯藏的碳水化合物更多。Ng等[22]研究表明，子葉出土型種子往往較小，而子葉留土型種子往往較大，小種子有很少的資源，在萌發(fā)后很快需要光合作用，所以子葉出土，而大種子可以利用子葉胚乳中的營養(yǎng)進(jìn)行生長，而不急于光合作用，所以子葉出土的種子往往是需光的，而子葉不出土的往往對遮蔽有較強(qiáng)的忍耐能力[23]。馬藺種子較大的原因可能是對其所在鹽堿環(huán)境的適應(yīng)，使其在苗期可以較少依靠環(huán)境營養(yǎng)。

馬藺種子質(zhì)地堅硬，胚較小，可以更好地逃避動物采食對胚造成的傷害，有利于種子存活，在實驗中用燒堿去除種皮過程如果處理時間稍長，往往對胚根造成傷害，但胚芽端再生能力較強(qiáng)，常能生出不定根。肖闊等[24]對馬藺進(jìn)行組織培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)胚的這一部分是最佳的外植體，有很強(qiáng)的再生能力。類似的是Gustavia superba，一個美國樹種，分離的子葉(甚至部分)能夠產(chǎn)生根和莖葉，進(jìn)而發(fā)育成獨立植株，在實驗中發(fā)現(xiàn)無論子葉前端還是末端，都可以發(fā)育，形成了一種有用的對草食動物的適應(yīng)[25]。

毛百合的種子萌發(fā)過程中存在二次休眠，毛百合[26]種子萌發(fā)過程中，子葉的吸器先端不伸長，僅包被在胚孔內(nèi)，吸收胚孔中貯藏的營養(yǎng)，并運輸給胚，子葉呈留土類型。胚芽分化時間較快，是隨著種子的萌發(fā)2～3 d就已由無分化的原胚中明顯分化，并繼續(xù)生長發(fā)育。當(dāng)種子萌發(fā)7～10 d后，隨著胚軸的伸長，已分化的胚根攜帶其后的胚芽就突破種皮發(fā)芽。當(dāng)發(fā)芽4～7 d，胚軸頂端的胚芽處就明顯逐漸膨大，如條件不適宜，第一營養(yǎng)葉原基很難進(jìn)一步發(fā)展成真葉，則呈現(xiàn)為毛百合種子萌發(fā)的二次休眠，但馬藺未觀察到這一現(xiàn)象。馬藺種子的萌發(fā)與洋蔥種子的萌發(fā)也有相似之處，但洋蔥種子的子葉伸出。在洋蔥種子的發(fā)芽中，子葉中間部分伸長，將胚根、上胚軸的芽和子葉下面的鞘部推出種皮，留下卷曲的子葉吸器埋藏在種子的胚乳內(nèi)，當(dāng)繼續(xù)發(fā)育時，子葉的中間部分形成環(huán)形或拱形，不久伸出土壤表面，最后，子葉上端離開種子，出現(xiàn)直的綠色線狀器官，在這時期，第一片營養(yǎng)葉的頂端通過子葉鞘的縫口開始伸出[27]。

4 結(jié) 論

馬藺種子質(zhì)地堅硬，形狀不規(guī)則。種皮由外種皮和內(nèi)種皮組成，外種皮革質(zhì)，由2層近柱狀厚壁細(xì)胞組成，內(nèi)種皮由5～6 層胞壁栓化的細(xì)胞和一層表皮下層細(xì)胞組成。胚乳是種子的主要部分，白色半透明角質(zhì)，堅硬，細(xì)胞壁具有大量半纖維素。胚在種子成熟時有一定的分化，但在種子中所占體積較小，被胚乳包被。種子萌發(fā)時胚需要突破胚乳和種皮的束縛。萌發(fā)時子葉中部伸長將胚根和胚芽推出種皮外，形成胚芽鞘，在胚芽鞘基部的葉原基發(fā)育成真葉伸出胚芽鞘，種苗生長過程中子葉吸器中的維管組織將胚乳分解吸收的營養(yǎng)物質(zhì)輸送到胚芽鞘和根部，促進(jìn)種苗生長，胚乳供給種苗營養(yǎng)可達(dá)30 d以上。馬藺種子的結(jié)構(gòu)可能與適應(yīng)鹽堿生境和動物采食有關(guān)，人工條件下為了促進(jìn)其萌發(fā)需要破壞種皮和提供低溫濕潤環(huán)境。